无机化学 碱金属和碱土金属 课件.ppt

1、无机化学,返回,第17章 碱金属和碱土金属,Chapter 17 Alkali and Alkali-earth Metal (s-Block Elements),基本内容,S区元素通性 S区元素单质的性质和制取方法。 S区元素的离子特征、氧化物和氢氧化物的性质,返回,1了解 s 区元素的物理性质和化学性质，能够解释 Li 的 标准电极电势为什么最低 ，能解释碱金属与水、醇和液 氨反应的不同；,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，特别

2、注意氢氧化物的碱性变化规律；,2了解主要元素的矿物资源及单质的制备方法 ，特别注意 钾和钠制备方法的不同；,本章重点要求掌握S区元素的金属活性、氧化物和氢氧化物的碱性,元素周期表,A中的钠、钾氢氧化物是典型“碱”，故A族元素又称为碱金属 A有时称为“土金属” A中的钙、锶、钡氧化物性质介于“碱”与“土”族元素之间，所以把它们又称为碱土金属。现在习惯上把铍和镁也包括在内，统称A为碱土金属元素。其中镭是放射性元素。,A、A为s区元素,17-1 s区元素的通性1-1 碱金属和碱土金属的基本性质,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,1-1 碱金属和

3、碱土金属的基本性质,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。,1-1碱金属和碱土金属的基本性质,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,核电荷 原子半径 熔、沸点 硬度 核电荷 原子半径 熔、沸点 硬度,1-1碱金属和碱土金属的基本性质,熔点低于人的体温,放在手心里即可熔化,碱金属和Ca、Sr、Ba均可用刀切割 Cs是最软的金属,为具有银白色(铯为灰色)光泽的金属,金属性 金属性,失去电子的倾向大，受到光照射时，金属表面的电子易逸出，可制造光电管，由铯光电管制成的自动报警装置，可报告

4、远处火警；制成的天文仪器可根据星光转变的电流大小测出太空中星体的亮度，推算星球与地球的距离。,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。,1-1 碱金属和碱土金属的基本性质,S区,A碱金属: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr,A碱土金属: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra,碱金属和碱土金属原子的最外层电子排布分别为: ns1和ns2 它们的次外层具有稀有气体原子式的稳定的电子层结构， 对核电荷 的屏蔽作用较大，所以碱金属元素的 I1 在同一周期中为最低。,小结：,碱金属元素的原子易失去一个电子而呈+1氧化态，不会有其

5、它氧化态，因此碱金属是活泼金属。 碱土金属原子比相邻的碱金属多一个核电荷 ，因而原子核对最外层的两个s电子的作用增强了，所以碱土金属原子要失去一个电子比相应碱金属难， 其I1比碱金属大。,碱金属和碱土金属元素在化合时，多以离子结合，但在某些情况下仍显一定程度的共价性。 原子半径从上至下依次增大，电离能和电负性从上至下依次减小。 金属活泼性从上至下依次增强。 它们不能以单质形式存在于自然界中。,Li Na K Rb Cs,Be Mg Ca Sr Ba,金属活泼性增强,金属活泼性增强,1-2 碱金属和碱土金属的存在,主要矿物是钾石矿(KClMgCl26H2O) 我国青海钾盐储量占全国96.8%,最

6、重要的矿石是锂辉石（LiAlSi2O6),主要以NaCl形式存在于海洋、盐湖和岩石中,铷是一种分散性元素，难以独立形成矿物，常与钾共生，主要矿物有锂云母和光卤石,主要以菱镁石（MgCO3)、白云石MgCa(CO3)2存在,主要矿物是绿柱石（3BeOAl2O3 6SiO2),碱金属和碱土金属的存在,17.2.1 物理性质和化学性质,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.,s区单质的熔点变化,1.单质的物理性质,17.2 碱金属和碱土金属的单质,金属铯和铷,消耗量极小，由于在光照下逸出电子，因而是制造光电池的良好材料. 133Cs 厘米波的振动频率(919263177

7、0 s-1) 在长时间内保持稳定, 因而将振动一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,香港市民在对时. 100万年内误差不超过1 s,单质具有金属光泽，有良好的导电性和延展性；碱金属原子只有一个价电子且原子半径较大，故金属键弱，熔沸点低，碱土金属的金属键要强一些，熔沸点、密度和强度也高一些。 2 化学性质 除铍和镁外，其它单质易与水反应：

8、2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 Ca +2H2O = Ca(OH)2 + H2 K与水反应比Na激烈，并发生燃烧；Mg与冷水反应很慢。 碱金属和碱土金属还可与其它许多非金属单质和化合物反应。,Ca,碱土金属被水氧化的反应为: M(s) + 2 H2O (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.,金属钠与水的反应在实验室用于干燥有机溶剂，但不能用于干燥醇！,与液氨的作用,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. 溶于液氨的反

9、应如下： ammonia,有趣的是，不论溶解的是何种金属，稀溶液都是蓝色的导电溶液。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。,实验依据 碱金属的液氨溶液比纯溶剂密度小 液氨中随 C(M) 增大，顺磁性减少 2e-e22-,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。 钠溶于某些干燥的有机溶剂（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。,17.2 碱金属和碱土金属的单质,碱金属的一些化学反应,碱土金属的一些化学反应,17.2 碱金

10、属和碱土金属的单质,2-2 制备方法 （1）电解熔融的氯化钠制备金属钠 阳极：2Cl- =Cl2 + 2e- 阴极：2Na+ + 2e- 2Na 总反应：2NaCl = 2Na +Cl2,通电,17.2 碱金属和碱土金属的单质,（2）热还原法 一般用碳或碳化物为还原剂 MgO(s) + C(s) = CO(g) + Mg(g) K2CO3 + 2C = 3CO + 2K 2KF + CaC2 = CaF2 + 2K +2C,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。,17.2 碱金属

11、和碱土金属的单质,（3）金属置换法 高温低压下 KCl + Na = NaCl + K 2RbCl +Ca = CaCl2 + 2Rb 2CsAlO2 + Mg = MgAl2O4 + 2Cs （4）热分解法 氰化物、叠氮化物、亚铁氰化物等加热分解成碱金属 4KCN = 4K + 4C + 2N2 2MN3 = 2M + 3N2 M=Na, K, Rb, Cs,一般采用电解熔融盐的方法,碱金属的制备,一般采用电解熔融盐的方法,碱土金属的制备,1. 350-400下电解NaCl和 BeCl2的熔融盐 2. 用镁还原氯化铍,铍,一般采用电解熔融盐的方法,碱土金属的制备,17.3 碱金属和碱土金属的

12、化合物,3-1 离子特征 P799 大多数是离子型化合物，M+和M2+易形成水合离子，除Be2+外，其余阳离子水解程度很小或基本不水解。 3.2 氧化物 P800 碱金属的氧化物： 普通氧化物 M2O 过氧化物 M2O2 超氧化物 MO2 臭氧化物 MO3 1 氧化物 碱金属 Li Na K Rb Cs 空气中燃烧 Li2O Na2O2 KO2 RbO2 CsO2,Na2O2 + 2Na = 2Na2O 2KNO3 + 10K = 6K2O + N2 Na2O K2O Rb2O Cs2O 白色 淡黄色 亮黄色 橙红色 M2O与水作用的MOH Na2O + H2O = 2NaOH,17.3 碱金

13、属和碱土金属的化合物,表17-3 P800 某些物理性质,碱土金属氧化物 碱土金属直接与氧作用，或相应碳酸盐或硝酸盐热分解 CaCO3 = CaO + CO2 2Sr(NO3)2 = 2SrO + 4NO2 + O2 MO与水作用的M(OH)2,过氧化物 P801 除Be外，均有过氧化物；M2O2。过氧离子O22- ：-O-O-2- Na2O2制备：Na2O2为黄色 4Na + O2 = 2Na2O 2Na2O + O2 = 2Na2O2 Na2O2性质： 与水或稀酸反应 Na2O2 + 2H2O = H2O2 + 2NaOH Na2O2 + H2SO4 = H2O2 + 2Na2SO4 2H

14、2O2 = 2H2O + O2,17.3 碱金属和碱土金属的化合物,强氧化剂 Cr2O3 + 3 Na2O2 = 2Na2CrO4 + Na2O MnO2 + Na2O2 = Na2MnO4 与CO2反应 2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2 碱土金属过氧化物 制备：P802 BaO2 BaO2 + H2SO4 = H2O2 + BaSO4 H2O2 实验室制法,17.3 碱金属和碱土金属的化合物,超氧化物 K、Rb、Cs在过量氧气中燃烧即得MO2 KO2 RbO2 CsO2 橙黄色 深棕色 深黄色 O2-分子轨道式： KK(2s) 2(2s*)2(2p)2(2p)4(2p

15、 *)3,强氧化剂： 2MO2 + 2H2O = H2O2 + O2 + 2MOH 4MO2 + 2CO2 = 2MCO3 + 3O2 O2-的稳定性比O22-差。 臭氧化物 MO3 M = K、Rb、Cs 6KOH + 4O3 = 4KO3+ 2KOHH2O +O2 桔红色,3-3 氢氧化物 物理性质 同一主族的金属氢氧化物，溶解度从上到下依次递增 碱土金属氢氧化物溶解度小于相应碱金属氢氧化物 Be(OH)2 和 Mg(OH)2难溶 碱性变化规律 Be(OH)2两性，其余为强碱或中强碱 ROH离解方式： RO + H+ ROH R+ + OH 酸式离解 碱式离解 离解方式与离子势有关： =

16、,17.3 碱金属和碱土金属的化合物,z,r,越大，静电引力越强，R对O的吸引能力越强，越有利于酸式离解 越小，RO键越弱，越有利于碱式离解 金属氢氧化物酸碱性的经验判据： 3.2时： 金属氢氧化物属酸性,17.3 碱金属和碱土金属的化合物,同一主族的金属氢氧化物，从上到下碱性增强 从上到下 r 增大， 减小 同一周期的金属氢氧化物，从左到右碱性减弱 从左到右 z 增大， r 减小， 增大,氢氧化物的碱性,与酸反应 Be(OH)2 + 2H+ Be2+ + 2H2O 与碱反应 Be(OH)2+ 2OH- Be(OH)42-,氢氧化物的溶解性,随着阳离子半径的增大,阳离子与阴离子之间的吸引力减小

17、,易被水分子拆开的缘故。,因为 离子半径 M() M() 使阳离子与阴离子之间吸引力 M() M(),17.3 碱金属和碱土金属的化合物,LiOH NaOH KOH RbOH CsOH,Be(OH)2 Mg(OH)2 Ca(OH)2 Sr(OH)2 Ba(OH)2,碱性增强,碱性增强,碱性增强,溶解度增大,溶解度增大,碱性变化规律,溶解度增大,3-4 碱金属和碱土金属的盐类 几种重要的盐类。 P807 卤化物 NaCl KCl MgCl2 CaCl2等 （1） NaCl是食盐的主要成分，其它为少量MgCl2 和CaCl2 等 石灰-碳酸钠法处理除去Mg2+和Ca2+ （2） MgCl2 主要资

18、源：光卤石（KClMgCl2 6H2O ）和海水 P808，810 将MgCl2 6H2O在干燥的氯化氢气流中加热脱水可制得无水MgCl2 （3） CaCl2 CaCl2 6H2O直接加热脱水可得无水CaCl2 无水CaCl2具有强吸水性，是常用的干燥剂 （4）BaCl2 BaCl2 2H2O,17.3 碱金属和碱土金属的化合物,17.3 碱金属和碱土金属的化合物,碳酸盐 （1）水溶性 碱金属碳酸盐除Li2CO3外，其它均溶于水； 碱土金属碳酸盐除BeCO3外，其它均难溶于水，但酸式碳酸盐可溶 （2）水溶液的酸碱度 碱金属和碱土金属可溶性碳酸盐在水溶液中，都发生水解而使溶液呈碱性 CO32 +

19、 H2O = HCO3+ OH （3）热稳定性 碱金属碳酸盐热稳定性较高，而碱土金属碳酸盐热稳定性较低 硝酸盐 P808 碱金属和碱土金属硝酸盐热稳定性均较低。 黑火药的主要成分：KNO3,17.3 碱金属和碱土金属的化合物,黑火药爆炸的主要反应： 2KNO3 +3C + S =K2S +N2 + 3CO2 4KNO3 + 6C + 2S =K2S2 + K2CO3 + CO + 2N2 + 4CO2 10KNO3 + 16C + 5S =3K2SO4 + 4K2CO3 + K2S2 + 8N2 + 12CO2,硫酸盐 碱金属硫酸盐均易溶于水 Na2SO410H2O 芒硝 Na2SO4 元明粉

20、 碱土金属硫酸盐多难溶于水 MgSO4 CaSO4 SrSO4 BaSO4,溶解度依次降低,CaSO4 2H2O 石膏， BaSO4 重晶石 P809矾类,5 硫化物 BaS,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

21、，要释放出特征波长的光，呈现出特征的颜色。,K+、Na+、 Mg2+、 Ca2+、Ba2+的鉴定,中性或弱酸性,碱性,17.4 锂 、铍的特殊性,内容,在周期表中，除了我们常说的族和周期的规律性外，还会出现某一小块区域的规律性. 例如，在第 2 周期和第 3 周期开头几个元素间出现的相似性，我们称为对角线规则 (diagonal rule).,第 2 周期的 Li、Be、B 3元素和其右下脚第 3 周期的 Mg、Al、Si 3元素及其化合物的性质有许多相似之处.,原因,对角线规则可由离子极化的观点给以粗略的解释. 处于周期表中左上右下对角线位置上的邻近两个元素，由于电荷数和半径对极化作用的影响恰好相反，使得它们离子极化力相近，从而使它们的化学性质有许多相似之处. 反映出物质的性质与结构的内在联系., 单质与氧作用生成正常氧化物, Li+和Mg2+的水合能力较强, 碳酸盐受热分解，产物为相应氧化物, 氯化物共价性较强，均能溶于有机溶剂中, 氟化物、碳酸盐、磷酸盐均难溶