【冶金精品文档】s区金属(碱金属和碱土金属)

1、第20章 s区金属（碱金属和碱土金属）20-1 碱金属和碱土金属的通性20-2 碱金属和碱土金属的单质20-3 碱金属和碱土金属的化合物思考题习题20-2 碱金属和碱土金属的单质20-2-1 单质的物理性质、化学性质及用途20-2-2 单质的制备20-3 碱金属和碱土金属的化合物20-3-1 氧化物20-3-2 氢氧化物20-3-3 氢化物20-3-4 盐类20-3-5 配合物碱金属和碱土金属的通性碱金属和碱土金属是周期表IA族和IIA族元素。IA族包括锂、钠、钾、铷、铯、钫六种金属元素。它们的氧化物溶于水呈强碱性，所以称为碱金属。IIA族包括铍、镁、钙、锶、钡、镭六种金属元素。由于钙、锶、钡

2、的氧化物在性质上介于“碱性”和“土性”(以前把粘土的主要成分Al2O3称为“土”)之间，所以称为碱土金属，现习惯上把铍和镁也包括在内。钫和镭是放射性元素。钠、钾、钙、镁和钡在地壳内蕴藏较丰富，它们的单质和化合物用途较广泛。1807年,戴维电解KOH得到金属K(Potassium),用同样的方法从NaOH中得到金属Na(Sodium)。碱金属和碱土金属的通性1808年,戴维把潮湿的石灰和氧化汞按3:1的比例混合，放在白金皿中进行电解得到了钙汞齐，并制得了钙。不久他又从菱锶矿石(SrCO3)、重晶石(BaSO4)和苦土(MgO)中到得了三个新的金属元素单质锶、钡(Barium)和镁。钫(Franc

3、ium)是由法国的佩里从锕衰变并放出粒子后得到的。铍(Beryllium)是1845年德国的多才多艺的化学家维勒用他电解发现铝的方法制得的。碱金属和碱土金属的通性碱金属的基本性质 元素性质LiNaKRbCs原子半径/pm152153.7227.2247.5265.4离子半径/pm6897133147167第一电离势kJ/mol521499421405371第二电离势72954591308826752436电负性0.980.930.820.820.79标准电极电势(酸)-3.045-2.711-2.923-2.925-2.923M+(g)水合热/kJmol-1519406322293264碱金属

4、和碱土金属的通性碱土金属的基本性质 元素 性质BeMgCaSrBa原子半径/pm111.3160197.3215.1217.3离子半径/pm356699112134第一电离势kJ/mol905742593552564第二电离势1768146011521070971第三电离势149397658494243513575电负性1.571.311.000.950.89标准电极电势(酸)-1.85-2.375-2.76-2.89-2.90标准电极电势(碱)-2.28-2.69-3.02-2.99-2.97M2+(g)水合热/kJmol-124941921157714431305单质的物理性质、化学性质及

5、用途一、单质的物理性质及用途碱金属密度小、硬度小、熔点低、导电性强，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。锂是固体单质中最轻的，它的密度约为水的一半。碱土金属的密度稍大些。IA及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。铷、铯可用于制造最准确的计时仪器铷、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。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。它们有些还可以制合金，许多是生命必须元素。金属钠金属钙单质的物理性质、化学性质及用途二、单质的化学性质1、与水反应 锂在与水反应中不熔化，钠、钾

6、与水的反应剧烈，钾产生的氢气能燃烧，铷、铯与水剧烈反应并发生爆炸。铍能与水蒸气反应，镁能将热水分解，而钙、锶、钡与冷水能比较剧烈地反应。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能使它熔化，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表面不如液态钠大;(2)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。钾与水反应单质的物理性质、化学性质及用途2、与非金属反应碱金属在室温下能生成一层氧化物(如Na2O)，在锂的表面上，除生成氧化物外还有氮化物(Li2O、Li3N)。钠、钾在空气中稍微加热就燃烧

7、起来(钠生成Na2O2、钾生成KO2等)，铷和铯在室温下遇空气就立即燃烧生成更复杂的氧化物。锂却燃烧生成Li2O。它们的氧化物在空气中易吸收二氧化碳形成碳酸盐。(如Na2CO3)碱金属应存放在煤油中。锂因比煤油的密度小，所以将其浸在液体石蜡或封存在固体石腊中。单质的物理性质、化学性质及用途2、与非金属反应碱土金属活泼性略差，室温下这些金属表面缓慢生成氧化膜。它们在空气中加热发生反应，生成氧化物和少量氮化物(如：Ca3N2、Mg3N2)。因此在金属熔炼中常用Li、Ca等除去溶解在熔融金属中的氮气和氧气,在电子工业中常用Ba除去真空管中痕量氮气和氧气,在高温时碱金属和碱土金属还能夺取某些氧化物中的

8、氧如镁可使CO2的碳还原成单质。镁与二氧化碳反应单质的制备一、熔盐电解法 2NaCl(CaCl2)=2Na+Cl2加入氯化钙一则可降低电解质的熔点(混合盐的熔点约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。二、热分解法KCN=4K+4C+N2MN3=2M+3N2（M=Na,K,Rb,Cs）阴极阳极单质的制备三、热还原法热还原法一般采用焦炭或碳化物为还原剂K2CO3+C=2K+CO2KF+CaC2=CaF2+2K+2C钾、铷和铯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+K

9、2RbCl+Ca=CaCl2+2Rb2CsAlO2+Mg=MgAl2O4+2Cs氧化物自学要求：1、用前面所学过的知识来理解过氧离子和超氧离子的结构。2、解释氧化物颜色的变化。3、了解过氧化物及超氧化物的性质。氢氧化物1、性质和用途在空气中易潮解，常作干燥剂。NaOH能溶解Al、Zn等两性金属及其氧化物，也能溶解许多非金属(Si、B等）及其氧化物。2Al+2NaOH+6H2O=2NaAl(OH)4+3H2Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2OSi+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O（能腐蚀玻璃）因其能溶解某些金属氧化物、非金属氧化物，

10、在工业生产和分析工作中常用于分解矿石。熔融的氢氧化钠腐蚀性很强，工业上熔化氢氧化钠一般用铸铁容器，在实验室可用银或镍的器皿。氢氧化物2、氢氧化钠的制备工业上用电解食盐水的方法来制取。少量氢氧化钠，也可用苛化法制备。即用消石灰或石灰乳与碳酸钠的浓溶液反应：Na2CO3+Ca(OH)2CaCO3+2NaOH 3、溶解度的变化通常离子化合物的溶解度与其离子势(Z/r)成反比。同族元素的氢氧化物从上到下溶解度逐渐增大的。同一周期中氢氧化物的溶解度减小。NaOH常含有Na2CO3杂质，要得不含Na2CO3的NaOH溶液，可配制NaOH的饱和溶液，Na2CO3因不溶于饱和的NaOH溶液而沉淀析出。NaCl

11、水溶液电解槽氢氧化物4、碱性的变化当金属离子（R）的电子构型相同时，则1/2值愈小，金属氢氧化物的碱性愈强。碱性增强氢氧化物1/2碱性氢氧化物1/2碱性LiOH3.8强碱Be(OH)27.6两性NaOH3.2强碱Mg(OH)25.5中强碱KOH2.7强碱Ca(OH)24.5强碱RbOH2.6强碱Sr(OH)24.2强碱CsOH2.4强碱Ba(OH)23.9强碱当1/210时R(OH)n显酸性当101/27时R(OH)n显两性当1/27时R(OH)n显碱性氢化物碱金属和碱土金属中较活泼的Ca、Sr、Ba能与氢在高温下直接化合，形成离子晶体，故称为离子型氢化物，又称为盐型氢化物。金属氢化物中的H-

12、离子的半径介于F-离子和Cl-离子之间，所以具有卤化物的一些性质。碱金属氢化物中以LiH最稳定，加热到(961K)也不分解。但其它氢化物不稳定，加热易分解成金属和氢。氢化物所有碱金属氢化物都是强还原剂。 673KTiCl4+4NaH=Ti+4NaCl+2H2LiH+H2O=LiOH+H2CaH2+2H2O=Ca(OH)2+2H2由于氢化钙与水反应而能放出大量的氢气，所以常用它作为野外产生氢气的材料。镁和镁系合金(如Mg2Ni，Mg2Cu、镁-稀土系合金)是一类贮氢合金。贮氢时，用合金与氢反应，生成金属氢化物。用氢时，把金属氢化物加热，将氢放出来，以供使用。盐类碱金属和碱土金属的常见盐类有卤化物

13、、碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐和硫化物等。1、溶解性碱金属盐类通常易溶于水(碳酸锂列外),且它们的离子都是无色的。只有少数碱金属盐是难溶的;它们的难溶盐一般都是由大的阴离子组成，而且碱金属离子越大，难溶盐的数目也越多。如：六羟基锑酸钠NaSb(OH)6 (白色) 高氯酸钾 KClO4 (白色) 酒石酸氢钾 KHC4H4O6(白色) 六氯铂酸钾 K4PtCl6(淡黄色)钴亚硝酸钠钾K2NaCo(NO2)6(亮黄色) 钠、钾的一些难溶盐常用于鉴定钠、钾离子。盐类碱土金属盐类的重要特征是它们的微溶性。除氯化物、硝酸盐、硫酸镁、铬酸镁易溶于水外，其余的碳酸盐、硫酸盐、草酸盐、铬酸盐等皆难溶。 硫酸盐和铬酸盐

14、的溶解度依Ca、Sr、Ba的顺序降低。 草酸钙的溶解度是所有钙盐中最小的，因此，在重量分析中可用它来测定钙。 碱金属和碱土金属碳酸盐溶解度的差别也常用来分离Na+、K+和Ca2+、Ba2+。盐类2、钠盐和钾盐性质的差异钠盐和钾盐性质很相似，但也有差别，重要的有三点： a、溶解度：钠、钾盐的溶解度都比较大，相对说来，钠盐更大些。但NaHCO3溶解度不大，NaCl的溶解度随温度的变化不大，这是常见的钠盐中溶解性较特殊的。b、吸湿性：钠盐的吸湿性比相应的钾盐强。因此，化学分析工作中常用的标准试剂许多是钾盐，如用K2Cr2O7标定还原剂溶液的浓度,而不用Na2Cr2O7。在配制炸药时用KNO3或KCl

15、O3，而不用相应的钠盐。NaOH+KCl=NaCl+KNO3盐类c、结晶水：含结晶水的钠盐比钾盐多，如Na2SO410H2O、Na2HPO412H2O等。钠的化合物价格较便宜，一般使用钠的化合物，而不用钾的化合物。但要注意某些特殊情况，如制硬质玻璃必须用K2CO3，制黑火药一定要用KNO3等。3、晶型绝大多数碱金属和碱土金属的盐是离子型晶体，晶体大多属NaCl型，铯的卤化物是CsCl型结构。由于Li+、Be2+离子半径最小，极化作用较强，才使得它们的某些盐具有较明显的共价性。盐类3、焰色反应由于离子半径不同，核对外层电子的控制能力不同，在无色火焰中灼烧时，电子被激发所吸收的能量不同即吸收光的波

16、长不同，所呈现的颜色不同叫“焰色反应”。Li 红色，Na 黄色，K 紫色，Rb 紫红，Cs 紫红，Ca 橙红(砖红)，Sr 红(猩红)，Ba 绿色，硼 浅绿，Cu 绿色。在军事上用做信号弹，民间用于焰火。钾钡硼铜红绿锶钡信号弹节日焰火钙锶铷锂盐类4、形成结晶水合物的倾向几乎所有的锂盐是水合的，钠盐约有75是水合的，钾盐有25%是水合物，铷盐和铯盐仅有少数是水合盐。碱金属卤化物大多数是无水的,硝酸盐中只有锂可形成水合物。如LiNO3H2O和LiNO33H2O；硫酸盐中只有Li2SO4H2O和Na2SO410H2O；碳酸盐中除Li2CO3无水合物外，其余皆有不同形式的水合物，其水分子数分别为：Na

17、2CO3K2CO3Rb2CO3Cs2CO3 1,7,101,51,53,5盐类5、形成复盐的能力除锂以外，碱金属还能形成一系列复盐。复盐有以下几种类型：(1)光卤石类，通式为MIClMgCl26H2O,其中MI=K+、Rb+、Cs+。如：光卤石KClMgCl26H2O；(2)通式为M2ISO4MgSO46H2O的矾类,其中MI=K+、Rb+、Cs+,如：软钾镁矾K2SO4MgSO46H2O；(3)通式为MIMIII(SO4)212H2O的矾类，其中MINa+、K+、Rb+、Cs+，MIIIAl3+、Cr3+、Fe3+、Co3+、Ga3+、V3+等离子。如：明矾KAl(SO4)212H2O。复盐

18、的溶解度一般比相应简单碱金属盐小得多。盐类6、热稳定性卤化物在高温时挥发而难分解。硫酸盐在高温下既难挥发，又难分解。碳酸盐除Li2CO3在1543K以上分解为Li2O和CO2外，其余更难分解。硝酸盐热稳定性较低，在一定温度可分解。碱土金属的卤化物、硫酸盐、碳酸盐对热也较稳定。碱土金属的碳酸盐热稳定性较碱金属碳酸盐要低，是由于它们电荷高，极化作用强。盐类 7、碳酸钠(纯碱)、碳酸氢钠(小苏打)纯碱在工业上常用氨碱法(比利时Solvay)制取，我国化学工程学家侯德榜1942年改革成侯氏制碱法，即联碱法。其基本原理是先用NH3将食盐水饱和，然后通入CO2，溶解度较小的NaHCO3析出：NH3+NaC

19、l+H2O+CO2=NaHCO3+NH4Cl8、碳酸钙CaCO36H2O(轻质),难溶于水，易溶于酸和氯化铵溶液，用于发酵粉和涂料等。9、氟化钙(萤石)是制取HF和F2的重要原料。在冶金工业中用作助熔剂，也用于制作光学玻璃和陶瓷等。萤石碳酸氢钠索尔维碳化塔结构盐类10、卤化铍是共价型聚合物(BeX2)n，不导电、能升华，蒸气中有BeCl2和(BeCl2)2分子。11、硝酸钾在空气中不吸潮,在加热时有强氧化性,用来制黑火药。硝酸钾还是含氮、钾的优质化肥。12、氯化镁通常以MgCl26H2O形式存在，它能水解为Mg(OH)Cl，工业上常用碳氯法制取：MgO+C+Cl2=MgCl2+CO(碳氯法)氯

20、化镁易潮解，普通食盐的潮解就是其中含有氯化镁之故。纺织工业中用氯化镁保持棉纱的湿度而使其柔软。盐类13、氯化钙CaCl26H2O加热脱水形成白色多孔的CaCl2。无水CaCl2有很强的吸水性，常用的干燥剂。由于它能与气态NH3和乙醇形成加成物，所以不能用于干燥NH3气和乙醇。氯化钙和冰的混合物是实验室常用的致冷剂。思考题：为什么下雪后,要往马路上洒氯化钙溶液？14、氯化钡氯化钡用于医药、灭鼠剂和鉴定SO42-离子的试剂。氯化钡易溶于水。可溶性钡盐对入、畜都有害，对人致死量为0.8g，切忌入口。盐类15、Na2SO410H2O俗称芒硝，由于它有很大的熔化热(253kJkg-1)，是一种较好的相变贮热材料的主要组分。无水硫酸钠俗称元明粉，大量用于玻璃、造纸、水玻璃、陶瓷等工业中，也用于制硫化钠和硫代硫酸钠等。16、CaSO42H2O俗名生石膏，