Logam Alkali dan Logam Alkali Tanah: Panduan Golongan 1 dan 2

Dua kolom di ujung kiri tabel periodik berisi sebagian logam paling reaktif yang ada. Golongan 1, yaitu litium, natrium, kalium, rubidium, sesium, dan fransium, adalah logam alkali. Golongan 2, yaitu berilium, magnesium, kalsium, stronsium, barium, dan radium, adalah logam alkali tanah. Keduanya termasuk blok s, dan fakta sederhana bahwa atom-atomnya hanya membawa satu atau dua elektron di kulit terluar menjelaskan sebagian besar perilakunya.

Asal-usul namanya

"Alkali" berasal dari kata Arab untuk abu tumbuhan. Orang dulu melarutkan abu kayu atau rumput laut yang dibakar dengan air untuk membuat sabun dan kaca, dan abu itu kaya akan kalium dan natrium karbonat yang sangat basa. Logam-logam yang kemudian diekstraksi dari zat-zat semacam itu menjadi logam alkali.

"Tanah" adalah istilah kimia lama untuk oksida yang tetap tidak berubah meskipun dipanaskan kuat. Kapur (kalsium oksida) dan magnesia (magnesium oksida) adalah "tanah" yang larut dalam air menghasilkan larutan basa, sehingga disebut alkali tanah. Logamnya sendiri pertama kali diperoleh pada 1808, ketika Humphry Davy di Inggris memakai elektrolisis untuk mengisolasi kalsium, magnesium, stronsium, dan barium, setahun setelah ia melakukan hal yang sama untuk natrium dan kalium.

Golongan 1: sifat bersama

Setiap atom logam alkali memiliki satu elektron di orbital s terluarnya. Elektron itu jauh dari inti dan terlindungi elektron-elektron dalam, sehingga mudah lepas. Akibatnya unsur-unsur ini hampir selalu muncul sebagai ion +1.

• Lunak. Natrium dan kalium dapat dipotong dengan pisau seperti mentega dingin. Permukaan yang baru dipotong berwarna keperakan tetapi kusam dalam hitungan detik di udara.
• Ringan. Litium memiliki massa jenis sekitar 0,53 g/cm³, terendah di antara semua logam, dan mengapung di atas air. Natrium dan kalium juga lebih ringan daripada air.
• Mudah meleleh. Litium meleleh pada kira-kira 180 °C, natrium sekitar 98 °C, kalium sekitar 63 °C, dan sesium sekitar 28 °C. Sesium dapat meleleh di tangan yang hangat, tetapi tidak boleh disentuh sama sekali, karena bereaksi hebat dengan kelembapan kulit.
• Disimpan di bawah minyak atau gas inert, karena bereaksi dengan oksigen dan uap air di udara.

Kereaktifan meningkat ke bawah golongan

Logam alkali bereaksi dengan air menghasilkan gas hidrogen dan hidroksida. Untuk natrium:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

Reaksi yang sama menjadi jauh lebih hebat makin ke bawah golongan. Litium mendesis pelan dan perlahan lenyap. Natrium meleleh menjadi butiran yang melesat di permukaan air. Kalium menyulut hidrogen yang dilepaskannya dan terbakar dengan nyala ungu muda. Rubidium dan sesium bereaksi secara eksplosif.

Tren ini mengikuti energi ionisasi. Setiap langkah ke bawah menambah satu kulit elektron, sehingga elektron terluar berada makin jauh dari inti dan makin mudah dilepaskan. Energi ionisasi pertama turun dari sekitar 5,39 eV untuk litium menjadi 5,14 eV untuk natrium, 4,34 eV untuk kalium, dan 3,89 eV untuk sesium.

Reaksi dengan oksigen menunjukkan perbedaan lain. Litium terutama membentuk oksida Li₂O, natrium cenderung membentuk peroksida Na₂O₂, dan kalium serta logam yang lebih berat membentuk superoksida seperti KO₂. Kation yang lebih besar membentuk kisi yang lebih stabil dengan anion yang lebih besar.

Fransium berada di dasar golongan 1, tetapi isotopnya yang berumur paling panjang hanya memiliki waktu paruh sekitar 22 menit. Jumlah yang kasatmata belum pernah terkumpul, sehingga sebagian besar sifatnya adalah perkiraan berdasarkan tetangga-tetangganya.

Golongan 2: sifat bersama

Logam alkali tanah memiliki dua elektron di orbital s terluar dan membentuk ion +2. Melepaskan dua elektron memerlukan energi lebih besar, sehingga logam-logam ini kurang reaktif dibanding logam golongan 1 pada periode yang sama, serta lebih keras, lebih padat, dan titik lelehnya lebih tinggi.

Tren di dalam golongan mencerminkan golongan 1. Berilium hampir tidak bereaksi dengan air, magnesium bereaksi dengan air panas atau uap air, dan kalsium, stronsium, serta barium bereaksi dengan air dingin melepaskan hidrogen.

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂

Berilium adalah yang paling berbeda. Atomnya begitu kecil sehingga cenderung membentuk ikatan kovalen alih-alih ionik, dan oksidanya bersifat amfoter, bereaksi dengan asam maupun basa. Senyawa berilium juga dapat menyebabkan penyakit paru-paru serius bila terhirup sebagai debu, sehingga ditangani dengan hati-hati.

Warna uji nyala

Ketika senyawa logam alkali dan sebagian logam alkali tanah dimasukkan ke dalam nyala api, setiap unsur memberikan warna yang khas. Panas mengeksitasi elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi, dan ketika kembali turun elektron itu memancarkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu. Kembang api memanfaatkan efek yang sama.

Kuning natrium begitu kuat sehingga dapat menutupi warna lain. Para kimiawan melihat nyala ungu muda kalium melalui kaca biru kobalt untuk menyaring kuning natrium. Berilium dan magnesium tidak memberikan warna nyala yang khas; cahaya putih menyilaukan dari pita magnesium yang terbakar berasal dari pembakarannya sendiri, bukan dari pancaran uji nyala.

Kegunaan sehari-hari dan industri

• Litium: baterai litium-ion isi ulang pada ponsel dan mobil listrik, paduan aluminium-litium yang ringan, dan litium karbonat sebagai obat penstabil suasana hati.
• Natrium: garam dapur (natrium klorida), soda kue (natrium hidrogen karbonat), lampu jalan uap natrium yang kuning, dan pendingin di sebagian reaktor nuklir.
• Kalium: salah satu dari tiga hara utama tanaman dan bahan kunci pupuk. Di dalam tubuh, kalium esensial bagi sinyal saraf dan irama jantung.
• Rubidium dan sesium: jam atom. Detik SI didefinisikan oleh frekuensi transisi tertentu atom sesium-133.
• Magnesium: paduan ringan untuk komponen mobil dan rangka laptop, serta atom pusat klorofil.
• Kalsium: tulang dan gigi, batu gamping, semen, dan plester. Air keran yang "sadah" adalah air yang kaya ion kalsium dan magnesium.
• Stronsium: warna merah pada kembang api dan suar tanda.
• Barium: barium sulfat begitu sukar larut sehingga aman ditelan sebagai zat kontras sinar-X, meskipun senyawa barium yang larut bersifat racun.

Di mana tempat hidrogen?

Hidrogen memiliki satu elektron, sehingga kebanyakan tabel menempatkannya di puncak golongan 1. Namun hidrogen adalah gas nonlogam pada suhu kamar dan berperilaku sangat berbeda dari logam alkali.

Alasan menempatkannya di golongan 1 bertumpu pada konfigurasinya, 1s¹, dan kemampuannya membentuk H⁺. Di sisi lain, seperti halogen, hidrogen dapat menangkap satu elektron membentuk ion hidrida H⁻ dan berada sebagai molekul diatomik, H₂, sehingga sebagian orang berpendapat hidrogen seharusnya berada di atas golongan 17. Pihak lain menunjukkan bahwa kulit terluarnya tepat setengah penuh, seperti karbon, dan mengusulkan golongan 14.

Itulah sebabnya sebagian tabel menempatkan hidrogen di atas golongan 1 tetapi mewarnainya sebagai nonlogam, sementara yang lain membiarkannya melayang sendiri di atas bagian tengah tabel. Alih-alih memiliki satu jawaban yang benar, perdebatan ini menunjukkan bahwa hidrogen unik dan tidak cocok sempurna dengan golongan mana pun. Para ahli teori juga meramalkan bahwa di bawah tekanan ekstrem jauh di dalam planet seperti Jupiter, hidrogen mungkin berada dalam wujud logam.

Hubungan diagonal

Unsur periode 2 sering menyerupai unsur periode 3 yang terletak secara diagonal di kanan bawahnya. Ini disebut hubungan diagonal. Litium memiliki beberapa kesamaan dengan magnesium alih-alih natrium: litium membentuk nitrida, dan karbonatnya mudah terurai bila dipanaskan. Berilium menyerupai aluminium, paling jelas pada oksidanya yang amfoter. Penjelasan yang lazim adalah bahwa rasio muatan terhadap ukuran menjadi serupa di sepanjang diagonal itu. Memahami pengecualian-pengecualian ini di samping tren utama golongan memberikan gambaran yang jauh lebih mendalam tentang golongan 1 dan 2.