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化学竞赛-碱金属与碱土金属


S区元素 碱金属与碱土金属

元素周期表
IA IIA IIIB IVB VB VIB VII B VIIIB IB IIB IIIA IVA VA VIA VII A VIII A

1 2

H

He

Li

Be

B<

br />
C

N

O

F

Ne

3 4
5 6 7

Na Mg K Ca Sc
Y La

Al Ti
Zr Hf Rf Nd U

Si Ge
Sn Pb

P As
Sb Bi

S Se
Te Po

Cl Br
I At

Ar Kr
Xe Rn

V
Nb Ta Db Pm Np

Cr
Mo W Sg Sm Pu

M n
Tc Re Bh Eu Am

Fe
Ru Os Hs Gd Cm

Co
Rh Ir Mt Tb

Ni
Pd Pt Ds

Cu
Ag Au Rg Dy Cf

Zn
Cd Hg Cn Ho Es

Ga
In Tl

Rb Sr Cs Fr
La Ac

Ba

Ra Ac
Ce Th Pr Pa

Er Fm

Tm Md

Yb No

Lu Lr

Bk

本章要求:
1 掌握单质的性质,了解其结构、制备、存在及用途与性质 的关系。 2 掌握其氧化物的类型及重要氧化物的性质及用途。 3 了解其氢氧化物的溶解性和碱性的变化规律。

4 掌握其重要盐类的性质及用途,了解盐类热稳定性、溶
解性的变化规律。

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Li: lithium Na: sodium K: potassium Ru: rubidium Cs: cesium Fr: francium Be: beryllium Mg: magnesium Ca: calcium Sr: strontium Ba: barium Ra: radium

alkali metal (碱金属)

alkali earth metal (碱土金属)

第一节 碱金属和碱土金属的通性
一、元素的存在
元素 丰度% 典型矿物 元素 丰度 典型矿物 Li 2.0×10-3 锂辉石 锂云母 Be 2.6×10-4 绿柱石 Na 2.3 钠长石 海水 Mg 2.3 光卤石 菱镁矿 K 2.1 钾长石 明矾石 Ca 4.1 方解石 石灰石 Rb Cs

0.0090 3.0×10-4 铯榴石 硼铯铷矿 Sr 0.037 天青石 碳酸锶 Ba 0.05 重晶石 碳酸钡

? ?

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锂辉石 钠长石 硝石 钾长石 光卤石 芒硝 泻盐 方解石 石膏 天青石 重晶石

LiAlSi2O6 NaAlSi3O8 NaNO3 KAlSi3O8 KCl· MgCl2 · 2O 6H Na2SO4 MgSO4 · 2O 7H CaCO3 CaSO4 · 2O 2H SrSO4 BaSO4

二、碱金属和碱土金属的通性
Li
价电子构型 主要氧化态

Na
3s1 +I

K
4s1 +I

Rb
5s1 +I

Cs
6s1 +I

2s1 +I

离子半径

60 520 7298
1.0

95 496 4562
0.93

133 419 3051
0.82 -2.931 322

148 403 2633
0.82 -2.925 293

169 376 2230
0.79 -2.923 264

I1/kJ· -1 mol I2/kJ· -1 mol
电负性 Eθ/V
M+(aq)+e=M(s) (上册P257) M+水化能/kJ· -1 mol

-3.045 -2.710 519 406

Be 价电子构型 2s2 主要氧化态 +II 离子半径 35 I1/kJ· -1 905 mol I2/kJ· -1 1768 mol I3/kJ· -1 14939 mol 1.57 电负性 Eθ A -1.85 Eθ B -2.28
M2+水化能 /kJ· -1 mol

Mg 3s2 +II 66 742 1450 7658 1.31 -2.38 -2.69 1921

Ca 4s2 +II 99 593 1152 4942 1.00 -2.76 -3.02 1577

Sr 5s2 +II 112 552 1070 4351 0.95 -2.89 -2.99 1443

Ba 6s2 +II 134 564 971 3576 0.89 -2.90 -2.97 1305

2494

(一)金属性 1、价电子构型ns1,ns2,核外电子少; 2、电负性 χ< 1.0, 1.6; 3、第一电离能小,从上至下减小,从IA到IIA增加。

4、碱金属的熔点、沸点、硬度都很低,且从上至下 降低;碱土金属的熔点、沸点、硬度均比碱金属高, 导电性低于碱金属。
(二)金属性变化规律 1、 碱金属、碱土金属的金属性从上至下增加; 2、 从IA到IIA金属性降低。

(三)、物理通性
(1) 金属光泽 (2) 金属有电阻,能导电 自由电子的定向运动,产生导电性。 自由电子运动中受核的引力,产生电阻。 (3) 金属有导热性 自由电子运动中与原子核不断碰撞,产 生热能的交换。 (4) 优良的机械加工性能

三、成键特征
1、主要氧化态-离子型化合物 碱金属:+1;碱土金属:+2

2、共价性
气态时碱金属以双原子分子形式存在,Na2,Cs2。

半径较小的Li,Be形成共价性较强的化合物, LiF,BeCl2

四、配位性能(了解) 这两族元素是周期表中最弱的配合物形成体。

1、与一般的无机配体(X-,OH-,NO3-) 不生成配合物。 2、仅能与螯合剂、大环配体生成稳定的配合物,如 Ca(EDTA)2-

第二节 碱金属和碱土金属的单质
一、单质的物理性质和应用
1、金属的光泽 银白色 2、密度小 最轻的金属Li 3、低熔点 4、低硬度 可用刀切割 5、良好的导电性 6、形成液态合金 77.2% K + 22.8% Na mp = 260.7 K,被用做核 反应堆的冷却剂。

Li

Na

?

Ca

Sr

Ba

稀有金属:锂,铷,铯,铍

锂的应用:①电解铝,②锂电池,③低温润 滑剂,④空调,⑤玻璃,⑥铝合金纤剂,⑦ 有机合成,⑧医药
铷和铯的应用:①电子技术,②生物技术, ③化工,④能源,⑤新材料,⑥科学研究

二、单质的化学性质-还原性
1、与水反应: M + H2O = MOH + H2↑ M + 2H2O = M(OH)2 + H2↑ Li Ca Sr Ba 反应平稳 Be Mg 常温下在水中稳定 一是因为这些金属熔点高 二是因为氢氧化物溶解度小

金 属 活 泼 性 增 加

Li

Be

Na Mg
K Ca

Rb Sr Cs Ba

金属活泼性增加

钾与水反应

2、与空气中的氧、氮及其它非金属反应:
4M + O2 = 2M2O 室温迅速反应,金属失去光泽 2M + O2 = 2MO 加热显著发生反应

6M + N2 = 2M3N 3M + N2 = M3N2

镁在氧气 中燃烧

3、与化合物作用:
SiO2 + Mg =Si + 2MgO TiCl4 + Na = Ti + 4NaCl 2NH3 + 2M = 2M(NH2) + H2↑ 钠、镁、钙高温下能夺取氧或氯,在非水体系, 如固相反应和有机体系中,做还原剂。

4、碱金属与液氨作用:
碱金属与液氨的反应很特别,在液氨中碱金 属的溶解度达到了超出人们想象的程度. 形成深 蓝色溶液。
碱金属在液氨中的溶解度 (-35℃) 碱金属元素 M Li Na K Rb 溶解度/ (mol · -1) 15.7 10.8 11.8 12.5 L

Cs 13.0

三、单质的制备:
1)电解法 2MCl = 2M(阴极) + Cl2↑(阳极), 使用混合熔盐
金属 Li Na Mg 熔盐成分 69%LiCl + 31%KCl 42%NaCl + 58%CaCl2 20%MgCl2+60%NaCl+20%CaCl2 温度/℃ 450-490 580-600 700-720

Be 50%BeCl2 + 50%NaCl 350 以钠为例:加 CaCl2 的作用(助熔剂,flux) ● 降低熔点,减少液Na挥发 ● 混合盐密度增大,液Na浮在熔盐表面,易于收集 ● 降低液Na在熔融体中溶解度 ● 增加熔盐导电性

2)热还原法
白云石CaMg(CO3)2热分解为CaO和MgO的混合物, 在镍容器中用铁硅还原:

2CaO + 2MgO + Si = 2Mg +Ca2SiO4
金属钾的生产

KCl(l) + Na ( l ) = NaCl ( l )+ K( g )

上节知识回顾:

1、碱金属和碱土金属的通性 价电子构型:ns1、ns2 ,易形成+1、+2价 离子,电离能小
电负性:较小,Li和Be稍大,通常形成共价键 配合物:很难形成 2、碱金属和碱土金属的物理性质 3、碱金属和碱土金属的制备方法

质软,熔点低(上到下、左到右),有金属光泽。

加助熔剂电解法、热还原法

第三节

碱金属和碱土金属的氧化物

一、普通氧化物 M2O,MO 1、生成: ①在空气中燃烧 4Li + O2= 2Li2O 2Mg + O2 = 2MgO ②室温下直接作用 2Ca + O2 = 2CaO ③盐分解 CaCO3 = CaO + CO2↑ 2Ba(NO3)2= 2BaO + 4NO2↑+ O2↑ ⑤氢氧化物脱水 2LiOH = Li2O + H2O↑

2、性质:

1)氧化物颜色
氧化物 颜色 氧化物 颜色 Li2O 白色 BeO 白色 Na2O 白色 MgO 白色 K2O 淡黄色 CaO 白色 Rb2O 亮黄色 SrO 白色 Cs2O 橙红色 BaO 白色

2)氧化物热稳定性、熔点(℃)
升 高

Li(1570) Na(1132分解) K

Rb

Cs(低于490) 降低

Be(2578) Mg(2806) Ca Sr Ba(低于1973)

3)水合作用:

M2O + H2O = 2MOH + Q, Li→Cs反应速度增加
MO + H2O = M(OH)2 + Q , BeO和 MgO不溶于水, Ca→Ba反应速度增加 CaO吸收酒精中的水 4)碱性: Na2O + CO2= Na2CO3

CaO + SiO2 = CaSiO3,除矿渣反应
3、应用: 剂,碱。 建筑材料,耐火材料,干燥剂,CO2吸收

二、过氧化物: 离子型化合物 碱金属和碱土金属中,除了Be未发现过 氧化物外,都能生成含有O22-离子的过氧

化物。其中以过氧化钠的应用最为广泛。

1、生成:

在空气中燃烧

2Na + O2 == Na2O2

点燃

4Na + O2453~473K 2Na2O ====
2Na2O + O573~673K 2Na2O2 2====

2、性质:
(1)与水及酸反应 Na2O2 + 2H2O
冷 热

2NaOH + H2O2

2NaOH + 1/2O2 +H2O
实验室制备 H2 O2

Na2O2 + H2SO4==Na2SO4 + H2O2 BaO2 + H2SO4 ==BaSO4↓+ H2O2

(2)氧化性

Cr2O3难溶+ 3Na2O2 = 2Na2CrO4易溶+ Na2O
用做分解矿 石的熔剂

MnO + Na2O2 = Na2MnO4

三、超氧化物

(MO2 O2-)

简介:MO2是更加活泼的钾、铷、铯在空 气中燃烧的产物,有色,KO2橙黄色, RbO2 深棕色, CsO2深黄色 有更强的氧化性,碱性,不稳定性的性质:
2KO2 + 2H2O == H2O2 + 2KOH + O2↑

4KO2 + 2CO2 == 2K2CO3 + 3O2 ↑
4KO2 == 2K2O + 3O2 ↑

应用:供氧剂

通常碱土金属的超氧化物很不纯净!

四、臭氧化物
3KOH(s) + 2O3 = 2KO3 + KOH· 2O(s) +1/2O2 H

Rb, Cs进行相同的反应。

主要性质:缓慢分解

2KO3 = 2KO2 + O2↑

4RbO3 + 2H2O = 4RbOH + 5O2 ↑

过氧、超氧、臭氧化物的共性: 强碱性, 强氧化性, 释放氧

第四节 氢氧化物

1、物理性质 MOH,M(OH)2 都为白色固体 MOH有强吸湿性,易溶于水的性质,但 LiOH微溶于水
M(OH)2溶解度降低, 但Be 2、热稳定性 MOH:熔点低,熔融可电离但不分解(Li除外) M(OH)2:受热脱水分解,生成MO+H2O Ba 较大

3、酸碱性
LiOH Be(OH)2 两性

半 径 增 加

碱溶 性 解 NaOH Mg(OH)2 中强碱 增 度 KOH Ca(OH)2 增 加 加 RbOH Sr(OH) 强碱
2

CsOH Ba(OH)2

半径增加 溶解度增加 碱性增加

第五节
(一)生成


氢化物

2M + H2 === 2MH
M + H2 === MH2 (三)化性 1、热稳定性 LiH在熔点时不分解(共价性强),其它氢化物 在熔点前分解成金属和氢气。


M= Ca,Sr,Ba

(二)物性 :白色晶体,离子晶体

2、强还原性
2LiH? T iO2 ? T i? 2LiOH ??

4NaH + TiCl4 = Ti + 4NaCl + 2H2 ↑
3. 剧烈水解 LiH + H2O =LiOH + H2 ↑
可制氢气

第六节

盐类

特点:阳离子无色,盐的颜色取决于阴离子 的颜色。离子型晶体(锂、铍、镁的氯化物有一 定的共价性)。
一、溶解性
物质溶解性没有发现完整的规律性,只是总结了 一些经验规则,巴索洛规则就是其中之一。

判断盐溶解性的巴索洛规则:
当阴、阳离子电荷绝对值相同时, 阴、 阳离子半径差值越小越难溶;否则,易溶。

LiF < LiI

BaSO4<BeSO4

CsI<CsF

1、碱金属盐类的溶解性 一般规律是:碱金属盐一般易溶于水,但随原子 半径增加,难溶盐数目增加。 比如:
难溶的钾盐:KIO4(3×10-2) 难溶钠盐:Na[Sb(OH)6] 白色(2×10-3) K[B(C6H )CO ,L 难溶锂盐:LiF,L5i24](103-6) i3PO4-2 Na2SiF6 白色(3×10 ) K4[PtCl6](1.6×10-2) NaAc· K Na[Co(NO 2· 2O 黄绿色(2×10-2 ) Zn(Ac)2· 2(Ac) ) 9H 3UO ](1×10-3)
2 2 6

K[BF4](3.6×10-2) K2[SiF6](6×10-3)

2、碱土金属盐类的溶解性
大多数盐是难溶性盐,例如:
( 1 ) 氟化物 (2)负电荷高的阴离子形成的盐: 碳酸盐、磷酸 盐、草酸盐。 也有一些易溶盐,例如: (1) 与一价阴离子形成的盐:如氯化物,硝酸盐, 醋酸盐,碳酸氢盐等。 (2) 阳离子半径小的硫酸盐和铬酸盐,如:MgSO4, MgCrO4

二、焰色反应
可见区的原子光谱——单一元素的鉴别,制造焰火
火焰颜色 Li+ Na+ K+ Ca2+ Sr2+ Ba2+ 红色 黄色 紫色 (钴玻璃) 橙红色 洋红色 黄绿色

三、形成结晶水合物的容易程度

其规律是:离子半径越小,所带的电荷越多,则 作用于水分子的电场越强,其盐越易带结晶水。

比如:

形成水合物的能力:Li

Cs逐渐降低,

碱土金属的盐比碱金属的盐更易带结晶水。

四、热稳定性

▲ 碱金属的卤化物、硫酸盐、碳酸盐 (Li2CO3除外)的热稳定性高。 硝酸盐不稳定,受热易分解。 LiNO3 Li2O + NO2 +O2 NaNO3 NaNO2 +O2 KNO3 KNO2 +O2

▲ 碱土金属的卤化物、硫酸盐的热稳定性较高。

碳酸盐和硝酸盐不稳定: 碳酸盐受热分解为:金属氧化物和二氧化碳。 硝酸盐受热分解产物: 金属氧化物、NO2 、 O2

五、锂和铍的特殊性 对角线规则: 在周期表中, 1 处于左上右下对 2 角线上的元素及 3 其化合物的性质 4 呈现相似性的现 5 象。 6 Li-Mg,Be-Al 7
IA II A III A IV A VA VI A VII VI II A A
He Be B C Si Ge Sn Pb N P As Sb Bi O S Se Te Po F Cl Br I At Ne Ar Kr Xe Rn

H Li Na K Rb Cs

Mg Al Ca Sr Ba Ga In Tl

Fr

Ra

(1)、锂的特殊性及锂和镁的相似性 IA族中, 锂半径r最小, 电负性最强, 表现出 和Na、K等不同的性质, 倒是和IIA族里的 Mg 相似 。具体为: 1、在氧气中燃烧,只生成Li2O和Mg相似 2、Li、Mg都可以和N2直接化合,其余碱金 属则异常困难或者不能。 3、Li的氟化物、碳酸盐、硫酸盐难溶于水, 而其它碱金属无此性质 。 4、硝酸锂受热分解形式为: 2LiNO3 =Li2O + 2NO2+ 1/2O2 与其它碱金属硝酸盐分解成亚硝酸盐和NO2 不同.

(2)铍的特殊性和铝的相似性 IIA族的Be也很特殊, 其性质和IIIA族中的Al 有些相近,具体表现为: 1、氧化物和氢氧化物呈两性, IIA族其余的氧化 物和氢氧化物显碱性

2、无水氯化物 BeCl2、AlCl3共价成份大,可溶 于醇、醚,易升华,其余IIA族的MCl2是离子晶 体。 3、Be、Al和冷浓HNO3接触时钝化,其余IIA族 金属易于和HNO3反应。

练习:
一、判断推理题 1、 某一黄色粉末状物质(A),溶于盐酸中产生具 有刺激性气味的黄绿色气体(B)得无色透明溶液, 将此溶液蒸发浓缩得白色晶体粉末(C),在无色灯 焰上灼烧(C),灯焰呈黄色,(A),(B),(C)是何物?写出 有关的反应方程式. 2、有五瓶白色粉末, 没有标签, 但知道它们是 MgCO3、 BaCO3、无水Na2CO3、无水CaCl2、无 水Na2SO4。试鉴别之, 以反应方程式表示, 并略加 说明.

?

二、问答题 1、碱金属在什么条件下存在双原子分子?为什么由 Li~Cs双原子分子的稳定性逐渐减小? 2、为什么碱土金属比相应的碱金属熔点高,硬度大? 3、写出用金属置换法在高温低压条件下制取K, Rb, Cs的化学方程式 。 4、从标准电极电势看K比Na活泼,但为什么Na能从 KCl中把K置换出来? 5、 举例说明锂,镁的相似性. 6、 能否用MgCl2· 2O直接加热制取无水MgCl2? 6H

7、 写出金属钠在空气中燃烧,生成物溶于水, 再滴入KMnO4溶液的反应方程式及反应现象. 8、把镁片放入冷水中觉察不出其作用,但加 入铵盐后却迅速不断地放出NH3。请简述其 原因。 9、在急救器中常用KO2, 而不常用其他碱金 属的超氧化物, 为什么?


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