【冶金精品文檔】s區(qū)金屬(堿金屬和堿土金屬)

1、第20章 s區(qū)金屬（堿金屬和堿土金屬）20-1 堿金屬和堿土金屬的通性20-2 堿金屬和堿土金屬的單質20-3 堿金屬和堿土金屬的化合物思考題習題20-2 堿金屬和堿土金屬的單質20-2-1 單質的物理性質、化學性質及用途20-2-2 單質的制備20-3 堿金屬和堿土金屬的化合物20-3-1 氧化物20-3-2 氫氧化物20-3-3 氫化物20-3-4 鹽類20-3-5 配合物堿金屬和堿土金屬的通性堿金屬和堿土金屬是周期表IA族和IIA族元素。IA族包括鋰、鈉、鉀、銣、銫、鈁六種金屬元素。它們的氧化物溶于水呈強堿性，所以稱為堿金屬。IIA族包括鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鐳六種金屬元素。由于鈣、鍶、鋇

2、的氧化物在性質上介于“堿性”和“土性”(以前把粘土的主要成分Al2O3稱為“土”)之間，所以稱為堿土金屬，現習慣上把鈹和鎂也包括在內。鈁和鐳是放射性元素。鈉、鉀、鈣、鎂和鋇在地殼內蘊藏較豐富，它們的單質和化合物用途較廣泛。1807年,戴維電解KOH得到金屬K(Potassium),用同樣的方法從NaOH中得到金屬Na(Sodium)。堿金屬和堿土金屬的通性1808年,戴維把潮濕的石灰和氧化汞按3:1的比例混合，放在白金皿中進行電解得到了鈣汞齊，并制得了鈣。不久他又從菱鍶礦石(SrCO3)、重晶石(BaSO4)和苦土(MgO)中到得了三個新的金屬元素單質鍶、鋇(Barium)和鎂。鈁(Franc

3、ium)是由法國的佩里從錒衰變并放出粒子后得到的。鈹(Beryllium)是1845年德國的多才多藝的化學家維勒用他電解發(fā)現鋁的方法制得的。堿金屬和堿土金屬的通性堿金屬的基本性質 元素性質LiNaKRbCs原子半徑/pm152153.7227.2247.5265.4離子半徑/pm6897133147167第一電離勢kJ/mol521499421405371第二電離勢72954591308826752436電負性0.980.930.820.820.79標準電極電勢(酸)-3.045-2.711-2.923-2.925-2.923M+(g)水合熱/kJmol-1519406322293264堿金屬

4、和堿土金屬的通性堿土金屬的基本性質 元素 性質BeMgCaSrBa原子半徑/pm111.3160197.3215.1217.3離子半徑/pm356699112134第一電離勢kJ/mol905742593552564第二電離勢1768146011521070971第三電離勢149397658494243513575電負性1.571.311.000.950.89標準電極電勢(酸)-1.85-2.375-2.76-2.89-2.90標準電極電勢(堿)-2.28-2.69-3.02-2.99-2.97M2+(g)水合熱/kJmol-124941921157714431305單質的物理性質、化學性質及

5、用途一、單質的物理性質及用途堿金屬密度小、硬度小、熔點低、導電性強，是典型的輕金屬。堿土金屬的密度、熔點和沸點則較堿金屬為高。鋰是固體單質中最輕的，它的密度約為水的一半。堿土金屬的密度稍大些。IA及IIA族金屬單質之所以比較輕，是因為它們在同一周期里比相應的其它元素原子量較小，而原子半徑較大的緣故。銣、銫可用于制造最準確的計時儀器銣、銫原子鐘。1967年正式規(guī)定用銫原子鐘所定的秒為新的國際時間單位。鋰和鋰合金是一種理想的高能燃料。鋰電池是一種高能電池。它們有些還可以制合金，許多是生命必須元素。金屬鈉金屬鈣單質的物理性質、化學性質及用途二、單質的化學性質1、與水反應 鋰在與水反應中不熔化，鈉、鉀

6、與水的反應劇烈，鉀產生的氫氣能燃燒，銣、銫與水劇烈反應并發(fā)生爆炸。鈹能與水蒸氣反應，鎂能將熱水分解，而鈣、鍶、鋇與冷水能比較劇烈地反應。根據標準電極電勢，鋰的活潑性應比銫更大，但實際上與水反應不如鈉劇烈。這是因為：(1)鋰的熔點較高，反應時產生的熱量不能使它熔化，而鈉與水反應時放出的熱可以使鈉熔化,因而固體鋰與水接觸的表面不如液態(tài)鈉大;(2)反應產物LiOH的溶解度較小，它覆蓋在鋰的表面，阻礙反應的進行。鉀與水反應單質的物理性質、化學性質及用途2、與非金屬反應堿金屬在室溫下能生成一層氧化物(如Na2O)，在鋰的表面上，除生成氧化物外還有氮化物(Li2O、Li3N)。鈉、鉀在空氣中稍微加熱就燃燒

7、起來(鈉生成Na2O2、鉀生成KO2等)，銣和銫在室溫下遇空氣就立即燃燒生成更復雜的氧化物。鋰卻燃燒生成Li2O。它們的氧化物在空氣中易吸收二氧化碳形成碳酸鹽。(如Na2CO3)堿金屬應存放在煤油中。鋰因比煤油的密度小，所以將其浸在液體石蠟或封存在固體石臘中。單質的物理性質、化學性質及用途2、與非金屬反應堿土金屬活潑性略差，室溫下這些金屬表面緩慢生成氧化膜。它們在空氣中加熱發(fā)生反應，生成氧化物和少量氮化物(如：Ca3N2、Mg3N2)。因此在金屬熔煉中常用Li、Ca等除去溶解在熔融金屬中的氮氣和氧氣,在電子工業(yè)中常用Ba除去真空管中痕量氮氣和氧氣,在高溫時堿金屬和堿土金屬還能奪取某些氧化物中的

8、氧如鎂可使CO2的碳還原成單質。鎂與二氧化碳反應單質的制備一、熔鹽電解法 2NaCl(CaCl2)=2Na+Cl2加入氯化鈣一則可降低電解質的熔點(混合鹽的熔點約873K)，防止鈉的揮發(fā)，再則可減小金屬鈉的分散性，因熔融混合物的密度比金屬鈉大，鈉易浮在面上。二、熱分解法KCN=4K+4C+N2MN3=2M+3N2（M=Na,K,Rb,Cs）陰極陽極單質的制備三、熱還原法熱還原法一般采用焦炭或碳化物為還原劑K2CO3+C=2K+CO2KF+CaC2=CaF2+2K+2C鉀、銣和銫常用強還原性的金屬如：Na、Ca、Mg、Ba等在高溫和低壓下還原它們氯化物的方法制取，例如：KCl+Na=NaCl+K

9、2RbCl+Ca=CaCl2+2Rb2CsAlO2+Mg=MgAl2O4+2Cs氧化物自學要求：1、用前面所學過的知識來理解過氧離子和超氧離子的結構。2、解釋氧化物顏色的變化。3、了解過氧化物及超氧化物的性質。氫氧化物1、性質和用途在空氣中易潮解，常作干燥劑。NaOH能溶解Al、Zn等兩性金屬及其氧化物，也能溶解許多非金屬(Si、B等）及其氧化物。2Al+2NaOH+6H2O=2NaAl(OH)4+3H2Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2OSi+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O（能腐蝕玻璃）因其能溶解某些金屬氧化物、非金屬氧化物，

10、在工業(yè)生產和分析工作中常用于分解礦石。熔融的氫氧化鈉腐蝕性很強，工業(yè)上熔化氫氧化鈉一般用鑄鐵容器，在實驗室可用銀或鎳的器皿。氫氧化物2、氫氧化鈉的制備工業(yè)上用電解食鹽水的方法來制取。少量氫氧化鈉，也可用苛化法制備。即用消石灰或石灰乳與碳酸鈉的濃溶液反應：Na2CO3+Ca(OH)2CaCO3+2NaOH 3、溶解度的變化通常離子化合物的溶解度與其離子勢(Z/r)成反比。同族元素的氫氧化物從上到下溶解度逐漸增大的。同一周期中氫氧化物的溶解度減小。NaOH常含有Na2CO3雜質，要得不含Na2CO3的NaOH溶液，可配制NaOH的飽和溶液，Na2CO3因不溶于飽和的NaOH溶液而沉淀析出。NaCl

11、水溶液電解槽氫氧化物4、堿性的變化當金屬離子（R）的電子構型相同時，則1/2值愈小，金屬氫氧化物的堿性愈強。堿性增強氫氧化物1/2堿性氫氧化物1/2堿性LiOH3.8強堿Be(OH)27.6兩性NaOH3.2強堿Mg(OH)25.5中強堿KOH2.7強堿Ca(OH)24.5強堿RbOH2.6強堿Sr(OH)24.2強堿CsOH2.4強堿Ba(OH)23.9強堿當1/210時R(OH)n顯酸性當101/27時R(OH)n顯兩性當1/27時R(OH)n顯堿性氫化物堿金屬和堿土金屬中較活潑的Ca、Sr、Ba能與氫在高溫下直接化合，形成離子晶體，故稱為離子型氫化物，又稱為鹽型氫化物。金屬氫化物中的H-

12、離子的半徑介于F-離子和Cl-離子之間，所以具有鹵化物的一些性質。堿金屬氫化物中以LiH最穩(wěn)定，加熱到(961K)也不分解。但其它氫化物不穩(wěn)定，加熱易分解成金屬和氫。氫化物所有堿金屬氫化物都是強還原劑。 673KTiCl4+4NaH=Ti+4NaCl+2H2LiH+H2O=LiOH+H2CaH2+2H2O=Ca(OH)2+2H2由于氫化鈣與水反應而能放出大量的氫氣，所以常用它作為野外產生氫氣的材料。鎂和鎂系合金(如Mg2Ni，Mg2Cu、鎂-稀土系合金)是一類貯氫合金。貯氫時，用合金與氫反應，生成金屬氫化物。用氫時，把金屬氫化物加熱，將氫放出來，以供使用。鹽類堿金屬和堿土金屬的常見鹽類有鹵化物

13、、碳酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽和硫化物等。1、溶解性堿金屬鹽類通常易溶于水(碳酸鋰列外),且它們的離子都是無色的。只有少數堿金屬鹽是難溶的;它們的難溶鹽一般都是由大的陰離子組成，而且堿金屬離子越大，難溶鹽的數目也越多。如：六羥基銻酸鈉NaSb(OH)6 (白色) 高氯酸鉀 KClO4 (白色) 酒石酸氫鉀 KHC4H4O6(白色) 六氯鉑酸鉀 K4PtCl6(淡黃色)鈷亞硝酸鈉鉀K2NaCo(NO2)6(亮黃色) 鈉、鉀的一些難溶鹽常用于鑒定鈉、鉀離子。鹽類堿土金屬鹽類的重要特征是它們的微溶性。除氯化物、硝酸鹽、硫酸鎂、鉻酸鎂易溶于水外，其余的碳酸鹽、硫酸鹽、草酸鹽、鉻酸鹽等皆難溶。 硫酸鹽和鉻酸鹽

14、的溶解度依Ca、Sr、Ba的順序降低。 草酸鈣的溶解度是所有鈣鹽中最小的，因此，在重量分析中可用它來測定鈣。 堿金屬和堿土金屬碳酸鹽溶解度的差別也常用來分離Na+、K+和Ca2+、Ba2+。鹽類2、鈉鹽和鉀鹽性質的差異鈉鹽和鉀鹽性質很相似，但也有差別，重要的有三點： a、溶解度：鈉、鉀鹽的溶解度都比較大，相對說來，鈉鹽更大些。但NaHCO3溶解度不大，NaCl的溶解度隨溫度的變化不大，這是常見的鈉鹽中溶解性較特殊的。b、吸濕性：鈉鹽的吸濕性比相應的鉀鹽強。因此，化學分析工作中常用的標準試劑許多是鉀鹽，如用K2Cr2O7標定還原劑溶液的濃度,而不用Na2Cr2O7。在配制炸藥時用KNO3或KCl

15、O3，而不用相應的鈉鹽。NaOH+KCl=NaCl+KNO3鹽類c、結晶水：含結晶水的鈉鹽比鉀鹽多，如Na2SO410H2O、Na2HPO412H2O等。鈉的化合物價格較便宜，一般使用鈉的化合物，而不用鉀的化合物。但要注意某些特殊情況，如制硬質玻璃必須用K2CO3，制黑火藥一定要用KNO3等。3、晶型絕大多數堿金屬和堿土金屬的鹽是離子型晶體，晶體大多屬NaCl型，銫的鹵化物是CsCl型結構。由于Li+、Be2+離子半徑最小，極化作用較強，才使得它們的某些鹽具有較明顯的共價性。鹽類3、焰色反應由于離子半徑不同，核對外層電子的控制能力不同，在無色火焰中灼燒時，電子被激發(fā)所吸收的能量不同即吸收光的波

16、長不同，所呈現的顏色不同叫“焰色反應”。Li 紅色，Na 黃色，K 紫色，Rb 紫紅，Cs 紫紅，Ca 橙紅(磚紅)，Sr 紅(猩紅)，Ba 綠色，硼 淺綠，Cu 綠色。在軍事上用做信號彈，民間用于焰火。鉀鋇硼銅紅綠鍶鋇信號彈節(jié)日焰火鈣鍶銣鋰鹽類4、形成結晶水合物的傾向幾乎所有的鋰鹽是水合的，鈉鹽約有75是水合的，鉀鹽有25%是水合物，銣鹽和銫鹽僅有少數是水合鹽。堿金屬鹵化物大多數是無水的,硝酸鹽中只有鋰可形成水合物。如LiNO3H2O和LiNO33H2O；硫酸鹽中只有Li2SO4H2O和Na2SO410H2O；碳酸鹽中除Li2CO3無水合物外，其余皆有不同形式的水合物，其水分子數分別為：Na

17、2CO3K2CO3Rb2CO3Cs2CO3 1,7,101,51,53,5鹽類5、形成復鹽的能力除鋰以外，堿金屬還能形成一系列復鹽。復鹽有以下幾種類型：(1)光鹵石類，通式為MIClMgCl26H2O,其中MI=K+、Rb+、Cs+。如：光鹵石KClMgCl26H2O；(2)通式為M2ISO4MgSO46H2O的礬類,其中MI=K+、Rb+、Cs+,如：軟鉀鎂礬K2SO4MgSO46H2O；(3)通式為MIMIII(SO4)212H2O的礬類，其中MINa+、K+、Rb+、Cs+，MIIIAl3+、Cr3+、Fe3+、Co3+、Ga3+、V3+等離子。如：明礬KAl(SO4)212H2O。復鹽

18、的溶解度一般比相應簡單堿金屬鹽小得多。鹽類6、熱穩(wěn)定性鹵化物在高溫時揮發(fā)而難分解。硫酸鹽在高溫下既難揮發(fā)，又難分解。碳酸鹽除Li2CO3在1543K以上分解為Li2O和CO2外，其余更難分解。硝酸鹽熱穩(wěn)定性較低，在一定溫度可分解。堿土金屬的鹵化物、硫酸鹽、碳酸鹽對熱也較穩(wěn)定。堿土金屬的碳酸鹽熱穩(wěn)定性較堿金屬碳酸鹽要低，是由于它們電荷高，極化作用強。鹽類 7、碳酸鈉(純堿)、碳酸氫鈉(小蘇打)純堿在工業(yè)上常用氨堿法(比利時Solvay)制取，我國化學工程學家侯德榜1942年改革成侯氏制堿法，即聯(lián)堿法。其基本原理是先用NH3將食鹽水飽和，然后通入CO2，溶解度較小的NaHCO3析出：NH3+NaC

19、l+H2O+CO2=NaHCO3+NH4Cl8、碳酸鈣CaCO36H2O(輕質),難溶于水，易溶于酸和氯化銨溶液，用于發(fā)酵粉和涂料等。9、氟化鈣(螢石)是制取HF和F2的重要原料。在冶金工業(yè)中用作助熔劑，也用于制作光學玻璃和陶瓷等。螢石碳酸氫鈉索爾維碳化塔結構鹽類10、鹵化鈹是共價型聚合物(BeX2)n，不導電、能升華，蒸氣中有BeCl2和(BeCl2)2分子。11、硝酸鉀在空氣中不吸潮,在加熱時有強氧化性,用來制黑火藥。硝酸鉀還是含氮、鉀的優(yōu)質化肥。12、氯化鎂通常以MgCl26H2O形式存在，它能水解為Mg(OH)Cl，工業(yè)上常用碳氯法制取：MgO+C+Cl2=MgCl2+CO(碳氯法)氯

20、化鎂易潮解，普通食鹽的潮解就是其中含有氯化鎂之故。紡織工業(yè)中用氯化鎂保持棉紗的濕度而使其柔軟。鹽類13、氯化鈣CaCl26H2O加熱脫水形成白色多孔的CaCl2。無水CaCl2有很強的吸水性，常用的干燥劑。由于它能與氣態(tài)NH3和乙醇形成加成物，所以不能用于干燥NH3氣和乙醇。氯化鈣和冰的混合物是實驗室常用的致冷劑。思考題：為什么下雪后,要往馬路上灑氯化鈣溶液？14、氯化鋇氯化鋇用于醫(yī)藥、滅鼠劑和鑒定SO42-離子的試劑。氯化鋇易溶于水?？扇苄凿^鹽對入、畜都有害，對人致死量為0.8g，切忌入口。鹽類15、Na2SO410H2O俗稱芒硝，由于它有很大的熔化熱(253kJkg-1)，是一種較好的相變貯熱材料的主要組分。無水硫酸鈉俗稱元明粉，大量用于玻璃、造紙、水玻璃、陶瓷等工業(yè)中，也用于制硫化鈉和硫代硫酸鈉等。16、CaSO42H2O俗名生石膏，