s区金属(碱金属和碱土金属).ppt

第20章s区金属（碱金属和碱土金属）,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思考题习题,,20-2碱金属和碱土金属的单质,20-2-1单质的物理性质、化学性质及用途20-2-2单质的制备,,,20-3碱金属和碱土金属的化合物,20-3-1氧化物20-3-2氢氧化物20-3-3氢化物20-3-4盐类20-3-5配合物,,,碱金属和碱土金属的通性,碱金属和碱土金属是周期表IA族和IIA族元素。IA族包括锂、钠、钾、铷、铯、钫六种金属元素。它们的氧化物溶于水呈强碱性，所以称为碱金属。IIA族包括铍、镁、钙、锶、钡、镭六种金属元素。由于钙、锶、钡的氧化物在性质上介于“碱性”和“土性”以前把粘土的主要成分Al2O3称为“土”之间，所以称为碱土金属，现习惯上把铍和镁也包括在内。钫和镭是放射性元素。钠、钾、钙、镁和钡在地壳内蕴藏较丰富，它们的单质和化合物用途较广泛。1807年,戴维电解KOH得到金属KPotassium,用同样的方法从NaOH中得到金属NaSodium。,,,碱金属和碱土金属的通性,1808年,戴维把潮湿的石灰和氧化汞按31的比例混合，放在白金皿中进行电解得到了钙汞齐，并制得了钙。不久他又从菱锶矿石SrCO3、重晶石BaSO4和苦土MgO中到得了三个新的金属元素单质锶、钡Barium和镁。钫Francium是由法国的佩里从锕衰变并放出粒子后得到的。铍Beryllium是1845年德国的多才多艺的化学家维勒用他电解发现铝的方法制得的。,,,碱金属和碱土金属的通性,碱金属的基本性质,,,碱金属和碱土金属的通性,碱土金属的基本性质,,,单质的物理性质、化学性质及用途,一、单质的物理性质及用途,碱金属密度小、硬度小、熔点低、导电性强，是典型的轻金属。碱土金属的密度、熔点和沸点则较碱金属为高。锂是固体单质中最轻的，它的密度约为水的一半。碱土金属的密度稍大些。IA及IIA族金属单质之所以比较轻，是因为它们在同一周期里比相应的其它元素原子量较小，而原子半径较大的缘故。铷、铯可用于制造最准确的计时仪器铷、铯原子钟。1967年正式规定用铯原子钟所定的秒为新的国际时间单位。锂和锂合金是一种理想的高能燃料。锂电池是一种高能电池。它们有些还可以制合金，许多是生命必须元素。,金属钠,金属钙,,,单质的物理性质、化学性质及用途,二、单质的化学性质,1、与水反应锂在与水反应中不熔化，钠、钾与水的反应剧烈，钾产生的氢气能燃烧，铷、铯与水剧烈反应并发生爆炸。,铍能与水蒸气反应，镁能将热水分解，而钙、锶、钡与冷水能比较剧烈地反应。根据标准电极电势，锂的活泼性应比铯更大，但实际上与水反应不如钠剧烈。这是因为1锂的熔点较高，反应时产生的热量不能使它熔化，而钠与水反应时放出的热可以使钠熔化,因而固体锂与水接触的表面不如液态钠大;2反应产物LiOH的溶解度较小，它覆盖在锂的表面，阻碍反应的进行。,钾与水反应,,,单质的物理性质、化学性质及用途,2、与非金属反应碱金属在室温下能生成一层氧化物如Na2O，在锂的表面上，除生成氧化物外还有氮化物Li2O、Li3N。钠、钾在空气中稍微加热就燃烧起来钠生成Na2O2、钾生成KO2等，铷和铯在室温下遇空气就立即燃烧生成更复杂的氧化物。锂却燃烧生成Li2O。它们的氧化物在空气中易吸收二氧化碳形成碳酸盐。如Na2CO3碱金属应存放在煤油中。锂因比煤油的密度小，所以将其浸在液体石蜡或封存在固体石腊中。,,,单质的物理性质、化学性质及用途,2、与非金属反应碱土金属活泼性略差，室温下这些金属表面缓慢生成氧化膜。它们在空气中加热发生反应，生成氧化物和少量氮化物如Ca3N2、Mg3N2。因此在金属熔炼中常用Li、Ca等除去溶解在熔融金属中的氮气和氧气,在电子工业中常用Ba除去真空管中痕量氮气和氧气,在高温时碱金属和碱土金属还能夺取某些氧化物中的氧如镁可使CO2的碳还原成单质。,镁与二氧化碳反应,,,单质的制备,一、熔盐电解法,2NaClCaCl22NaCl2加入氯化钙一则可降低电解质的熔点混合盐的熔点约873K，防止钠的挥发，再则可减小金属钠的分散性，因熔融混合物的密度比金属钠大，钠易浮在面上。,二、热分解法,KCN4K4CN2MN32M3N2（MNa,K,Rb,Cs）,,,单质的制备,三、热还原法热还原法一般采用焦炭或碳化物为还原剂K2CO3C2KCO2KFCaC2CaF22K2C,钾、铷和铯常用强还原性的金属如Na、Ca、Mg、Ba等在高温和低压下还原它们氯化物的方法制取，例如KClNaNaClK↑2RbClCaCaCl22Rb↑2CsAlO2MgMgAl2O42Cs↑,,,氧化物,自学要求1、用前面所学过的知识来理解过氧离子和超氧离子的结构。2、解释氧化物颜色的变化。3、了解过氧化物及超氧化物的性质。,,氢氧化物,1、性质和用途在空气中易潮解，常作干燥剂。NaOH能溶解Al、Zn等两性金属及其氧化物，也能溶解许多非金属Si、B等）及其氧化物。2Al2NaOH6H2O2Na[AlOH4]3H2↑Al2O32NaOH2NaAlO2H2O,Si2NaOHH2ONa2SiO32H2↑SiO22NaOHNa2SiO3H2O（能腐蚀玻璃）因其能溶解某些金属氧化物、非金属氧化物，在工业生产和分析工作中常用于分解矿石。熔融的氢氧化钠腐蚀性很强，工业上熔化氢氧化钠一般用铸铁容器，在实验室可用银或镍的器皿。,,,氢氧化物,2、氢氧化钠的制备工业上用电解食盐水的方法来制取。,少量氢氧化钠，也可用苛化法制备。即用消石灰或石灰乳与碳酸钠的浓溶液反应Na2CO3CaOH2＝CaCO3↓2NaOH,3、溶解度的变化通常离子化合物的溶解度与其离子势Z/r成反比。同族元素的氢氧化物从上到下溶解度逐渐增大的。同一周期中氢氧化物的溶解度减小。,NaOH常含有Na2CO3杂质，要得不含Na2CO3的NaOH溶液，可配制NaOH的饱和溶液，Na2CO3因不溶于饱和的NaOH溶液而沉淀析出。,NaCl水溶液电解槽,,,氢氧化物,4、碱性的变化当金属离子（R）的电子构型相同时，则1/2值愈小，金属氢氧化物的碱性愈强。,当1/210时ROHn显酸性当101/27时ROHn显两性当1/27时ROHn显碱性,,,氢化物,碱金属和碱土金属中较活泼的Ca、Sr、Ba能与氢在高温下直接化合，形成离子晶体，故称为离子型氢化物，又称为盐型氢化物。金属氢化物中的H-离子的半径介于F-离子和Cl-离子之间，所以具有卤化物的一些性质。碱金属氢化物中以LiH最稳定，加热到961K也不分解。但其它氢化物不稳定，加热易分解成金属和氢。,,,氢化物,所有碱金属氢化物都是强还原剂。673KTiCl44NaHTi4NaCl2H2LiHH2OLiOHH2↑CaH22H2OCaOH22H2↑由于氢化钙与水反应而能放出大量的氢气，所以常用它作为野外产生氢气的材料。镁和镁系合金如Mg2Ni，Mg2Cu、镁--稀土系合金是一类贮氢合金。贮氢时，用合金与氢反应，生成金属氢化物。用氢时，把金属氢化物加热，将氢放出来，以供使用。,,,盐类,碱金属和碱土金属的常见盐类有卤化物、碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐和硫化物等。1、溶解性碱金属盐类通常易溶于水碳酸锂列外,且它们的离子都是无色的。只有少数碱金属盐是难溶的;,它们的难溶盐一般都是由大的阴离子组成，而且碱金属离子越大，难溶盐的数目也越多。如六羟基锑酸钠Na[SbOH6]白色高氯酸钾KClO4白色酒石酸氢钾KHC4H4O6白色六氯铂酸钾K4[PtCl6]淡黄色钴亚硝酸钠钾K2Na[CoNO26]亮黄色钠、钾的一些难溶盐常用于鉴定钠、钾离子。,,,盐类,碱土金属盐类的重要特征是它们的微溶性。除氯化物、硝酸盐、硫酸镁、铬酸镁易溶于水外，其余的碳酸盐、硫酸盐、草酸盐、铬酸盐等皆难溶。硫酸盐和铬酸盐的溶解度依Ca、Sr、Ba的顺序降低。草酸钙的溶解度是所有钙盐中最小的，因此，在重量分析中可用它来测定钙。碱金属和碱土金属碳酸盐溶解度的差别也常用来分离Na、K和Ca2、Ba2。,,,盐类,2、钠盐和钾盐性质的差异钠盐和钾盐性质很相似，但也有差别，重要的有三点a、溶解度钠、钾盐的溶解度都比较大，相对说来，钠盐更大些。但NaHCO3溶解度不大，NaCl的溶解度随温度的变化不大，这是常见的钠盐中溶解性较特殊的。,b、吸湿性钠盐的吸湿性比相应的钾盐强。因此，化学分析工作中常用的标准试剂许多是钾盐，如用K2Cr2O7标定还原剂溶液的浓度,而不用Na2Cr2O7。在配制炸药时用KNO3或KClO3，而不用相应的钠盐。,NaOHKClNaClKNO3,,,盐类,c、结晶水含结晶水的钠盐比钾盐多，如Na2SO410H2O、Na2HPO412H2O等。钠的化合物价格较便宜，一般使用钠的化合物，而不用钾的化合物。但要注意某些特殊情况，如制硬质玻璃必须用K2CO3，制黑火药一定要用KNO3等。3、晶型绝大多数碱金属和碱土金属的盐是离子型晶体，晶体大多属NaCl型，铯的卤化物是CsCl型结构。由于Li、Be2离子半径最小，极化作用较强，才使得它们的某些盐具有较明显的共价性。,,,盐类,3、焰色反应由于离子半径不同，核对外层电子的控制能力不同，在无色火焰中灼烧时，电子被激发所吸收的能量不同即吸收光的波长不同，所呈现的颜色不同叫“焰色反应”。Li红色，Na黄色，K紫色，Rb紫红，Cs紫红，Ca橙红砖红，Sr红猩红，Ba绿色，硼浅绿，Cu绿色。在军事上用做信号弹，民间用于焰火。,钾,钡,硼,铜,红绿锶钡信号弹,节日焰火,钙,锶,铷,锂,,,盐类,4、形成结晶水合物的倾向几乎所有的锂盐是水合的，钠盐约有75％是水合的，钾盐有25是水合物，铷盐和铯盐仅有少数是水合盐。碱金属卤化物大多数是无水的,硝酸盐中只有锂可形成水合物。如LiNO3H2O和LiNO33H2O；硫酸盐中只有Li2SO4H2O和Na2SO410H2O；碳酸盐中除Li2CO3无水合物外，其余皆有不同形式的水合物，其水分子数分别为Na2CO3K2CO3Rb2CO3Cs2CO31,7,101,51,53,5,,,盐类,5、形成复盐的能力除锂以外，碱金属还能形成一系列复盐。复盐有以下几种类型1光卤石类，通式为MIClMgCl26H2O,其中MIK、Rb、Cs。如光卤石KClMgCl26H2O；2通式为M2ISO4MgSO46H2O的矾类,其中MIK、Rb、Cs,如软钾镁矾K2SO4MgSO46H2O；3通式为MIMIIISO4212H2O的矾类，其中MI＝Na、K、Rb、Cs，MIII＝Al3、Cr3、Fe3、Co3、Ga3、V3等离子。如明矾KAlSO4212H2O。复盐的溶解度一般比相应简单碱金属盐小得多。,,,盐类,6、热稳定性卤化物在高温时挥发而难分解。硫酸盐在高温下既难挥发，又难分解。碳酸盐除Li2CO3在1543K以上分解为Li2O和CO2外，其余更难分解。硝酸盐热稳定性较低，在一定温度可分解。碱土金属的卤化物、硫酸盐、碳酸盐对热也较稳定。碱土金属的碳酸盐热稳定性较碱金属碳酸盐要低，是由于它们电荷高，极化作用强。,,,盐类,7、碳酸钠纯碱、碳酸氢钠小苏打纯碱在工业上常用氨碱法比利时Solvay制取，我国化学工程学家侯德榜1942年改革成侯氏制碱法，即联碱法。其基本原理是先用NH3将食盐水饱和，然后通入CO2，溶解度较小的NaHCO3析出NH3NaClH2OCO2NaHCO3NH4Cl,8、碳酸钙CaCO36H2O轻质,难溶于水，易溶于酸和氯化铵溶液，用于发酵粉和涂料等。,9、氟化钙萤石是制取HF和F2的重要原料。在冶金工业中用作助熔剂，也用于制作光学玻璃和陶瓷等。,萤石,碳酸氢钠,索尔维碳化塔结构,,,盐类,10、卤化铍是共价型聚合物BeX2n，不导电、能升华，蒸气中有BeCl2和BeCl22分子。11、硝酸钾在空气中不吸潮,在加热时有强氧化性,用来制黑火药。硝酸钾还是含氮、钾的优质化肥。12、氯化镁通常以MgCl26H2O形式存在，它能水解为MgOHCl，工业上常用碳氯法制取MgOCCl2MgCl2CO碳氯法氯化镁易潮解，普通食盐的潮解就是其中含有氯化镁之故。纺织工业中用氯化镁保持棉纱的湿度而使其柔软。,,,盐类,13、氯化钙CaCl26H2O加热脱水形成白色多孔的CaCl2。无水CaCl2有很强的吸水性，常用的干燥剂。由于它能与气态NH3和乙醇形成加成物，所以不能用于干燥NH3气和乙醇。氯化钙和冰的混合物是实验室常用的致冷剂。思考题为什么下雪后,要往马路上洒氯化钙溶液14、氯化钡氯化钡用于医药、灭鼠剂和鉴定SO42-离子的试剂。氯化钡易溶于水。可溶性钡盐对入、畜都有害，对人致死量为0.8g，切忌入口。,,,盐类,15、Na2SO410H2O,俗称芒硝，由于它有很大的熔化热253kJkg-1，是一种较好的相变贮热材料的主要组分。无水硫酸钠俗称元明粉，大量用于玻璃、造纸、水玻璃、陶瓷等工业中，也用于制硫化钠和硫代硫酸钠等。16、CaSO42H2O,俗名生石膏，加热到393K左右变成熟石膏CaSO41/2H2O,用以制模型、塑像、水泥、粉笔和石膏绷带等。把石膏加热到773K以上,得到无水石膏,它不能与水化合。,,,盐类,17、BaSO4,重晶石，将重晶石粉与煤粉混合，在高温下1173-1473K煅烧还原成可溶性BaS和CO气体。往BaS水溶液中通CO2，则得到BaCO3。硫酸钡是唯一无毒的钡盐，医疗诊断中用作肠胃系统的X射线造影剂“钡餐”。19、硫酸镁硫酸镁微溶于醇，不溶于乙酸和丙酮，用作媒染剂、泻盐，也用于造纸、纺织、肥皂、陶瓷、油漆工业。,,,盐类,20、YBa2Cu3O6-71986年以来发现的高温超导体系列，现在临界温度达液氮温度左右77K的超导材料。,21、C6Li锂电池的负极材料电池的正极反应Li0.35NiO20.5Li0.5eLi0.85NiO2135mAhg-1电解质高分子材料（能传导Li离子的）电池电动势3V最高充电电压4.1V,磁悬浮现象,锂离子电池,,,盐类,22、CLi6美国Geogia大学量子化学计算中心主任Schaefer的最新计算结果表明，有可能存在呈八面体的CLi6分子，该分子的碳原子周围总共有10个电子，用以与6个锂原子形成6个化学键。,,,配合物,碱金属离子接受电子对的能力较差，一般难形成配合物。碱土金属离子的电荷密度较高，具有比碱金属离子强的能力。Be2的半径最小，是较强的电子对接受体，能形成较多的配合物，如[BeF3]-、[BeF4]2-、[BeOH4]2-等，还可生成许多稳定的螯合物。Ca2能与NH3形成不太稳定的氨合物。锶和钡的配合物较少。,,