第八章主族金属元素一碱金属和碱土金属

第八章主族金属元素（一）碱金属和碱土金属第一节化学元素的自然资源第二节碱金属第三节碱土金属第一节化学元素的自然资源一、地壳中元素的分布和存在类型

元素的丰度：元素在地壳中的相对含量称为丰度。丰度通常以质量分数或原子分数表示地壳中丰度最大的前十位的元素是：地壳中主要含量元素的丰度（质量分数）元素OSiAlFeCaNaKMgHTiw/%48.626.37.734.753.452.742.742.000.760.42

元素大部分以化合物的形式存在，只有少数以单质形式存在化合物主要有：

氧化物（包括含氧酸盐）----亲石元素

硫化物----亲硫元素元素在地壳中的分别如下表：LiBe（1）以卤化物、含氧酸盐存在（2）以氧化物或含氧酸盐存在（3）主要以单质存在（4）主要以硫化物存在（5）以阴离子形式存在，有些也以单质存在

BCNOFNeNaMgAlSiPSClAr（2）KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn（1）（2）（3）（4）（5）二、元素资源的存在形式和提取、利用1、化学矿物：自然界3000余种，可利用的仅150来种，目前我国已发现的可有矿物有136种。分为金属矿物和非金属矿物。2、天然含盐水：包括海水、盐湖水、地下卤水和气井水等。3、大气：是游离是游离N2，O2和稀有气体的大本营。4、农副产品：可以用来提取无机物。5、工业废料：废水、废气和废渣含有大量的可用之物。第二节碱金属LiNaKRbCs一、碱金属元素概述：

1、碱金属是IA族S区元素，包括锂、钠、钾、铷、铯和钫2、价电子结构：ns13、金属性：同周期元素中，原子半径最大，易失1个电子，表现出强烈的金属性。本族自上而下原子半径和离子半径依次增大，其活泼性有规律地增强。

碱金属和钙、锶、钡的挥发性盐在无色火焰中灼烧时，能使火焰呈现出一定颜色。这叫“焰色反应”。碱金属和钙、锶、钡的盐，在灼烧时为什么能产生不同的颜色呢？因为当金属或其盐在火焰上灼烧时，原子被激发，电子接受了能量从较低的能级跳到较高能级，但处在较高能级的电子是很不稳定很快跳回到低能级，这时就将多余的能量以光的形式放出。原子的结构不同，就发出不同波长的光，所以光的颜色也不同。碱金属和碱土金属等能产生可见光谱，而且每一种金属原子的光谱线比较简单，所以容易观察识别。

5、碱金属元素的化合物多为离子型化合物6、对角线规则：在周期表中某一元素的性质和它右下方的另一元素相似的现象。LiBeBC╲╲╲NaMgAlSi氢氧化物：锂、镁为中强碱，水溶性小，受热易分解为氧化物；锂和镁的氟化物、碳酸盐、磷酸盐等都难溶于水。Be和Al的单质及化合物都具有两性特点。7、存在形式：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。主要矿物有：

钠长石:钾长石:明矾石:锂辉石:光卤石:锂的用途

1、锂的密度为0.534

g/cm3，是最轻的一种金属，它在冶金工业方面被用于制造轻质合金和耐腐合金，如Li-A1合金在高温下比一般航空用的铝合金强度好，Li-Mg合金已试作火箭、导弹、人造卫星和宇宙飞船的部件。

2、锂和它的某些化合物是优质高能燃料，这些燃料的单位质量小，燃烧温度高，火焰宽，排出气体速度快，已经用于宇宙火箭、人造卫星和超音速飞机等系统方面。比如，火箭燃料。火箭需要很大的功率来克服地球引力，才能飞向外层空间。原来，煤油被认为是最有效、使用液氧作氧化剂的燃料，它的发热量为550J/g。现在，

锂被科学家认为是用作火箭燃料的最佳金属。锂金属燃料燃烧后释放出的热量达2465J/g，约为煤油的4.5倍。

3、锂在熔点时能跟氢气作用生成白色晶体氢化锂，氢化锂遇水即产生大量的氢气，用1

kg氢化锂可得到2.8

m3的氢气，在空间飞行上可以用作燃料电池的原料。

用于原子能制造业

4、锂用于原子能工业，6Li是生产氢弹不可缺少的原料。用中子轰击6Li生成3H，而6Li3H就是氢弹的炸药。6LiD和6LiH也是氢弹的重要原料。1g锂生成的氚化锂，实现热核反应放出的能量，相当于燃烧20t煤。

用于医疗方面

5、心脏起搏器是一种脉冲发生器，它可以用来治疗比较严重的心脏病。心脏起搏器一般是植入人体的，它以一定频率发出的电脉冲刺激心肌，使心房和心室周期性地收缩，从而使心脏正常地工作。过去所用的Zn－Hg电池，寿命比较短（1年－2年）且Hg对人体有一定的危害。现在所用的锂电池，它突出的优点是：①比容量（单位质量电极材料所转换的电量）特别大；②使用寿命长，可达10年，有的可达14－15年。目前全世界大约有200万心脏病患者带着这种锂电池心脏起搏器，金属锂给他们带来了生机。

6、锂盐（如Li2CO3）用以治疗某些精神病。澳大利亚精神病学家卡特经过多年的实验证明锂盐具有治疗癫狂病的作用。1948年，这项研究成果试用于临床医学。引人注目的一个病例是：一位有五年癫狂病史的患者，精神行为完全失常，仅服用两个多月的锂药剂，使奇迹股地康复了。

其它用途

7、锂常用于制有机金属化合物，如丁基锂等。丁基锂可用于有机高分子化合物的合成，作为引发剂。锂跟铝、铜等金属可制成低密度的和在高温下保持高强度的合金。把钠玻璃浸在含有锂化合物的熔盐浴中，锂离子代替了玻璃表面的钠离子，使玻璃的强度增大。

8、氢化铝锂（LiAlH4）是有机反应中常用的还原剂。

9、硬脂酸锂（C17H35COOLi）和软脂酸锂（C15H31COOLi）是理想的润滑剂，即使在-60。C的环境中，也不会结冰。

钠与钠的化合物的用途

钠的用途（含部分钾的用途）

1、人体中80%的钠分布于细胞外液中，其余的主要分布在骨骼中；钾主要分布在细胞液中，其余贮藏在肌肉和红细胞中。钠和钾在保持组织细胞与血液之间的电荷和化学平衡方面起着重要作用。

2、高压钠灯，提供四种固定波长的光线，其中D65(色温6504K)是国际光学测量用标准光线之一，发出的黄光透雾能力强，常用作路灯。钠灯也可用作洗相的暗室，因为这种灯不会使相纸曝光。

3、钠是一种强还原剂，可以冶炼钛、锆、铌、钽等金属。

3、金属钠以前主要用于制造车用汽油的抗暴剂——四乙基铅，但由于会污染环境，现在已经很少用了。

4、钠可以作为合成橡胶的催化剂。

5、钠可以作为石油的脱硫剂。

钠的化合物的用途

1、氢氧化钠的用途

⑴制造肥皂。肥皂的主要成分是高级脂肪酸的钠盐，通常用油脂和氢氧化钠为原料经过皂化反应而制成。

⑵精炼石油。石油产品经硫酸洗涤后还含有一些酸性物质，必须用氢氧化钠溶液洗涤，再经水洗，才能得到精制产品。

⑶造纸。造纸的原料是木材或草类植物，这些植物里除含纤维素外，还含有相当多的非纤维素（木质素、树胶等）。加入稀的氢氧化钠溶液可将非纤维素成分溶解而分离，从而制得以纤维素为主要成分的纸浆。铷的用途和铯大致相同，但铷光电池和光阴极的灵敏度以及使用范围稍逊于铯。铷和钾、钠、铯的合金可用以除去高真空系统的残余气体。碘化铷银(RbAg4I5)是良好的离子导体，用作固体电池电解质。铷的特征共振频率为6835兆赫，可用作时间标准。铷原子钟的特点是体积小，重量轻，需要的功率小。用铷气泡制成的磁强计，测量范围达15000～80000伽马(1伽马为10-9特斯拉)。氧化铷可用以调整光学玻璃的密度和折射率，并可用来生产光敏玻璃和光色玻璃。硝酸铷还可用作化学钢化玻璃的熔剂，以提高玻璃的抗张强度。铸铝合金中加入0.01～1％的铷，可以改善其力学性能。熔化的铜中加入0.01～0.5％的铷，用喷雾法可制得表面积大而性能好的铜粉。很多有机和无机合成中，可以用Rb2O代替K2O作助催化剂的组分。铷盐还可用于制药。二、金属钠和钾（一）物理性质钠和钾的性质十分相似，质软似蜡，易用小刀切开。（二）储存：需贮存于煤油和石蜡油中钠与水作用易引起燃烧和爆炸，钾比钠更活泼，制备、储存和使用时应更加小心。由于钠、钾的搞活破性和强传热性用以还原制备相应金属，作核反应堆得到热剂。（三）制备金属钠工业上由电解氯化钠的熔融盐制取。金属钾因其沸点低，易挥发，难分离，而难以用电解其熔融盐法制取，通在熔融状态下用金属钠置换法制取，因此金属钾的价格约是钠的10倍。制备方法：1、电解熔融盐如：2NaCl===2Na+Cl2电解2、热还原法如：K2CO3+2C===2K+3CO3、金属置换法(工业上制取钾)如：KCl+Na==NaCl+K↑1473K真空三、碱金属的化学性质

（一）碱金属的氢化物：1、制备：

2、化性：主要有LiH和NaH，皆为白色粉末，是离子型化合物，是很强的还原剂：NaH+H2O─→NaOH+H2↑剧烈反应4NaH+TiCl4─→Ti+4NaCl+2H2强还原性4LiH+AlCl3─→Li[AlH4]+3LiCl四氢铝锂是白色多孔的轻质粉末状复合氢化物，用于制备有机试剂、药物、香料。（二）氧化物：氧化物，过氧化物,超氧化物。1、制备：

锂Li

钠Na钾K铷常温下，遇到氧气就会立即燃烧，生成更为复杂的氧化物。铯4Li+O2==2Li2O点燃与氧气反应不如钠剧烈，生成氧化锂4Na+O2==2Na2O常温下2Na+O2==Na2O2点燃加热时K+O2==KO2(超氧化钾)点燃加热时2、代表物质：过氧化钠，是淡黄色粉末或粒状物。（1）酸介质中做强氧化剂Na2O2+2H2O─→2NaOH+H2O2Na2O2+2H2SO4（稀）─→Na2SO4+H2O22H2O2─→2H2O+O2↑（2）碱介质中强氧化剂，分解矿石的熔剂Na2O2+Cr2O3─→2Na2CrO4+Na2ONa2O2+MnO2─→Na2MnO4(3)防毒面具等提供氧气2Na2O2+2CO2─→2Na2CO3+O2（三）氢氧化物：易潮解，在空气中吸收CO2生成碳酸盐，均为白色固体。

1、碱性规律：

LiOHNaOHKOHRbOHCsOH中强碱强碱强碱 强碱 强碱2、代表物质NaOH：又称烧碱、火碱、苛性碱

具有强碱性，除了与非金属及其氧化物作用外，还与一些两性金属及其氧化物作用，生成钠盐。Si+2NaOH+H2O─→2Na2SiO3+2H2SiO2+2NaOH─→Na2SiO3+H2O2Al+2NaOH+2H2O─→2NaAlO2+3H2AL2O3+2NaOH─→2NaAlO2+H2O

因为氢氧化钠、氢氧化钾易于熔化，又具有溶解某些金属氧化物、非金属氧化物的能力，因此工业生产和分析工作中常用于分解矿石。溶融的氢氧化钠腐蚀性更强，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3、制备：苛化法、隔膜电解法和水银电解（1）苛化法Ca(OH)2+Na2CO3─→2NaOH+CaCO3(2)隔膜电解法和水银电解法2NaCL+2H2O─→2NaOH+H2+CL2四、钠盐和钾盐：

（一）钠盐和钾盐性质的差异(1)易溶于水：溶解度碱金属盐类的最大特征是易溶于水，并且在水中完全电离，所有碱金属离子都是无色的。只有少数碱金属盐是难溶的。钠、钾盐的溶解度都比较大，相对说来，钠盐更大些。仅NaHCO3的溶解度不大，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。(2)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，如用邻苯二甲酸氢钾标定碱液的浓度，用重铬酸钾标定还原剂溶液的浓度。在配制炸药时用KNO3或KClO3，而不用相应的钠盐。(3)结晶水含结晶水的钠盐比钾盐多。如Na2SO4·10H2O、K2SO4、Na2HPO4·10H2O等。（二）重要的钠盐和钾盐1、氯化钠：食用是人类赖以生存的物质，也是化学工业的基础。NaCl广泛存在与海洋、盐湖和岩盐中。工业NaC的精制通常采用重结晶法。纯晶体用于红外光谱仪作滤光材料。2、碳酸钠：又称纯碱、苏打、或碱面。有无水、一水、七水及十水结晶物。生产方法主要有氨碱法（苏尔维法)和联碱法（侯氏制碱法）（1）氨碱法：NH3+CO2+H2O─→NH4HCO3NaCl+NH4HCO3─→NaHCO3↓+NH4Cl2NaHCO3─→Na2CO3+CO2↑+H2O↑2NH4Cl+Ca（OH）2─→CaCl2+2NH3↑+2H2O优缺点:原料经济,NaCl利用低,CaCl2废液无法利用（2）联碱法：是经冷冻结晶析出氯化铵，母液再用于溶解氯化钠循环使用。利用NH4Cl在低温时的溶解度比NaCl小的特性,在5—10度下向母液中加入NaCl粉末,可以得到NH4Cl做氮肥,同时可以利用合成厂的废气CO2,且不生成无用CaCl2。3、碳酸氢钠：小苏打。4、碳酸钾：工业上路布兰法是用K2SO4与碳和碳酸钙共烧制取。第三节碱土金属MgBeCaSrBa一、碱土金属元素概述：（一）碱土金属是周期表的IIA族元素，s区元素。铍Be镁Mg钙Ca锶Sr钡Ba原子序数412203856价电子构型2s23s24s25s26s2金属半径rmet∕pm111.3160197.3215.1217.3电负性1.51.21.01.00.9电离能I∕kJ·mol―1900738590549502密度ρ∕g·cm―31.851.741.552.633.62熔点tm∕℃1287649839768727沸点tb∕℃2500110514941381（1850）硬度（金刚石=10）42.521.8ⅠA原子序数价电子构型金属半径pm熔点℃沸点℃硬度(金刚石=10)Li(锂)32s1

152180.513420.6Na(钠)11

3s1186

97.82

882.9

0.4K(钾)194s1

22763.257600.5Rb(铷)375s124838.896860.3Cs(铯)556s1

26528.40669.30.2ⅡA原子序数价电子构型金属半径pm熔点℃沸点℃硬度(金刚石=10)Be(铍)42s2

111127829704Mg(镁)

12

3s2160

648.8

1107

2.0Ca(钙)204s2

19783914841.5Sr(锶)385s221576913841.8Ba(钡)566s2

2177251640----（二）碱金属和碱土金属的比较核电荷原子半径熔、沸点硬度∧∨∧∧核电荷原子半径熔、沸点硬度电负性1.00.90.80.80.7电负性1.00.90.80.80.7

密度/(kg·cm-3)0.530.970.861.531.88密度/(kg·cm-3)1.851.741.542.63.51

ⅠALi(锂)Na(钠)K(钾)Rb(铷)Cs(铯)

ⅡABe(铍)Mg(镁)Ca(钙)Sr(锶)Ba(钡)碱金属和碱土金属的性质金属性递增

金属性递增电负性1.00.90.80.80.7电负性1.00.90.80.80.7

氧化数+1+1+1+1+1

氧化数+2+2+2+2+2

密度/(kg·cm-3)0.530.970.861.531.88密度/(kg·cm-3)1.851.741.542.63.51

ⅠALi(锂)Na(钠)K(钾)Rb(铷)Cs(铯)

ⅡABe(铍)Mg(镁)Ca(钙)Sr(锶)Ba(钡)碱金属和碱土金属的性质E(M+/M)-3.04-2.713-2.924(-2.98)(-3.026)

V

E(M+/M)-1.99-2.356-2.84-2.89-2.92V

氧化数与族数一致，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碱金属与碱土金属比较

1、熔沸点硬度密度﹥碱金属2、活泼性﹤碱金属3、也可以发生焰色反应MgCaSrBa白光砖红色艳红色绿色4、氢化物稳定性﹥碱金属氢化物5、盐类溶解度、含氧酸盐热稳定性﹤碱金属6、铍的特殊性：与铝相似（1）与H2O不反应（2）Be(OH)2具有两性。（3）BeO熔点高、硬度大。（4）BeCl2为共价化合物。LiNaKCaSrBa焰色反应（二）碱土金属的用途碱土金属有着广泛的用途。铍具有透过X射线的能力，常用作X光管的透射材料和制造霓虹灯的元件。铍也用作原于反应推的减速刘，铍青铜合合的抗拉强度很大，比钢大9倍，而弹性似弹簧钢，被称为“超硬合金”，其机械性能优良，硬度大，弹性好，抗腐蚀能力强，常用于制造气阀座、手表游丝、高速轴承、耐磨齿轮及精密仪器的零件等。铍-镁-钴合金轻而坚硬，常用于航空航天工业中。铍及其化合物有毒，能导致严重的肺病和皮肤炎。

镁离子在机体中的生化作用是十分重要的。镁能激活人体中的不少生物酶，对蛋白质的合成起重要作用。镁是构成叶绿素的重要成分。镁还具有镇静作用，在血液中注射镁盐可以引起麻醉。在工业中，镁主要用于制强度高、密度小的合金，广泛用于汽车、飞机制造业中。

钙是构成人和动物骨骼的主要成分，在传递神经脉冲、触发肌肉收缩和激素释放、血液的凝结以及正常心律调节中，Ca2+都起着重要的作期。钙盐是人休必需的无机盐。人体每天要补充400~1500mg的钙。如果人体缺钙就会导致佝偻病及骨质硫松症。钙主要来源于牛奶、干酪及绿叶蔬菜。（三）碱土金属的制备1、铍通常是用金属镁在大约1300℃下还原BeF2来制取的，也可以用电解熔融BeCl2(加入碱金属氯化物作助熔剂)的方法制得。2、镁是所有这族金属中生产规模最大的金属，世界年产量在几十万吨以上。电解法和硅热还原法是工业上生产镁的主要方法。电解法是在750℃的温度下，通过电解熔融的MgCl2而获得镁。硅热还原法则是在减压和1150℃的温度下，用硅铁与煅烧过的白云石进行反应而制得镁：

2(MgO•CaO)+FeSi==2Mg+Ca2Si04+Fe

3、钙、锶、钡都可以用其氯化物进行熔盐电解制得，锶和钡还可以用金属铝在高温和真空条件下还原其氧化物制得。

（四）存在形式：一般以矿物的形式存在绿柱石:菱镁矿:萤石：天青石:大理石:石膏:重晶石:二、碱土金属的化学性质（一）氢化物：制备：Ca+H2─→CaH2化性：CaH2+H2O─→Ca（OH)2+H2应用：放出大量的氢气，可作为野外产生氢气的材料。（二）氧化物：Ba+O2─→BaO2碱金属和碱土金属与氧气的反应比较如下：类型在空气中直接形成间接形成正常氧化物Li、Be、MgCa、Sr、BaⅠA、ⅡA族所有元素过氧化物Na除Be外的所有元素超氧化物Na、K、Rb、Cs除Be、Mg、Li外所有元素(三）氢氧化物1、MOH易溶于水，放热。碱土金属溶解度（20℃）同族，从上到下，溶解度增大。2、碱性规律LiOHNaOHKOHRbOHCsOH中强碱强碱强碱强碱强碱Be(OH)2Mg(OH)2Ca(OH)2Sr(OH)2Ba(OH)2两性中强碱强碱强碱强碱与酸反应Be(OH)2+2H+→Be2++2H2O与碱反应Be(OH)2+2OH-→[Be(OH)4]2-MO-+H+M–O–HM++OH-酸式解离碱式解离M–O–H在水中解离方式M–O–H解离方式与电荷数和半径有关阳离子电荷阳离子半径离子势()=

氢氧化物酸碱性递变规律——M-O-H规律一般地，在MOH中，如果ф的值越大，则说明氧原子的电子云偏向当M+，极化作用越强。O－H键变弱，MOH以酸式电离为主，即酸性越强。反之，则MOH更趋向碱式电离.判断酸碱性的经验公式为：φ:

＜0.22ROH呈酸性：=0.22~0.32ROH呈两性：＞0.32ROH呈碱性此规则也称为MOH规则。代表物质：

1、氧化镁（MgO)俗称:苦土;灯粉物理性质:白色轻松粉末，无臭、无味，本品不溶于水和乙醇，熔点2852℃，沸点3600℃，氧化镁有高度耐火绝缘性能。化学性质：氧化镁是碱性氧化物,具有碱性氧化物的通性暴露在空气中，容易吸收水份和二氧化碳,溶于酸和铵盐1.与非金属单质的反应：2Mg+O2==2MgO3Mg+N2=Mg3N22.与水的反应：Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2(加热)3.与酸的反应：Mg+2HCl=MgCl2+H24.与氧化物的反应：2Mg+CO2=2MgO+C(点燃)2、氧化钙和氢氧化钙氧化钙俗称生石灰、石灰。工业上煅烧石灰石CaCO3─→（高温）CaO+CO2↑CaO+H2O─→Ca(OH)2

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