北师大版无机化学-第20章S区元素北课件

s区元素第20章Chapter20

s-BlockElementss区元素第20章Chapter20

s-Bloc1S区元素在周期表中的位置S区元素在周期表中的位置2

1、掌握碱金属、碱土金属单质的性质，了解其结构、制备、存在及用途与性质的关系；本章教学要求

4、了解碱金属、碱土金属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。3、了解碱金属、碱土金属氢氧化物的溶解性和碱性变化规律；

2、掌握碱金属、碱土金属氧化物的类型及重要氧化物的性质及用途；1、掌握碱金属、碱土金属单质的性质，了解其结构、制备、3本章内容

20.3碱金属和碱土金属的化合物

20.2碱金属和碱土金属的单质

20.1碱金属和碱土金属的通性本章内容20.3碱金属和碱土金属的化合物2420.1通性(generalization)碱金属(alkalinmetals)(ⅠA):ns1碱土金属(alkalinearthmetals)(ⅡA):ns2lithiumsodiumpotassiumrubidiumcaesiumfranciumberylliummagnesiumcalciumstrontiumbariumradium原子半径增大金属性、还原性增强电离能、电负性减小原子半径减小金属性、还原性减弱电离能、电负性增大20.1通性(generalization)碱金属(5自然界中的存在

第1和第2族元素在地壳中的丰度.表示为每100kg样品中金属克数的对数（以10为底）.由于图中的纵坐标取了对数，因而各元素丰度的差别表面看起来不是很大.(注：不同的表示方法有不同的数值）自然界中的存在第1和第2族元素在地壳中的丰度.表示为6锂辉石:钠长石:钾长石:光卤石:明矾石:绿柱石:菱镁矿:石膏:大理石:萤石:天青石:重晶石:本区元素均以矿物形式存在:锂辉石:钠长石:钾长石:光卤石:明矾石:绿柱石:菱镁矿:石7●都是最活泼的金属20.2单质(simplesubstance)●形成的化合物大多是离子型的●通常只有一种稳定的氧化态●同一族自上而下性质的变化有规律●都是最活泼的金属20.2单质(simples820.2.1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LiNaKRbCsBeMgCaSrBa1.单质的物理性质及用途20.2.1物理性质和化学性质它们都有金属9两族元素金属和化合物的重要性可排出如下顺序：

用途概述

顺序大体是按世界年产量大小排列的，表示不出排序较后元素在某些特定应用领域的重要意义（如铯光电效应）.一些元素的某些重要用途分述如下：

金属锂制造氢化锂、氨化锂和合成有机锂化合物，后者用做有机化学中的还原剂和催化剂；金属:Na＞＞Li＞K＞Cs＞RbMg＞＞Ca＞Be＞Ba＞Sr化合物:Na＞K＞＞Li＞＞Cs＞RbCa＞＞Mg＞＞Ba＞＞Sr＞Be两族元素金属和化合物的重要性可排出如下顺序：用途概述102.制造合金Al-Li(含锂3%),因质量轻和强度大而用于空间飞行器；3.制造高功率长效电池（用于手表、计算机、心脏起搏器等）；4.同位素受中子轰击产生热核武器的主要原料氚：在此裂变中，1公斤锂具有的能量大约相当于两万吨优质煤炭,比U-235裂变产生的能量还要大8倍.1公斤锂至少可以发出340千瓦的电力.因此，有人说：

金属锂未来的新能源锂矿石冶炼锂盐同位素分离锂-6重水生产氘氘化锂-6氢弹氚锂–6元件(锂-铝合金)反应堆辐照分离纯化2.制造合金Al-Li(含锂3%),因质量轻和强度大而11

金属钠

金属钾

工业用途小，世界年产量只及钠的0.1%！主要用于制造低熔点钠钾合金（用做干燥剂和还原剂），也用做核反应堆的冷却剂.1.过去钠的年产量与含铅抗震剂的使用量有关（主要由氯乙烷与铅钠合金作用制备）2.作为还原剂制造某些难熔的金属如铀、钍、锆等，特别是还原制备钛：TiCl4+4NaTi+4NaCl3.因具有高的导热性和低的中子吸收能力，被用做快速增殖反应堆的冷剂。4.最近被开发的新用途有制作钠电缆、钠基电池和钠硫电池等.加热金属钠金属钾工业用途小，世界年产量只及钠12

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(9192631770s-1)在长时间内保持稳定,因而将振动频率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×

10-9s

)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1s最近由中科院研制的铯原子钟,200万年内误差不超过1s香港市民在对时.100万年内误差不超过1s金属铯和铷消耗量极小，由于在光照下逸出电13

金属铍

属于“轻金属”，世界铍耗量的70%－80%用来制造铍铜合金。金属铍和铍基合金的弹性-质量比、拉伸应力和导热性都较高，因而用于各种空间飞行器。另外还用于制造氧化物陶瓷、原子能反应堆中的中子减速剂。

金属镁最轻的一种结构金属，也是用途最大的碱土金属。世界镁耗量的70%用来制造合金。广泛用于航空航天事业。也用于某些金属冶炼还原剂。MgBe金属铍属于“轻金属”，世界铍耗量的70%－14单质在空气中燃烧，形成相应的氧化物：Li2ONa2O2

KO2

RbO2

CsO2KO3BeO MgO CaOSrO Ba2O2

Gc2-706-18.12Li2ONa2O2KO2(1)与氧、硫、氮、卤素反应，形成相应的化合物

2.单质的化学性质镁带的燃烧

你能发现这些氧化物的形式有什么不同？单质在空气中燃烧，形成相应的氧化物：Li2O15该问题可以从以下几个方面讨论：

为什么在空气中燃烧碱金属所得的产物不同？

3、晶格能又正比于阴、阳离子电荷的乘积，反比于阴、阳离子的距离。这样就要求阴、阳离子具备一定的“匹配”条件，产生最好的能量效应，此即所谓的“大-大，小-小”规则。2、∆rG的大小则由∆rGm=∆rHm–T∆rSm决定。其中熵变一般对∆rG的贡献比较小，∆rG的大小主要由∆rHm来决定。∆rHm则要由设计的Born-Haber

循环来决定。而循环中的晶格能值的大小对整个反应能否进行及产物稳定性关系重大。

1、燃烧产物可从燃烧反应的能量变化中推测。哪一个燃烧反应的∆rG负值最大，产物就是哪一个。例如，Na生成Na2O、Na2O2和NaO2的∆rG分别是-376kJ·mol-1,-430kJ·mol-1和–389.2kJ·mol-1,因此燃烧产物就是Na2O2

。该问题可以从以下几个方面讨论：为什么在空气中燃烧碱金16(2)与水作用CaLiNaK●碱金属被水氧化的反应为:2M(s)+2H2O(l)→2M+(aq)

+2OH-(aq)+H2(g)

钠和钠下方的同族元素与水反应十分激烈，过程中生成的氢气能自燃.●碱土金属被水氧化的反应为:M(s)+2H2O(l)→M+(aq)

+2OH-(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！(2)与水作用CaLiNaK●碱金属被水氧化的反应为:17

锂的标准电极电势比钠或钾的标准电极电势小，为什么Li与水反应没有其它金属与水的反应激烈？

电极电势属于热力学范畴，而反应剧烈程度属于动力学范畴，两者之间并无直接的联系.

Li与水反应没有其它碱金属与水反应激烈，主要原因有:(1）锂的熔点较高，与水反应产生的热量不足以使其熔化;(2)与水反应的产物溶解度较小，一旦生成，就覆盖在金属锂的上面，阻碍反应继续进行.

5.326.419.117.925.8性质

LiNaKRbCsm.p./K453.69370.96336.8312.04301.55MOH在水中的溶解度/(mol·L-1)Question

2锂的标准电极电势比钠或钾的标准电极电势小，为什么Li18Li的值为什么最负？Be的值最小？

锂电对的数值乍看起来似乎反常，这个原子半径最小、电离能最高的元素倒成了最强的还原剂。显然与其溶剂化程度（水合分子数为25.3）和溶剂化强度（水合焓为-519kJ·mol-1）都是最大的有关。

(Be2+/Be)明显低于同族其余电对，与其高电离能有关。无法被水合焓补偿：I1(Be)+I2(Be)=2656kJ·mol-1。Question

3S区金属元素相关电对的标准电极电势

(Ox/Red)(单位：V)Li+/LiNa+/NaK+/KRb+/RbCs+/Cs-3.04-2.71-2.93-2.92-2.92Be2+/BeMg2+/MgCa2+/CaSr2+/SrBa2+/Ba-1.97-2.36-2.84-2.89-2.92Li的值为什么最负？Be的值最小？锂19

右图以自由能变给出了锂和铯的热化学循环，该循环表示了相关能量的补偿关系。根据循环算得的标准电极电势与下表中的数据十分接近。在计算时要用到下面的公式：Na109.5495.7-413.8197.3-454.5-275.2-2.67-2.71碱金属溶于水的能量变化及标准电极电势性质升华能

S/kJ•mol-1电离能

IM/kJ•mol-1水合能

HM/kJ•mol-1△H1/kJ•mol-1△H2/kJ•mol-1总焓变△Hm/kJ•mol-1/V（计算值）/V（实验值）Li150.5520.1-514.1163.1-454.5-291.4-3.02-3.0401K91.5418.6-342.8175.1-454.5-279.4-2.90-2.931Rb86.1402.9-321.9165.1-454.5-289.4-3.00-2.98Cs79.9375.6-297.1158-454.5-296.5-3.07-2.92右图以自由能变给出了锂和铯的热化学循环，该循环20

(3)焰色反应(flamereaction)元素

LiNaKRbCsCaSrBa

颜色深红

黄紫红紫红紫（蓝）橙红

深红绿波长/nm670.8589.2766.5780.0455.5714.9687.8553.5

碱金属和碱土金属的化合物在无色火焰中燃烧时，会呈现出一定的颜色，称为焰色反应(flamereaction).可以用来鉴定化合物中某元素的存在，特别是在野外.(3)焰色反应(flamereaction)元21(4)与液氨的作用碱金属在液氨中的溶解度(-35℃)碱金属元素MLiNaKRbCs

溶解度/(mol·L-1)15.710.811.812.513.0

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。溶于液氨的反应如下：(4)与液氨的作用碱金属在液氨中的溶解度(-35℃)碱22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

有趣的是，不论溶解的是何种金属，稀溶液都具有同一吸收波长的蓝光。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4~6个NH3的“空穴”中。

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.实验依据有趣的是，不论溶解的是何种金属，稀溶液都23

金属钠与水、乙醇、液氨的反应有何不同？Question

42Na(s)+2H2O(l)Na+(aq)+2OH-(aq)+H2(g)↑2Na(s)+CH3CH2OH(l)2CH3CH2ONa(l)+H2(g)↑Na(s)+(x+y)NH3(l)Na+(NH3)x+e-(NH3)y金属钠与水、乙醇、液氨Question4224M3PM3N(M=Li)MHMNH2+H2MOH+H2汞齐MX（X=卤素）M2O（M=Li,Na）M2CO3M+(am)+e-(am)M2SM2O2（M=Na,K,Rb,Cs）MO2（M=K,Rb,Cs）碱金属单质的某些典型反应PN2NH3(溶液或气态)H2OMX2S液NH3有

Fe存在HgO2O2+CO2H2M3PM3N(M=Li)MHMNH2+H2MOH25碱土金属单质的某些典型反应M3N2(M=Mg)MO+H2(M=Be,Mg)MO2(M=Ba),MOM(OH)2+H2(M=Ca,Sr,Ba)MH2(M=Ca,Sr,Ba)M(NH2)2+H2HMO2-+H2(M=Be)N2H2O水蒸气MO2NH3MX2NaOHX2H2碱土金属单质的某些典型反应M3N2262、热分解法(碱金属的亚铁氰化物、氰化物、叠氮化物加热能分解成金属)

如：4KCN=4K+4C+N22MN3=2M+3N2;M=Na、K、Rb、Cs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KCaRbSrCsBaLiBeNaMg熔盐电解法电解含58~59%(CaCl2)的熔融NaCl:2Cl-Cl2+2e-2Na++2e-2Na2NaCl(l)

2Na(l)+Cl2(g)(阴极)(阳极)20.2.2单质的制备1、熔盐电解法2、热分解法(碱金属的亚铁氰化物、氰化物、叠氮化物加热能分解27

3、热还原法

钾、铷、铯因熔点低易挥发，可在高温下用焦碳、碳化物及活泼金属做还原剂，还原它们的化合物，利用它们的挥发性与反应体系分离。3、热还原法钾、铷、28

金属钾能否采用类似制钠的方法制备呢？结论是不能采用同类方法.其原因是：●金属K与C电极可生成羰基化合物●金属K易溶在熔盐中，难于分离●金属K蒸气易从电解槽逸出造成易燃爆环境●制备原理:KCl+Na=K+NaClQuestion

5热(1620F)热热N2K合金(或K)N2N2K合金(或K)蒸气排泄阱NaCl渣和N2NaNaCl渣KCl(1550F)熔融不锈钢环NaCl渣Na

蒸气N2N2Na工业上钾的提取热热金属钾能否采用类似制钠的方法制备呢？结论是不能采用同类方法29Question

6

钾比钠活泼，为什么可以通过如下反应制备金属钾？KCl+NaNaCl+K熔融第二，由于钾变成蒸气，可设法使其不断离开反应体系，让体系中其分压始终保持在较小的数值。不难预料随Pk变小，DrGm向负值的方向变动，有利于反应向右进行。通过计算可知固相反应的DrHm是个不大的正值，但钾的沸点（766ºC）比钠的沸点（890ºC）低，当反应体系的温度控制在两沸点之间，使金属钾变成气态，而金属钠和KCl、NaCl仍保持在液态，钾由液态变成气态,熵值大为增加，即反应的T

DrSm项变大，有利于DrGm变成负值，反应向右进行.Question6钾比钠活泼，为什么可以通过3020.3.1氧化物20.3.2

氢氧化物20.3.3氢化物20.3.4盐类20.3.5配合物20.3化合物(compound)20.3.1氧化物20.3化合物(compou3120.3.1氧化物(oxide)稳定性: O2-

>O2->O22-正常氧化物(O2-)过氧化物(O22-)超氧化物(O2-)(1)多样性

“能量效应”要求体积较大的过氧阴离子、超氧阴离子和臭氧阴离子更易被较大的金属阳离子所稳定.(2)氧化物的制备除Li外，碱金属与氧直接反应都不能得到普通氧化物。碱土金属易得到普通氧化物直接法间接法20.3.1氧化物(oxide)稳定性: O2->32(3)化学性质●与H2O的作用(生成对应的碱)：(LiCs剧烈程度)

(BeO除外)

熔矿时要使用铁或镍制坩埚，陶瓷、石英和铂制坩埚容易被腐蚀。熔融的Na2O2与棉花、硫粉、铝粉等还原性物质相遇会发生爆炸,使用时要倍加小心●与CO2的作用Li2O+CO2Li2CO32Na2O2+2CO22Na2CO3+O2(g)4KO2+2CO22K2CO3+3O2(g)不溶于水不溶于水●与矿石一起熔融分解矿物可溶于水可溶于水(3)化学性质●与H2O的作用(生成对应的碱)3320.3.2氢氧化物（除Be(OH)2为两性外）一、易吸水溶解

鉴于对本区元素氢氧化物比较熟悉，这里仅介绍一些规律.除Li（OH）外，其它碱金属氢氧化物在水中溶解度都很大。碱土金属氢氧化物在水中溶解度如下（20℃）：氢氧化物

Be(OH)2Mg(OH)2Ca(OH)2Sr(OH)2Ba(OH)2溶解度/8×10-65×10-41.8×10-26.7×10-22×10-1mol·L-1

规律：阴、阳离子半径相差较大的离子型化合物在水中溶解度较大，相近的溶解度较小，即“相差溶解”规律.二、溶解度与碱性20.3.2氢氧化物（除Be(OH)2为两性外）一、易34

三、溶解金属和氧化物的能力2Al+2NaOH+6H2O2Na[Al(OH)4]+3H2Al2O3+2NaOH2NaAlO2+H2OSi+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O工业制取NaOH的方法有几种？1、电解食盐水：2NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl2主要方法电解2、苛化法：用消石灰（Ca(OH)2）或石灰乳与碳酸钠的浓溶液反应Na2CO3+Ca(OH)2CaCO3+2NaOH碱金属氢氧化物水溶液或熔融物能溶解某些（两性）金属及氧化物和溶解某些非金属及氧化物：三、溶解金属和氧化物的能力2Al+2NaOH3520.3.3氢化物(hydride)(1)制备及物理性质●制备●物理性质均为白色固体,常因混有痕量杂质而发灰.盐LiHNaHKHRbHCsHCaH2SrH2BaH2生成焓△fH/kJ•mol-1-91.2-56.5-57.7～-54.4-49.8-174.3-177-189.9MH核间距/pm204244285302319232～285*249～306*267～328*H-实测半径/pm137146152154152138138138晶格焓/(kJ•mol-1)(实验值)911.3806.2711.7646.06952426.72259.42167.3*斜方晶格中有七个短MH键距和2个长MH键距20.3.3氢化物(hydride)(1)制备及物36●还原性强

钛冶炼的还原剂:(2)性质●剧烈水解:●

形成配位氢化物氢化铝锂受潮时强烈水解氢化钙剧烈水解CaH2常用作野外工作的制备氢气的材料●还原性强钛冶炼的还原剂:(2)性质●剧烈水37重要盐类：卤化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐20.3.4盐类（1）键型和晶型：绝大多数是离子型晶体，但锂和铍的某些盐有一定的共价性.由于Be2+极化力强，BeCl2的共价性非常明显.

BeCl2MgCl2CaCl2SrCl2BaCl2熔点/℃405714782876962

(2)颜色：一般无色或白色离子性增强

(3)溶解度：碱金属盐类一般易溶于水，难溶于水的一般有大阴离子组成。碱土金属盐类除卤化物、硝酸盐外，多数溶解度较小或难溶于水。溶解度依然符合“相差溶解”规律不全是此规律率重要盐类：卤化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐20.3.4盐38★盐溶解的热力学解释结果：离子半径影响晶格能离子电荷水合焓

左图显示，溶解焓较负（即溶解性较大）的化合物都是阴、阳离子水合焓差值（包括正值和负值）较大的化合物，也是阴、阳离子半径相差较大的化合物.溶解焓

阴阳离子水合焓差值★盐溶解的热力学解释结果：离子半径影响39Question

7

一般的钠盐或钾盐是易溶的，一般的高氯酸盐也是易溶的，但为什么NaClO4

的溶解度不大，而KClO4更难溶？Na+、K+、ClO4–都是电荷少、半径大的离子，溶于水后离子水合程度不大。故这些盐类的溶解一般都是熵增过程，有利于溶解。溶解过程的焓变主要来自晶格能和水合能。Na+、K+、ClO4–电荷少、半径大，因而它们的晶格能小。KClO4

虽然晶格能比前者更小些，但净减小值不会很大，因为前者的晶格能本来就不大，但后者的水合能比前者却有较大的减小。因此，对由大阳离子和大阴离子组成的化合物来说，它们的晶格能虽然很小，但水合能更小，它们在水中就变得难溶了。影响碱金属高氯酸盐溶解度的另一个因素是大阴离子与小阳离子不“匹配”.Question7一般的钠盐或钾盐是易溶的40●

稳定性M2CO3＞MCO3(6)热稳定性●碱土金属碳酸盐热分解所需温度有规律

BeCO3MgCO3CaCO3SrCO3BaCO3

T分/℃＜100573111013701570规律：含有大阴离子(如CO32-)的热不稳定性化合物的分解温度随阳离子半径的增大而增高.分解反应M’CO3(s)=M’O(s)+CO2(g)的热力学数据（298K）Mg+48.3+100.6+175.0Ca+130.4+178.3+160.6Sr+183.8+234.6+171.0Ba+218.1+269.3+172.1M’●碱金属硝酸盐热稳定性差,加热分解,分解规律.是:锂盐为Li2O和NO2、O2，其余MNO2和O2

(4)易形成结晶水合物

(5)形成复盐底能力●稳定性M2CO3＞MCO3(6)热稳定性规律：含有41IIA族碳酸盐的分解温度性质阳离子极化力/pm-1·10-2分解温度/KBeCO321.3298MgCO313.1813CaCO39.71183SrCO38.11563BaCO37.21663

自然，我们也可以用离子用极化理论来解释M’CO3的分解温度.其结果与上面从热力学角度解释的结果一致.IIA族碳酸盐的分解温度性质阳离子极421、卤化物NaCl、BeCl2、MgCl2、

CaCl2、

BaCl2、

CaF2MgCl2制备不能用湿法：MgCl2.6H2OMg(OH)Cl

+HCl+5H2O高于408KMg(OH)ClMgO+HCl770K

2、碳酸盐Na2CO3、NaHCO3、CaCO3等3、硫酸盐Na2SO4.10H2O、

CaSO4.2H2O、BaSO4重晶石、MgSO4.7H2O等2CaSO4.2H2O2CaSO4.1/2H2O+3H2O393K重晶石BaSO4是制备其他钡类化合物的原料，如BaS、BaCl2、BaCO3等BaSO4+

4C

BaS

+4CO1273KBaS

+

2HCl

BaCl2

+H2SBaS

+

CO2+H2O

BaCO3+H2S卤化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐等课本介绍几类常用而重要的盐1、卤化物NaCl、BeCl2、MgCl2、4320.3.5配合物(complex)大环配位化合物然而，“大环效应”的发现使人们对该领域的兴趣和系统研究迅速发展了起来！C.Pedersen

美国化学家首次报道“冠醚”(crownether)D.Cram

美国有机化学家提出“主-客体化学”（host-guestchemistry）J.M.Lehn

法国生物化学家首次报道“穴醚”(cryptant)

3.

大环配位化合物的发展得益于3位Nobel奖的获得者：

1.碱金属的配合物为什么过去研究得很少？

主要是金属离子的的电荷和大体积使其配位能力比较小的缘故.20.3.5配合物(complex)大环配位化合物C.44(1)冠醚(crownether)

右图给出的新配合物中含有和两种杂原子，由于分子结构型似地穴，故取名穴醚(cryptant)

.碱金属阳离子的穴醚配合物比冠醚配合物更稳定，甚至能存在于水溶液中.这显然与穴醚更接近于实现对金属离子的完全包封有关。

冠醚和穴醚统称为大环配位化合物(macrocycliccoordinationcompound).作为配位体的冠醚和穴醚，不同大小、不同形状的穴腔对碱金属阳离子具有选择性.穴醚几乎能够实现对K+和Na+离子的完全分离，选择性可高达105：1。右图给出的是18-冠-6，18和6分别表示环原子数和环氧原子数，距离最近的O原子间以-CH2-CH2-相桥联.冠醚与碱金属离子形成相对稳定的配合物，碱金属18-冠-6配合物在非水溶液中几乎能无限期稳定存在.（2）穴醚(cryptant)(1)冠醚(crownether)45作业2、4、10、13（注：13题在氨水中的溶解性改为在氯化铵溶液中的溶解性）作业2、4、10、1346s区元素第20章Chapter20

s-BlockElementss区元素第20章Chapter20

s-Bloc47S区元素在周期表中的位置S区元素在周期表中的位置48

1、掌握碱金属、碱土金属单质的性质，了解其结构、制备、存在及用途与性质的关系；本章教学要求

4、了解碱金属、碱土金属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。3、了解碱金属、碱土金属氢氧化物的溶解性和碱性变化规律；

2、掌握碱金属、碱土金属氧化物的类型及重要氧化物的性质及用途；1、掌握碱金属、碱土金属单质的性质，了解其结构、制备、49本章内容

20.3碱金属和碱土金属的化合物

20.2碱金属和碱土金属的单质

20.1碱金属和碱土金属的通性本章内容20.3碱金属和碱土金属的化合物25020.1通性(generalization)碱金属(alkalinmetals)(ⅠA):ns1碱土金属(alkalinearthmetals)(ⅡA):ns2lithiumsodiumpotassiumrubidiumcaesiumfranciumberylliummagnesiumcalciumstrontiumbariumradium原子半径增大金属性、还原性增强电离能、电负性减小原子半径减小金属性、还原性减弱电离能、电负性增大20.1通性(generalization)碱金属(51自然界中的存在

第1和第2族元素在地壳中的丰度.表示为每100kg样品中金属克数的对数（以10为底）.由于图中的纵坐标取了对数，因而各元素丰度的差别表面看起来不是很大.(注：不同的表示方法有不同的数值）自然界中的存在第1和第2族元素在地壳中的丰度.表示为52锂辉石:钠长石:钾长石:光卤石:明矾石:绿柱石:菱镁矿:石膏:大理石:萤石:天青石:重晶石:本区元素均以矿物形式存在:锂辉石:钠长石:钾长石:光卤石:明矾石:绿柱石:菱镁矿:石53●都是最活泼的金属20.2单质(simplesubstance)●形成的化合物大多是离子型的●通常只有一种稳定的氧化态●同一族自上而下性质的变化有规律●都是最活泼的金属20.2单质(simples5420.2.1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LiNaKRbCsBeMgCaSrBa1.单质的物理性质及用途20.2.1物理性质和化学性质它们都有金属55两族元素金属和化合物的重要性可排出如下顺序：

用途概述

顺序大体是按世界年产量大小排列的，表示不出排序较后元素在某些特定应用领域的重要意义（如铯光电效应）.一些元素的某些重要用途分述如下：

金属锂制造氢化锂、氨化锂和合成有机锂化合物，后者用做有机化学中的还原剂和催化剂；金属:Na＞＞Li＞K＞Cs＞RbMg＞＞Ca＞Be＞Ba＞Sr化合物:Na＞K＞＞Li＞＞Cs＞RbCa＞＞Mg＞＞Ba＞＞Sr＞Be两族元素金属和化合物的重要性可排出如下顺序：用途概述562.制造合金Al-Li(含锂3%),因质量轻和强度大而用于空间飞行器；3.制造高功率长效电池（用于手表、计算机、心脏起搏器等）；4.同位素受中子轰击产生热核武器的主要原料氚：在此裂变中，1公斤锂具有的能量大约相当于两万吨优质煤炭,比U-235裂变产生的能量还要大8倍.1公斤锂至少可以发出340千瓦的电力.因此，有人说：

金属锂未来的新能源锂矿石冶炼锂盐同位素分离锂-6重水生产氘氘化锂-6氢弹氚锂–6元件(锂-铝合金)反应堆辐照分离纯化2.制造合金Al-Li(含锂3%),因质量轻和强度大而57

金属钠

金属钾

工业用途小，世界年产量只及钠的0.1%！主要用于制造低熔点钠钾合金（用做干燥剂和还原剂），也用做核反应堆的冷却剂.1.过去钠的年产量与含铅抗震剂的使用量有关（主要由氯乙烷与铅钠合金作用制备）2.作为还原剂制造某些难熔的金属如铀、钍、锆等，特别是还原制备钛：TiCl4+4NaTi+4NaCl3.因具有高的导热性和低的中子吸收能力，被用做快速增殖反应堆的冷剂。4.最近被开发的新用途有制作钠电缆、钠基电池和钠硫电池等.加热金属钠金属钾工业用途小，世界年产量只及钠58

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(9192631770s-1)在长时间内保持稳定,因而将振动频率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×

10-9s

)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1s最近由中科院研制的铯原子钟,200万年内误差不超过1s香港市民在对时.100万年内误差不超过1s金属铯和铷消耗量极小，由于在光照下逸出电59

金属铍

属于“轻金属”，世界铍耗量的70%－80%用来制造铍铜合金。金属铍和铍基合金的弹性-质量比、拉伸应力和导热性都较高，因而用于各种空间飞行器。另外还用于制造氧化物陶瓷、原子能反应堆中的中子减速剂。

金属镁最轻的一种结构金属，也是用途最大的碱土金属。世界镁耗量的70%用来制造合金。广泛用于航空航天事业。也用于某些金属冶炼还原剂。MgBe金属铍属于“轻金属”，世界铍耗量的70%－60单质在空气中燃烧，形成相应的氧化物：Li2ONa2O2

KO2

RbO2

CsO2KO3BeO MgO CaOSrO Ba2O2

Gc2-706-18.12Li2ONa2O2KO2(1)与氧、硫、氮、卤素反应，形成相应的化合物

2.单质的化学性质镁带的燃烧

你能发现这些氧化物的形式有什么不同？单质在空气中燃烧，形成相应的氧化物：Li2O61该问题可以从以下几个方面讨论：

为什么在空气中燃烧碱金属所得的产物不同？

3、晶格能又正比于阴、阳离子电荷的乘积，反比于阴、阳离子的距离。这样就要求阴、阳离子具备一定的“匹配”条件，产生最好的能量效应，此即所谓的“大-大，小-小”规则。2、∆rG的大小则由∆rGm=∆rHm–T∆rSm决定。其中熵变一般对∆rG的贡献比较小，∆rG的大小主要由∆rHm来决定。∆rHm则要由设计的Born-Haber

循环来决定。而循环中的晶格能值的大小对整个反应能否进行及产物稳定性关系重大。

1、燃烧产物可从燃烧反应的能量变化中推测。哪一个燃烧反应的∆rG负值最大，产物就是哪一个。例如，Na生成Na2O、Na2O2和NaO2的∆rG分别是-376kJ·mol-1,-430kJ·mol-1和–389.2kJ·mol-1,因此燃烧产物就是Na2O2

。该问题可以从以下几个方面讨论：为什么在空气中燃烧碱金62(2)与水作用CaLiNaK●碱金属被水氧化的反应为:2M(s)+2H2O(l)→2M+(aq)

+2OH-(aq)+H2(g)

钠和钠下方的同族元素与水反应十分激烈，过程中生成的氢气能自燃.●碱土金属被水氧化的反应为:M(s)+2H2O(l)→M+(aq)

+2OH-(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！(2)与水作用CaLiNaK●碱金属被水氧化的反应为:63

锂的标准电极电势比钠或钾的标准电极电势小，为什么Li与水反应没有其它金属与水的反应激烈？

电极电势属于热力学范畴，而反应剧烈程度属于动力学范畴，两者之间并无直接的联系.

Li与水反应没有其它碱金属与水反应激烈，主要原因有:(1）锂的熔点较高，与水反应产生的热量不足以使其熔化;(2)与水反应的产物溶解度较小，一旦生成，就覆盖在金属锂的上面，阻碍反应继续进行.

5.326.419.117.925.8性质

LiNaKRbCsm.p./K453.69370.96336.8312.04301.55MOH在水中的溶解度/(mol·L-1)Question

2锂的标准电极电势比钠或钾的标准电极电势小，为什么Li64Li的值为什么最负？Be的值最小？

锂电对的数值乍看起来似乎反常，这个原子半径最小、电离能最高的元素倒成了最强的还原剂。显然与其溶剂化程度（水合分子数为25.3）和溶剂化强度（水合焓为-519kJ·mol-1）都是最大的有关。

(Be2+/Be)明显低于同族其余电对，与其高电离能有关。无法被水合焓补偿：I1(Be)+I2(Be)=2656kJ·mol-1。Question

3S区金属元素相关电对的标准电极电势

(Ox/Red)(单位：V)Li+/LiNa+/NaK+/KRb+/RbCs+/Cs-3.04-2.71-2.93-2.92-2.92Be2+/BeMg2+/MgCa2+/CaSr2+/SrBa2+/Ba-1.97-2.36-2.84-2.89-2.92Li的值为什么最负？Be的值最小？锂65

右图以自由能变给出了锂和铯的热化学循环，该循环表示了相关能量的补偿关系。根据循环算得的标准电极电势与下表中的数据十分接近。在计算时要用到下面的公式：Na109.5495.7-413.8197.3-454.5-275.2-2.67-2.71碱金属溶于水的能量变化及标准电极电势性质升华能

S/kJ•mol-1电离能

IM/kJ•mol-1水合能

HM/kJ•mol-1△H1/kJ•mol-1△H2/kJ•mol-1总焓变△Hm/kJ•mol-1/V（计算值）/V（实验值）Li150.5520.1-514.1163.1-454.5-291.4-3.02-3.0401K91.5418.6-342.8175.1-454.5-279.4-2.90-2.931Rb86.1402.9-321.9165.1-454.5-289.4-3.00-2.98Cs79.9375.6-297.1158-454.5-296.5-3.07-2.92右图以自由能变给出了锂和铯的热化学循环，该循环66

(3)焰色反应(flamereaction)元素

LiNaKRbCsCaSrBa

颜色深红

黄紫红紫红紫（蓝）橙红

深红绿波长/nm670.8589.2766.5780.0455.5714.9687.8553.5

碱金属和碱土金属的化合物在无色火焰中燃烧时，会呈现出一定的颜色，称为焰色反应(flamereaction).可以用来鉴定化合物中某元素的存在，特别是在野外.(3)焰色反应(flamereaction)元67(4)与液氨的作用碱金属在液氨中的溶解度(-35℃)碱金属元素MLiNaKRbCs

溶解度/(mol·L-1)15.710.811.812.513.0

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。溶于液氨的反应如下：(4)与液氨的作用碱金属在液氨中的溶解度(-35℃)碱68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

有趣的是，不论溶解的是何种金属，稀溶液都具有同一吸收波长的蓝光。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4~6个NH3的“空穴”中。

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.实验依据有趣的是，不论溶解的是何种金属，稀溶液都69

金属钠与水、乙醇、液氨的反应有何不同？Question

42Na(s)+2H2O(l)Na+(aq)+2OH-(aq)+H2(g)↑2Na(s)+CH3CH2OH(l)2CH3CH2ONa(l)+H2(g)↑Na(s)+(x+y)NH3(l)Na+(NH3)x+e-(NH3)y金属钠与水、乙醇、液氨Question4270M3PM3N(M=Li)MHMNH2+H2MOH+H2汞齐MX（X=卤素）M2O（M=Li,Na）M2CO3M+(am)+e-(am)M2SM2O2（M=Na,K,Rb,Cs）MO2（M=K,Rb,Cs）碱金属单质的某些典型反应PN2NH3(溶液或气态)H2OMX2S液NH3有

Fe存在HgO2O2+CO2H2M3PM3N(M=Li)MHMNH2+H2MOH71碱土金属单质的某些典型反应M3N2(M=Mg)MO+H2(M=Be,Mg)MO2(M=Ba),MOM(OH)2+H2(M=Ca,Sr,Ba)MH2(M=Ca,Sr,Ba)M(NH2)2+H2HMO2-+H2(M=Be)N2H2O水蒸气MO2NH3MX2NaOHX2H2碱土金属单质的某些典型反应M3N2722、热分解法(碱金属的亚铁氰化物、氰化物、叠氮化物加热能分解成金属)

如：4KCN=4K+4C+N22MN3=2M+3N2;M=Na、K、Rb、Cs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KCaRbSrCsBaLiBeNaMg熔盐电解法电解含58~59%(CaCl2)的熔融NaCl:2Cl-Cl2+2e-2Na++2e-2Na2NaCl(l)

2Na(l)+Cl2(g)(阴极)(阳极)20.2.2单质的制备1、熔盐电解法2、热分解法(碱金属的亚铁氰化物、氰化物、叠氮化物加热能分解73

3、热还原法

钾、铷、铯因熔点低易挥发，可在高温下用焦碳、碳化物及活泼金属做还原剂，还原它们的化合物，利用它们的挥发性与反应体系分离。3、热还原法钾、铷、74

金属钾能否采用类似制钠的方法制备呢？结论是不能采用同类方法.其原因是：●金属K与C电极可生成羰基化合物●金属K易溶在熔盐中，难于分离●金属K蒸气易从电解槽逸出造成易燃爆环境●制备原理:KCl+Na=K+NaClQuestion

5热(1620F)热热N2K合金(或K)N2N2K合金(或K)蒸气排泄阱NaCl渣和N2NaNaCl渣KCl(1550F)熔融不锈钢环NaCl渣Na

蒸气N2N2Na工业上钾的提取热热金属钾能否采用类似制钠的方法制备呢？结论是不能采用同类方法75Question

6

钾比钠活泼，为什么可以通过如下反应制备金属钾？KCl+NaNaCl+K熔融第二，由于钾变成蒸气，可设法使其不断离开反应体系，让体系中其分压始终保持在较小的数值。不难预料随Pk变小，DrGm向负值的方向变动，有利于反应向右进行。通过计算可知固相反应的DrHm是个不大的正值，但钾的沸点（766ºC）比钠的沸点（890ºC）低，当反应体系的温度控制在两沸点之间，使金属钾变成气态，而金属钠和KCl、NaCl仍保持在液态，钾由液态变成气态,熵值大为增加，即反应的T

DrSm项变大，有利于DrGm变成负值，反应向右进行.Question6钾比钠活泼，为什么可以通过7620.3.1氧化物20.3.2

氢氧化物20.3.3氢化物20.3.4盐类20.3.5配合物20.3化合物(compound)20.3.1氧化物20.3化合物(compou7720.3.1氧化物(oxide)稳定性: O2-

>O2->O22-正常氧化物(O2-)过氧化物(O22-)超氧化物(O2-)(1)多样性

“能量效应”要求体积较大的过氧阴离子、超氧阴离子和臭氧阴离子更易被较大的金属阳离子所稳定.(2)氧化物的制备除Li外，碱金属与氧直接反应都不能得到普通氧化物。碱土金属易得到普通氧化物直接法间接法20.3.1氧化物(oxide)稳定性: O2->78(3)化学性质●与H2O的作用(生成对应的碱)：(LiCs剧烈程度)

(BeO除外)

熔矿时要使用铁或镍制坩埚，陶瓷、石英和铂制坩埚容易被腐蚀。熔融的Na2O2与棉花、硫粉、铝粉等还原性物质相遇会发生爆炸,使用时要倍加小心●与CO2的作用Li2O+CO2Li2CO32Na2O2+2CO22Na2CO3+O2(g)4KO2+2CO22K2CO3+3O2(g)不溶于水不溶于水●与矿石一起熔融分解矿物可溶于水可溶于水(3)化学性质●与H2O的作用(生成对应的碱)7920.3.2氢氧化物（除Be(OH)2为两性外）一、易吸水溶解

鉴于对本区元素氢氧化物比较熟悉，这里仅介绍一些规律.除Li（OH）外，其它碱金属氢氧化物在水中溶解度都很大。碱土金属氢氧化物在水中溶解度如下（20℃）：氢氧化物

Be(OH)2Mg(OH)2Ca(OH)2Sr(OH)2Ba(OH)2溶解度/8×10-65×10-41.8×10-26.7×10-22×10-1mol·L-1

规律：阴、阳离子半径相差较大的离子型化合物在水中溶解度较大，相近的溶解度较小，即“相差溶解”规律.二、溶解度与碱性20.3.2氢氧化物（除Be(OH)2为两性外）一、易80

三、溶解金属和氧化物的能力2Al+2NaOH+6H2O2Na[Al(OH)4]+3H2Al2O3+2NaOH2NaAlO2+H2OSi+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O工业制取NaOH的方法有几种？1、电解食盐水：2NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl2主要方法电解2、苛化法：用消石灰（Ca(OH)2）或石灰乳与碳酸钠的浓溶液反应Na2CO3+Ca(OH)2CaCO3+2NaOH碱金属氢氧化物水溶液或熔融物能溶解某些（两性）金属及氧化物和溶解某些非金属及氧化物：三、溶解金属和氧化物的能力2Al+2NaOH8120.3.3氢化物(hydride)(1)制备及物理性质●制备●物理性质均为白色固体,常因混有痕量杂质而发灰.盐LiHNaHKHRbHCsHCaH2SrH2BaH2生成焓△fH/kJ•mol-1-91.2-56.5-57.7～-54.4-49.8-174.3-177-189.9MH核间距/pm204244285302319232～285*249～306*267～328*H-实测半径/pm137146152154152138138138晶格焓/(kJ•mol-1)(实验值)911.3806.2711.7646.06952426.72259.42167.3*斜方晶格中有七个短M