碱和碱土金属教学课件

第十四章碱金属和碱土金属basemetalandalkalimetal14.1s区元素概述14.2s区元素的单质14.3s区元素的化合物熟悉S区元素碱金属和碱土金属元素的基本特征，了解碱金属和碱土金属元素的存在形式和单质的制备方法

熟悉碱金属和碱土金属氢化物及各种氧化物的生成，掌握它们的基本性质

熟悉碱金属和碱土金属重要盐类的晶型、溶解性和热稳定性、生成水合物和复盐的性质以及焰色反应特征

熟悉锂、铍在同族元素中的特殊性，掌握对角线规则本章学习要求14.1s区元素概述碱金属(IA):

ns1

Li,Na,K,Rb,Cs,Fr由于碱金属元素的氢氧化物都是易溶于水的强碱，所以称它们为碱金属元素。碱土金属(IIA):ns2Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra碱土金属元素的氧化物属于“土性的”难熔物，故称碱土金属。钫和镭是放射性元素。活泼金属容易失去外层s电子，化学性质活泼大多数金属可形成离子型化合物，但在某些情况下仍显一定程度的共价性。其中锂和铍由于原子半径相当小，电离能相对地高于其他同族元素，形成共价键的倾向比较显著。碱金属和碱土金属的原子半径，从上至下随主量子数的增加而依次增大，电离能和电负性同样依次减小。因此，它们的金属活泼性也从上至下依次增强。原子半径增大金属性、还原性增强电离能、电负性减小IAIIALiBeNaMgKCaRbSrCsBa原子半径减小金属性、还原性减弱电离能、电负性增大锂钠钾铷铯铍镁钙锶钡元素符号原子序数原子量价电子层结构原子半径/pm离子半径/pmI1/kJ·mol-1I2/kJ·mol-1I3/kJ·mol-1电负性EΘ/V

密度/g·cm-3熔点/K沸点/K硬度Li36.9412s1123605207298118150.98-3.045

0.534453.6916200.6Na1122.993s115495496456269120.93-2.714

0.971370.6911560.4K1939.0984s1203133419305144110.82-2.925

0.86336.810470.5Rb3785.475s1216148403263339000.82-2.925

1.532312.049610.3Cs55132.96s12351693762230-----0.79-2.923

1.873301.55951.50.2Be49.0122s289319001757148491.57-1.85

1.8515513243

—Mg1224.3053s213665738145177331.31-2.36

1.7492213632.0Ca2040.084s217499590114549121.00-2.87

1.55111217571.5Sr3887.625s219111550106442100.95-2.89

2.54104216571.8Ba56137.36s2198135503965-----0.89-2.91

3.59931913—碱金属和碱土金属元素的基本性质

14.2s区元素的单质14.2.1单质的物理性质和化学性质LiNaKRbCs图片Gc2-711-18.14BeMgCaSrBa有金属光泽、密度小、硬度小、熔点低、导电导热性好s区单质的熔点变化单质的物理性质碱金属原子只有一个价电子且原子半径较大，金属键弱，熔、沸点都很低碱土金属不仅有两个价电子，而且比同周期碱金属的原子半径小，因此所形成的金属键比碱金属强，使得其熔点、沸点、密度和强度都高于碱金属。都有金属光泽，良好的导电性和延展性。除铍和镁，其他金属都很软，可用刀子切割。锂、钠和钾的密度很小，浮在水面不下沉。Li密度最小的，比煤油还小，故只能保存在石蜡中。液态合金：碱金属的重要特性。最重要的液态合金为钾钠合金，例如组成为77.2％的钾和22.8％的钠组成的合金熔点仅为260.7K。钾钠合金的重要应用之一是由于它们的比热很高而被用作核反应堆的冷却剂。钠汞齐(汞齐,是金属溶解于汞中形成的溶液,常作还原剂):钠溶于汞中得到人也是液体合金,Na还原性强,反应猛烈,但Na·nHg钠汞齐却是平和的还原剂,反应不剧烈,可以控制:

2(Na·nHg)+2H2O→2NaOH+H2+2nHg共价性：碱金属元素以离子键结合为特征，也呈现一定的共价性。即使最典型的离子化合物CsF也有共价性气态双原子分子Na2(g)、Cs2(g)

以共价键结合，其半径称为共价半径，比其金属半径小。Li的一些化合物中共价成份最大，从Li至Cs的化合物，共价倾向减小。某些碱金属的有机物，有共价特征。例如Li4(CH3)4甲基锂。金属铯由于其原子半径大，最外层的s电子活泼性极高，当金属表面受到光照时，电子便可获得能量从表面逸出。利用这一特性，铯被用来制造光电管中的阴极。能直接或间接地与电负性较高的非金属元素反应，如与卤素、硫、氧、磷、氮和氢等形成相应的化合物：2Na+Cl2=2NaCl置换稀有金属：ZrO2+2Ca→Zr+2CaO和H2的反应(除Be、Mg之外):

Na+H2

→2NaHNaH为白色晶体,H显负价,是强还原剂单质的化学性质单质在空气中燃烧(含焰色反应)，形成氧化物生成正常氧化物的有Li2O、MgO、CaO等生成过氧化物的有Na2O2、BaO2等生成超氧化物的有KO2、RbO2等Li2OLi2ONa2O2KO2RbO2CsO2BeOMgOCaOSrOBaO2Na2O2KO2镁带的燃烧LiNaKCaSrBa焰色反应与水作用反应剧烈(除Be、Mg之外)2M+2H2O→2MOH+H2（g）LiNaKCa锂Li:

锂辉石[LiAl(SiO3)2]钠Na(第6位)：海水NaCl,矿物NaCl,钠长石Na[AlSi3O8],芒硝Na2SO4·10H2O钾K(第7位)：海水中K+；钾长石K[AlSi3O8]；明矾Rb铷和Cs铯：与K共生。Be铍:绿柱石3BeO·Al2O3·6SiO2Mg镁(第8位)

:光卤石KMgCl3·6H2O，白云石CaMg(CO3)2、菱镁矿MgCO3Ca钙(第5位)、Sr锶、Ba钡(第17位)：以碳酸盐及硫酸盐矿物存在，如石膏CaSO4·2H2O，重晶石BaSO4，天青石SrSO414.2.2s区元素的存在和单质的制备自然界中的主要存在形式锂辉石LiAl(SiO3)2钠长石Na[AlSi3O8]绿柱石3BeO·Al2O3·6SiO2光卤石KMgCl3·6H2O白云石CaMg(CO3)2菱镁矿MgCO3天青石(celestite)SrSO4重晶石BaSO4大理石CaCO3萤石(fluorite)

CaF2电解法以石墨为阳极,以铁为阴极,电解NaCl熔盐阳极：2Cl-→Cl2+2e阴极：2Na++2e→2NaNa的沸点(b.p.)与NaCl的熔点(m.p.)相近,易挥发失掉Na,要加助熔剂,如CaCl2,这样,在比Na的b.p.低的温度下即可熔化。液态Na的密度小,浮在熔盐上面,易于收集.但产物中总有少许Ca。

单质的制备

化学还原法：MgO+C---CO+Mg(高温)

反应常温下△rG0m>0，但△rS0m>0,高温下可能反应：KCl(l)+Na---NaCl+K(g)

2RbCl(l)+Ca---CaCl2+2Rb(g)热还原法:是制备碱金属或碱土金属单质的一种较为简便的方法。如用碳可将碳酸钾还原成金属钾：K2CO3+2C=2K+3CO(1473K)镁除了常用熔融的无水氯化镁进行电解制备外，工业上还采用一种氧化镁与碳或碳化钙的热还原法。MgO(s)十C(s)=CO(g)十Mg(g)(高温)氢化物氧化物氢氧化物重要盐类及其性质14.3s区元素的化合物LiH NaH KH RbH CsH NaCl-90.4-57.3 -57.7 -54.3 -49.3-441均为白色晶体,热稳定性差其中,LiH最稳定。原因:Li+半径最小,极化能力强,与H形成的离子键趋向共价键,所以最稳定。氢化物—离子型氢化物（除Be、Mg）还原性强钛的冶炼剧烈水解形成配位氢化物氢化铝锂稳定性:O2->O2->O22-正常氧化物(O2-)过氧化物(O22-)超氧化物(O2-)2BaO+O2

→2BaO2(773K-793K)M+O2=MO2(K、Rb、Cs)液氨中为红色晶体直接(燃烧)间接制备:氧化物将K,Rb,Cs的氢氧化物与臭氧反应，可得臭氧化物。如:

3KOH(s)+2O3(g)=2KO3(s)+KOH·H2O(s)+1/2O2(g)

用液氨重结晶，可得橘红色KO3。但它不稳定，可缓慢分解：2KO3=2KO2+O2KO3与水反应剧烈：4KO3+2H2O=4K++4OH－+5O2臭氧化物三类氧化物的化学性质(2)与CO2的作用：(1)与H2O的作用:（Li

Cs剧烈程度

）（BeO除外）氢氧化物

LiOHNaOHKOHRbOHCsOH中强强强强强Be(OH)2Mg(OH)2Ca(OH)2Sr(OH)2Ba(OH)2两性中强强强强溶解性：易吸水溶解；碱金属MOH易溶于水、放热；碱土金属M(OH)2较难溶于水，规律如下：20℃下的溶解度箭头：溶解度增大,碱性增强碱性：只有Be(OH)2显两性,其余均为碱性Be(OH)2+2H+→Be2+2H2OBe(OH)2+2OH-→Be(OH)42+M的电场决定碱性：M－O－H是一般氧化物的水化物的键联形式,究竟是酸式还是碱式解离,取决于M的电场。M的电场强,吸引氧的负电荷,从而加强M－O键,同时削弱了O－H键,易酸式电离:M—O—|—HM的电场弱，易碱式电离:M—|—O—HM的电场强弱：用离子势Φ来表征，Φ=Z/rZ(离子电荷)越大，r(半径)越小，Φ值越大经验表明：Φ1/2＞3.2酸式电离；Φ1/2=2.2～3.2两性；Φ1/2＜2.2碱式电离。Be2+的Φ1/2

=2.54，故Be(OH)2显示两性Na+，K+，Rb+，Cs+：Φ1/2＜1.0

故MOH显示碱性Li+，Mg2+，Ca2+，Sr2+，Ba2+：Φ1/2＜2.0

故MOH和M（OH）2均显碱性。卤化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐晶体类型：绝大多数是离子晶体，但碱土金属卤化物有一定的共价性。BeCl2MgCl2CaCl2SrCl2BaCl2熔点/℃405714782876962一般无色或白色溶解度：碱金属盐类一般易溶于水；碱土金属盐类除卤化物、硝酸盐外，多数溶解度较小。如：碱土金属的硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、草酸盐;还有:CaF2

萤石(无色透明),SrCrO4(黄),BaCrO4(黄)重要盐类及其性质热稳定性：较高，如碳酸盐：BeCO3MgCO3CaCO3SrCO3BaCO3T分/℃＜10054090012901360稳定性M2CO3＞MCO3硝酸盐热稳定性差形成复盐的能力：除锂以外，碱金属盐，尤其是硫酸盐和卤化物，具有形成复盐的能力。光卤石类：通式MC1•MgCl2•6H2O，其中M为K+、Rb+、Cs+等。如光卤石KCl•MgCl2•6H2O。矾类：通式为MM(Ⅲ)(SO4)2·12H2O，其中M为碱金属离子，M(Ⅲ)为Al3+、Cr3+、Fe3+等离子。如明矾KAl(SO4)2•12H2O。与矾类近似的硫酸盐，其中有＋2价离子。其通式为M2M(Ⅱ)(SO4)2·6H2O，M(Ⅱ)可为Ni2+、Co2+、Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+等。如软钾镁矾K2Mg(SO4)·6H2O。硫酸钡的转化和利用BaSO4+4C→BaS+4CO(1173-1473K)BaSO4+4CO→BaS+4CO2(1173-1473K)BaS+H2O→Ba(OH)2+Ba(HS)2用盐酸或硝酸酸化,得可溶性钡盐:Ba(OH)2+2H+

→Ba2++H2OBa(HS)2+2H+

→Ba2++2H2S结晶水合盐类的脱水CuSO4·5H2O→CuSO4+5H2O结晶水：分为配位水、晶格水和不常见的阴离子水三类。晶格水不与阴离子和阳离子相连接，故最容易失去；配位水与金属离子相连接，较难以失去（200-300度）；阴离子水靠氢键结合，最难以失去（高达400-500度）。HgCl2·6H2O→Hg(OH)Cl+HCl+5H2O阳离子易水解,同时阴离子又生成挥发性酸时,加热脱水不能得无水盐,而得到碱式盐,原则上要用HCl气氛保护。例：MgCl2·6H2O=MgCl2+6H2O(HCl气氛)

LiBeBCNaMgAlSi对角线规则：周期表左上右下对角线位置，如Li与Mg，Be与Al，B与Si，各对元素及其化合物间有许多相似性14.4锂、铍的特殊性质——对角线规则锂、铍在同族元素中的特殊性：均为第二周期元素，与各自的同族元素相比，性质明显不同。如：Li+、Be2+的半径特别小，极化力强，形成共价键的倾向比较显著；锂、铍的熔点、沸点比同族元素单质的高许多Li+

(g)的水合热很大，是碱金属中E0最小的铍的硬度比其它碱土金属大很多、有脆性。锂Lilithium自然界中锂存在的主要形式锂辉石LiAl(SiO3)2锂云母1817年采里乌斯发现，工业化制锂是1893年。现在电解LiCl制取锂，仍要消耗大量的电能，每炼一吨锂就耗电高达六、七万度。

锂Li的物理性质颜色和状态：银白色金属莫氏硬度：0.6摩尔质量：7金属中比重最轻密度：0.534g/cm3(300K)熔点：180.5℃沸点：1347.0℃电阻率:8.6μΩ·cm导热系数:0.847W/(cmK)比热:3.6J/(gK)蒸发热:145.92kJ/mol熔化热:3kJ/(gK)电离能:5.392eV锂Li的化学性质制备：采用电解LiCl的方法，耗电巨大Li不同于其他碱金属的性质还原性出奇强，且不满足递变规律

LiNaKRbCs原因：Li+

的半径相当小，水合时放热比钠等其他金属多与氧气反应可于氮气反应离子型氢化物LiH，可做氢气供源，重要的还原剂，可制备复杂氢化物如LiAlH4是理想的有机还原剂，制备过程在无机合成上用于制备一些氢化物，如Li及其化合物的应用锂化物：陶瓷制品和搪瓷制品中作助熔剂。LiF对紫外线有极高的透明度，用它制造的玻璃可以洞察隐蔽在银河系最深处的奥秘。锂玻璃可用来制造电视机显像管。用氘化锂和氮化锂来代替氘和氚装在氢弹里充当炸药，达到氢弹爆炸的目的。我国于1967年6月17日成功爆炸的第一颗氢弹里就是利用氘化锂。锂盐可治疗癫狂病，己在临床上应用。动脉硬化性心脏病的发病率，与饮食中锂的含量成反比。北京积水潭医院利用锂制剂治疗急性痢疾，疗效近90％。北京同仁医院采用锂制剂，医治再生障碍性贫血也有一定的疗效。LiBH4和LiAlH4在有机化学反应中被广泛用做还原剂，LiBH4能还原醛类、酮类和酯类等。LiAlH4是制备药物、香料和精细有机化学药品等中重要的还原剂。LiAlH4也可用作喷气燃料。LiAlH4是对复杂分子的特殊键合的强还原剂，已成为许多有机合成的重要试剂。有机锂化合物与有机酸反应，得到能水解成酮的加成产物，这种反应被用于维生素A合成的一步。有机锂化物加成到醛和酮上，得到水解时能产生醇的加成产物。由锂和氨反应制得的氨基锂被用来引入氨基，也被用作脱卤试剂和催化剂。铍BeBeryllium

铍：原子序数4，原子量9.0，最轻的碱土金属，1798年由法国化学家沃克兰对绿柱石和祖母绿进行化学分析时发现。铍在地壳中含量为0.001%，主要矿物有绿柱石、硅铍石和金绿宝石。含铍的矿石有许多透明的、色彩美丽的变种，自古以来是最名贵的宝石，如猫精，或称猫精石、猫儿眼、猫眼石，也就是我们现在称的金绿玉。这些含铍的矿石基本上都是绿柱石（beryl）的变种。天然铍有三种同位素：铍7、铍8、铍10。

铍Be的物理性质颜色和状态:钢灰色金属；熔点1283°C沸点2970°C密度1.85克/厘米;热导率:W/(m·K)200元素在太阳中的含量:(ppm)0.0001元素在海水中的含量:(ppm)太平洋表面0.000000035地壳中含量：（ppm）2.6声音在其中的传播速率：（m/S）12870氧化态：Main

Be+2

莫氏硬度：5.5

（软金属）比重：的铝还小一半。它和铜以及镁可以制成轻的合金，这种合金已经应用在飞机制造中了。铍和它的化合物有毒，当吸入时，会引起呼吸器官的疾病。铍离子半径0.31埃，比其他金属小得多。化学键能：(