1族：アルカリ金属
1族には、リチウム（Li）、ナトリウム（Na）、カリウム（K）、ルビジウム（Rb）、セシウム（Cs）があります。水と反応してアルカリ（水に溶ける塩基）をつくるので、アルカリ金属と呼ばれます。
- 最外殻電子が1個：電子配置の最後が ns¹ になります（Na は 2, 8, 1）。
- その電子を簡単に失ってM⁺イオンになるので、化合物はイオン結合でできています。
- やわらかい：ナトリウムはナイフで切れます。切りたては光っていますが、空気中ですぐにくすみます。
- 密度が小さい：Li、Na、K は水に浮きます。
- 融点が低く、下の周期ほどさらに低くなります。
下にいくほどの変化
原子が大きくなると、最外殻電子は原子核から遠くなり、引きつける力が弱くなります。イオン化エネルギーは小さくなり、反応性は大きくなります。Li は水と穏やかに反応し、Na はシュワシュワと泡を出し、K は赤紫の炎を出して燃えます。
空気や水と反応するので、Na と K は灯油や流動パラフィンの中に保存します。
ナトリウムの反応
水との反応
2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑。ナトリウムは水に浮き、熱で（反応は熱を出します）溶けて小さな玉になり、泡を出しながら動き回ります。フェノールフタレインを1滴たらすとピンク色になります。NaOH がアルカリだからです。
酸素との反応
- 室温でゆっくり：4Na + O₂ → 2Na₂O（酸化ナトリウム、白色）。
- 空気がたっぷりある中で燃やす：2Na + O₂ → Na₂O₂（過酸化ナトリウム、淡黄色）。
どちらも水と反応します。Na₂O + H₂O → 2NaOH。過酸化ナトリウムは酸素も出します：2Na₂O₂ + 2H₂O → 4NaOH + O₂↑。二酸化炭素とも反応します：2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂。このため、Na₂O₂ は潜水艦や呼吸用の装置で酸素を作るために使われてきました。
塩素との反応
2Na + Cl₂ → 2NaCl（食塩）。明るい黄色の炎を出します。
炭酸ナトリウムと炭酸水素ナトリウム
| Na₂CO₃（水を含むと洗濯ソーダ：Na₂CO₃·10H₂O） | NaHCO₃（重曹） | |
|---|---|---|
| 溶けやすさ | よく溶ける | あまり溶けない |
| 水溶液 | かなり強いアルカリ性 | 弱いアルカリ性 |
| 加熱すると | 分解しない | 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑ |
| 酸との反応 | Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂ | NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂（より速い） |
| 用途 | ガラス、せっけん、硬水の軟化 | お菓子作り、胃薬、消火器 |
見分けるには、それぞれの固体を加熱し、出た気体を石灰水に通します。白くにごるのは NaHCO₃ だけです。この2つは互いに変えられます：Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2NaHCO₃。
炎色反応と1族のとなりの元素
炎色反応
きれいな白金線かニクロム線の先に塩をつけ、高温でほとんど無色の炎に入れます。熱で電子が高いエネルギーの位置に上がり、元に戻るときに決まった色の光を出します。
- Li：赤（深紅）· Na：明るい黄 · K：赤紫（ライラック色。ナトリウムの黄色を消すため青いコバルトガラス越しに見る）· Ca：橙赤色 · Ba：黄緑 · Cu：青緑。
花火はこの色を利用しています。
2族とアルミニウムの簡単なまとめ
マグネシウムとカルシウム（2族）は最外殻電子が2個で、M²⁺イオンになり、1族より反応性は低いです。水に溶けた Ca²⁺ と Mg²⁺ は水を硬くします。せっけんがカスになって浮きます。一時硬水（炭酸水素塩による）は煮沸で、永久硬水（硫酸塩・塩化物による）は洗濯ソーダやイオン交換で軟水にできます。
アルミニウム（13族）は Al³⁺ になります。酸化物と水酸化物は両性で、酸にもアルカリにも反応します。例：Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O、Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]。
生き物の中で
Na⁺ と K⁺ は神経の信号を伝え、水分のバランスを保ちます。Ca²⁺ は骨や歯をつくり、Mg²⁺ はクロロフィル（葉緑素）の中心にあります。バナナやココナッツウォーターにはカリウムが多く含まれます。
家でためしてみよう
コップに重曹をスプーン1杯入れ、レモン汁か酢を加えて、CO₂ のシュワシュワを見てみましょう。次に、大人といっしょに、ガスの炎に塩をひとつまみ振りかけて、ナトリウムの黄色を探してみましょう。
重要な公式と用語
- 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂↑ (M = Li, Na, K…)
- 4Na + O₂ → 2Na₂O; 2Na + O₂ → Na₂O₂
- 2Na₂O₂ + 2H₂O → 4NaOH + O₂↑
- 2NaHCO₃ →(加熱) Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑
- 炎の色：Li 赤、Na 黄、K 赤紫、Ca 橙赤、Ba 黄緑、Cu 青緑
例題
1. カリウムはナトリウムより、なぜ水と激しく反応するのですか。
K は Na より電子殻が1つ多いので、最外殻電子が原子核から遠く、内側の電子にもさえぎられます。そのため電子を失いやすく、K のほうが速く反応します。
2. ナトリウム 4.6 g が水と完全に反応しました。発生する水素の質量は何 g ですか。（Na = 23, H = 1）
2Na → H₂。Na の物質量 = 4.6 / 23 = 0.2 mol なので、H₂ は 0.1 mol。質量 = 0.1 × 2 = 0.2 g。
3. NaHCO₃ 8.4 g を完全に加熱しました。標準状態で発生する CO₂ の体積は何 L ですか。（NaHCO₃ = 84 g/mol, 22.4 L/mol）
2NaHCO₃ → CO₂。NaHCO₃ の物質量 = 0.1 mol なので、CO₂ は 0.05 mol。体積 = 0.05 × 22.4 = 1.12 L。
4. 白い粉が2つあり、Na₂CO₃ と NaHCO₃ です。見分ける簡単な方法を1つ答えなさい。
それぞれを加熱し、出た気体を石灰水に通します。NaHCO₃ は CO₂ を出して石灰水が白くにごります。Na₂CO₃ は気体が出ません。
よくある間違い
- ナトリウムと水の生成物を Na₂O と書いてしまう。生成物は NaOH と H₂ です。
- Na₂O（酸化物、O²⁻）と Na₂O₂（過酸化物、O₂²⁻）を混同する。過酸化物は、ナトリウムが空気をたっぷり使って燃えるときにできます。
- Na₂CO₃ を加熱すると CO₂ が出ると言ってしまう。分解するのは NaHCO₃ だけです。
- 1族では下にいくほど反応性が下がると思ってしまう。金属では、最外殻電子を失いやすくなるので反応性は上がります。