碱金属与碱土金属

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1、第17章 碱金属与碱土金属教学要求1. 掌握碱金属和碱土金属的存在、性质、制备和用途；2. 了解碱金属和碱土金属氧化物的性质和类型以及氢化物性质；3. 掌握碱金属和碱土金属氢氧化物的溶解性、碱性及其变化规律；4. 掌握碱金属和碱土金属重要盐类的溶解性、热稳定性等性质及其变化规律教学时数2 学时重点：碱金属和碱土金属单质及氢氧化物的溶解性、碱性和盐类溶解性、热稳定 性的变化规律。难点：碱金属和碱土金属酸碱性、溶解性、热稳定性等性质变化规律的理论解释。 本章预习与问题思考：1. 碱金属和碱土金属有哪些主要化学性质？碱金属和钡在过量氧中燃烧的产物是什么？他们与水反应的情况如何？2. 碱金属和碱土金属

2、在自然界主要以哪些矿物质形式存在？写出这些矿物的 名称（俗名）及对应的化学式。3. 为什么过氧化钠能做潜水密舱中的供氧剂？而氢化钙却可做野外氢气发生 剂？如何检验和除去商品氢氧化钠中的杂质碳酸钠？如何将粗盐中的杂质 Ca2+ Mg2+、SO42-除去精制食盐？4. 如何鉴别碱金属和碱土金属离子？教学内容：本章共有5 节内容，第17-3为学习重点。本章主要根据教学重、难点要求，通 过课堂引导、学生自学和归纳总结的形式完成。17-1碱金属和碱土金属的通性（自学）碱金属元素原子的价电子层结构为nsi ,只有+1氧化态。碱金属原子最外层只有1 个电子，次外层为8个电子（Li为2电子），对核电荷的屏蔽效

3、应较强，所以该价电子 离核校远，特别容易失去，因此，各周期元素的第一电离能以碱金属为最低。与同 周期的元素比较，碱金属原子体积最大，在固体中原子间的引力较小，所以它们的 熔点、沸点、硬度、升华热都很低，并随着Li-NaK-Rb-Cs的顺序而下降。随 着原子量的增加（即原子半径增加），电离能和电负性也依次降低（见P.647表20-1 ）。碱金属性质的变化-般很有规律，但由于锂原子最小，所以有些性质表现特殊。 事实上，除了它们的氧化态以外，锂及其化合物的性质与本族其它碱金属差别较大， 而与周期表中锂的右下角元素镁有很多相似之处。碱金属元素在化合时，多以形成离子键为特征，但在某些情况下也显共价性。

4、气态双原子分子，如N笃、Cs2等就是以共价键结合的。碱金属元素形成化合物时， 锂的共价倾向最大，铯最小。与碱金属元素比较，碱土金属最外层有2个s电子。由于核电荷增加了一个单位， 对电子的引力要强-些，所以碱土金属的原子半径比碱金属的要小些，电离能要大 些，较难失去第-个价电子。失去第二个价电子的电离能约为第-电离能的-倍。 从表面上看碱土金属要失去两个电子而形成二价正离子似乎很困难，实际上生成化 合物时所释放的晶格能足以使它们失去第二个电子。它们的第三电离能约为第二电 离能的4-8倍，要失去第三个电子很困难。因此，碱土金属的主要氧化数是+2，且金 属活泼性不如碱金属。比较它们的标准电极电势数值

5、，也可以得到同样的结论。在 这两族元素中，它们的原了半径和核电荷都由上而下逐渐增大，在这里，原子半径 的影响是主要的，核对外层电子的引力逐渐减弱，失去电子的倾向逐渐增大，所以 它们的金属活泼性由上而下逐渐增强。碱土金属由于核外有2个有效成键电子，原子间距离较小，金属键强度较大，因 此，它们的熔点、沸点和硬度均较碱金属高，导电性却低于碱金属。碱土金属的物 理性质变化不如碱金属那么有规律，这是由于碱土金属晶格类型不是完全相同的缘 故。17-2 碱金属和碱土金属的单质（1学时）17-2-1 单质的物理性质碱金属和碱土金属的重要物理性质列于表20-3中（P.649）：碱金属和碱土金属单质除铍呈钢灰色外

6、，其它都具有银白色光泽。碱金属具有 密度小、硬度小，熔点低、导电性强的特点，是典型的轻金属。碱土金属的密度， 熔点和沸点则较碱金属为高。Li、Na、K比水轻，锂是最轻的固体金属，密度约为水的一半。碱土金属的密 度稍大些，但钡的密度比常见金属如Cu、Zn、Fe还小很多。IA、IIA族金属单质之 所以比较轻，是因为它们在同一周期里比相应的其它元素原子量较小，而原子半径 较大的缘故。Li+离子的极化力是碱金属中最强的，它的溶剂化作用和形成共价的趋势异常的大，有人提出有“锂键”的存在，类似于氢键，如HFLiF和（LiF2）2等。由于碱金属的硬度小，所以钠、钾都可以用刀切割。切割后的新鲜表面可以看 到银

7、白色的金属光泽，接触空气以后，由于生成氧化物、氮化物和碳酸盐，颜色变 暗。碱金属具有良好的导电性。碱金属 （特别是钾、铷、铯）在光照之下，能够放出 电子，对光特别灵敏的是铯，是光电池的良好材料。铷、铯可用于制造最准确的计 时器铷、铯原子钟。 1967年正式规定用铯原子钟所定的秒为新的国际时间单位。碱金属在常温下能形成液态合金（77 . 2%K和22 . 8%Na，熔点260 . 7K）和钠汞 齐（熔点236 . 2K）,前者由于具有较高的比热和较宽的液化范围而被用作核反应堆的 冷却剂，后者由于具有缓和的还原性而常在有机合成中用作还原剂。钠在实验室中 常用来除去残留在各种有机溶剂中的微量水分。锂

8、的用途愈来愈广泛，如锂和锂合金是一种理想的高能燃料，锂电池是一种高 能电池。据报道，LiCO可用于治疗狂躁型抑郁症。碱土金属中实际用途较大的是镁。主要用来制造合金。铍作为新兴材料日益被 重视。这两族元素中有几种元素在生物界有重要作用。例如钠和钾是生物体液的重要 成分。镁是许多酶的活化剂等等，对于有机界是必需的。17-2-2单质的化学性质钠与水的反应，放出的热使钠熔化成小球。钾与水的反应更激烈，并发生燃烧， 铷、铯与水剧烈反应并发生爆炸。碱土金属也可以与水反应。铍能与水蒸气反应，镁能将热水分解，而钙、锶、 钡与冷水就能比较剧烈地进行反应。由此可知碱金属和碱土金属均为活泼金属，都是强还原剂；在同一

9、族中，金属 的活泼性由上而下逐渐增强，在同一周期中从左到右金属活泼性逐渐减弱。根据标准电极电势，锂的活泼性应比铯更大，但实际上与水反应还不如钠剧烈。 这是因为(1)锂的熔点较高，反应时产生的热量不足以使它熔化，而钠与水反应时放 出的热可以使钠熔化，因而固体锂与水接触的机会不如液态钠；反应产物LiOH 的溶解度较小，它覆盖在锂的表面，阻碍反应的进行。上述碱金属和碱土金属的活泼性及其变化规律，还表现在它们在空气中都容易 和氧化合。碱金属在室温下能迅速地与空气中的氧反应，所以碱金属在空气中放置 一段时，金属表面就生成一层氧化物，在锂的表面上除生成氧化物外还有氮化物。 钠、钾在空气中稍微加热就燃烧起来

10、，而铷和铯在空温下遇空气就立即燃烧。4Li+O2 二 2Li2O6Li+N2 二 2Li3N4Na+O2 二 2Na2O它们的氧化物在空气中易吸收二氧化碳形成碳酸盐：Na2O+CO2=Na2CO因此碱金属应存放在煤油中，因锂的密度最小，可以浮在煤油上，所以将其浸在液 体石蜡或封存在固体石腊中。碱土金属活泼性不如碱金属，室温下这些金属表面缓慢生成氧化膜。它们在空气中加热才显著发生反应，除生成氧化物外，还有氮化物生成。3Ca + N2 = Ca3N因此在金属熔炼中常用Li、Ca等作为除气剂，除支溶解在熔融金属中的氮气和氧气。在高温时碱金属和碱土金属还能夺取某些氧化物中的氧，如镁可使SiO2的硅还

11、原成单质Si ,或夺取氯化物中的氯，如金属钠可以从T1C14中置换出金属钛。SiO2+2Mg 二 Si+2MgO T1C14+4Na 二 Ti+4NaCl碱金属最有趣的性质之一是能溶在液氨中。其液氨稀溶液呈蓝色，随着液浓度的 增大，溶液的颜色变深。当超过1mol/L后，在原来深蓝色溶液之上出现一个青铜色 的新相。浓度继续加大，溶液就由蓝色变为青铜色。如将溶液蒸发，又可以重新得 碱金属。研究认为：在碱金属的稀氨溶液中，碱金属存在如下平衡：M（s）+（x+y）NH3（l）=M（NH3）+x+e（NH3）-y 由于离解生成氨合阳离子和氨合电子，所以溶液有导电性。此溶液具有高导电 性主要是由于有溶剂合

12、电子存在。溶液中因含有大量溶剂合电子，因此是顺磁性的。痕量杂质如过渡金属的盐类、氧化物和氢氧化物的存在，以及光化作用都能促 进溶液中的碱金属和液氨之间发生反应而生成氨基化物：Na+NH3（l）=NaNH2+1/2H2钙、锶、钡也能溶于液氨生成和碱金属液氨溶液相似的蓝色溶液，与钠相比， 它们溶得要慢些，量也少些。碱金属液氨溶液中的溶剂合电子是一种很强的还原剂。它们广泛应用在无机和 有机制备中。17-2-3存在和制备一、存在由于碱金属和碱土金属的化学性质很活泼，所以它们只能以化合状态存在于自 然界中。在碱金属中，钠和锂在地壳中分布很广，两者的丰度都为2.5%。主要矿物 有钠长石NaAlSi3O8、

13、和钾长石KAlSi3O8，光卤石KClMgCl26H2O及明矶石K2SO4A12（SO4）324H2O等。海水中氯化钠的含量为2.7%,植物灰中也含有钾盐。锂的重要矿物为锂辉石Li2OA12O3 4SiO2，锂、铷和铯在自然界中储量较少且分散，被列为希有金属。碱土金属除镭外在自然界小分布也很广泛，镁除光卤石外，还有白云石CaCO3MgCO3和菱镁矿MgCO3等。铍的最重要矿物是绿柱石3BeOAl2O36SiO3。钙、 锶、钡在自然界中存在的主要形式为难溶的碳酸盐和硫酸盐，如方解石CaCO3、碳 酸锶矿SrCO3、碳酸钡矿、石膏CaSO42H2O、天青石SrSO4殉匝北石BaSO4等。海水 中含

14、有大量镁的氯化物和硫酸盐， 1971年世界镁产量有一半以上是以海水为原料生 产的。二、制备由于碱金属和碱土金属的性质很活泼，所以一般都用电解它们的熔融化合物的方法制取。钠和锂主要用电解熔融的氯化物制取。1 电解熔融氯化钠制金属钠 图171为制取金属钠电解槽示意图。电解槽外有钢壳，内衬耐火材料。两极用 隔墙分开。氯气从阳极区上部管道排出，钠从阴极区出口流出。电解用的原料是氯化钠和氯化钙的混合盐。若只用氯化钠进行电解，不仅需要 高温，而且电解析出的金属钠易挥发（氯化钠的熔点为1073K，钠的沸点为1156K）, 还容易分散在熔融盐中，难于分离出来。加入氯化钙后，一则可降低电解质的熔点（混 合盐的熔

15、点约873K），防止钠的挥发，再则可减小金属钠的分散性，因熔融混合物 的密度比金属钠大，钠易浮在面上。电解熔融盐时的电极反应如下：阳极：2C1二 Cl2+2e-阴极： 2Na+2e-= 2Na总反应： 2NaCl 电解 2Na+C1 2电解得到的钠约含有1%的钙。 制取碱金属的方法还有热还原法、金属置换法和热分解法。2热还原法热还原法一般采用焦炭或碳化物为还原剂，例如：K2CO2+2C1473K、真空 2K+3CO2KF+CaC212731423K CaF2+2K+2C3金属置换法钾、铷和钠虽然也可以用电解法制取，但常用强还原性的金属如Na、Ca、Mg、Ba等在高温和低压下还原它们氯化物的方法制取，例如：KCl+Na=NaCl+Kf2RbCl+Ca=CaCl2+2Rbf铯可以用镁还原，CsA102制得：2CsA102+Mg 二 MgAl2O4+2Cs上面几个反应看起来那是较不活泼的金属把活泼金属从其盐类中置换出来，这似乎与金属的标准电极电势排列的金属活动顺序相矛盾，我们已经知道用标准电极电势作反应方向的判断标准，只能在水溶液的情况下应用，而上述反应都是在高温下进 行的，所以不能应用。将钠蒸气通入熔融的KC1中，可以得到一种钠一钾合金。从 表173可知：钠的沸点为1155 . 9K，钾为1047.9K，钾在高温更易挥发。在一个分 馏塔中加热。利用钾