无机化学_13碱金属和碱土金属

化学与环境工程系
Li2O
Na2O2
KO2
+ 2
镁 带 的 燃 烧
2M(s) + 2NH3 (l) →2M + 2NH + H 2 (g)
与 液 氨 作 用
化学与环境工程系
1、为什么自然界没有游离态的碱金属和 碱土金属？它们主要以哪些形式存在？
2、碱金属有哪些特殊的物理性质？
1、答：因为碱金属和碱土金属是最活泼的 金属，它们与空气或水接触时会发生反应， 因此它们总是以化合态存在于自然界，主要 形式有卤化物，硅酸盐矿，硫酸盐矿和碳酸 盐矿。
切割一小块钠放在水中，可观察 到钠浮在水面上与水激烈反应而 来回运动着： 2Na+2H2O==2NaOH+H2↑
钾可在水面上燃烧呈现紫红色火 焰。
1、Li反应时由于产物溶解度小而覆盖在 金属表面上，使反应缓慢进行。 2、Li熔点较高，升华热也大，难活化。
如果将金属Li 放于水中呢？ 更剧烈还是温和？
CaH2 + 2H 2 O Ca(OH)2 + 2H 2 (g)
化学与环境工程系 氧化物
普通氧化物 Li2O、MO (M = 碱土金属) 黄色粉末 结 构 过氧化物 Na2O2、 BaO2 超氧化物
魔
术
棉花自然 臭氧化物
MO2 (M = K、 MO3 (M=K、 Rb、Cs) Rb、Cs)
Fr
Ra
化学与环境工程系
表13-1 碱金属元素的一些基本性质
元素
从上往下，活泼 性逐渐升高还是 逐渐降低?
性质 价电子构型 主要氧化数
Li 2S1
Na 3S1
K 4S1 +1
Rb 5S1
Cs 6S1
为何电离能 逐渐降低?
电极电势很小， 具有强还原性
第一电离势 (kJ.mol1-) 电负性 E0(M+/M)(V) M+ 水合热 (kJ.mol-1)
化学与环境工程系
碱金属 碱土金属
The Elements of the Alkali and the Alkaline Earth Metals
学习重点:
氧化物的化学性质 碱土金属氢氧化物的酸碱性变化规律 盐的热稳定性变化规律
对角线规则
学习难点:
盐的热稳定性变化规律
对角线规则
4Li＋O2＝2Li2O 6Li＋N2＝2Li3N 4Na＋O2＝2Na2O Na2O＋CO2＝Na2CO3
常温下锂可 与氮气反应
在空气在燃烧时，钠生成过氧化 物，钾、铷、铯生成超氧化物
3Ca＋N2====Ca3N2
3Mg＋N2===Mg3N2
△
△
要避免与空气接触。锂要保存于蜡中，钾、 钠、钙等应保存于煤油中。
明矾(K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O) 石膏(CaSO4·2H2O) 重晶石(BaSO4) 硫酸盐矿 天青石(SrSO4)
石灰石(CaCO3)
菱镁矿(MgCO3)
碳酸盐矿
化学与环境工程系
化学与环境工程系 物理性质
碱金属单质
熔点
密度小，容易反应。 ——钾钠保存于煤油中，锂保存于蜡中。 硬度小——用小刀可以切割它们。 熔沸点较低——随原子量的增大而降低。 导电性强 Cs、Rb用于作光电材料。
△ fHm / kJ· mol-1
化学与环境工程系
2.还原性强
( E (H 2 /H ) = -2.23V)
• 钛的冶炼：
2LiH + T iO2 T i + 2LiOH 4NaH+ TiCl4 Ti + 4NaCl + 2H2
-
•剧烈水解： MH + H 2 O MOH + H 2 (g)
化学与环境工程系
密度较小，硬度大。 如镁和铍用于制轻质合金，如镁铝合金和 电子合金，用于制造飞机部件，铍铜合金 具有强度大，硬度高弹性好等优点。 碱土金属的导电性最好的是镁和钙，其它 的导电能力较差
碱土金属单质
Be
Mg
Ca
Sr
Ba
化学与环境工程系
单质的 化学性质
与水反应
ⅠA族是最活泼的金属元素，其次是ⅡA 族，同族中单质的化学性质由上到下活 泼性增强
想一想
2、碱金属的特殊物理性质：密度小、硬度小、 导电性强、容易形成液态合金。
化学与环境工程系
3、工业上常用电解方法制备的碱金属和碱土金属有哪些？为 什么不用电解法制备金属钾。 工业上常用电解的方法制备的碱金属是锂和钠，碱土金属是镁 和钙。钾一般不用电解法制备，因为它熔点低，易挥发，生成 的K易溶在熔融的KCl中，难于分离，且电解中产生的超氧化物 与金属钾会发生爆炸。 4、钠不比钾活泼，但工业上可用钠与氯化钾高温反应制备钾， 你知道其中原因吗？ 低温时，反应：Na(l)+KCl(l)——NaCl(l)+K(l)，难进行。 温度为900℃时，反应：Na(l)+KCl(l)——NaCl(l)+K(g)，钾成 为气体挥发，使平衡向右移动，反应得以进行。
521 0.98 -3.045 519
499 0.93
421 0.82
405 0.82 -2.925 293
371 0.79 -2.93 254
-2.7109 -2.923 406 322
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表13-2 碱土金属元素的一些基本性质
元素 性质 Be 2S2 Mg 3S2 Ca 4S2 +2 905 -1.85 2494 742 -2.375 1921 593 -2.76 1577 552 -2.89 1443 564 -2.90 1305 Sr 5S2 Ba 6S2
化学与环境工程系
第一节 碱金属和碱土金属的通性
第IA族包括锂、 钠、钾、铷、铯 和钫六种元素， 由于它们的氢氧 化物都是易溶于 水的强碱，所以 称它们为碱金属 元素。其中钫是 放射性元素。 ⅠA ⅡA
Li
Be
Na
K
Mg
Ca
Rb
Cs
Sr
Ba
第IIA族包括铍、镁、 钙、锶、钡和镭六种 元素，由于钙、锶和 钡的氧化物在性质上 介于“碱性的”碱金 属氧化物和“土性的” 难熔的氧化物Al2O3之 间，所以称它们为碱 土金属。其中镭是放 射性元素。
1s 2s 2p
2 2 4
2
2
6
KK (σ 2s ) (σ
超氧化物(O2-)
2
2
*
2s
) (σ 2p ) (π 2p ) (π
2 2 4
*
2p
)
4
KK (σ 2s ) (σ
稳定性:
*
2s
) (σ 2p ) (π 2p ) (π
*
2p
)
3
O2- > O2- > O22-
化学与环境工程系 4Na＋O2=======2Na2O
溶解性 mol· l-1
问题：如何利用 化学方法区别 Be(OH)2与 Mg(OH)2？
(重要)
Be(OH)2具有两性，而后者没有，利用此可区别
化学与环境工程系
氢氧化物酸碱性判断标准
RO +
－
H+ = ROH
= R+ + OH－
碱式离解
解离方式与R+的 吸电子能力有关
酸式离解
R吸电子能力与离子势
有关:ф =Z/r
2Na2 O2 + 2CO2 2Na2 CO3 + O2 (g)
¨ :O: ¨
2-
¨ ¨ :O —O: ¨ ¨
2-
•
• •
:O—O: ¨ ¨
-
O
O 35 O
-
抗磁性
抗磁性
顺磁性
顺磁性
化学与环境工程系
12.3.2 氧化物
1.形成三类氧化物
正常氧化物(O2-)： 过氧化物(O22-)：
你能判断几种离子的 稳定性强弱吗？
化学与环境工程系
•与水作用
2M + 2H2O → 2MOH + H2(g)
Li
思考：将Be、Mg 放于水中会发生 剧烈化学反应吗？
Na
K
Ca
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焰 色 反 应
化学与环境工程系
与空气反应
碱金属在常温下可 以与空气中的O2、 CO2、水汽等反应 碱土金属一般要加热 才能进行反应。这是 因为它的表面容易生 成氧化膜保护层。 思考：活泼金属 应当如何保存？
Ф 0.22 Ф
LiOH NaOH KOH RbOH CsOH
(r以pm 为单位）
Be(OH)2 Mg(OH)2 Ca(OH)2 Sr(OH)2 Ba(OH)2
碱 性 增 强
0.22 0.32
碱性 两性
Ф
0.32
酸性
酸性增强
化学与环境工程系 你能用有关理论解释为何Be(OH)2具有两性吗？ 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
熔点/ ℃ 415 Be2+极化力强， 714 775 874 962 离子性增强
BeCl2已 过渡为共价化合物。
NaCl与MgCl2的沸点谁高谁低？原因？
化学与环境工程系
•与CO2的作用：
Li2O + CO2 Li2CO3
2Na2 O2 + 2CO2 2Na2 CO3 + O2 (g)
4KO2 + 2CO2 2K2CO3 + 3O2 (g)
化学与环境工程系
重要盐类：卤化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐
1.晶体类型：
绝大多数是离子晶体，熔沸点较高 BeCl2 MgCl2 CaCl2 SrCl2 BaCl2
碱土氧化物
氧化剂 漂白剂 供氧剂
引火剂
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3.化学性质 •与H2O的作用：
M O + H2O 2MOH
Ι 2
（Li Cs剧烈程度）
M O + H2O 2MOH
Ι 2
（BeO除外）
Na2O2 + 2H2O 2NaOH+ H2O2
2KO2 + 2H2O 2KOH+ H2O2 + O2
由此请你比较H2SO4、H4SiO4、H3PO4、HClO4 的酸性强弱并解释其中的原因（重要！）
提示：根据中心原子或离子电荷数的高低来判断， 待断裂键的数目来判断酸式离解程度？
化学与环境工程系
第三节 碱金属和碱土金属的化合物
12.3.1 氢化物
s区元素的单质(除Be、Mg外)均能与氢形成 离子型氢化物。 1.均为白色晶体， 热稳定性差 LiH NaH KH -90.4 -57.3 -57.7 RbH CsH -54.3 -49.3 NaCl -441
钾、铷、铯与氧气可生成三种类型氧化物： M2O、 M2O2、MO2。在空气中燃烧时生成超氧化物
臭氧与K、Rb、Cs的氢氧化物 反应，可以制得臭氧化物： 6KOH + 4O3 = 4KO3 + 2KOH •H2O + O2
化学与环境工程系
碱土金属BeO,MgO具有高的熔点和硬度， 用于制耐火材料和金属陶瓷。CaO俗称 石灰或生石灰，作建筑材料，也用做干 燥剂。 过氧化物、超氧化物、臭氧化物都是 强氧化剂。 由于它们的强氧化性，可用于纸张、 织物等的漂白剂 利用它们与二氧化碳反应生成氧气的 性质作为潜水、登山、高空作业的供 氧剂 过氧化钡常用于爆破作业上作强火剂
Na2O和MgO均 为离子晶体， 后者中阳离子 半径更小，电 荷更高，因而 离子键能更大， 熔点高，硬度 大。
价电子构型 主要氧化数 第一电离势 (kJ.mol-1) E0(M2+/M)(V) M2+ 水合热 (kJ.mol-1)
问题：碱金属和碱土金属的氧化物谁的熔点更高，硬度更大
化学与环境工程系 电 离 能 、 电 负 性 减 小 金 属 性 、 还 原 性 增 强
原 子 半 径 增 大
Li Na K Rb Cs
Be Mቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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
化学与环境工程系
第二节 碱金属和碱土金属的单质
在自然界中的存在 海水（NaCl、MgCl2 、KCl） 氯化物 光卤石(KCl·MgCl·6H2O)。 硅酸盐矿 钠长石(Na[AlSi3O8]) 钾长石(K[AlSi3O8]) 锂辉石(Li2·Al2O3·4SiO2) 大理石（ CaCO3 ）
573-673K
453-473K
过氧化物 超氧化物
2Na2O＋O2====2Na2O2
773-793K
钠在空气中燃烧 可制得黄色的过 氧化钠粉末 氧化钡在氧 气中燃烧可 得白色的过 氧化钡
2BaO＋O2======2BaO2
M＋O2====MO2
燃烧
臭氧化物 用液氨结晶KO3 可得桔红色的 KO3晶体
化学与环境工程系
氢氧化物 物理性质
碱金属的氢氧化物对皮肤和纤维有强烈 的腐蚀作用，所以又称为荷性碱。 碱金属和碱土金属的氢氧化物均为白色 固体，吸水容易潮解，溶于水时放热。 溶解度增大
LiOH NaOH KOH RbOH CsOH 5.3 26.4 19.1 17.9 25.8 Be(OH)2 Mg(OH)2 Ca(OH)2 Sr(OH)2 Ba(OH)2 8×10-6 5×10-4 1.8×10-2 6.7×10-2 2×10-1 Be(OH)2+NaOH=Na[Be(OH))4] Be(OH)2+2HCl= 2NaCl +2H2O