Alkali Metals
← ホームへ戻る
アルカリ金属周期表リチウムナトリウムカリウム

アルカリ金属の特性と化学的性質：周期表第1族の基礎知識

🗓 2026年8月10日

周期表の最も左側に位置する第1族元素（水素を除く）は、アルカリ金属として知られています。これらの元素は、共通した電子配置を持つため、化学的に非常に似た挙動を示します。リチウムからフランシウムに至るまで、彼らは極めて高い反応性を持ち、自然界では純粋な金属状態で存在することは稀です。

歴史的に、ヨハン・ヴォルフガング・デーベライナーらがこれらの元素間の類似性に注目し、後の周期律の確立へと繋がりました。

Johann Wolfgang Döbereiner was among the first to notice similarities between what are now known as the alkali metals.

また、ドミトリ・メンデレーエフが1871年に提案した周期系では、水素やアルカリ金属が第I族としてまとめられていました。

Dmitri Mendeleev's periodic system proposed in 1871 showing hydrogen and the alkali metals as part of his group I, along with copper, silver, and gold

Key Facts

  • 構成元素：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)、フランシウム (Fr) の6元素。
  • 高い反応性：特に水や酸素と激しく反応し、容易に1価の陽イオンとなる。
  • 物理的特徴：一般的に密度が低く、融点・沸点が他の金属に比べて低い。
  • 周期的な傾向：原子番号が大きくなるほど、原子半径が増大し、イオン化エネルギーが低下する。
  • 希少性：フランシウムは極めて不安定な放射性元素であり、自然界に存在する量はごくわずかである。

アルカリ金属の物理的・化学的特性

アルカリ金属の最大の特徴は、最外殻に1つの電子を持つ電子配置にあります。このため、電子を放出して安定した電子配置になろうとする傾向が非常に強く、化学的に極めて活性です。

原子構造と周期的な傾向

周期表を下に進むにつれて、電子殻の数が増えるため、原子半径は拡大します。これに伴い、原子核から最外殻電子までの距離が遠くなるため、電子を引き付ける力が弱まり、イオン化エネルギー（電子を1つ取り去るのに必要なエネルギー）は減少します。

Effective nuclear charge on an atomic electron
Periodic trend for ionisation energy: each period begins at a minimum for the alkali metals, and ends at a maximum for the noble gases. Predicted values are used for elements beyond 104.
Empirical (Na–Cs, Mg–Ra) and predicted (Fr–Uhp, Ubn–Uhh) atomic radius of the alkali and alkaline earth metals from the third to the ninth period, measured in angstroms[36]: 1730 [147]
Empirical (Na–Fr, Mg–Ra) and predicted (Uue–Uhp, Ubn–Uhh) ionisation energy of the alkali and alkaline earth metals from the third to the ninth period, measured in electron volts[36]: 1730 [147]

同様に、原子が電子を引き付ける強さを示す電気陰性度も、周期表の下に向かうほど低下する傾向にあります。

Periodic variation of Pauling electronegativities as one descends the main groups of the periodic table from the second to the sixth period.

電子親和力についても、特定の傾向が見られます。

Empirical (Na–Fr) and predicted (Uue) electron affinity of the alkali metals from the third to the eighth period, measured in electron volts[36]: 1730 [147]

物理的性質の変動

融点や沸点は、周期表の下に行くほど一般的に低下します。また、密度については、リチウムが最も軽く、セシウムやフランシウムに向かって増加する傾向がありますが、全体として他の遷移金属などに比べれば非常に低密度です。

太陽系全体で見ると、水素やヘリウムが圧倒的に多く、リチウム、ベリリウム、ホウ素などの軽い元素は、ビッグバンや恒星内での合成効率が悪いため、比較的希少な存在となっています。

Estimated abundances of the chemical elements in the Solar System. Hydrogen and helium are most common, from the Big Bang. The next three elements (lithium, beryllium, and boron) are rare because they are poorly synthesised in the Big Bang and also in stars. The two general trends in the remaining stellar-produced elements are: (1) an alternation of abundance in elements as they have even or odd atomic numbers, and (2) a general decrease in abundance, as elements become heavier. Iron is especially common because it represents the minimum-energy nuclide that can be made by fusion of helium in supernovae.[43]

主要元素の詳細と天然存在

リチウム (Li)

最も軽いアルカリ金属であり、スポジュメン（リチウム輝石）やペタライトなどの鉱物から得られます。炭酸リチウムなどの化合物としても利用されます。

A sample of petalite
Spodumene, an important lithium mineral
Lithium carbonate

ナトリウム (Na) とカリウム (K)

これらは生物学的にも極めて重要な元素です。ナトリウムは塩化ナトリウムとして海水などに豊富に含まれ、カリウムは細胞内の電解質として不可欠です。

ルビジウム (Rb) とセシウム (Cs)

ルビジウムはレピドライトなどの鉱物から単離されました。セシウムは非常に低い融点を持ち、その同位体であるセシウム137は放射線源として利用される一方、過去にゴイアニア事故のような重大な放射能汚染事故の原因となったこともあります。

A sample of lepidolite
A wheel type radiotherapy device which has a long collimator to focus the radiation into a narrow beam. The caesium-137 chloride radioactive source is the blue square, and gamma rays are represented by the beam emerging from the aperture. This was the radiation source involved in the Goiânia accident, containing about 93 grams of caesium-137 chloride.

フランシウム (Fr)

極めて不安定な放射性元素であり、ウラン鉱石（ウラニナイト）などの崩壊過程でごく少量生成されます。天然に安定して存在する同位体はありません。

Alkali Metals
A shiny gray 5-centimeter piece of matter with a rough surface.

化学反応と化合物

水および酸素との反応

アルカリ金属は水と激しく反応し、水素ガスを発生させながら強アルカリ性の水酸化物を生成します。この反応はナトリウムなどの場合、非常に激しい発熱と爆発を伴うことがあります。

A large orange-yellow explosion

酸素との反応では、元素によって生成物が異なります。リチウムは主に酸化物を、ナトリウムは過酸化物を、カリウム以上の重い元素は超酸化物を形成しやすい性質があります。

その他の重要な反応

  • 窒素との反応：リチウムのみが常温で窒素と反応し、窒化リチウムを形成します。
  • 液体アンモニアへの溶解：アルカリ金属を液体アンモニアに溶かすと、電子が溶媒和した青色の溶液となり、強力な還元剤（バーチ還元など）として利用されます。
  • 有機金属化合物：n-ブチルリチウムなどの有機リチウム化合物は、有機合成化学において極めて重要な試薬です。
Unit cell ball-and-stick model of lithium nitride.[117] On the basis of size a tetrahedral structure would be expected, but that would be geometrically impossible: thus lithium nitride takes on this unique crystal structure.[10]: 76
Structure of the octahedral n-butyllithium hexamer, (C4H9Li)6.[137] The aggregates are held together by delocalised covalent bonds between lithium and the terminal carbon of the butyl chain.[138] There is no direct lithium–lithium bonding in any organolithium compound.[122]: 264
Solid phenyllithium forms monoclinic crystals that can be described as consisting of dimeric Li2(C6H5)2 subunits. The lithium atoms and the ipso carbons of the phenyl rings form a planar four-membered ring. The plane of the phenyl groups is perpendicular to the plane of this Li2C2 ring. Additional strong intermolecular bonding occurs between these phenyllithium dimers and the π electrons of the phenyl groups in the adjacent dimers, resulting in an infinite polymeric ladder structure.[139]
Reduction reactions using sodium in liquid ammonia

合金と特殊化合物

ナトリウムとカリウムの合金であるNaKは、室温で液体となる特異な性質を持ち、特殊な冷却材などに利用されます。

Liquid NaK alloy at room temperature

また、アンモニアが塩酸と反応して塩化アンモニウムを形成するように、アルカリ金属の化合物も同様の塩形成反応を示します。

Similarly to the alkali metals, ammonia reacts with hydrochloric acid to form the salt ammonium chloride.

なお、タリウムなどの元素は「擬アルカリ金属」的な性質を示すことがありますが、厳密には異なるグループに属します。

Very pure thallium pieces in a glass ampoule, stored under argon gas

アルカリ金属の特性まとめ

アルカリ金属の主要物理特性比較
元素名 原子番号 融点 (°C) 密度 (g/cm³) 炎色反応
リチウム (Li) 3 180.54 0.534 赤
ナトリウム (Na) 11 97.72 0.968 黄
カリウム (K) 19 63.38 0.89 紫
ルビジウム (Rb) 37 39.31 1.532 赤紫
セシウム (Cs) 55 28.44 1.93 青

Frequently Asked Questions

なぜアルカリ金属は水と激しく反応するのですか？

最外殻に1つの電子を持ち、それを放出して安定な1価の陽イオンになろうとする傾向（低いイオン化エネルギー）が非常に強いためです。水と反応すると水素ガスと水酸化物を生成し、その際に大きなエネルギーが放出されます。

フランシウムが自然界にほとんど存在しないのはなぜですか？

フランシウムは非常に不安定な放射性元素であり、半減期が極めて短いためです。ウランなどの重い元素が崩壊する過程で一時的に生成されますが、すぐに別の元素へと崩壊してしまいます。

NaK合金とは何ですか？

ナトリウム (Na) とカリウム (K) の共晶合金であり、室温で液体状態で存在する珍しい金属合金です。高い熱伝導性を持ちますが、空気や水に対して極めて反応性が高いため、取り扱いには厳重な注意が必要です。

アルカリ金属の炎色反応にはどのような特徴がありますか？

各元素が固有の波長の光を放出するため、炎に入れた際に特徴的な色を示します。例えば、リチウムは赤、ナトリウムは黄、カリウムは紫色の炎になります。これは元素の同定に非常に有用な手法です。

リチウムだけが窒素と反応できるのはなぜですか？

リチウムはアルカリ金属の中で最も原子半径が小さく、電荷密度が高いため、窒素分子の強い三重結合を切断して窒化物を形成するのに十分な格子エネルギーを得ることができるためと考えられています。

References

  1. The symbols Na and K for sodium and potassium are derived from their Latin names, natrium and kalium; these are still the origins of the names for the elements in some languages, such as German and Russian.
  2. Caesium is the spelling recommended by the (IUPAC). The (ACS) has used the spelling cesium since 1921, following Webster's Third New International Dictionary.
  3. In both the old IUPAC and the systems for group numbering, this group is known as group IA (pronounced as "group one A", as the "I" is a ).
  4. While hydrogen also has this electron configuration, it is not considered an alkali metal as it has very different behaviour owing to the lack of p-orbitals in .
  5. In the 1869 version of Mendeleev's periodic table, copper and silver were placed in their own group, aligned with hydrogen and , while gold was tentatively placed under and the undiscovered in the .
  6. The denotes an .
  7. The number given in refers to the . This uncertainty applies to the (s) of the number prior to the parenthesised value (ie. counting from rightmost digit to left). For instance, 1.00794(7) stands for 1.00794±0.00007, while 1.00794(72) stands for 1.00794±0.00072.
  8. The value listed is the conventional value suitable for trade and commerce; the actual value may range from 6.938 to 6.997 depending on the isotopic composition of the sample.
  9. The element does not have any stable , and a value in brackets indicates the of the longest-lived of the element.
  10. estimated the electronegativity of francium at 0.7 on the , the same as caesium; the value for caesium has since been refined to 0.79, although there are no experimental data to allow a refinement of the value for francium. Francium has a slightly higher ionisation energy than caesium, 392.811(4) kJ/mol as opposed to 375.7041(2) kJ/mol for caesium, as would be expected from , and this would imply that caesium is the less electronegative of the two.

📸 フォトギャラリー

Alkali Metals
A sample of petalite
Johann Wolfgang Döbereiner was among the first to notice similarities between what are now known as the alkali metals.
A sample of lepidolite
Dmitri Mendeleev's periodic system proposed in 1871 showing hydrogen and the alkali metals as part of his group I, along with copper, silver, and gold
Estimated abundances of the chemical elements in the Solar System. Hydrogen and helium are most common, from the Big Bang. The next three elements (lithium, beryllium, and boron) are rare because they are poorly synthesised in the Big Bang and also in stars. The two general trends in the remaining stellar-produced elements are: (1) an alternation of abundance in elements as they have even or odd atomic numbers, and (2) a general decrease in abundance, as elements become heavier. Iron is especially common because it represents the minimum-energy nuclide that can be made by fusion of helium in supernovae.[43]
Spodumene, an important lithium mineral
Effective nuclear charge on an atomic electron
Periodic trend for ionisation energy: each period begins at a minimum for the alkali metals, and ends at a maximum for the noble gases. Predicted values are used for elements beyond 104.
Periodic variation of Pauling electronegativities as one descends the main groups of the periodic table from the second to the sixth period.
A large orange-yellow explosion
Liquid NaK alloy at room temperature
Unit cell ball-and-stick model of lithium nitride.[117] On the basis of size a tetrahedral structure would be expected, but that would be geometrically impossible: thus lithium nitride takes on this unique crystal structure.[10]: 76
Structure of the octahedral n-butyllithium hexamer, (C4H9Li)6.[137] The aggregates are held together by delocalised covalent bonds between lithium and the terminal carbon of the butyl chain.[138] There is no direct lithium–lithium bonding in any organolithium compound.[122]: 264
Solid phenyllithium forms monoclinic crystals that can be described as consisting of dimeric Li2(C6H5)2 subunits. The lithium atoms and the ipso carbons of the phenyl rings form a planar four-membered ring. The plane of the phenyl groups is perpendicular to the plane of this Li2C2 ring. Additional strong intermolecular bonding occurs between these phenyllithium dimers and the π electrons of the phenyl groups in the adjacent dimers, resulting in an infinite polymeric ladder structure.[139]
Reduction reactions using sodium in liquid ammonia
Empirical (Na–Cs, Mg–Ra) and predicted (Fr–Uhp, Ubn–Uhh) atomic radius of the alkali and alkaline earth metals from the third to the ninth period, measured in angstroms[36]: 1730 [147]
Empirical (Na–Fr) and predicted (Uue) electron affinity of the alkali metals from the third to the eighth period, measured in electron volts[36]: 1730 [147]
Empirical (Na–Fr, Mg–Ra) and predicted (Uue–Uhp, Ubn–Uhh) ionisation energy of the alkali and alkaline earth metals from the third to the ninth period, measured in electron volts[36]: 1730 [147]
Similarly to the alkali metals, ammonia reacts with hydrochloric acid to form the salt ammonium chloride.
Very pure thallium pieces in a glass ampoule, stored under argon gas
A shiny gray 5-centimeter piece of matter with a rough surface.
Lithium carbonate
A wheel type radiotherapy device which has a long collimator to focus the radiation into a narrow beam. The caesium-137 chloride radioactive source is the blue square, and gamma rays are represented by the beam emerging from the aperture. This was the radiation source involved in the Goiânia accident, containing about 93 grams of caesium-137 chloride.