碱金属和碱土金属元素

第十章 碱金属和碱土金属元素 The alkali metals and the alkaline earth metals 无机化学 多媒体 电子教案 1.通性 单质 各类氧化物 氢氧化物 盐类 几种典型盐的生产 主要内容 1.单质的性质 2.过氧化物和超氧化物的性质 3.氢氧化物的性质及其递变规律 4.盐类的性质 5.K+、 Na+、 Ca2+、 Mg2+、 Ba2+ 6. 的鉴定 基本要求 目 录 10-1 s区元素概述 10-2 碱金属和碱土金属性质 10-3 氧化物 10-5 盐类 10-4 氢氧化物 第一节 s区元素概述 第一节 s区元素概述 The summarization of the s block elements 元素周期表 A 01 1H A A A A A A 2He 2 3Li 4Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 3 11Na12MgB B B B B B B 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar 4 19K 20Ca 21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 26Fe 27Co 28Ni 29Cu 30Zn 31Ga32Ge 33As 34Se 35Br 36Kr 5 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Ne 42 Mo 43 Tc 44 Re 45 Rh 46 Pa 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 6 55Cs 56Ba 57- 71 La 72 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 7 87Fr 88Ra 89- 103 Ac 104 Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 Uun 111 Uuu 112 Uub 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 A又 称为碱土金属 Li、 Rb、 Cs、 Be 是轻稀有元素 Fr、 Ra 是放射性元素 A、 A为 s区元素 10-1 s区元素概述 碱金属和碱土金属的存在 A Li Na K Rb Cs Fr 锂 钠 钾 铷 铯 钫 lithium sodium potassium rubidium cesium francium A Be Mg Ca Sr Ba Ra 铍 镁 钙 锶 钡 镭 beryllium calcium barium magnesium strontium radium 主要矿物是钾石矿 (KClMgCl26H2O) 我国青海钾盐储量占全国 96.8% 最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 锂云母 : 芒硝 : A Li Na K Rb Cs Fr 锂 钠 钾 铷 铯 钫 A Be Mg Ca Sr Ba Ra 铍 镁 钙 锶 钡 镭 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) 主要以方解石 (CaCO3)、 石膏 CaSO42H2O)、 天青石 (SrSO4)、 碳酸锶矿 (SrCO3)、 重晶石 (BaSO4)、 毒重石 (BaCO3) 等碳酸盐、硫酸盐形式存在 碱金属和碱土金属的存在 萤石 天青石 : 重晶石 : 白云 石 KCa(CO3)2 第二节 s区元素概述 第二节 碱金属和 碱土金属的性质 The properties of the alkali metals and alkaline metals 图片 Gc2-704-18.8 Gc2-711-18.14 Li Na K Rb Cs Be Mg Ca Sr Ba 活泼金属 A 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 ) 3 2s1 152 180.5 1342 0.6 Na (钠 ) 11 3s1 186 97.82 882.9 0.4 K (钾 ) 19 4s1 227 63.25 760 0.5 Rb (铷 ) 37 5s1 248 38.89 686 0.3 Cs (铯 ) 55 6s1 265 28.40 669.3 0.2 A 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 ) 4 2s2 111 1278 2970 4 Mg (镁 ) 12 3s2 160 648.8 1107 2.0 Ca (钙 ) 20 4s2 197 839 1484 1.5 Sr (锶 ) 38 5s2 215 769 1384 1.8 Ba (钡 ) 56 6s2 217 725 1640 - 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 10-2 碱金属和碱土金属的性质 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 金属性递增 金属性递增 电负性 1.0 0.9 0.8 0.8 0.7 电负性 1.0 0.9 0.8 0.8 0.7 密度 0.53 0.97 0.86 1.53 1.88(kgcm-3) 密度 1.85 1.74 1.54 2.6 3.51 (kgcm-3) A Li(锂 ) Na(钠 ) K(钾 ) Rb(铷 ) Cs(铯 ) A Be(铍铍 ) Mg(镁镁 ) Ca(钙钙 ) Sr(锶锶 ) Ba(钡钡 ) 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。 碱金属和碱土金属的密度小，属轻金属 是最轻的 元素 10-2 碱金属和碱土金属的性质 电负性 1.0 0.9 0.8 0.8 0.7 电负性 1.0 0.9 0.8 0.8 0.7 氧化数 +1 +1 +1 +1 +1 氧化数 +2 +2 +2 +2 +2 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 -2.92 (V) 密度 0.53 0.97 0.86 1.53 1.88(kgcm-3) 密度 1.85 1.74 1.54 2.6 3.51 (kgcm-3) A Li(锂 ) Na(钠 ) K(钾 ) Rb(铷 ) Cs(铯 ) A Be(铍铍 ) Mg(镁镁 ) Ca(钙钙 ) Sr(锶锶 ) Ba(钡钡 ) 氧化数与族号一致，氧化数与族号一致， 常见的化合物以离子型为主常见的化合物以离子型为主 由于由于 Li+、 Be2+半径小，半径小， 其化合物具有一定共价性其化合物具有一定共价性 *E (Li+)反常，是由于 Li的半径较小，易与 水分子结合生成水合离子放出较多能量所致 10-2 碱金属和碱土金属的性质 M(s) + H+(aq) M+(aq) + H2(g)12 E E E E (Li+/Li)可用焓变粗略估计 rGm = -zF = -zF (H+/H2) - (Li+/Li) = zF (Li+/Li) E 对 碱金属若不考虑 rSm 的 影响 可用 rHm代替 rGm rHm 的 计算 M(s) + H+(aq) H2(g) + M+(aq) rHm - Hh (H+) H+(g) + e- H(g)-I1(H) - D (H-H) M(g) M+(g) +e-I1(M) 1 2 1 2 subHm Hh (M+) 1 2 rHm = subHm + I1(M) + Hh (M+) + - Hh (H+) - D (H-H) -I1(H) 由上式可 计算碱金属在水溶液中 转变为水合离子过程的 rHm 碱金属转变为水合离子过程的有关数据 -246-241-250-241-275 rHm /(kJmol-1) -264-293-322-409-519 Hh (M+)/(kJmol-1) 376403419496520 I1(M)/(kJmol-1) 78.885.890108.7161 subHm(M)/(kJmol- 1) CsRbKNaLi 返回 由上可 看出， 虽然 subHm(Li) 和 I1(Li)较大 ， 但 Hh (Li+) 较小，即 Li+水合过程放出的 能量特别大，而导致 rHm(Li)最小， rGm 最小， 故 E (Li+/Li)最小。 碱金属 碱土金属 可溶于液氨，形成深蓝色溶液 碱金属 M(s) + (x+y)NH3 M+(NH3)x+ e-(NH3)y 碱土金属 M(s)+(x+2y)NH3 M2+(NH3)x+2e-(NH3)y 碱金属和碱土金属的氨溶液： 1. 具有较高的导电性 2. 与金属本身相同的化学反应 3. 稀碱金属氨溶液是还原剂 10-2 碱金属和碱土金属的性质 碱金属和碱土金属化学性质 活泼活泼 且 化学活泼性 碱金属 碱土金属 10-2 碱金属和碱土金属的性质 金属 反应物质 反应式 碱金属 碱土金属 H2 2M + H2 2MH M + H2 MH2 碱金属 Ca、 Sr、 Ba Mg H2O 2M + 2H2O 2MOH+H2 M + 2H2O M(OH)2+H2 M + H2O(g) MO + H2 碱金属 碱土金属 卤素 2M + X2 2MX M + X2 MX2 Li Mg、 Ca、 Sr、 Ba N2 6M + N2 2M3N3M + N 2 M3N2 碱金属和碱土金属的一些重要反应 10-2 碱金属和碱土金属的性质 2M + 2H2O 2MOH + H 2（ g） Li Na K Ca 反应活性： Li 1700 1275 350(分解 ) 400(分解 ) 400(分解 ) BeO MgO CaO SrO BaO 熔点 / 2530 2852 2614 2430 1918 硬度 (金刚石 =10) 9 5.6 4.5 3.5 3.3 M-O核间 距 /pm 165 210 240 257 277 碱土金属的氧化物均为白色 在水中溶解度一般较小 由于阴、阳离子带两个单位电荷， M-O核间距较小， MO具有较大晶 格能，所以硬度大，熔点高。 具有反射放射性射线的能力， 常用作原子反应堆外壁砖块材料。 常用来制造耐火材料和金属陶瓷 是 重要建筑材料； 可做熔矿剂； 制取电石的原料 1. 在碱性介质中是 强氧化剂 ,常用作熔矿剂 2. 室温下，与水或稀酸反应生成 H2O2 例 Na2O2 + 2H2O 2NaOH + 2H2O2 Na2O2 + H2SO4 Na2SO4 + 2H2O2 2KO2 + 2H2O 2KOH + 2H2O2 + O2 2KO2 + H2SO4 K2SO4 + 2H2O2 + O2 2H2O2 2H2O + O2 10-3-2 过氧化物和超氧化物 例 2Fe(CrO2)2+7Na2O2 4Na2CrO4+Fe2O3+3Na2O 3. 与 CO2 反应放出 O2 例 2Na2O2 + 2CO2 2Na2CO3 + O2 4KO2 + 2CO2 2K2CO3 + 3O2 10-3-2 过氧化物和超氧化物 Na2O2在 熔融时不分解，遇到棉花、 木炭或铝粉等还原剂时，会发生爆 炸，使用时应特别小心。 过氧化物和超氧化物常用做防毒面 具 、 高空飞行 、 潜水作业的供氧剂 。 10-3-2 过氧化物和超氧化物 MO3 MO2 + O212 10-3-3 臭氧化物 室温下，缓慢分解为 MO2和 O2 与水反应生成 MOH和 O2 4MO3 + 2H2O 4MOH + 5O2 氢化物 离子型氢化物（除 Be、 Mg） LiH NaH KH RbH CsH NaCl -90.4 -57.3 -57.7 -54.3 -49.3 -441 均为白色晶体 , 热稳定性差 还原性强 (1) 钛的冶炼 : (2)剧烈水解 : 形成配位氢化物 氢化铝锂 受潮时强烈水解 第四节氢氧化物 第四节 氢氧化物 hydroxide 碱金属氢氧化物又称为苛性碱 因它对纤维、皮肤有强烈腐蚀作用 10-4 碱金属和碱土金属氢氧化物 易潮解 在空气中吸收 CO2生成碳酸盐 均为白色固体 10-4-1 碱金属和碱土金属 氢氧化物的碱性 (alkalescence) LiOH NaOH KOH RbOH CsOH 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)42- 10-4-2 碱金属和碱土金属 氢氧化物的溶解性 (solubility) 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 ,易被水分子拆开的缘故。 碱金属的氢氧化物易溶于水， 但 LiOH溶解度较小。 溶解度 碱土金属的氢氧化物 M( ) 使阳离子与阴离子之间吸引力 M( ) M( ) R 的 大，使 OH 键极性增强，则为酸式解离 R 的 小，使 RO 键极性增强，则为碱式解离 RO- + H+ R O H R+ + OH- 酸式解离 碱式解离 R O H 在水中解离方式 氧化物水合物通式 R(OH)n R O H 解离方式取决于 R+的极化作用 阳离子电荷 阳离子半径离子势 ( ) = 氢氧化物酸碱性递变规律 R-O规律 Ionic potential 值 10 R-O-H酸碱性 碱性 两性 酸性 例 第三周期元素氧化物水合物的酸碱性 最强酸16.10.027HClO4Cl 强酸14.40.029H2SO4S 中强酸11.50.038H3PO4P 弱酸100.040H2SiO3Si 两性7.490.0535Al(OH)3Al 中强碱5.270.072Mg(OH)2Mg 强碱3.130.102NaOHNa 酸碱性 值Rn+半径 /(nm)氧化物水合物元素 氢氧化物酸碱性递变规律 R-O规律 氢氧化物酸碱性递变规律 R-O规律 值 10 R-O-H酸碱性 碱性 两性 酸性 返回 强碱3.830.136Ba 强碱4.120.118Sr 强碱4.470.100Ca 中 强碱5.270.072Mg 两性6.670.045Be(OH)2Be 酸碱性 值Rn2+半径氢氧化物元素 例 碱土金属元素氢氧化物的酸碱性 Mg(OH)2 Ca(OH)2 Sr(OH)2 Ba(OH)2 第五节盐类 第五节 盐 类 salts 10-5 盐类的性质 绝大多数碱金属、碱土金属盐类的晶体 属于 离子晶体 ，熔、沸点较高。常温下 是固体，熔化时能导电。 碱金属、碱土金属与 无色阴离子 形成的 化合物是 无色或白色 ； 碱金属、碱土金属与 有色阴离子 形成的 化合物常呈 阴离子的颜色 。 如 卤化物 、 硝酸盐 、 碳酸盐 、 硫酸盐等为无色 BaCrO4为黄色、 KMnO4为紫色 铍与易