9第十三章s 区元素.ppt

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1、s 区元素,第13章,1了解 s 区元素的物理性质和化学性质；,6了解对角线规则和锂、铍的特殊性。,5会用离子极化理论解释碳酸盐分解规律；,4了解 s 区元素的重要盐类化合物，特别注意 盐类溶解性的热力学解释；,3了解s区元素的氢化物、氧化物、氢氧化物 的性质，注意氢氧化物的碱性变化规律；,2了解物主要元素的矿资源及单质的制备, 特 别注意钾和钠制备方法的不同；,本章教学要求,13.1 单质 Simple substances,13.2 化合物 Compounds,s区元素概述,S区元素在周期表中的位置,碱金属(IA ): ns1(因为它们的氧化物的水溶液显碱性) Li, Na, K, Rb,

2、 Cs, Fr 碱土金属(IIA ): ns2(因为它们的氧化物兼有碱性和土性) Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 土性 化学上把难溶于水和难熔融的性质称为 “土性”,s区元素概述,因为 原子的原子半径较大、核电荷较少 其金属晶体中的金属键很不牢固 故 单质的熔、沸点较低，硬度较小,s区元素概述,碱金属和Ca、Sr、Ba均可用刀切割 Cs是最软的金属,密度 1.85 1.74 1.54 2.6 3.51 (kgcm-3),A Be(铍) Mg(镁) Ca(钙) Sr(锶) Ba(钡),氧化数与族号一致，常见的化合物以离子型为主 由于Li+、Be2+半径小，其化合物具有一定共价性,E

3、(Li+)反常，是由于Li的半径较小，易与水分子结合生成水合离子放出较多能量所致,通 性：,Li,Na,K,Rb,Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Cs,它们都有金属光泽，密度小，硬度小，熔点低，导电、导热性好的特点.,13.1.1 物理和化学性质,1. 单质的物理性质,单质在空气中燃烧，形成相应的氧化物：,Li2O Na2O2 KO2 RbO2 CsO2 BeO MgO CaO SrO BaO2,(1) 与氧、硫、氮、卤素反应，形成相应的化合物,2. 单质的化学性质,Li2O,Na2O2,KO2,镁带的燃烧,这些氧化物的形式有什么不同？,为何空气中燃烧碱金属所得产物不同？,Question 1,

4、Solution,哪一个燃烧反应的 负值最大，产物就是哪一个。 Na生成Na2O、Na2O2 和 NaO2的 分别是 376 kJmol-1, 430 kJmol-1和 389.2 kJmol-1, 因此燃烧产物就是 Na2O2 。,(2) 与水作用,碱金属被水氧化的反应为: 2 M(s) + 2 H2O (l) 2 M+(aq) + 2 OH-(aq) + H2(g) 钠和钠下方的同族元素与水反应十分激烈，过程中生成的氢气能自燃.,金属钠与水的反应在实验室用于干燥烃类和醚类有机溶剂，但不能用于干燥醇与卤代溶剂。（P238 13.3 13.4）,碱土金属被水氧化的反应为: M(s) + 2 H

5、2O (l) M+(aq) + 2 OH-(aq) + H2(g) 钙、锶、钡与水的反应远不如 相邻碱金属那样剧烈，镁和铍在水和 空气中因生成致密的氧化物保护膜而 显得十分稳定。,锂的标准电极电势比钠或钾的标准电极电势小，为什么 Li与水反应没有其他金属与水的反应激烈？,电极电势属于热力学范畴，而反应剧烈程度属于动力学范畴，两者之间并无直接的联系。 Li与水反应不激烈，主要原因（1）锂的熔点较高，与水反应产生的热量不足以使其熔化; (2)与水反应的产物溶解度较小，易覆盖在金属锂的上面，阻碍反应继续进行。,Question 2,Solution,Li 的E值为什么最负？Be的E值最小？,S 区金

6、属元素相关电对的标准电极电势 E (单位：V),Question 3,Solution,锂的原子半径最小、电离能最高,但其溶剂化程度(水合分子数为25.3)和溶剂化强度(水合焓为-519 kJmol-1 ）却是最大。强的水合作用使锂比同族其他元素高出的水合能（为负）补偿高出的电离能（为正）之合还有余。 E(Be2+/Be) 明显低于同族其余电对,与其高电离能有关。无法被水合焓补偿：,(3) 焰色反应 (flame reaction),碱金属和碱土金属的化合物在无色火焰中燃烧时，会呈现出一定的颜色，称为焰色反应 (flame reaction)。可以用来鉴定化合物中某元素的存在，特别是在野外。,

7、Li Na K Rb Cs Ca Sr Ba,碱金属和碱土金属的氨溶液： 1. 具有较高的导电性 2. 与金属本身相同的化学反应 3. 稀碱金属氨溶液是还原剂,(4) 与液氨的作用,碱金属在液氨中的溶解度 (-35),碱金属与液氨的反应很特别，在液氨中的溶解度达到了超出人们想象的程度：,有趣的是，不论溶解的是何种金属，稀溶液都具有同一吸收波长的蓝光.这暗示各种金属的溶液中存在着某一共同具有的物种.后来实验这个物种是氨合电子，电子处于46个 NH3 的 “空穴” 中., 如果液氨保持干燥和足够高的纯度（特别是没有过渡金属离子存在），溶液就相当稳定. 用作有机合成的还原剂。 钠溶于某些干燥的有机溶

8、剂（如醚）也会产生溶剂合电子的颜色. 用钠回流干燥这些溶剂时，颜色的出现可看作溶剂处于干燥状态的标志.,金属钠与水、液氨、乙醇的反应有何不同？,Question 4,Solution,碱 金 属 单 质 的 某 些 典 型 反 应,碱 土 金 属 单 质 的 某 些 典 型 反 应,13.1.2 矿物资源和金属单质制备,地壳中的丰度。表示为每100 kg样品中金属质量（单位为g）的对数（以10为底）。Ca、Na、Mg、K的丰度分别排在第五、第六、第七、第八位,锂辉石:,钠长石:,钾长石:,光卤石:,明矾石:,绿柱石:,菱镁矿:,石 膏:,大理石:,萤 石:,天青石:,重晶石:,本区元素均以矿物

9、形式存在,s区金属单质的制备方法,K Ca Rb Sr Cs Ba,金属热还原法,580下电解40%NaCl和60%CaCl2的混合物,钠,450下电解55%LiCl和 45%KCl的熔融混合物（降低熔化温度）,锂,850下，用金属还原氯化钾，钾熔于熔融氯化钾而难以分离，不用熔融盐电解法制备。,钾,800左右、减压下，用钙还原氯化物,铷、铯,钾和钠制备方法的不同,1. 350-400下电解NaCl和BeCl2的熔融盐 2. 用镁还原氯化铍,铍,1. 先脱去水合氯化镁所含的水，再电解 2. 硅热还原 2(MgOCaO)+FeSi 2Mg+Ca2SiO4+Fe,镁,700-800 下，电解CaCl

10、2 和KCl的混合物 2. 铝热法：,钙,铝热法或硅还原法,锶、钡,钾的第一电离能(418.9 kJmol-1 )比钠的 (495.8 kJmol-1)小,但通过计算可知固相反应的rHm是个不大的正值。钾的沸点(766 C)比钠的(890 C )低,当反应体系的温度（850）控制在两沸点之间,使金属钾变成气态,金属钠和KCl、NaCl 仍保持在液态,钾由液态变成气态,熵值大为增加,反应的TrSm项变大,有利于rGm变成负值使反应向右进行。同时,钾变成蒸气,设法使其不断离开反应体系,让体系中其分压始终保持在较小的数值。rGm向负值的方向变动,有利于反应向右进行。,钾比钠活泼，为什么可以通过如下反

11、应制备金属钾？,Question 7,Solution,两族元素金属和化合物的重要性可排出如下顺序：,13.1.3 用途概述,顺序大体是按世界年产量大小排列的，表示不出排序较后元素在某些特定应用领域的重要意义。,金属锂,制造氢化锂、氨化锂和合成有机锂化合物，后者用做 有机化学中的还原剂和催化剂；,制造合金Al-Li(含锂3 % ),因质量轻和强度大而用于空 间飞行器； 制造高功率长效电池（用于手表、计算机、心脏起搏 器等）； 同位素(在天然锂中约占.%)受中子轰击产生热核 武器的主要原料氚：,金属钠,金属钾,工业用途小，世界年产量只及钠的 0.1% ！主要用于制造KO2（生氧剂）和低熔点钠钾合

12、金（用做干燥剂和还原剂），也用做核反应堆的冷却剂。,金属铯和铷,制造光电池的良好材料。133Cs 厘米波的振动频率(9192631770 s-1) 在长时间内保持稳定, 因而将振动这次所需要的时间规定为 SI 制的时间单位 s。利用此特性制作的铯原子钟 ( 测准至 1.0 10-9 s ) 在空间科学的研究中用于高精度计时。,1999年花费65万美元,安放在美国国家标准和技术研究所.2000万年内误差不超过1 s,最近由中科院研制的铯原子钟, 200万年内误差不超过1 s,金属铍,“轻金属”，70 %80 % 用来制造铍铜合金。 金属铍和铍基合金的弹性-质量比、拉伸应力和导热性都较高，因而用于

13、各种空间飞行器。还用于制造氧化物陶瓷、原子能反应堆中的中子减速剂。,金属镁,最轻的一种结构金属，也是用途最大的碱土金属。耗量的70 % 用来制造合金。 广泛用于航空航天事业，也用于某些金属冶炼还原剂。,13.2.1 与氧的二元化化物 Binary compounds of alkalin metals with oxygen 13.2.2 氢氧化物 Hydroxides 13.2.3 盐类化合物 Salt compounds 13.2.4 大环配位配合物 Macrocyclic coordination compounds,1. 多样性,“能量效应”要求体积较大的过氧阴离子、超氧阴离子和臭氧阴

14、离子更易被较大的金属阳离子所稳定。,13.2.1 与氧的二元化合物,K, Rb, Cs 还会形成臭氧化物：,正常氧化物(O2-) 过氧化物(O22-) 超氧化物(O2-),稳定性:,2. 化学性质, 与 H2O 的作用 (生成对应的碱)：,臭氧化物与水反应不生成H2O2。, 与CO2的作用, 与矿石一起熔融分解矿物,（碱性化合物，除Be(OH)2为两性外）, 易吸水溶解,碱金属氢氧化物在水中溶解度都较大，除氢氧化锂外；碱土金属氢氧化物在水中溶解度如下（20）,规律：阴、阳离子半径相差较大的离子型化合物在水中溶解度较大，阴、阳离子半径相近的溶解度较小，即 “相差溶解” 规律. OH-是体积小的阴

15、离子与体积小的锂、铍、镁离子则易沉淀, 溶解度与碱性,13.2.2 氢氧化物,重要盐类：卤化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐和磷酸盐,13.2.3 盐类化合物,绝大多数的碱金属形成离子型化合物，只有锂的某些盐(例如LiCl)具有一定程度的共价性。,(1) 键型,通常具有较高的热稳定性, 惟有硝酸盐的热稳定性比较低, 加热分解的过程过程中产生O2。这一性质使KNO3成为火药的一种成分：,(2)热稳定性,1.碱金属的盐类化合物,(3)火焰的颜色,前面已介绍过“焰色反应”。钠的发光机理为：,(4)溶解性,许多盐在水中易溶，例外的必须记住：例如锂的LiF、Li2CO3和Li3PO45H2O，钠的NaSb(O

16、H)6和NaZn(UO2)3(CH3COO)96H2O（醋酸铀酰锌钠），钾、铷和铯的M3Co(NO2)6（钴亚硝酸盐），MB(C6H5)4（四苯硼酸盐），MClO4（高氯酸盐）和M2PtCl6（氯铂酸盐）等却是非常重要的（离子鉴定）。,绝大多数是离子型晶体，但Be2+极化力强，BeCl2 的共价性非常明显。,2.碱土金属的盐类化合物,(1) 键型,(2)溶 解 性,溶解度依然符合“相差溶解”规律。对 和 两个大阴离子而言，阳离子半径较小的铍盐和镁盐都是易溶盐，而阳离子半径较大的BaSO4和BaCrO4溶解度都很小。, 稳定性 M2CO3 MCO3,分解反应 MCO3(s) = MO(s) + CO2(g) 的热力学数据 （298K）,(2)碳酸盐的热稳定性, 碳酸盐热分解有规律,规律：含有大阴离子(如 )的热不稳定性化合物的分解 温度随阳离子半径的增大而增高.,下面三对处于对角