堿和堿土金屬教學(xué)課件

第十四章堿金屬和堿土金屬basemetalandalkalimetal14.1s區(qū)元素概述14.2s區(qū)元素的單質(zhì)14.3s區(qū)元素的化合物熟悉S區(qū)元素堿金屬和堿土金屬元素的基本特征，了解堿金屬和堿土金屬元素的存在形式和單質(zhì)的制備方法

熟悉堿金屬和堿土金屬氫化物及各種氧化物的生成，掌握它們的基本性質(zhì)

熟悉堿金屬和堿土金屬重要鹽類的晶型、溶解性和熱穩(wěn)定性、生成水合物和復(fù)鹽的性質(zhì)以及焰色反應(yīng)特征

熟悉鋰、鈹在同族元素中的特殊性，掌握對(duì)角線規(guī)則本章學(xué)習(xí)要求14.1s區(qū)元素概述堿金屬(IA):

ns1

Li,Na,K,Rb,Cs,Fr由于堿金屬元素的氫氧化物都是易溶于水的強(qiáng)堿，所以稱它們?yōu)閴A金屬元素。堿土金屬(IIA):ns2Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra堿土金屬元素的氧化物屬于“土性的”難熔物，故稱堿土金屬。鈁和鐳是放射性元素?；顫娊饘偃菀资ネ鈱觭電子，化學(xué)性質(zhì)活潑大多數(shù)金屬可形成離子型化合物，但在某些情況下仍顯一定程度的共價(jià)性。其中鋰和鈹由于原子半徑相當(dāng)小，電離能相對(duì)地高于其他同族元素，形成共價(jià)鍵的傾向比較顯著。堿金屬和堿土金屬的原子半徑，從上至下隨主量子數(shù)的增加而依次增大，電離能和電負(fù)性同樣依次減小。因此，它們的金屬活潑性也從上至下依次增強(qiáng)。原子半徑增大金屬性、還原性增強(qiáng)電離能、電負(fù)性減小IAIIALiBeNaMgKCaRbSrCsBa原子半徑減小金屬性、還原性減弱電離能、電負(fù)性增大鋰鈉鉀銣銫鈹鎂鈣鍶鋇元素符號(hào)原子序數(shù)原子量價(jià)電子層結(jié)構(gòu)原子半徑/pm離子半徑/pmI1/kJ·mol-1I2/kJ·mol-1I3/kJ·mol-1電負(fù)性EΘ/V

密度/g·cm-3熔點(diǎn)/K沸點(diǎn)/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—堿金屬和堿土金屬元素的基本性質(zhì)

14.2s區(qū)元素的單質(zhì)14.2.1單質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)LiNaKRbCs圖片Gc2-711-18.14BeMgCaSrBa有金屬光澤、密度小、硬度小、熔點(diǎn)低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好s區(qū)單質(zhì)的熔點(diǎn)變化單質(zhì)的物理性質(zhì)堿金屬原子只有一個(gè)價(jià)電子且原子半徑較大，金屬鍵弱，熔、沸點(diǎn)都很低堿土金屬不僅有兩個(gè)價(jià)電子，而且比同周期堿金屬的原子半徑小，因此所形成的金屬鍵比堿金屬強(qiáng)，使得其熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、密度和強(qiáng)度都高于堿金屬。都有金屬光澤，良好的導(dǎo)電性和延展性。除鈹和鎂，其他金屬都很軟，可用刀子切割。鋰、鈉和鉀的密度很小，浮在水面不下沉。Li密度最小的，比煤油還小，故只能保存在石蠟中。液態(tài)合金：堿金屬的重要特性。最重要的液態(tài)合金為鉀鈉合金，例如組成為77.2％的鉀和22.8％的鈉組成的合金熔點(diǎn)僅為260.7K。鉀鈉合金的重要應(yīng)用之一是由于它們的比熱很高而被用作核反應(yīng)堆的冷卻劑。鈉汞齊(汞齊,是金屬溶解于汞中形成的溶液,常作還原劑):鈉溶于汞中得到人也是液體合金,Na還原性強(qiáng),反應(yīng)猛烈,但Na·nHg鈉汞齊卻是平和的還原劑,反應(yīng)不劇烈,可以控制:

2(Na·nHg)+2H2O→2NaOH+H2+2nHg共價(jià)性：堿金屬元素以離子鍵結(jié)合為特征，也呈現(xiàn)一定的共價(jià)性。即使最典型的離子化合物CsF也有共價(jià)性氣態(tài)雙原子分子Na2(g)、Cs2(g)

以共價(jià)鍵結(jié)合，其半徑稱為共價(jià)半徑，比其金屬半徑小。Li的一些化合物中共價(jià)成份最大，從Li至Cs的化合物，共價(jià)傾向減小。某些堿金屬的有機(jī)物，有共價(jià)特征。例如Li4(CH3)4甲基鋰。金屬銫由于其原子半徑大，最外層的s電子活潑性極高，當(dāng)金屬表面受到光照時(shí)，電子便可獲得能量從表面逸出。利用這一特性，銫被用來制造光電管中的陰極。能直接或間接地與電負(fù)性較高的非金屬元素反應(yīng)，如與鹵素、硫、氧、磷、氮和氫等形成相應(yīng)的化合物：2Na+Cl2=2NaCl置換稀有金屬：ZrO2+2Ca→Zr+2CaO和H2的反應(yīng)(除Be、Mg之外):

Na+H2

→2NaHNaH為白色晶體,H顯負(fù)價(jià),是強(qiáng)還原劑單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)單質(zhì)在空氣中燃燒(含焰色反應(yīng))，形成氧化物生成正常氧化物的有Li2O、MgO、CaO等生成過氧化物的有Na2O2、BaO2等生成超氧化物的有KO2、RbO2等Li2OLi2ONa2O2KO2RbO2CsO2BeOMgOCaOSrOBaO2Na2O2KO2鎂帶的燃燒LiNaKCaSrBa焰色反應(yīng)與水作用反應(yīng)劇烈(除Be、Mg之外)2M+2H2O→2MOH+H2（g）LiNaKCa鋰Li:

鋰輝石[LiAl(SiO3)2]鈉Na(第6位)：海水NaCl,礦物NaCl,鈉長石Na[AlSi3O8],芒硝Na2SO4·10H2O鉀K(第7位)：海水中K+；鉀長石K[AlSi3O8]；明礬Rb銣和Cs銫：與K共生。Be鈹:綠柱石3BeO·Al2O3·6SiO2Mg鎂(第8位)

:光鹵石KMgCl3·6H2O，白云石CaMg(CO3)2、菱鎂礦MgCO3Ca鈣(第5位)、Sr鍶、Ba鋇(第17位)：以碳酸鹽及硫酸鹽礦物存在，如石膏CaSO4·2H2O，重晶石BaSO4，天青石SrSO414.2.2s區(qū)元素的存在和單質(zhì)的制備自然界中的主要存在形式鋰輝石LiAl(SiO3)2鈉長石Na[AlSi3O8]綠柱石3BeO·Al2O3·6SiO2光鹵石KMgCl3·6H2O白云石CaMg(CO3)2菱鎂礦MgCO3天青石(celestite)SrSO4重晶石BaSO4大理石CaCO3螢石(fluorite)

CaF2電解法以石墨為陽極,以鐵為陰極,電解NaCl熔鹽陽極：2Cl-→Cl2+2e陰極：2Na++2e→2NaNa的沸點(diǎn)(b.p.)與NaCl的熔點(diǎn)(m.p.)相近,易揮發(fā)失掉Na,要加助熔劑,如CaCl2,這樣,在比Na的b.p.低的溫度下即可熔化。液態(tài)Na的密度小,浮在熔鹽上面,易于收集.但產(chǎn)物中總有少許Ca。

單質(zhì)的制備

化學(xué)還原法：MgO+C---CO+Mg(高溫)

反應(yīng)常溫下△rG0m>0，但△rS0m>0,高溫下可能反應(yīng)：KCl(l)+Na---NaCl+K(g)

2RbCl(l)+Ca---CaCl2+2Rb(g)熱還原法:是制備堿金屬或堿土金屬單質(zhì)的一種較為簡便的方法。如用碳可將碳酸鉀還原成金屬鉀：K2CO3+2C=2K+3CO(1473K)鎂除了常用熔融的無水氯化鎂進(jìn)行電解制備外，工業(yè)上還采用一種氧化鎂與碳或碳化鈣的熱還原法。MgO(s)十C(s)=CO(g)十Mg(g)(高溫)氫化物氧化物氫氧化物重要鹽類及其性質(zhì)14.3s區(qū)元素的化合物L(fēng)iH NaH KH RbH CsH NaCl-90.4-57.3 -57.7 -54.3 -49.3-441均為白色晶體,熱穩(wěn)定性差其中,LiH最穩(wěn)定。原因:Li+半徑最小,極化能力強(qiáng),與H形成的離子鍵趨向共價(jià)鍵,所以最穩(wěn)定。氫化物—離子型氫化物（除Be、Mg）還原性強(qiáng)鈦的冶煉劇烈水解形成配位氫化物氫化鋁鋰穩(wěn)定性:O2->O2->O22-正常氧化物(O2-)過氧化物(O22-)超氧化物(O2-)2BaO+O2

→2BaO2(773K-793K)M+O2=MO2(K、Rb、Cs)液氨中為紅色晶體直接(燃燒)間接制備:氧化物將K,Rb,Cs的氫氧化物與臭氧反應(yīng)，可得臭氧化物。如:

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

用液氨重結(jié)晶，可得橘紅色KO3。但它不穩(wěn)定，可緩慢分解：2KO3=2KO2+O2KO3與水反應(yīng)劇烈：4KO3+2H2O=4K++4OH－+5O2臭氧化物三類氧化物的化學(xué)性質(zhì)(2)與CO2的作用：(1)與H2O的作用:（Li

Cs劇烈程度

）（BeO除外）氫氧化物

LiOHNaOHKOHRbOHCsOH中強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)Be(OH)2Mg(OH)2Ca(OH)2Sr(OH)2Ba(OH)2兩性中強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)溶解性：易吸水溶解；堿金屬M(fèi)OH易溶于水、放熱；堿土金屬M(fèi)(OH)2較難溶于水，規(guī)律如下：20℃下的溶解度箭頭：溶解度增大,堿性增強(qiáng)堿性：只有Be(OH)2顯兩性,其余均為堿性Be(OH)2+2H+→Be2+2H2OBe(OH)2+2OH-→Be(OH)42+M的電場(chǎng)決定堿性：M－O－H是一般氧化物的水化物的鍵聯(lián)形式,究竟是酸式還是堿式解離,取決于M的電場(chǎng)。M的電場(chǎng)強(qiáng),吸引氧的負(fù)電荷,從而加強(qiáng)M－O鍵,同時(shí)削弱了O－H鍵,易酸式電離:M—O—|—HM的電場(chǎng)弱，易堿式電離:M—|—O—HM的電場(chǎng)強(qiáng)弱：用離子勢(shì)Φ來表征，Φ=Z/rZ(離子電荷)越大，r(半徑)越小，Φ值越大經(jīng)驗(yàn)表明：Φ1/2＞3.2酸式電離；Φ1/2=2.2～3.2兩性；Φ1/2＜2.2堿式電離。Be2+的Φ1/2

=2.54，故Be(OH)2顯示兩性Na+，K+，Rb+，Cs+：Φ1/2＜1.0

故MOH顯示堿性Li+，Mg2+，Ca2+，Sr2+，Ba2+：Φ1/2＜2.0

故MOH和M（OH）2均顯堿性。鹵化物、硝酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽晶體類型：絕大多數(shù)是離子晶體，但堿土金屬鹵化物有一定的共價(jià)性。BeCl2MgCl2CaCl2SrCl2BaCl2熔點(diǎn)/℃405714782876962一般無色或白色溶解度：堿金屬鹽類一般易溶于水；堿土金屬鹽類除鹵化物、硝酸鹽外，多數(shù)溶解度較小。如：堿土金屬的硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽、草酸鹽;還有:CaF2

螢石(無色透明),SrCrO4(黃),BaCrO4(黃)重要鹽類及其性質(zhì)熱穩(wěn)定性：較高，如碳酸鹽：BeCO3MgCO3CaCO3SrCO3BaCO3T分/℃＜10054090012901360穩(wěn)定性M2CO3＞MCO3硝酸鹽熱穩(wěn)定性差形成復(fù)鹽的能力：除鋰以外，堿金屬鹽，尤其是硫酸鹽和鹵化物，具有形成復(fù)鹽的能力。光鹵石類：通式MC1?MgCl2?6H2O，其中M為K+、Rb+、Cs+等。如光鹵石KCl?MgCl2?6H2O。礬類：通式為MM(Ⅲ)(SO4)2·12H2O，其中M為堿金屬離子，M(Ⅲ)為Al3+、Cr3+、Fe3+等離子。如明礬KAl(SO4)2?12H2O。與礬類近似的硫酸鹽，其中有＋2價(jià)離子。其通式為M2M(Ⅱ)(SO4)2·6H2O，M(Ⅱ)可為Ni2+、Co2+、Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+等。如軟鉀鎂礬K2Mg(SO4)·6H2O。硫酸鋇的轉(zhuǎn)化和利用BaSO4+4C→BaS+4CO(1173-1473K)BaSO4+4CO→BaS+4CO2(1173-1473K)BaS+H2O→Ba(OH)2+Ba(HS)2用鹽酸或硝酸酸化,得可溶性鋇鹽:Ba(OH)2+2H+

→Ba2++H2OBa(HS)2+2H+

→Ba2++2H2S結(jié)晶水合鹽類的脫水CuSO4·5H2O→CuSO4+5H2O結(jié)晶水：分為配位水、晶格水和不常見的陰離子水三類。晶格水不與陰離子和陽離子相連接，故最容易失去；配位水與金屬離子相連接，較難以失去（200-300度）；陰離子水靠氫鍵結(jié)合，最難以失去（高達(dá)400-500度）。HgCl2·6H2O→Hg(OH)Cl+HCl+5H2O陽離子易水解,同時(shí)陰離子又生成揮發(fā)性酸時(shí),加熱脫水不能得無水鹽,而得到堿式鹽,原則上要用HCl氣氛保護(hù)。例：MgCl2·6H2O=MgCl2+6H2O(HCl氣氛)

LiBeBCNaMgAlSi對(duì)角線規(guī)則：周期表左上右下對(duì)角線位置，如Li與Mg，Be與Al，B與Si，各對(duì)元素及其化合物間有許多相似性14.4鋰、鈹?shù)奶厥庑再|(zhì)——對(duì)角線規(guī)則鋰、鈹在同族元素中的特殊性：均為第二周期元素，與各自的同族元素相比，性質(zhì)明顯不同。如：Li+、Be2+的半徑特別小，極化力強(qiáng)，形成共價(jià)鍵的傾向比較顯著；鋰、鈹?shù)娜埸c(diǎn)、沸點(diǎn)比同族元素單質(zhì)的高許多Li+

(g)的水合熱很大，是堿金屬中E0最小的鈹?shù)挠捕缺绕渌鼔A土金屬大很多、有脆性。鋰Lilithium自然界中鋰存在的主要形式鋰輝石LiAl(SiO3)2鋰云母1817年采里烏斯發(fā)現(xiàn)，工業(yè)化制鋰是1893年。現(xiàn)在電解LiCl制取鋰，仍要消耗大量的電能，每煉一噸鋰就耗電高達(dá)六、七萬度。

鋰Li的物理性質(zhì)顏色和狀態(tài)：銀白色金屬莫氏硬度：0.6摩爾質(zhì)量：7金屬中比重最輕密度：0.534g/cm3(300K)熔點(diǎn)：180.5℃沸點(diǎn)：1347.0℃電阻率:8.6μΩ·cm導(dǎo)熱系數(shù):0.847W/(cmK)比熱:3.6J/(gK)蒸發(fā)熱:145.92kJ/mol熔化熱:3kJ/(gK)電離能:5.392eV鋰Li的化學(xué)性質(zhì)制備：采用電解LiCl的方法，耗電巨大Li不同于其他堿金屬的性質(zhì)還原性出奇強(qiáng)，且不滿足遞變規(guī)律

LiNaKRbCs原因：Li+

的半徑相當(dāng)小，水合時(shí)放熱比鈉等其他金屬多與氧氣反應(yīng)可于氮?dú)夥磻?yīng)離子型氫化物L(fēng)iH，可做氫氣供源，重要的還原劑，可制備復(fù)雜氫化物如LiAlH4是理想的有機(jī)還原劑，制備過程在無機(jī)合成上用于制備一些氫化物，如Li及其化合物的應(yīng)用鋰化物：陶瓷制品和搪瓷制品中作助熔劑。LiF對(duì)紫外線有極高的透明度，用它制造的玻璃可以洞察隱蔽在銀河系最深處的奧秘。鋰玻璃可用來制造電視機(jī)顯像管。用氘化鋰和氮化鋰來代替氘和氚裝在氫彈里充當(dāng)炸藥，達(dá)到氫彈爆炸的目的。我國于1967年6月17日成功爆炸的第一顆氫彈里就是利用氘化鋰。鋰鹽可治療癲狂病，己在臨床上應(yīng)用。動(dòng)脈硬化性心臟病的發(fā)病率，與飲食中鋰的含量成反比。北京積水潭醫(yī)院利用鋰制劑治療急性痢疾，療效近90％。北京同仁醫(yī)院采用鋰制劑，醫(yī)治再生障礙性貧血也有一定的療效。LiBH4和LiAlH4在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中被廣泛用做還原劑，LiBH4能還原醛類、酮類和酯類等。LiAlH4是制備藥物、香料和精細(xì)有機(jī)化學(xué)藥品等中重要的還原劑。LiAlH4也可用作噴氣燃料。LiAlH4是對(duì)復(fù)雜分子的特殊鍵合的強(qiáng)還原劑，已成為許多有機(jī)合成的重要試劑。有機(jī)鋰化合物與有機(jī)酸反應(yīng)，得到能水解成酮的加成產(chǎn)物，這種反應(yīng)被用于維生素A合成的一步。有機(jī)鋰化物加成到醛和酮上，得到水解時(shí)能產(chǎn)生醇的加成產(chǎn)物。由鋰和氨反應(yīng)制得的氨基鋰被用來引入氨基，也被用作脫鹵試劑和催化劑。鈹BeBeryllium

鈹：原子序數(shù)4，原子量9.0，最輕的堿土金屬，1798年由法國化學(xué)家沃克蘭對(duì)綠柱石和祖母綠進(jìn)行化學(xué)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)。鈹在地殼中含量為0.001%，主要礦物有綠柱石、硅鈹石和金綠寶石。含鈹?shù)牡V石有許多透明的、色彩美麗的變種，自古以來是最名貴的寶石，如貓精，或稱貓精石、貓兒眼、貓眼石，也就是我們現(xiàn)在稱的金綠玉。這些含鈹?shù)牡V石基本上都是綠柱石（beryl）的變種。天然鈹有三種同位素：鈹7、鈹8、鈹10。

鈹Be的物理性質(zhì)顏色和狀態(tài):鋼灰色金屬；熔點(diǎn)1283°C沸點(diǎn)2970°C密度1.85克/厘米;熱導(dǎo)率:W/(m·K)200元素在太陽中的含量:(ppm)0.0001元素在海水中的含量:(ppm)太平洋表面0.000000035地殼中含量：（ppm）2.6聲音在其中的傳播速率：（m/S）12870氧化態(tài)：Main

Be+2

莫氏硬度：5.5

（軟金屬）比重：的鋁還小一半。它和銅以及鎂可以制成輕的合金，這種合金已經(jīng)應(yīng)用在飛機(jī)制造中了。鈹和它的化合物有毒，當(dāng)吸入時(shí)，會(huì)引起呼吸器官的疾病。鈹離子半徑0.31埃，比其他金屬小得多?；瘜W(xué)鍵能：(