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第10章 碱金属和碱土金属


第10章 碱金属和碱土金属 10章
S区元素概述 区元素概述 碱金属和碱土金属的性质 氧化物 氢氧化物 盐类 配合物

S区元素概述
碱金属(IA ): ns1 碱金属 Li, Na, K, Rb, Cs, Fr 碱土金属(IIA ): ns2 碱土金属 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 都是活泼金属

1.易与H2直接化合成MH、MH2离子型化合物 2.与O2形成正常氧化物、过氧化物、超氧化物 3.易与H2O反应(除Be、Mg外) 4.与非金属作用形成相应的化合物 注:它们的活泼性有差异

电 离 属 能 、 电 负 原 性 性 减 增 小 强 还 、 性

金 原 子 半 径 增 大

IA Li Na K Rb Cs

IIA Be Mg Ca Sr Ba

原子半径减小 金属性、还原性减弱 电离能、电负性增大

碱金属和碱土金属的性质
IA族和ⅡA族元素的原子最外层分别只有1—2个s电子, 在同一周期中这些原子具有较大的原子半径和较少的核 电荷,故ⅠA族、ⅡA族金属晶体中的金属键很不牢固, 单质的熔、沸点较低,硬度较小。由于碱土金属比碱金 属原子半径小,核电荷多,因此碱土金属的熔点和沸点 都比碱金属高,密度和硬度比碱金属大。 碱金属和碱土金属表面都具有银白色光泽,在同周期中 碱金属是金属性最强的元素,碱土金属逊于碱金属,在 同族元素中随原子序数增加,元素的金属性依次增加。

A族和ⅡA族元素常见的氧化数分别为+1和十2,这与它们 的族号相一致。常见的ⅠA、ⅡA族元素的化合物以离子型 为主。由于Li+、Be2+的半径远小于同族其它阳离子,故锂、 铍的化合物具有一定程度的共价性。碱金属和碱土金属同 族元素的标准电极电势随原子序数增加而降低,但Li的标准 电极电势却比Cs还低,这是由于Li有较小的半径.易与水 分子结合生成水合离子而释放出较多能量(△Hf代数值最小) 而造成的。 碱金属和碱土金属可溶于液氨,形成深蓝色溶液,其溶 解反应为: 碱金属 M(S) + (x+y)NH3 M+(NH3)x + e-(NH3)y M2+(NH3)x + 2e-(NH3)y

碱土金属 M(S) + (x+2y)NH3

碱金属和碱土金属氨溶液不稳定,特别是过渡金属化合 物的存在可催化其分解为氨基化物,例如:
铁的氧化物

Na+(NH3)

+

e-(NH3)

NaNH2(NH3) + 1/2H2(g)

碱金属还可溶于醚和烷基胺中,金属钠在乙二胺中的溶解 可用下式表示: 2Na(S) Na+(en) + Na- (en)

氧化物
正常氧化物 过氧化物和超氧化物 臭氧化物和低氧化物

正常氧化物
正常氧化物(O2-) 1s 2 2 s 2 2 p 8
Na2O2 + 2Na → 2Na2O 2KNO3 + 10K → 6K2O + N2↑ 碱土金属氧化物也可以由它们的碳酸盐或硝酸盐加热分 解而得到,例如: △ CaO + CO ↑ CaCO
3 2

2Sr(NO3)2

加热

2SrO + 4NO2↑+ O2↑

碱金属氧化物的性质 Li2O Na2O K2O Rb2O Cs2O

颜色 白色 白色 熔点/℃ >1700 1275

淡黄色 亮黄色 橙黄色 350 ℃ 400 ℃ 400 ℃(分解) (分解)(分解)

碱土金属氧化物的性质
性质 BeO MgO 2852 5.6 210 CaO 2614 4.5 240 SrO 2430 3.5 257 BaO 1918 3.3 277

2530 熔点/ ℃ 硬度(金刚石=10)9 165 M-O核间距/pm

氧化镁按制取工艺及产品的致密程度不同,有重质和轻 质之分:

过氧化物和超氧化物
* * 过氧化物(O22-) KK(σs ) 2 (σ2s ) 2 (σp ) 2 (π 2 p ) 4 (π2 p ) 4 2 2

超氧化物(O2

-)

* * KK(σs ) 2 (σ2s ) 2 (σp ) 2 (π 2 p ) 4 (π2 p )3 2 2

除了锂、铍、镁外,碱金属和碱土金属都能形成超氧化物。 其中钠、钾、铷、铯 在过量的氧气中燃烧可直接生成超氧 化物。例如: K + O2 →KO2 2Na + O2 → Na2O2

纯净的Na2O2·8H2O是用饱和NaOH(纯级)溶液和42%H2O2混 合制得: 2NaOH + H O 0℃ Na O + 2H O
2 2 2 2 2

Na2O2在碱性介质中是强氧化剂,常用作熔矿剂,以使既不 溶于水又不溶于酸的矿石被氧化分解为可溶于水的化合物。 例如: 2Fe(CrO2)2 + 7Na2O2 4Na2CrO4 + Fe2O3 + 3Na2O

室温下,过氧化物、超氧化物与水或稀酸反应生成过氧化氢, 过氧化氢又分解而放出氧气: Na2O2 + 2H2O → 2NaOH + H2O2 Na2O2 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O2 2KO2 + 2H2O → 2KOH + H2O2 + O2↑ 2KO2 + H2SO4 → K2SO4 + H2O2 + O2 ↑ 2H2O2 → H2O + O2 ↑ 过氧化物和超氧化物与CO2反应放出氧气: 2Na2O2 + 2CO2 → 2Na2CO3 + O2 ↑ 4KO2 + 2CO2 → 2K2CO3 + 3O2↑

臭氧化物和低氧化物
* * 超氧化物(O2-) KK(σs ) 2 (σ2s ) 2 (σp ) 2 (π 2 p ) 4 (π2 p )3 2 2

在低温下通过O3与粉末状无水碱金属(除Li外)氢氧化物 反应,并用液氨提取,即可得到红色的MO3固体: 3MOH(s) + 2O3(g) → 2MO3(s) + MOH·H2O(s) + 1/2O2(g) 室温下,臭氧化物缓慢分解为MO2和O2: MO3 →MO2 + 1/2O2↑ 臭氧化物与水反应,则生成MOH和O2: 4MO3 + 2H2O → 4MOH + 5O2 ↑

氢氧化物
碱金属和碱土金属氢氧化物的碱性 碱金属和碱土金属氢氧化物的溶解性

碱金属和碱土金属氢氧化物的碱性
M 2 O, MO ?? → MOH, M(OH) 2 (除BeO外) ?
H 2O

性质:⑴ 易吸水溶解 ⑵ 溶解度与碱性
LiOH 中强 Be(OH)2 两性 NaOH KOH 强 强 Mg(OH)2 Ca(OH)2 中强 强 RbOH CsOH 强 强 Sr(OH)2 Ba(OH)2 强 强

(箭头指向) 溶解度增大, 碱性增强

其中Be(OH)2是两性的氢氧化物,它既溶于酸也溶于碱: Be(OH)2 + 2H+ → Be2+ + 2H2O Be(OH)2 + 2OH- → [Be(OH)4]2-

碱金属和碱土金属氢氧化物的溶解性
碱金属的氢氧化物都易溶于水,仅LiOH溶解度较小。碱土 金属氢氧化在水中的溶解度比碱金属的氢氧化物小得多, 并且同族元素的氢氧化物的溶度从上往下逐渐增大,这是 因为随着阳离子半径的增大,阳离子和阴离子之间吸引力 逐渐减小,容易被水分子拆开的缘故.

溶解度

MOH易溶于水,放热 易溶于水, 易溶于水 碱土金属溶解度( ℃ 碱土金属溶解度(20℃)
氢氧化物 溶 解 度 /mol·L-1 Be(OH)2 8×10-6 Mg(OH)2 5×10-4 Ca(OH)2 1.8×10-2 Sr(OH)2 6.7×10-2 Ba(OH)2 2×10-1

盐类
盐类的性质 某些盐类的生产和应用

盐类的性质
1.碳酸钠 .
碳酸钠(Na2CO3)又称为纯碱、苏打或碱面. 碳酸钠常用索尔 维(E.Solvay)法来生产。 该法是用饱和食盐水吸收氨气二氧化碳制得溶解度较小的 NaHCO3,再将NaHCO3煅烧即生成Na2CO3,其反应为: 冷 NaCl + NH + CO + H O NaHCO + NH Cl
3 2 2 3 4

2NaHCO3

200℃

Na2CO3 + CO2↑ + H2O

2NH4Cl + Ca(OH)2 2NH3 ↑ + CaCl2 + 2H2O 煅烧 CaCO3 CaO + CO2 ↑

2. 碳酸氢钠
碳酸氢钠(NaHCO3)又称为小苏打、重碳酸氢钠或焙碱。 制取纯度较高的NaHCO3,可在Na2CO3溶液中通人CO2使 其析出: Na2CO3 + CO2 + H2O → NaHCO3

3.氯化钠 .
含有硫酸钙、硫酸镁等杂质(称为粗盐),把粗盐溶于水, 加入适量BaCl2(或氢氧化钡)、Na2CO3和NaOH,使其杂质 沉淀析出,经过滤、蒸发、浓缩,即可得到精盐。其沉淀 反应为:

Ba2+ + SO42- → BaSO4↓ Ca2+ + CO32- → CCO3↓

Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2 ↓ Ba2+ + CO32- → BaCO3 ↓

4.硫酸钙 .
二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)称为石膏,又称生石膏,为白色 粉末,微溶于水。半水硫酸钙(CaSO4·1/2H2O)又称熟石膏 工业上用氯化钙与硫酸铵反应得到二水硫酸钙: CaCl2 + (NH4)2SO4 + 2H2O → CaSO4·2H2O + 2NH4Cl 二水硫酸钙经煅烧、脱水,可得到半水硫酸钙。

配合物

碱土金属半径较大离子如Ca2+、Sr2+、Ba2+、可与多齿配位体 (如EDTA)形成螯合物,也能与冠醚配体形成冠醚配合物。


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