碱金属和碱土金属

第20章 s区元素

第 20 章 s 区元素

[ 教学要求 ]

1、了解碱金属和碱土金属的通性。

2、掌握碱金属和碱土金属 的氢化物及氧化物的性质和用途。 3、掌握碱金属和碱土金属的氢氧化物及其盐类的性质和用途。 [ 教学重点 ]

碱金属和碱土金属的单质及其重要化合物的性质变化规律 [ 教学难点 ]

碱金属和碱土金属的单质及其重要化合物的性质变化规律 [ 教学时数 ]

4 学时 [ 教学内容 ]

20-1 碱金属和碱土金属的通性 20-2 碱金属和碱土金属的单质 20-3 碱金属和碱土金属的化合物 ［教学方法与媒体］ 讲解，ppt展示

20-1 碱金属和碱土金属的通性

1、碱金属和碱土金属的基本性质

碱金属元素的一些基本性质

性 质 元素符号 原子序数 相对原子质量 价电子构型 常见氧化态 原子半径 /pm 离子半径 /pm 第一电离能 /(kJ/mol) 第二电离能1 /(kJ/mol) 电负性 M+ 水化能 /(kJ/mol) 标准电势 φ θ / V 12

锂 Li 3 6.941 2s 1 +1 123 60 520 7298 1.0 -519 -3.045 2 钠 Na 11 22.99 3s 1 +1 154 95 496 4562 0.9 -406 -2.710

钾 铷 K Rb 19 37 39.10 85.47 4s 1 5s 1 +1 +1 203 216 133 148 419 403 3051 2633 0.8 0.8 -322 -293 -2.931 -2.925 铯 Cs 55 132.9 6s 1 +1 235 169 376 2230 0.7 -264 -2.923 决定碱金属的主要氧化态：＋1 溶剂化强度最大（水化能为519kJ·mol-1)。

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无机化学（下册 第四版）讲义

碱土金属元素的一些基本性质

性 质 元素符号 原子序数 相对原子质量 价电子构型 常见氧化态 原子半径 /pm 离子半径 /pm 第一电离能 /(kJ/mol) 第二电离能 /(kJ/mol) 第三电离能3 /(kJ/mol) 电负性 M + 水化能 /(kJ/mol) 标准电势 φθ / V 铍 Be 4 9.012 2s 2 +2 89 31 900 1757 14849 1.5 -2494 -1.85 4 镁 钙 锶 钡 Mg Ca Sr Ba 12 20 38 56 24.31 40.08 87.62 137.3 3s 2 4s 2 5s 2 6s 2 +2 +2 +2 +2 136 174 191 198 65 99 113 135 738 590 550 503 1451 1145 1064 965 7733 4912 4320 — 1.2 1.0 1.0 0.9 -1921 -1577 -1443 -1305 -2.372 -2.868 -2.89 -2.91 讨论：Li 的φθ值为什么最负？Be 的φθ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-519 kJ·mol-1 ）都是最大的有关。

S 区金属元素相关电对的标准电极电势φ?(Ox/Red) (单位：V) Li+/Li Na+/Na K+/K Rb+/Rb Cs+/Cs

Be2+/Be Mg2+/Mg Ca2+/Ca Sr2+/Sr Ba2+/Ba

-3.04 -2.71 -2.93 -2.92 -2.92 -1.97 -2.36 -2.84 -2.89 -2.92

φθ(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) = 2 656 kJ·mol-1。

2、碱金属和碱土金属的存在

由于碱金属和碱土金属的化学活泼性很强，因此在自然界均以化合态形式存在。钠、钾在地壳中分布很广，其丰度均为 2.5% 。锂、铷、铯在自然界中的储量很小且分散，被列为稀有金属。碱土金属的重要矿物较多，铍为稀有金属。

3、用途

一些元素的某些重要用途分述如下：

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决定碱金属的主要氧化态：＋3。 电离势很高，I1＋I2＝2567kJ·mol-1，无法补偿其水合焓。

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第20章 s区元素

⑴金属锂

①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；

②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。 ⑵金属钠

①过去钠的年产量与含铅抗震剂的使用量有关；

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 + 4 Na==Ti + 4 NaCl

③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。 ⑶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（生氧剂）和低熔点钠钾合金（用做干燥剂和还原剂），也用做核反应堆的冷却剂。

⑷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(9192631770 s-1) 在长时间内保持稳定, 因而将振动这次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 × 10-9 s ) 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的铯原子钟2000万年内误差不超过1 s，最近由中科院研制的铯原子钟, 200万年内误差不超过1 s。

⑸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。

⑹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。

20-2 碱金属和碱土金属的单质

1、物理性质

碱金属和碱土金属单质除铍为钢灰色外，其它均为银白色光泽。碱金属具有密度小、硬度小、熔点低（原子体积大、一个成键电子金属键强度较小）的特点，是典型的轻、软金属。碱金属还具有良好的导电性。碱土金属的熔点、沸点比碱金属

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无机化学（下册 第四版）讲义

高，硬度（原子体积较小、2个成键电子金属键强度较大）较大，导电性低于碱金属，规律性不及碱金属强。

2、化学性质

由于碱金属和碱土金属的核外电子数较少，原子半径较大，核对价电子的吸引力较小，因此碱金属和碱土金属的化学活泼性很活泼，表现在：

⑴易与水的反应，碱金属与水反应更剧烈，产生的氢气着火燃烧。 碱金属与水氧化的反应为:

2 M(s) + 2 H2O (l) == 2 M+(aq) + 2 OH-(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。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！

碱土金属被水氧化的反应为：

M(s) + 2 H2O (l)==M2+(aq) + 2 OH-(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。

讨论：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。

性质 m.p./K MOH 在水中的溶解度/(mol·L-1)

Li 453.69 5.3 Na 370.96 26.4 K Rb Cs 336.8 312.04 301.55 19.1 17.9 25.8 ⑵易氧化，生成氧化物、过氧化物、超氧化物等。 讨论1：这些氧化物的形式有什么不同？

Li2O Na2O2 KO2 BeO

MgO

RbO2

CsO2 KO3

CaO SrO Ba2O2

讨论2：为什么在空气中燃烧碱金属所得的产物不同？

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?G负值最大，产物就是哪一个。例如，Na 生成Na2O、Na2O2 和 NaO2的 ?G分别是 -376 kJ·mol-1, -430 kJ·mol-1和-389.2 kJ·mol-1, 因此燃烧产物就是 Na2O2。

⑶与氢的反应

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第20章 s区元素

活泼的碱金属均能与氢在高温下直接化合，生成离子型氢化物，由于氢负离子有较大的半径（2.08），容易变形，所以它仅能存在于干态的离子型氢化物晶体中，而不能成为水溶液中的水合离子。

⑷与液氨的反应

钠能溶于液氨中生成蓝色溶液，该溶液具有导电性和顺磁性。在溶液中钠离解生成钠正离子和溶剂合电子：

Na (S) + (x+y)NH3(l) == Na(NH 3)x+ + e (NH3)y- 其中的溶剂合电子是一种很强的还原剂。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。

⑸强还原剂

在非水体系中用作还原剂：

TiCl4＋4Na==Ti＋4NaCl SiO2＋2Mg==Si＋2MgO

⑹铍的反常性质

Be 原子的价电子层结构为 2s2 ，它的原子半径为 89pm， Be 离子半径为 31pm， Be 的电负性为 1.57 。铍由于原子半径和离子半径特别小（不仅小于同族的其它元素，还小于碱金属元素），电负性又相对较高（不仅高于碱金属元素，也高于同族其它各元素），所以铍形成共价键的倾向比较显著，不像同族其它元素主要形成离子型化合物。因此铍常表现出不同于同族其它元素的反常性质。

⑴铍由于表面易形成致密的保护膜而不与水作用，而同族其它金属镁、钙、锶、钡均易与水反应。

⑵氢氧化铍是两性的，而同族其它元素的氢氧化物均是中强碱或强碱性的。 ⑶铍盐强烈地水解生成四面体型的离子 [Be(H2O)4 ]，键很强，这就削弱了 O ── H 键，因此水合铍离子有失去质子的倾向：

[Be(H2O)4 ]2+ ── [Be(OH) (H2O)3]+ + H+

因此铍盐在纯水中是酸性的。而同族其它元素（镁除外）的盐均没有水解作用。 讨论：金属钠与水、液氨、乙醇的反应有何不同？

2 Na(s) + 2 H2O(l)===Na+ (aq) + 2 OH- (aq) + H2(g) ↑ 2 Na(s) + CH3CH2OH(l)===2 CH3CH2ONa(l) + H2(g) ↑ Na(s) + (x+y) NH3 (l) ===Na+(NH3) x + e(NH3)y-

2、单质的制备 ⑴、熔盐电解法

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