【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(zhì)20-3 堿金屬和堿土金屬的化合物思考題習(xí)題20-2 堿金屬和堿土金屬的單質(zhì)20-2-1 單質(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及用途20-2-2 單質(zhì)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(lèi)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(qiáng)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(zhì)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(xiàn)習(xí)慣上把鈹和鎂也包括在內(nèi)。鈁和鐳是放射性元素。鈉、鉀、鈣、鎂和鋇在地殼內(nèi)蘊(yùn)藏較豐富，它們的單質(zhì)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(jìn)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(gè)新的金屬元素單質(zhì)鍶、鋇(Barium)和鎂。鈁(Franc

3、ium)是由法國(guó)的佩里從錒衰變并放出粒子后得到的。鈹(Beryllium)是1845年德國(guó)的多才多藝的化學(xué)家維勒用他電解發(fā)現(xiàn)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(zhì) 元素性質(zhì)LiNaKRbCs原子半徑/pm152153.7227.2247.5265.4離子半徑/pm6897133147167第一電離勢(shì)kJ/mol521499421405371第二電離勢(shì)72954591308826752436電負(fù)性0.980.930.820.820.79標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)(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(zhì) 元素 性質(zhì)BeMgCaSrBa原子半徑/pm111.3160197.3215.1217.3離子半徑/pm356699112134第一電離勢(shì)kJ/mol905742593552564第二電離勢(shì)1768146011521070971第三電離勢(shì)149397658494243513575電負(fù)性1.571.311.000.950.89標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)(酸)-1.85-2.375-2.76-2.89-2.90標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)(堿)-2.28-2.69-3.02-2.99-2.97M2+(g)水合熱/kJmol-124941921157714431305單質(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及

5、用途一、單質(zhì)的物理性質(zhì)及用途堿金屬密度小、硬度小、熔點(diǎn)低、導(dǎo)電性強(qiáng)，是典型的輕金屬。堿土金屬的密度、熔點(diǎn)和沸點(diǎn)則較堿金屬為高。鋰是固體單質(zhì)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(zhì)之所以比較輕，是因?yàn)樗鼈冊(cè)谕恢芷诶锉认鄳?yīng)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(zhǔn)確的計(jì)時(shí)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(guó)際時(shí)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(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及用途二、單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)1、與水反應(yīng) 鋰在與水反應(yīng)中不熔化，鈉、鉀

6、與水的反應(yīng)劇烈，鉀產(chǎn)生的氫氣能燃燒，銣、銫與水劇烈反應(yīng)并發(fā)生爆炸。鈹能與水蒸氣反應(yīng)，鎂能將熱水分解，而鈣、鍶、鋇與冷水能比較劇烈地反應(yīng)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)，鋰的活潑性應(yīng)比銫更大，但實(shí)際上與水反應(yīng)不如鈉劇烈。這是因?yàn)椋?1)鋰的熔點(diǎn)較高，反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的熱量不能使它熔化，而鈉與水反應(yīng)時(shí)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(yīng)產(chǎn)物L(fēng)iOH的溶解度較小，它覆蓋在鋰的表面，阻礙反應(yīng)的進(jìn)行。鉀與水反應(yīng)單質(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及用途2、與非金屬反應(yīng)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(lái)(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(fù)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(yīng)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(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及用途2、與非金屬反應(yīng)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?cè)诳諝庵屑訜岚l(fā)生反應(yīng)，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?dú)夂脱鯕?在電子工業(yè)中常用Ba除去真空管中痕量氮?dú)夂脱鯕?在高溫時(shí)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(zhì)。鎂與二氧化碳反應(yīng)單質(zhì)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(zhì)的熔點(diǎn)(混合鹽的熔點(diǎn)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(yáng)極單質(zhì)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(qiáng)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(xué)要求：1、用前面所學(xué)過(guò)的知識(shí)來(lái)理解過(guò)氧離子和超氧離子的結(jié)構(gòu)。2、解釋氧化物顏色的變化。3、了解過(guò)氧化物及超氧化物的性質(zhì)。氫氧化物1、性質(zhì)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(chǎn)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(qiáng)，工業(yè)上熔化氫氧化鈉一般用鑄鐵容器，在實(shí)驗(yàn)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(lái)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(yīng)：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(shì)(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(zhì)，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(dāng)金屬離子（R）的電子構(gòu)型相同時(shí)，則1/2值愈小，金屬氫氧化物的堿性愈強(qiáng)。堿性增強(qiáng)氫氧化物1/2堿性氫氧化物1/2堿性LiOH3.8強(qiáng)堿Be(OH)27.6兩性NaOH3.2強(qiáng)堿Mg(OH)25.5中強(qiáng)堿KOH2.7強(qiáng)堿Ca(OH)24.5強(qiáng)堿RbOH2.6強(qiáng)堿Sr(OH)24.2強(qiáng)堿CsOH2.4強(qiáng)堿Ba(OH)23.9強(qiáng)堿當(dāng)1/210時(shí)R(OH)n顯酸性當(dāng)101/27時(shí)R(OH)n顯兩性當(dāng)1/27時(shí)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(zhì)。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(qiáng)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(yīng)而能放出大量的氫氣，所以常用它作為野外產(chǎn)生氫氣的材料。鎂和鎂系合金(如Mg2Ni，Mg2Cu、鎂-稀土系合金)是一類(lèi)貯氫合金。貯氫時(shí)，用合金與氫反應(yīng)，生成金屬氫化物。用氫時(shí)，把金屬氫化物加熱，將氫放出來(lái)，以供使用。鹽類(lèi)堿金屬和堿土金屬的常見(jiàn)鹽類(lèi)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(lèi)通常易溶于水(碳酸鋰列外),且它們的離子都是無(wú)色的。只有少數(shù)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(shù)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(lèi)堿土金屬鹽類(lèi)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(lái)測(cè)定鈣。 堿金屬和堿土金屬碳酸鹽溶解度的差別也常用來(lái)分離Na+、K+和Ca2+、Ba2+。鹽類(lèi)2、鈉鹽和鉀鹽性質(zhì)的差異鈉鹽和鉀鹽性質(zhì)很相似，但也有差別，重要的有三點(diǎn)： a、溶解度：鈉、鉀鹽的溶解度都比較大，相對(duì)說(shuō)來(lái)，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(jiàn)的鈉鹽中溶解性較特殊的。b、吸濕性：鈉鹽的吸濕性比相應(yīng)的鉀鹽強(qiáng)。因此，化學(xué)分析工作中常用的標(biāo)準(zhǔn)試劑許多是鉀鹽，如用K2Cr2O7標(biāo)定還原劑溶液的濃度,而不用Na2Cr2O7。在配制炸藥時(shí)用KNO3或KCl

15、O3，而不用相應(yīng)的鈉鹽。NaOH+KCl=NaCl+KNO3鹽類(lèi)c、結(jié)晶水：含結(jié)晶水的鈉鹽比鉀鹽多，如Na2SO410H2O、Na2HPO412H2O等。鈉的化合物價(jià)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(zhì)玻璃必須用K2CO3，制黑火藥一定要用KNO3等。3、晶型絕大多數(shù)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(jié)構(gòu)。由于Li+、Be2+離子半徑最小，極化作用較強(qiáng)，才使得它們的某些鹽具有較明顯的共價(jià)性。鹽類(lèi)3、焰色反應(yīng)由于離子半徑不同，核對(duì)外層電子的控制能力不同，在無(wú)色火焰中灼燒時(shí)，電子被激發(fā)所吸收的能量不同即吸收光的波

16、長(zhǎng)不同，所呈現(xiàn)的顏色不同叫“焰色反應(yīng)”。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(hào)彈，民間用于焰火。鉀鋇硼銅紅綠鍶鋇信號(hào)彈節(jié)日焰火鈣鍶銣鋰鹽類(lèi)4、形成結(jié)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(shù)是水合鹽。堿金屬鹵化物大多數(shù)是無(wú)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(wú)水合物外，其余皆有不同形式的水合物，其水分子數(shù)分別為：Na

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

18、的溶解度一般比相應(yīng)簡(jiǎn)單堿金屬鹽小得多。鹽類(lèi)6、熱穩(wěn)定性鹵化物在高溫時(shí)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L(zhǎng)i2O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(duì)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(qiáng)。鹽類(lèi) 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(shí)Solvay)制取，我國(guó)化學(xué)工程學(xué)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(zhì)),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(xué)玻璃和陶瓷等。螢石碳酸氫鈉索爾維碳化塔結(jié)構(gòu)鹽類(lèi)10、鹵化鈹是共價(jià)型聚合物(BeX2)n，不導(dǎo)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(shí)有強(qiáng)氧化性,用來(lái)制黑火藥。硝酸鉀還是含氮、鉀的優(yōu)質(zhì)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?。篗gO+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(lèi)13、氯化鈣CaCl26H2O加熱脫水形成白色多孔的CaCl2。無(wú)水CaCl2有很強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(duì)入、畜都有害，對(duì)人致死量為0.8g，切忌入口。鹽類(lèi)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(wú)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，