עשר מתכות, אגן מים אחד
שני הטורים הראשונים של הטבלה המחזורית מכילים את המתכות הפעילות ביותר שיש. קבוצה 1, המתכות האלקליות, יורדת מליתיום דרך נתרן, אשלגן ורובידיום ועד צסיום. קבוצה 2, המתכות האלקליות העפרוריות, יורדת מבריליום דרך מגנזיום, סידן וסטרונציום ועד בריום. (גם פרנציום ורדיום נמצאים בתחתית הטורים, אבל הם רדיואקטיביים כל כך שהשארנו אותם בחוץ.)
אף אחת מהמתכות האלה לא נמצאת בטבע בצורה טהורה: כל אחת מהן כלואה תמיד בתרכובת, כמו נתרן במלח או סידן בגיר. המתכות האלקליות רכות מספיק כדי לחתוך אותן בסכין, וחתך טרי מבריק כמו כסף רק לרגע, לפני שהאוויר מעמעם אותו. לכן שומרים אותן בתוך שמן.
הטילו חתיכה למים, וההבדל ביניהן נעשה ברור. ליתיום צף ומבעבע בקצב קבוע. נתרן נמס לכדור מבריק שמתרוצץ על פני המים. אשלגן מתרוצץ מהר עוד יותר, והגז שלו נדלק בלהבה בצבע לילך. רובידיום וצסיום שוקעים ומתנפצים כמעט מיד. בטור השני, בריליום לא עושה דבר ומגנזיום בקושי מבעבע, ואילו סידן, סטרונציום ובריום שוקעים ומבעבעים חזק יותר ויותר.
נסו: תחת שורה בטבלה, עברו מ־Li · Be ועד Cs · Ba. בכל שורה למטה המתכת השמאלית נעשית פראית יותר, ובכל שורה היא גוברת על שכנתה מימין.
מה הן הבועות ומה הוורוד
כל אחת מהתגובות האלה עושה אותו דבר. המתכת מפרקת מולקולות מים, שומרת את החמצן ומימן אחד כהידרוקסיד ומשחררת את המימן השני כגז מימן: אלה הבועות. עבור נתרן:
מתכת מקבוצה 2 עושה אותו דבר עם שתי מולקולות מים לכל אטום, ונותנת במקרה של סידן. תמיסה של הידרוקסיד מתכתי היא אלקלי, בסיס חזק. מכאן קיבלו שתי הקבוצות את שמן: “אלקלי” בא ממילה ערבית שפירושה אפר צמחים, שעשיר בתרכובות אשלגן, והתחמוצות של קבוצה 2 נקראו פעם “עפר” (earths), כי הן לא נמסו ולא השתנו באש.
הוורוד הוא פנולפתלאין, אינדיקטור שחסר צבע במים ניטרליים והופך לוורוד כשהמים נעשים בסיסיים. בסצנה הוא פורח במקום שבו ההידרוקסיד מתפשט מהמתכת. סידן הידרוקסידי מתמוסס רק מעט, ולכן העודף גם מעכיר את המים: זו העכירות החלבית של מי סיד.
התגובה גם משחררת חום. נתרן נמס ב־98 °C, ולכן התגובה שלו ממיסה אותו לכדור, והמימן שמבעבע מתחתיו דוחף אותו על פני המים. אשלגן נמס כבר ב־63 °C ומגיב מהר יותר, חם מספיק כדי להצית את המימן שלו; הצבע הלילכי הוא הזוהר של האשלגן עצמו. ליתיום נמס ב־180 °C, ולכן הוא נשאר גוש מוצק.
למה מתכות נמוכות יותר מגיבות מהר יותר
התשובה נמצאת בתוך האטום. אטומים של המתכות האלה מגיבים כשהם מוסרים את האלקטרונים החיצוניים ביותר שלהם למים, ולכן ככל שקל יותר להסיר את האלקטרונים האלה, התגובה מהירה יותר.
בירידה לאורך קבוצה, כל שורה מוסיפה עוד קליפת אלקטרונים. האלקטרון החיצוני היחיד של אטום מקבוצה 1 נמצא בכל פעם רחוק יותר מהגרעין, והקליפות המלאות שבפנים ממסכות אותו מרוב המשיכה של הגרעין. בצסיום יש 55 פרוטונים לעומת 3 בליתיום, אבל האלקטרון החיצוני שלו מרגיש רק מעט יותר מהמשיכה שלהם מזה של ליתיום, וממרחק גדול בהרבה. הסרת האלקטרון הזה ממול של אטומי ליתיום דורשת 520 kJ; מצסיום, רק 376 kJ.
נסו: בחרו אטומים בהתקרבות לאטומים, ואז עברו בין השורות. הטבעת החיצונית הזהובה גדלה בכל שורה למטה, והאנרגיה בתווית שמתחתיה יורדת.
למה קבוצה 2 מפגרת אחרי קבוצה 1
זוזו מקום אחד ימינה, מנתרן למגנזיום. לאטום נשאר אותו מספר קליפות, אבל נוסף לו פרוטון, ולכן הגרעין מושך כל אלקטרון קצת חזק יותר והאטום קטן יותר. ולמגנזיום יש שני אלקטרונים חיצוניים למסור, לא אחד. הסרת שניהם דורשת 2,188 kJ למול של אטומי מגנזיום, יותר מפי ארבעה מ־496 kJ שדורש נתרן עבור האלקטרון היחיד שלו.
לכן בכל שורה, המתכת מקבוצה 2 מגיבה לאט יותר משכנתה מקבוצה 1. מגנזיום צריך מים חמים כדי לבעבע בקצב קבוע, או אדי מים, שבהם הוא בוער באור לבן מסנוור. בריליום, הקטן מכולם, מחזיק את האלקטרונים שלו חזק כל כך, ומפתח שכבת תחמוצת קשוחה כל כך, שהוא לא מגיב עם מים בכלל.
נסו: בחרו Na · Mg והעלו את טמפרטורת המים עד 80 °C. הנתרן רק ממהר קצת, אבל המגנזיום מתעורר מבועה בודדת לבעבוע קבוע.
איפה פוגשים אותן
ליתיום אוגר את המטען בסוללות של טלפונים ומכוניות. נתרן הוא חצי ממלח הבישול, והזוהר הצהוב שלו האיר רחובות במשך עשרות שנים. אשלגן הוא חומר מזין לצמחים בדשנים, והאטומים של צסיום מודדים זמן בשעונים אטומיים. ממגנזיום מכינים סגסוגות קלות לאופניים ולמחשבים ניידים, וסידן נמצא בעצמות, בשיניים, בגיר ובצמנט. סטרונציום נותן לזיקוקים את האדום שלהם, ובריום את הירוק.
אין לטפל באף אחת מהמתכות עצמן בלי הכשרה: אפילו נתרן יכול להתיז מתכת בוערת, והמתכות האלקליות הכבדות יותר מגיבות באלימות עם הלחות שבאוויר ובעור.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
הסצנה מדרגת כמה מהר וכמה באלימות כל מתכת מגיבה, כפי שהדגמה הייתה מראה זאת, אבל המהירויות שלה לא נמדדו. תגובה אמיתית תלויה גם בגודל ובצורה של החתיכה ובכמות התחמוצת שכבר מצפה אותה. הכלל שכל תגובה מאיצה פי שניים על כל 20 °C של חימום הוא כלל אצבע גס.
כמה מהר מתכת מגיבה זה לא אותו דבר כמו כמה אנרגיה היא משחררת. ליתיום דווקא פולט מעט יותר חום לכל אטום מאשר צסיום, כי היון הקטן שלו נאחז חזק מאוד במולקולות המים שסביבו, ובכל זאת הוא מגיב הכי לאט בקבוצה שלו. המהירות תלויה בכמה קל לתגובה להתחיל, ולכן האנרגיה הדרושה להסרת האלקטרונים החיצוניים, ולא סך האנרגיה המשתחררת, היא שתואמת את מה שאתם רואים.
הפיצוצים של רובידיום וצסיום מצוירים כהבזק ונתז. סרטים שצולמו במהירות גבוהה מרמזים שמתכות אלקליות יכולות להגיב כל כך מהר כי האלקטרונים עוזבים את המתכת במהירות כזאת שהיונים החיוביים שנשארים מאחור דוחים זה את זה, ופני השטח מתפרקים ועפים לכל עבר וחושפים מתכת טרייה. הסצנה לא ממדלת את זה, וגם לא את האדים שהחום יוצר.
האטומים מצוירים לפי מודל בוהר: אלקטרונים על טבעות מעגליות. אלקטרונים אמיתיים פרושים כעננים (המאמר על אטומים מראה אותם), והמרווחים בין הטבעות כאן נועדו רק להראות אילו קליפות נמצאות בפנים ואיזו היא החיצונית. הטבעת החיצונית מצוירת ברדיוס האטומי של כל מתכת, כך שהגדלים נכונים בהשוואה בין אטום לאטום.