পর্যায় সারণির প্রথম শ্রেণিকে ক্ষার ধাতু (Alkali Metals) বলা হয়। এই শ্রেণিতে ছয়টি মৌল রয়েছে: লিথিয়াম ($\text{Li}, Z=3$), সোডিয়াম ($\text{Na}, Z=11$), পটাশিয়াম ($\text{K}, Z=19$), রুবিডিয়াম ($\text{Rb}, Z=37$), সিজিয়াম ($\text{Cs}, Z=55$) এবং তেজস্ক্রিয় ফ্রান্সিয়াম ($\text{Fr}, Z=87$)। এদের অক্সাইড ও হাইড্রোক্সাইডসমূহ জলে দ্রবীভূত হয়ে তীব্র ক্ষারীয় (কস্টিক) দ্রবণ উৎপন্ন করে বলেই এদের ক্ষার ধাতু নাম দেওয়া হয়েছে।
যোজ্যতা ইলেকট্রন বিন্যাস: সমস্ত ক্ষার ধাতুর পরমাণুর সর্ববহিঃস্থ s-কক্ষে একটিমাত্র ইলেকট্রন উপস্থিত থাকে এবং এর ভেতরে একটি নিষ্ক্রিয় গ্যাসের স্থায়ী অষ্টক বা দ্বৈত বিন্যাস থাকে:
$$\text{সাধারণ ইলেকট্রন বিন্যাস: } [\text{নিষ্ক্রিয় গ্যাস}] \ ns^1 \quad (n = 2 \text{ থেকে } 7)$$- $\text{Li}: [\text{He}] \ 2s^1$
- $\text{Na}: [\text{Ne}] \ 3s^1$
- $\text{K}: [\text{Ar}] \ 4s^1$
- $\text{Rb}: [\text{Kr}] \ 5s^1$
- $\text{Cs}: [\text{Xe}] \ 6s^1$
- $\text{Fr}: [\text{Rn}] \ 7s^1$
- পারমাণবিক ও আয়নীয় ব্যাসার্ধ: সংশ্লিষ্ট পর্যায়ে ক্ষার ধাতুসমূহের পারমাণবিক ব্যাসার্ধ সবচেয়ে বড় হয়। গ্রুপ বরাবর উপর থেকে নিচে ($\text{Li}$ থেকে $\text{Cs}$) নতুন নতুন মুখ্য শক্তিস্তর যুক্ত হওয়ার কারণে পারমাণবিক ও আয়নীয় ব্যাসার্ধ বৃদ্ধি পায়: $$\text{পারমাণবিক ব্যাসার্ধ: } \text{Li} < \text{Na} < \text{K} < \text{Rb} < \text{Cs}$$ একটি যোজ্যতা ইলেকট্রন বর্জনের পর সৃষ্ট ধনাত্মক ক্যাটায়ন ($M^+$)-এর ব্যাসার্ধ মূল পরমাণুর চেয়ে অনেক ছোট হয়, কারণ কার্যকরী নিউক্লীয় আধান বৃদ্ধি পায়।
- আয়নন এনথ্যালপি ($\Delta_i H$): পর্যায় সারণির প্রতিটি পর্যায়ে ক্ষার ধাতুর প্রথম আয়নন এনথ্যালপি সর্বনিম্ন হয়। উপর থেকে নিচে পারমাণবিক আকার বৃদ্ধি এবং অভ্যন্তরীণ ইলেকট্রনের আবরণী প্রভাব বৃদ্ধির কারণে যোজ্যতা ইলেকট্রনটি আলগাভাবে যুক্ত থাকে; ফলে প্রথম আয়নন এনথ্যালপি হ্রাস পায় ($\text{Li} > \text{Na} > \text{K} > \text{Rb} > \text{Cs}$)।
দ্বিতীয় আয়নন এনথ্যালপি ($\Delta_i H_2$): দ্বিতীয় ইলেকট্রনটি স্থায়ী নিষ্ক্রিয় গ্যাসীয় অষ্টক থেকে অপসারণ করতে হয় বলে দ্বিতীয় আয়নন এনথ্যালপির মান অসম্ভব রকমের বেশি। তাই ক্ষার ধাতুসমূহ সর্বদা $+1$ জারণ অবস্থা প্রদর্শন করে। - ঘনত্ব ও পটাশিয়ামের ব্যতিক্রমী ধর্ম: বড় পারমাণবিক আয়তনের কারণে ক্ষার ধাতুর ঘনত্ব সাধারণ ধাতু অপেক্ষা অনেক কম; $\text{Li, Na}$ ও $\text{K}$ জলের চেয়েও হালকা!
গ্রুপ বরাবর নিচের দিকে ঘনত্ব সাধারণত বৃদ্ধি পাওয়ার কথা থাকলেও একটি বিখ্যাত ব্যতিক্রম দেখা যায়: পটাশিয়াম ($\text{K}$)-এর ঘনত্ব সোডিয়াম ($\text{Na}$) অপেক্ষা কম! $$\text{ঘনত্বের সঠিক ক্রম: } \text{Li} (0.53\text{ g/cm}^3) < \mathbf{\text{K}} (0.86\text{ g/cm}^3) < \mathbf{\text{Na}} (0.97\text{ g/cm}^3) < \text{Rb} (1.53\text{ g/cm}^3) < \text{Cs} (1.90\text{ g/cm}^3)$$ কারণ: $\text{Na}$ থেকে $\text{K}$-এ যাওয়ার সময় পটাশিয়ামে ফাঁকা $3d$-উপকক্ষের উপস্থিতির কারণে এর পারমাণবিক আয়তনের এক বিরাট স্ফীতি ঘটে ($23.7\text{ cm}^3/\text{mol}$ থেকে লাফিয়ে $45.9\text{ cm}^3/\text{mol}$ হয়)। আয়তন বৃদ্ধির শতকরা হার পারমাণবিক ভর বৃদ্ধিকে ছাড়িয়ে যাওয়ায় পটাশিয়ামের ঘনত্ব সোডিয়াম অপেক্ষা কমে যায়।
গ্যাসীয় ক্যাটায়ন যখন জলে প্রবেশ করে, তখন জলের পোলার ডাইপোলের সাথে তড়িৎ-আকর্ষণের মাধ্যমে যুক্ত হয়ে বিপুল শক্তি নির্গত করে, যাকে জলযোজন এনথ্যালপি ($\Delta_{\text{hyd}} H^\circ$) বলে:
জলযোজন এনথ্যালপির ক্রম: জলযোজন এনথ্যালপি ক্যাটায়নের আধান ঘনত্বের (আধান / ব্যাসার্ধ) সমানুপাতিক। যেহেতু সবার আধান $+1$, তাই ক্যাটায়নের আকার যত ছোট হবে, তার জলযোজন এনথ্যালপি তত বেশি ঋণাত্মক হবে:
$$\Delta_{\text{hyd}} H^\circ: \mathbf{\text{Li}^+ > \text{Na}^+ > \text{K}^+ > \text{Rb}^+ > \text{Cs}^+}$$জলযোজিত ব্যাসার্ধ ও তড়িৎ পরিবাহিতার বৈপরীত্য:
- $\text{Li}^+$ এর আকার সবচেয়ে ছোট হওয়ায় এটি প্রচুর সংখ্যক জলের অণুকে সমন্বিত করে এক বিরাট জলযোজন খোলক তৈরি করে (যেমন $[\text{Li}(\text{H}_2\text{O})_6]^+$)।
- অন্যদিকে $\text{Cs}^+$ এর আকার বড় হওয়ায় এর জলযোজন খোলক অতি নগণ্য।
- জলযোজিত আয়নীয় ব্যাসার্ধ: $\mathbf{\text{Li}^+(\text{aq}) > \text{Na}^+(\text{aq}) > \text{K}^+(\text{aq}) > \text{Rb}^+(\text{aq}) > \text{Cs}^+(\text{aq})}$
- জলীয় দ্রবণে গতিশীলতা ও পরিবাহিতা: জলযোজিত আকার যত বড় হয়, সান্দ্র জলের মধ্য দিয়ে চলার সময় আয়নটির ওপর তত বেশি ঘর্ষণ বল বা বাধা কাজ করে। ফলে জলীয় দ্রবণে পরিবাহিতা ও গতিশীলতার ক্রম জলযোজনের সম্পূর্ণ বিপরীত হয়: $$\text{জলীয় দ্রবণে আয়নীয় গতিশীলতা: } \mathbf{\text{Cs}^+ > \text{Rb}^+ > \text{K}^+ > \text{Na}^+ > \text{Li}^+}$$
ক্ষার ধাতু বা এদের উদ্বায়ী ক্লোরাইড লবণকে গাঢ় $\text{HCl}$ দ্বারা আর্দ্র করে বুনসেন শিখার অনুজ্জ্বল জারণ মণ্ডলে রাখলে শিখার তাপ শক্তিতে সর্ববহিঃস্থ আলগা যোজ্যতা ইলেকট্রনটি উচ্চ শক্তিস্তরে উত্তেজিত হয়। যখন এই ইলেকট্রন পুনরায় মূল স্তরে ফিরে আসে, তখন অতিরিক্ত শক্তি দৃশ্যমান আলোর নির্দিষ্ট তরঙ্গদৈর্ঘ্যের ফোটন হিসেবে নির্গত হয় ($\Delta E = h\nu = hc/\lambda$)। প্রতিটি ক্ষার ধাতুর নিজস্ব শক্তি ব্যবধান থাকার কারণে এরা অনন্য শিখা বর্ণ প্রদর্শন করে:
| ক্ষার ধাতু | তরঙ্গদৈর্ঘ্য ($\lambda$, nm) | বৈশিষ্ট্যপূর্ণ শিখা বর্ণ | ব্যবহারিক গুরুত্ব ও শনাক্তকরণ |
|---|---|---|---|
| লিথিয়াম ($\text{Li}$) | $670.8\text{ nm}$ | গাঢ় লাল / ক্রিমসন (Crimson Red) | লিথিয়াম খনিজ ও মানসিক রোগের ওষুধ শনাক্তকরণ |
| সোডিয়াম ($\text{Na}$) | $589.0, 589.6\text{ nm}$ ($D$-রেখা) | সোনালী হলুদ (Golden Yellow) | অতি সংবেদনশীল শিখা পরীক্ষা, রাজপথের সোডিয়াম বাষ্প বাতি |
| পটাশিয়াম ($\text{K}$) | $766.5\text{ nm}$ | ফিকে বেগুনী / লিলাক (Lilac / Violet) | নীল কোবাল্ট কাচের মধ্য দিয়ে সোডিয়ামের সোনালী হলুদ বর্ণ ঢেকে দেখা হয় |
| রুবিডিয়াম ($\text{Rb}$) | $780.0\text{ nm}$ | লালচে বেগুনী (Red-Violet) | পারমাণবিক ঘড়ি ও বর্ণালীবীক্ষণ গবেষণা |
| সিজিয়াম ($\text{Cs}$) | $455.5\text{ nm}$ | নীল (Blue) | আন্তর্জাতিক সেকেন্ডের সংজ্ঞা প্রদানকারী সিজিয়াম ঘড়ি ও আলোক-তড়িৎ কোষ |