第17章碱金属、碱土金属-无机化学.ppt
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1、第第 17 章章 碱金属和碱土金属碱金属和碱土金属17-1 碱金属和碱土金属的通性碱金属和碱土金属的通性17-2 碱金属和碱土金属的单质碱金属和碱土金属的单质17-3 碱金属和碱土金属的化合物碱金属和碱土金属的化合物17-4 离子晶体盐类的溶解性离子晶体盐类的溶解性17-1 碱金属和碱土金属的通性碱金属和碱土金属的通性+1ns1+2ns2金属性强;金属性强;多形成离子键多形成离子键Li,Be共价倾向显著共价倾向显著 对应阳离子的半径小极化力较大,在水溶液中极对应阳离子的半径小极化力较大,在水溶液中极易同水分子结合形成水合离子,这种强烈的倾向能释放易同水分子结合形成水合离子,这种强烈的倾向能释放
2、出较大的水合能,总效应超过了需要激发时需补偿的较出较大的水合能,总效应超过了需要激发时需补偿的较高电离能和升华热等能量变化,使锂在水溶液中的还原高电离能和升华热等能量变化,使锂在水溶液中的还原能力大大提高,电极电势显著下降;能力大大提高,电极电势显著下降;锂的特殊性:锂的特殊性:17 2 碱金属和碱土碱金属和碱土金属单质金属单质一、物理性质一、物理性质 IA Li Na K Rb Cs ns1 1IIA BeMgCa SrBans22 这这些些金金属属单单质质都都具具有有银银白白色色的的金金属属光光泽泽,具具有有良良好好的的导导电电性性和延展性,和延展性,Li是最轻的金属。是最轻的金属。由于碱
3、土金属的金属键比碱金由于碱土金属的金属键比碱金属的金属键要强,所以碱土金属属的金属键要强,所以碱土金属的熔沸点、硬度、密度都比碱金的熔沸点、硬度、密度都比碱金属高得多。属高得多。碱碱金金属属和和碱碱土土金金属属都都是是非非常常活活泼泼的的金金属属元元素素,同同族族从从 Li 到到 Cs 和从和从 Be 到到 Ba 活泼性依次增强。活泼性依次增强。碱碱金金属属和和碱碱土土金金属属都都有有很很强强的的还还原原性性,与与许许多多非非金金属属属属单单质质直直接接反反应应生生成成离离子子型型化化合合物物。在在绝绝大大多多数数化化合合物物中中,它们以阳离子形式存在。它们以阳离子形式存在。二、化学性质二、化
4、学性质 1 碱金属、碱土金属碱金属、碱土金属与水与水的作用的作用2 M 2 H2O 2 MOH H2(g)Mg 可以和热水可以和热水缓慢缓慢发生反应,发生反应,Be 则同水则同水蒸气也不发生反应。蒸气也不发生反应。Be,Mg 的金属表面可以形成致密的氧化的金属表面可以形成致密的氧化物保护膜,常温下对水是稳定的。物保护膜,常温下对水是稳定的。Li,Ca,Sr 和和 Ba 与与水反应水反应比较平稳比较平稳,其其他碱金属与水反应非常剧烈,量大时会发生爆他碱金属与水反应非常剧烈,量大时会发生爆炸。炸。除除 Be,Mg 之外,均可以和之外,均可以和 H2 反应反应,生成,生成金属氢化物,金属氢化物,例如
5、例如:产物产物 CaH2 为灰为灰色离子晶体,色离子晶体,其中其中 H 显显1 价,价,Ca 显显 +2 价价。Ca +H2 CaH2 活泼金属的氢化物活泼金属的氢化物是强还原剂。是强还原剂。2 碱金属、碱土金属碱金属、碱土金属与与H2的作用的作用M1 (xy)NH3 M1(NH3)y e(NH3)xM2(2xy)NH3 M2(NH3)y2 2 e(NH3)x 3 碱金属、碱土金属碱金属、碱土金属与液氨与液氨作用作用,形成蓝色导电溶液,形成蓝色导电溶液 长期放置或有催化剂存在:长期放置或有催化剂存在:2 Na 2 NH3 2 NaNH2 H2(K,Rb,Cs)氨合电子结构示意图氨合电子结构示意
6、图 利用碱金属和碱土金属单质的强还原性,利用碱金属和碱土金属单质的强还原性,可以在非水溶液或熔融条件下制备可以在非水溶液或熔融条件下制备稀稀有金属有金属或贵金属。或贵金属。ZrO2 +2 Ca Zr +2 CaO NbCl5 +5 Na Nb +5 NaCl TiCl4 +2 Mg Ti +2 MgCl2 碱金属、碱土金属及其化合物置于高温碱金属、碱土金属及其化合物置于高温火焰中,可以使火焰呈现出特征的颜色,称火焰中,可以使火焰呈现出特征的颜色,称焰色反应。焰色反应。锂深红色,钠黄色,钾紫色,铷锂深红色,钠黄色,钾紫色,铷紫红色,铯蓝色,钙橙红色,锶洋紫红色,铯蓝色,钙橙红色,锶洋红色,钡绿色
7、。红色,钡绿色。1 熔融盐电解熔融盐电解:此法可制备此法可制备 Li、Na、Mg、Ca、Ba 问题:加入问题:加入CaCl2有何作用有何作用?三、金属单质的制备三、金属单质的制备 Na 的沸点与的沸点与 NaCl 的熔点相近,易挥的熔点相近,易挥发损失掉发损失掉 Na。为此。为此要加助熔剂,如要加助熔剂,如 CaCl2,以降低熔盐的温度。以降低熔盐的温度。这样,在比这样,在比 Na 的沸点低的温度下的沸点低的温度下 NaCl 即可熔化。液态即可熔化。液态 Na 的密度小,浮在熔盐上面,的密度小,浮在熔盐上面,易于收集。易于收集。2高温还原高温还原:3 此法制备此法制备 K、Rb、Cs KCl
8、Na NaCl K(g)2 RbCl Ca CaCl2 Rb(g)2 CsCl Ca CaCl2 Cs(g)问题问题:不活泼的金属为何可置换活泼金属不活泼的金属为何可置换活泼金属?钾钾的的沸沸点点(766 C)比比钠钠的的(890 C)低低,当当反反应应体体系系的的温温度度控控制制在在两两沸沸点点之之间间,使使金金属属钾钾变变成成气气态态,金金属属钠钠和和KCl、NaCl 仍仍保保持持在在液液态态,钾钾由由液液态态变变成成气气态态,熵熵值值大大为为增增加加,反反应应的的 TrSm 项项变变大大,有有利利于于rGm变变成成负负值值使使反应向右进行。反应向右进行。同同时时,钾钾为为蒸蒸气气状状态态
9、,设设法法使使其其不不断断离离开开反反应应体体系系,让让体体系系中中其其分分压压始始终终保保持持在在较较小小的的数数值值,有有利利于于反反应应向向右右进行。进行。17 3 碱金属和碱土金属的化合物碱金属和碱土金属的化合物一、氧化物一、氧化物 碱金属形成三类氧化物:碱金属形成三类氧化物:正常氧化物正常氧化物(O2)过氧化物过氧化物(O22)超氧化物超氧化物(O2)臭氧化物(臭氧化物(O3)碱金属:碱金属:锂在空气中燃烧的主要产物为锂在空气中燃烧的主要产物为 Li2O,其他,其他碱金属的正常氧化物可以用碱金属单质或叠氮碱金属的正常氧化物可以用碱金属单质或叠氮化物还原其过氧化物、硝酸盐或亚硝酸盐制备
10、:化物还原其过氧化物、硝酸盐或亚硝酸盐制备:3 NaN3 +NaNO2 2 Na2O+5 N2 1 正常氧化物正常氧化物2 KNO3 +10 K 6 K2O +N2 2 Na +Na2O2 2 Na2O 碱土金属:碱土金属:正常氧化物可以通过其碳酸盐、氢氧化正常氧化物可以通过其碳酸盐、氢氧化物、硝酸盐或硫酸盐的热分解来制备。物、硝酸盐或硫酸盐的热分解来制备。碱金属的普通氧化物从碱金属的普通氧化物从 Li2O 到到 Cs2O 颜色逐渐加深:颜色逐渐加深:Li2O 白色,白色,Na2O 白色,白色,K2O 淡黄色,淡黄色,Rb2O 亮黄色,亮黄色,Cs2O 橙红色。橙红色。碱土金属的普通氧化物均为
11、白色。碱土金属的普通氧化物均为白色。正常氧化物热稳定性总的趋势是,同族从正常氧化物热稳定性总的趋势是,同族从上到下依次降低,熔点也依次降低。上到下依次降低,熔点也依次降低。碱土金属离子半径小、正电荷高,其普通碱土金属离子半径小、正电荷高,其普通氧化物的晶格能大,因而其熔点比碱金属氧化氧化物的晶格能大,因而其熔点比碱金属氧化物的熔点高很多。物的熔点高很多。碱金属和多数碱土金属普通氧化物同水反碱金属和多数碱土金属普通氧化物同水反应生成相应的氢氧化物,并放出热量:应生成相应的氢氧化物,并放出热量:r Hm 151.6 kJ mol1 r Hm 64.5 kJ mol1 BeO 和和 MgO 极难与水
12、反应。极难与水反应。CaO s +H2O l Ca OH 2 s()()()()Na2O s +H2O l 2 NaOH s ()()()2 过氧化物过氧化物 过氧化物含有过氧链过氧化物含有过氧链 OO ,可以,可以将它们看成是过氧化氢将它们看成是过氧化氢 HOOH 的盐。的盐。()()最重要的过氧化物是过氧化钠最重要的过氧化物是过氧化钠 Na2O2 ,过氧化钙过氧化钙 CaO2 和过氧化钡和过氧化钡 BaO2 。()()()制备方法:制备方法:工业上是将钠加热熔化,通过一定量的除去工业上是将钠加热熔化,通过一定量的除去二氧化碳的干燥空气,维持温度在二氧化碳的干燥空气,维持温度在 180 20
13、0,钠即被氧化为钠即被氧化为 Na2O;4 Na +O2 2 Na2O 2 Na2O +O2 2 Na2O2 进而增加空气流量并迅速提高温度至进而增加空气流量并迅速提高温度至 300 400,既可以制得较纯净的,既可以制得较纯净的 Na2O2 黄色粉末。黄色粉末。过氧化物可与水或稀酸作用,生成过氧化物可与水或稀酸作用,生成 H2O2:Na2O2 +2H2O H2O2 +2NaOH Na2O2 +H2SO4 H2O2 +Na2SO4 2Na2O2 +2CO2 2Na2CO3+O2 过氧化物与过氧化物与 CO2 反应放出反应放出 O2:性质:性质:过氧化物具有强氧化性:过氧化物具有强氧化性:3Na
14、2O2 +Fe2O3 2Na2FeO4 +Na2O 3Na2O2 +Cr2O3 2Na2CrO4 +Na2O 5 Na2O2 +2 MnO4+16 H+5 O2+2 Mn2+10 Na+8 H2O过氧化物也具有还原性:过氧化物也具有还原性:碱金属的过氧化物中,碱金属的过氧化物中,Li2O2 稳定性较差,稳定性较差,在在 195 以上分解,其他过氧化物的以上分解,其他过氧化物的热稳定性较高。热稳定性较高。实验室中用实验室中用 BaO2 与稀硫酸反应制备与稀硫酸反应制备 H2O2:BaO2+H2SO4 H2O2+BaSO4 3 超氧化物和臭氧化物超氧化物和臭氧化物 超氧化物超氧化物中含有超氧离子中
15、含有超氧离子 O2,它比,它比 O2 多一个电子,氧氧之间除形成一个多一个电子,氧氧之间除形成一个键键外,外,还还有一个三有一个三电电子子 键,键级为键,键级为 1.5。只有半径大的只有半径大的超氧化物超氧化物稳定,碱金属超氧稳定,碱金属超氧化物的熔点同族从上到下依次升高,如:化物的熔点同族从上到下依次升高,如:KO2 380,RbO2 412,CsO2 432。超氧化物超氧化物是很强的氧化剂,与水或其他质是很强的氧化剂,与水或其他质子溶剂发生剧烈反应产生氧气和过氧化氢:子溶剂发生剧烈反应产生氧气和过氧化氢:2KO2 +2H2O O2+H2O2+2KOH 超氧化物超氧化物在高温下分解为氧化物和
16、氧气:在高温下分解为氧化物和氧气:4KO2 2K2O +3O2 4KO2+2CO2 2K2CO3 +3O2 臭氧化物可以通过下面反应制取臭氧化物可以通过下面反应制取,如,如臭臭氧化钾氧化钾:6 KOH(s)+4 O3(g)4 KO3(s)+2 KOH H2O(s)+O2(g)KO3 不稳定,缓慢分解为不稳定,缓慢分解为 KO2 和和 O2,遇,遇水剧烈反应,也放出水剧烈反应,也放出 O2:2KO3 2KO2 +O2 4KO3+2H2O 4KOH +5O2 二、氢氧化物二、氢氧化物 1 氢氧化物性质氢氧化物性质 碱金属和碱土金属的氢氧化物都是白色固体。碱金属和碱土金属的氢氧化物都是白色固体。Be
17、(OH)2为为两两性性氢氢氧氧化化物物,LiOH和和Be(OH)2为为中中强强碱,其余氢氧化物都是强碱。碱,其余氢氧化物都是强碱。碱碱金金属属的的氢氢氧氧化化物物都都易易溶溶于于水水,在在空空气气中中很很容容易易吸吸潮潮,它它们们溶溶解解于于水水时时放放出出大大量量的的热热。除除氢氢氧氧化化锂锂的的溶溶解解度度稍稍小小外外,其其余余的的碱碱金金属属氢氢氧氧化化物物在在常常温温下下可可以以形形成成很很浓浓的的溶液。溶液。碱碱金金属属及及碱碱土土金金属属的的氢氢氧氧化化物物在在水水中中的的溶溶解度(解度(288 K,单位,单位moldm3)LiOH NaOH KOH RbOH CsOH 5.3 2
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