[일반화학실험]알칼리 금속의 주기적 성질

실험 목적

알칼리 금속 리튬, 나트륨, 칼륨의 물리적 화학적 성질을 알아보고 주기율표의 같은 족 원소의 공통적 성질이 나타나는 원인과 순차적 차이가 나는 이유를 설명할 수 있다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

기구명	규격	수량
칼		1개
시험관	지름 2㎝	6개
시험관 집게		1개
비커	500㎖	3개
핀셋		1개
보안경		1개
자동점화기	부탄가스	1개
일회용 비닐 장갑		2개
신문지		1장

 

2. 실험 시약

시약명	농도 또는 상태(성상)	필요량
알칼리 금속(Li, Na, K)	파라핀 오일에 보관된 상태	각 10g
페놀프탈레인 용액	점적병에 에탄올 용액	50㎖
염화코발트지

실험 방법

1. 알칼리 금속의 물리적 성질

1) 파라핀 오일 속에 보관된 알칼리금속의 광택을 관찰한다.

 

2) 일회용 장갑을 손에 끼고, 보안경을 착용한 후 알칼리 금속(Li, Na, K)을 핀셋으로 꺼내어 손으로 들어보며 얼마나 가벼운지 느껴보고 손톱 끝으로 눌러도 보고, 구부려도 본다.

 

3) 신문지 위에서 칼로 자르며 단단하기를 느껴보도록 한다.

 

2. 알칼리 금속의 화학적 성질

1) 위의 자르기 실험을 할 때 세 알칼리 금속의 광택이 사리지는 빠르기와 생성물의 색깔을 관찰하여 비교해본다.

 

2) 콩알 반쪽 크기로 알칼리 금속(Li, Na, K)을 잘라서 물이 ½이든 시험관에 넣고 다른 시험관으로 위에 거꾸로 씌워 상방치환으로 발생하는 기체를 모은다. 이 때 시험관을 만져서 온도의 변화를 느껴본다.

 

3) 알칼리 금속이 물과 반응하여 사라지면 위 시험관에 모은 기체를 시험관을 거꾸로 한 채 시험관을 약간 기울여 입구에 점화기로 불을 붙이며 일어나는 변화를 관찰한다.

 

4) 시험관에 남아 있는 물에 페놀프탈레인 용액을 몇 방울 가해 색깔을 관찰한다.

 

5) 찬물이 절반 정도 든 500㎖ 비커에 핀셋으로 콩알 크기의 알칼리 금속 조각을 넣고 물과 반응하는 양상을 관찰한다. 기체가 발생하므로 환기를 잘 시키고, 물이나 불꽃이 튈 수 있으니 비커 주변을 깨끗이 치우고 멀리서 지켜본다.

실험 결과

1. 알칼리금속의 물리적 성질

1) 겉모습

리튬	나트륨	칼륨

 

2) 밀도

리튬	나트륨	칼륨
0.53	0.97	0.89

 

3) 단단하기

리튬	나트륨	칼륨
꽤 단단하다.	무르다.	매우 무르다.

 

3) 단면(자르는) 사진

리튬	나트륨	칼륨
광택이 난다.	광택이 난다.	광택이 난다.

 

2. 알칼리금속의 화학적 성질

1) 단면의 공기 중 산소에 의한 산화 반응

리튬	나트륨	칼륨
빨리 산화	더 빨리 산화	매우 빨리 산화

 

2) 알칼리 금속과 물과의 반응하는 모습

리튬	나트륨	칼륨
물과 반응	격렬히 물과 반응	폭발적 반응

 

3) 발생한 기체에 점화기로 불을 붙였을 때 관찰한 결과

리튬	나트륨	칼륨
실험결과 없음	불꽃이 나타나며 타오름	실험결과 없음

 

4) 남은 수용액에 페놀프탈레인 수용액을 가했을 때 관찰한 결과

리튬	나트륨	칼륨
분홍	분홍	분홍

토의 사항

1. 실험 고찰

1) 실험에서 관찰한 알칼리 금속의 공통적인 물리적 성질은 무엇인가?

일반적인 금속들 보다 무르고, 칼로도 쉽게 잘린다.

 

2) 알칼리 금속의 밀도가 다른 금속보다 유난히 작아서 물에 뜰 정도로 작은 까닭은 무엇인가? 그리고 나트륨의 밀도가 리튬의 밀도보다 큰 이유는 무엇인가?

알칼리 금속은 동주기의 원소들에 비해서 원자반지름이 크고 원자량이 작아, 동주기 원소들보다 단위질량당 부피가 커서 밀도가 크다. 나트륨의 원자량:(원자반지름의 세제곱) 비율이 리튬의 비율보다 크기 때문이다.

 

3) 알칼리 금속이 무른 까닭은 무엇인가? 그리고 리튬, 나트륨, 칼륨의 단단하기의 순서는 어떻게 되며 그 까닭을 금속결합의 세기에 주는 요인들로 설명해보자.

금속결합을 할 때 원자반지름이 동주기 원소들에 비해 커서 결합력이 약하기 때문이다. 리튬, 나트륨, 칼륨 순으로 단단하며, 리튬에서 칼륨으로 갈수록 원자반지름이 커져서 금속결합 시 인력이 작아지기 때문이다.

 

4) 알칼리 금속들의 결정격자 구조를 조사하고 녹는점의 크기 순서를 비교해보자.

단위 입방체의 8개의 꼭짓점에 1개씩의 원자가 있고 중심에 1개의 원자가 더 있는 체심입방구조이다. 리튬, 나트륨, 칼륨 순으로 녹는점이 높다.

 

5) 이번 실험에서 관찰한 알칼리 금속의 공통적인 화학적 성질은 무엇인가?

공기 중에서 산화되며, 물과 폭발적으로 반응하여 염기성 물질을 생성한다.

 

6) 알칼리 금속이 공기와 반응하는 과정을 화학반응식으로 쓰고, 반응성의 차이가 나는 이유를 설명해보자.

(X: 알칼리금속) 4X + O2 → 2X2O

같은 족에서는 주기가 커질수록 이온화 에너지가 작아져서 이온화되어 이온결합 형성이 쉬워지기 때문에 칼륨, 나트륨, 리튬 순으로 반응성이 크다.

 

7) 알칼리 금속이 물과 반응하여 생성되는 물질들은 무엇이며, 그 물질들이 생성되었다는 실험적인 증거는 무엇인가?

알칼리성 물질들이며, 반응한 물에다 염기성을 검출하는 용액인 페놀프탈레인을 첨가 시 물이 분홍색으로 변한다.

 

8) 알칼리 금속의 화학적 반응성의 크기는 어떤 순서이며 그 까닭은 무엇인가?

칼륨, 나트륨, 리튬 순서대로 크며, 주기가 커질수록 전자껍질수가 많아지 게 되어서 전자를 떼어내기 쉬워진다. 따라서 반응성이 커진다.

 

9) 주기율표의 같은 족에 속하는 원소들의 공통점은 무엇에 의한 것이며 차이점은 무엇에 의한 것인지 알칼리 금속을 예로 들어 설명해보자.

공통점은 알칼리금속의 최외각 전자가 1개이듯 최외각전자 개수가 동일하여 생기며 차이점은 리튬, 나트륨, 칼륨의 전자 껍질수가 다르듯 주기에 따라 전자 껍질수가 달라서 생긴다.