碱金属碱土金属

第十七章 碱金属 碱土金属The Elements of the Alkali and the Alkaline Earth Metals A A A A A A A 02He3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne11Na 12Mg 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar19K 20Ca 31Ga 32Ge 33As 34Se 35Br 36Kr37Rb 38Sr 49In 50Sn 51Sb 52Te 53I 54Xe55Cs 56Ba 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 85At 86Rn87Fr 88RaS区元素 P区元素1教学要求 1、掌握 A、 A 族元素单质、氧化物、氢氧化物的性质、制备和用途。熟悉性质变化的规律性2 、掌握 A、 A 族金属盐类的一些重要性质。3、通过对比锂、镁的相似性了解对角线规则。2第一节 碱金属和碱土金属的通性第二节 碱金属和碱土金属的单质第三节 碱金属和碱土金属的化合物第四节 对角线规则本章讲解内容请选择3第一节 碱金属和碱土金属的通性第 IA族包括锂、钠、钾、铷、铯和钫六种元素，由于它们的氢氧化物都是易溶于水的强碱，所以称它们为碱金属元素。其中钫是放射性元素。第 IIA族包括铍、镁、钙、锶、钡和镭六种元素，由于钙、锶和钡的氧化物在性质上介于 “碱性的 ”碱金属氧化物和 “土性的 ” 难熔的氧化物Al2O3之间，所以称它们为碱土金属。现在习惯上把铍和镁也包括在内，统称为碱土金属元素。其中镭是放射性元素。 A ALiNaKRbCsFrBeMgCaSrBaRa 4表 17-1 碱金属元素的一些基本性质碱金属是活泼性最强的金属元素，都是强还原剂5表 17-2 碱土金属元素的一些基本性质碱土金属仍是活泼性相当强的金属元素，也是强还原剂，6密度最小的金属元素是 Li， 其次是 K、 Na。 Li的密度只有水的一半，可以浮在煤油上。碱金属可以用小刀切割，具有金属光泽，但很快会被氧化而失去光泽 。物理性质由于碱土金属的原子半径较小，所以形成的金属键比碱金属强得多，因此 它们的熔沸点、密度和硬度等都比碱金属的高。但碱土金属的密度比常见金属如 Cu、 Zn、 Fe还是小得多，碱土金属 也属轻金属 。除了铍和镁以外，其它金属都很软，可以用刀子切割。它们的单质都有良好的导电性和延展性。成键特征 1、以离子键为主， A族是离子键特征最强的元素，其次是 A族；2、可以形成共价化合物的元素是： Li、 Be、 Mg等，气态的 Na2、 Cs2也是共价分子。碱金属具有密度小、硬度小、熔沸点低、升华热低、导电性强等特性7第二节 碱金属和碱土金属的单质2-1 存在和制备 海水（ NaCl、 MgCl2 、 KCl） 光卤石 (KCl MgCl6H2O)。钠长石 (NaAlSi3O8)钾长石 (KAlSi3O8)锂辉石 (Li2Al 2O34SiO 2)明矾(K2SO4Al 2(SO4)324H 2O)石膏 (CaSO42H 2O)重晶石 (BaSO4)天青石 (SrSO4)大理石（ (CaCO3 ）石灰石 (CaCO3)菱镁矿 (MgCO3)氯化物硅酸盐矿硫酸盐矿 碳酸盐矿8金属的制备电解熔盐法电解熔盐法是最强的氧化还原手段，由于卤化物的熔点较低，所以常用电解氯化物法制备活泼金属：阳极放出氯气： 2Cl- =Cl2+ 2e阴极析出金属： M+ +e = M电解反应： 2MCl =2M + Cl2在电解中，必要时要混入适当的助熔剂，如在氯化钠的电解中，是加入 CaCl2为助熔剂，其作用是：1、降低熔点（钠熔点 =1073K， 混合盐熔点 =873K）2、 防止钠的挥发3、减小钠的分散性（熔盐密度大，钠密度小，易浮于熔盐上面进行分离）如 Li、 Na、 Mg、 Ca等金属是用电解金属氯化物的方法制备的：2NaCl = 2Na + Cl2 MgCl2 = Mg + Cl2热还原法金属置换法热分解法9热还原法金属置换法热还原法中常用碳可碳化物作还原剂，从金属氧化物或碳酸盐中还原出金属。K2CO3 2C=2K 3CO1473K 真空MgO + C = CO +MgMgO + CaC2 = Mg + CaO + 2C2KF CaC2=CaF2 2K 2C1273 - 1473 K用活泼金属作还原剂的热还原法称金属置换法，常用还原剂金属有：Na、 Ca、 Mg、 Ba、 Al等。KCl + Na =NaCl + K2RbCl + Ca =CaCl2 + 2Rb3CaO + 2Al = 3Ca + Al2O31473K真空K通常不用电解法而用置换制备，这是因为它易溶在熔融的 KCl中，难于分离，且电解中产生的超氧化物与金属钾会发生爆炸，所以不用电解法制钾。 Rb和Cs也是这样。上述是熔盐中的置换反应，它不同于溶液中的置换反应，熔点低的物质容易被置换出来。 104KCN=4K 4C 2N22MN3=2M 3N2 M Na、 K、 Rb、 Cs668K2RbN3=2Rb 3N2真空663K2CsN3=2Cs 3N2热分解法一些不稳定的盐可用热分解法，如氰化物、叠氮化物。因碱金属的叠氮化物容易纯化，加热分解不爆炸。所以是制备它们的好方法。112-2 单质的物理性质密度较小但硬度大 镁和铍用于制轻质合金，如镁铝合金和电子合金，用于制造飞机部件，铍铜合金具有强度大，硬度高弹性好等优点。碱土金属的导电性最好的是镁和钙，其它的导电能力较差一、碱金属特殊物理性质：密度小 钾钠保存于煤油中，锂保存于蜡中。硬度小 用小刀可以切割它们。熔沸点较低 随原子量的增大而降低。导电性强 Cs、 Rb用于作光电材料。二、碱土金属的物理物质三、液态合金碱金属在常温下能形成液态合金：K-Na合金（ K: 77.2 % Na: 22.8 % m.p. = 260.7 K） 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。Na-Hg合金 (称钠汞齐 m.p. = 236.2 K) 用于有机合成中作还原剂 122-3 单质的化学性质 A族是最活泼的金属元素，其次是 A族，同族中单质的化学性质由上到下活泼性增强切割一小块钠放在水中，可观察到钠浮在水面上与水激烈反应而来回运动着：2Na+2H2O=2NaOH+H2钾可在水面上燃烧呈现紫红色火焰。Li反应时由于产物溶解度小而吸附在金属表面上，使反应缓慢进行。一、与水和空气的反应碱金属与水的反应134Li O2 2Li2O6Li N2 2Li3N4Na O2 2Na2ONa2O CO2 Na2CO3碱金属在常温下可以与空气中的 O2、CO2、 水汽 等反应碱土金属一般要加热才能进行反应。这是因为它的表面容易生成氧化膜保护层。3Ca N2=Ca3N23Mg N2=Mg3N2在空气在燃烧时，钠生成过氧化物，钾、铷、铯生成超氧化物与空气反应想一想：活泼金属应当如何保存？要避免与空气接触。锂要保存于蜡中，钾、钠、钙等应保存于煤油中。常温下锂可与氮气反应14二、用作高温还原剂如 Na、 Mg、 Ca等：SiO2 2Mg=Si 2MgOTiCl4 4Na=Ti 4NaCl三、 与非金属反应生成二元化合物2M(熔化 ) H2=2MH M Li, Na研磨Na S=Na2SNa P=Na3P四、溶解于液氨中生成溶剂合离子和电子M(s) (x+y)NH3(l)=M(NH3)x+ e(NH3)y-金属的氨溶液呈蓝色，若挥发掉溶剂，又可得到金属。金属氨溶液具有高导电性，顺磁性，和强还原性，常用于有机制备反应，如：2Na 2NH3(l) 2NaNH2 H215第三节 碱金属和碱土金属的化合物3-1 氧化物普通氧化物 过氧化物 超氧化物 臭氧化物Li2O、 MO (M = 碱土金属 )Na2O2、BaO2MO2 (M = K、 Rb、 Cs)MO3 (M=K、 Rb、 Cs):O:2-:OO: 2-:OO: - OO O-35抗磁性 抗磁性 顺磁性 顺磁性结构16一、普通氧化物Li、 A 金属与空气作用或由碳酸盐加热分解时均生成氧化物：4M O2=4M2O （ M=碱金属，常温）6Li + N2 =2Li3N （ 常温）2M O2=2MO （ M=碱土）MCO3=MO CO2 （ M=碱土）制 备性 质它们都是白色固体，化学性质主要表现为碱性氧化物，与水、酸、酸性氧化物反应， BeO则表现两性M2O+H2O = 2MOH (M=碱金属 )M2O+CO2 = M2CO3(M=碱金属 )MO+H2O=M(OH)2 (M=碱土金属 )MO+CO2 = MCO3 (M=碱土金属 )BeO+NaOH=Na2Be(OH)4(铍酸钠 )BeO+2HCl=BeCl2+H2O 17想一想1、为什么自然界没有游离态的碱金属和碱土金属？它们主要以哪些形式存在？2、碱金属有哪些特殊的物理性质？3、工业上常用电解方法制备的碱金属和碱土金属有哪些？为什么不用电解法制备金属钾。1、答：因为碱金属和碱土金属是最活泼的金属，它们与空气或水接触时会发生反应，因此它们总是以化合态存在于自然界，主要形式有卤化物，硅酸盐矿，硫酸盐矿和碳酸盐矿。2、 碱金属的特殊物理性质：密度小、硬度小、导电性强、容易形成液态合金。3、工业上常用电解的方法制备的碱金属是锂和钠，碱土金属是镁和钙。钾一般不用电解法制备， 因为它熔点低，易挥发，生成的 K易溶在熔融的 KCl中，难于分离，且电解中产生的超氧化物与金属钾会发生爆炸。1、答：因为碱金属和碱土金属是最活泼的金属，它们与空气或水接触时会发生反应，因此它们总是以化合态存在于自然界，主要形式有卤化物，硅酸盐矿，硫酸盐矿和碳酸盐矿。18二、其它氧化物的制备453-473K4Na O2=2Na2O573-673K2Na2O O2=2Na2O2773-793K2BaO O2=2BaO2燃烧M O2=MO2 臭氧与 K、 Rb、 Cs的氢氧化物反应，可以制得臭氧化物：6KOH + 4O3 = 4KO3 + 2KOH H2O + O2过氧化物超氧化物臭氧化物钠在空气中燃烧可制得黄色的过氧化钠粉末氧化钡在氧气中燃烧可得白色的过氧化钡钾、铷、铯与氧气可生成三种类型氧化物： M2O、M2O2、 MO2。 在空气中燃烧时生成超氧化物用液氨结晶 KO3可得桔红色的KO3晶体19三、氧化物的性质比较Na2O2 2H2O H2O2 2NaOH2H2O2 2H2O O22MO2 2H2O O2 H2O2 2MOH2MO3 2H2O 2O2 H2O2 2MOH与水反应M2O+CO2 = M2CO32M2O2+CO2=2M2CO3+O24MO2 2CO2 2M2CO3 3O2与 CO2反应Cr2O3+3Na2O2=2Na2CrO4+Na2OMnO2+Na2O2=Na2MnO4强氧化性过氧化物用于把某些难溶氧化物氧化为高价的易溶物： 20四、氧化物的主要用途碱土氧化物氧化剂漂白剂供氧剂引火剂碱土金属的 BeO,MgO具有很高的熔点和硬度， 用于制耐火材料和金属陶瓷。 CaO俗称石灰或生石灰，作建筑材料，也用做干燥剂，炼钢工业上用于除去 Si、 P杂质。过氧化物、超氧化物、臭氧化物都是强氧化剂。由于它们的强氧化性，可用于纸张、织物等的漂白剂利用它们与二氧化碳反应生成氧气的性质作为潜水、登山、高空作业的供氧剂过氧化钡常用于爆破作业上作强火剂CaO SiO2=CaSiO33CaO P2O5=Ca3(PO4)2213-2 氢氧化物 碱金属的氢氧化物对皮肤和纤维有强烈 的腐蚀作用，所以又称为荷性碱。物理性质 碱金属和碱土金属的氢氧化物均为白色固体。颜色和状态 碱金属氢氧化物的熔点较低：LiOH NaOH KOH RbOH CsOH723 591 633 574 545碱土金属氢氧化物在熔点前脱水分解熔点 (K)溶解性moll-1LiOH NaOH KOH RbOH CsOH5.3 26.4 19.1 17.9 25.8Be(OH)2 Mg(OH)2 Ca(OH)2 Sr(OH)2 Ba(OH)2810-6 510-4 1.810-2 6.710-2 210-1 碱金属氢氧化物溶于水放出大量热，在空气中很快潮解，可用作干燥剂。它是重要的工业原料 22强碱性反应化学性质碱金属氢氧化物酸性氧化物CO2 碳酸盐硅酸盐铝酸盐SiO2Al2O3非金属岐化酸 盐 +水卤素 XO3- + X-PSH2PO2- +PH3SO32- + S2-非金属置换Al、 Zn、 B、 Si 含氧酸盐 +H2重要的氢氧化物有 NaOH、 KOH、 Ca(OH)2等制 备1).电解食盐水法制备 NaOH:2NaCl+2H2O= 2NaOH+H2+Cl22). 氧化物与水反应 :CaCO3=CaO + CO2CaO + H2O=Ca(OH)2 233-3 氢化物制 备碱金属和碱土金属的 Ca、 Sr、 Ba 与氢在高温下反应生成离子型氢化物：2M H2 2MH （ M 碱金属）M H2 MH2 （ M Ca、 Sr、 Ba）氢化物中以 LiH最稳定，加热到熔点(961K)也不分解性 质离子型氢化物都是强还原剂，在水中水解放出氢气：TiCl4 4NaH Ti 4NaCl 2H2LiH H2O LiOH H2CaH2 2H2O Ca(OH)2 2H2LiH、 CaH2常用于作为野外产生氢气的原料。1 kg 氢化锂 H22800 dm324碳酸盐：都难溶硫酸盐：以 BaSO4最难溶， MgSO4易溶草酸盐：以 CaC2O4的最小，它是所有钙盐中溶解度最小的。铬酸盐：除铬酸镁易溶外，其他的难溶。3-4 盐类一、盐类的溶解性碱金属的大部分盐是可溶的，少数难溶盐的数目是 随着碱金属离子半径的增大而增多， 一些难溶盐如下：锂盐：氟化锂 LiF、 碳酸锂 Li2CO3、 磷酸锂 Li3PO4.5H2O钠盐：六羟基锑酸钠 NaSb(OH)6 （ 白）醋酸铀酰锌钠 NaZn(UO2)3(CH3COO)99H2O（ 黄绿）钾盐： KClO4(白色 )、 KHC4H4O6(酒石酸氢钾，白色 )、 K4PtCl6(淡黄色 )、 K2NaCo(NO2)6(亮黄色 )、 KB(C6H5)4(四苯硼酸钾白色 )碱土金属的难溶盐很多凡难溶弱酸盐都易溶于酸。Na+的检验：Na+ZnAc2+3UO2Ac2+HAc +9H2O=NaAcZnAc23UO2Ac29H2O(黄 )+H+ K+检验 :2K + Na+ Co(NO2)63- = K2NaCo(NO2)6(黄 )25二、钠盐和钾盐的性质差异、溶解性 钠盐溶解度较特殊的是， NaHCO3的溶解度小于 Na2CO3， NaCl的溶解度随温度的变化不大。难溶盐的种类以钾盐较多。、吸湿性 钠盐的吸湿性比相应的钾盐强，因此在分析上一般用钾盐作标准试剂，如作标定用的邻苯二甲酸氢钾，重铬酸钾等。、结晶水 钠盐之所以溶解度大，吸湿性强，很大的一个因素是它溶易形成结晶水合物，如 Na2SO410H 2O，Na2HPO412H 2O， Na2S2O35H 2O等。26三、焰 色 反 应Li Na K Ca Ba离子 Li+ Na+ K+ Rb+ Cs+ Ca2+ Sr2+ Ba2+颜色 红 黄 紫 紫红 紫红 橙红 洋红 黄绿波长 670.8 589.0 404.4 420.2 455.5 612.2 687.8 553.6(nm) 589.6 404.7 629.8 459.3 616.2 707.0 碱金属和碱土金属的离子在无色火焰上燃烧时，当较高能级上的电子跳回较低能级轨道上时，要释放出特征波长的光，呈现出特征的颜色。27四、晶型 碱金属和碱土金属离子型晶体大多数为 NaCl型和 CsCl型NaCl型：阳离子和阴离子均为面心立方构型，配位数均为 6Cs