主族金属元素(一) 碱金属和碱土金属

1、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 元素大局部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

2、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

3、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LiNaKRb Cs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。碱金属的根本性质锂Li钠Na钾K铷Rb铯Cs原子序数311193755价电子构型2s13 s14 s15 s16 s1金属半径 rmetpm152190227.2247.5265.4

4、电负性1.00.90.80.80.7电离能 IkJmol 1520496419403376密度gcm 30.530.970.861.531.90熔点 t m180.5497.863.239.02805沸点 t b1347881.4756.5688705硬度（金刚石 = 10）0.60.40.50.30.24、离子焰色：应用于定性鉴别 锂红色 钠黄色 钾紫色 铷红紫色 铯蓝色 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“焰色反响。 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

5、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、对角线规那么：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。 Li Be B C Na Mg Al Si 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

6、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0.534g/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。比方，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

7、。现在，锂被科学家认为是用作火箭燃料的最正确金属。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1kg氢化锂可得到2.8m3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，实现热核反响放出的能量，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

8、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ZnHg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：比容量单位质量电极材料所转换的电量特别大；使用寿命长，可达10年，有的可达1415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

9、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，锂离子代替了玻璃外表的钠离子，使玻璃的强度增大。 8、氢化铝锂LiAlH4是有机反响中常用的复原剂。 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 钠的用途含局部钾的用途 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

10、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、钠是一种强复原剂，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 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响而制成。 精炼石油。石油产品经硫

11、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。 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。参加稀的氢氧化钠溶液可将非纤维素成分溶解而别离，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剩余气体。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1500080000伽马

12、(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。铸铝合金中参加0.011的铷，可以改善其力学性能。熔化的铜中参加0.010.5的铷，用喷雾法可制得外表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复原制备相应金属，作核反响

13、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，难别离，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、热复原法 如：K2CO3 +2C=2K + 3CO3、金属置换法(工业上制取钾)如：KCl +Na = NaCl + K1473K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，是很强的复原剂： NaH + H2O NaOH + H2 剧烈反响 4NaH + TiCl

14、4 Ti + 4NaCl + 2H2 强复原性 4LiH + AlCl3 LiAlH4 + 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4 Li + 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2 Na + 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

15、+ 2H2O 2NaOH + H2O2 Na2O2 + 2H2SO4稀 Na2SO4 +H2O2 2H2O2 2H2O + O22碱介质中强氧化剂，分解矿石的熔剂 Na2O2 + Cr2O3 2Na2CrO4+Na2O Na2O2+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： LiOH NaOH KOH RbOH CsOH 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

16、化物作用，生成钠盐。 Si+2NaOH+H2O 2Na2SiO3+2H2 SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2O 2Al+2NaOH+2H2O 2NaAlO2+3H2 AL2O3+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

17、+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，用重铬酸钾标定复原剂溶液的浓度。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Na2SO410H2O、K

18、2SO4、Na2HPO410H2O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，也是化学工业的根底。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 + H2O2NH4Cl + CaOH2 CaCl2+2NH3 + 2H2O优缺点: 原料经济, NaCl

19、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510度下向母液中参加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2s23 s24 s25 s26 s2金属半径 rmetpm111.31601

20、97.3215.1217.3电负性1.51.21.01.00.9电离能 IkJmol 1900738590549502密度gcm 31.851.741.552.633.62熔点 t m1287649839768727沸点 t b2500110514941381（1850）硬度（金刚石 = 10）42.521.8A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 0.4 K (钾)194s1 22763.257600.5Rb(铷)375s124838.896860.3Cs (铯)

21、556s1 26528.40669.30.2 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)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 1.0 0.9 0.8 0.8 0.7电负性 1.0 0.9 0.8 0.8 0.7 密度/(kgcm-3) 0.53 0.97 0.86 1

22、.53 1.88 密度/(kgcm-3) 1.85 1.74 1.54 2.6 3.51 A Li(锂) Na(钠) K(钾) Rb(铷) Cs(铯) A Be(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 1.0 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 密度/(kgcm-3) 0.53 0.97 0.86 1.53 1.88 密度/(kgcm-3) 1.85 1.74 1.54 2.6 3.51 A Li(锂) Na(钠)

23、 K(钾) Rb(铷) Cs(铯) A Be(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 -2.92 V 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、也可以发生焰色反响 Mg Ca Sr Ba 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

24、6、铍的特殊性：与铝相似1与H2O不反响2Be(OH)2 具有两性。3BeO熔点高、硬度大。4BeCl2为共价化合物。LiNaKCaSrBa焰色反响 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。铍也用作原于反响推的减速刘，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。

25、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4001500mg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下复原BeF2来制取的，也可以用电解熔融BeCl2(参加碱金属氯化物作助熔剂)的

26、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。电解法和硅热复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。硅热复原法那么是在减压和1150的温度下，用硅铁与煅烧过的白云石进行反响而制得镁： 2(MgOCaO)+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复原其氧化物制得。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

27、CaOH)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响比较如下：类 型在空气中 直接形成间接形成正常氧化物Li、Be、Mg Ca、Sr、Ba A、A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响 Be(OH)2

28、+ 2H+ Be2+ + 2H2O与碱反响 Be(OH)2+ 2OH- Be(OH)42-MO- + H+ M O H M+ + 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，如果的值越大，那么说明氧原子的电子云偏向当M+，极化作用越强。OH键变弱，MOH以酸式电离为主，即酸性越强。反之，那么MOH更趋向碱式电离.判断酸碱性的经验公式为： : 0.22 ROH呈酸性 ： =0.220.32 ROH呈两性 ： 0.32 ROH呈碱性此规那么也称为MOH规那么。 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.与非金属单质的反响： 2Mg+O2=2MgO 3Mg+N2=Mg3N2 2.与水的反响： Mg+2H2O=Mg(OH)2+