硷金属和硷土金属

2020-07-27    收藏382
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硷金属元素的价层电子结构为ns1。由于每一个週期都是从硷金属元素开始的,因此硷金属元素的原子都比前一週期元素的原子多了一个电子层,它们的原子半径在同一週期中都是最大的。硷金属原子的次外层具有惰性气体原子的稳定电子层结构,对核电荷的遮蔽效应较大,所以它们的第一游离能在同一週期中是最小的。

硷金属原子很容易失去一个电子而呈+1氧化数,低游离能和低电负度使硷金属元素的金属性很强。从硷金属元素具有很大的第二游离能来看,它们不会失去第二个电子,因此不会表现出其他氧化数。

硷金属元素和硷土金属元素在与非金属元素化合时,虽然多以形成离子键为主,但在某些情况下仍呈现出一定程度的共价性。锂和铍元素由于原子半径小,游离能较其他同族元素高,所以形成共价键的倾向比较显着(少数镁的化合物也是共价性较强);常常表现出与同族其他元素不同的化学性质。在同一族中,硷金属元素和硷土金属元素从上至下,原子半径依次增大,游离能和电负度依次减小,金属活泼性依次增强。

硷金属元素和硷土金属元素的金属性很强,只能以化合物的形式存在于自然界中。钙、钠、钾和镁元素在地壳中的丰度均很高,而锂、铍、铷、铯含量很低属于稀有金属,鍅和镭则为放射性元素。

硷金属和硷土金属都具有金属光泽,有良好的导电性和延展性。除了铍和镁单质以外,其他硷金属和硷土金属都很软,可以用刀子切割。金属锂、钠和钾的密度小于1g /cm3,比水的密度小,会浮在水面上。硷金属元素的原子只有一个价电子,且原子半径较大,故形成的金属键很弱,因此,硷金属单质的熔点、沸点较低。其中铯的熔点最低,只有28. 44℃,是熔点略高于汞的低熔点金属。

金属铯中的自由电子活性极大,当其表面受到光照时,电子便获得能量从表面逸出,利用这种特性,铯被用来製作光电管中的阴极。硷土金属元素的原子有2个价电子,与同周期的硷金族相比,金属键较强,因此硷土族金属的熔点、沸点、密度和硬度都比硷金族高。

化学性质方面,硷金属和硷土金属都是很活泼的金属,它们都能与大多数非金属反应。如它们极易在空气中燃烧。在硷金属和硷土金属中,除金属铍和镁由于表面形成一层緻密的保护膜对水稳定外,其他金属单质都容易与水发生反应形成稳定的氢氧化物,这些氢氧化物大多是强硷,例如:NaOH、Ca(OH)2。这些反应放出大量的热,因此金属钠与水发生剧烈作用;金属钾、铷、铯遇水则会燃烧甚至发生爆炸。金属锂、钙、锶和钡与水反应比较缓慢,其原因是这几种金属的熔点较高,反应中放出的热,不足以使它们熔化成液体;另外这几种金属元素的氢氧化物的溶解度较小,它们覆盖在金属固体表面,使金属与水的反应速率降低。

硷金属元素和硷土金属元素化合物在高温火焰中,可以发出特定的颜色,这种现象称为焰色反应。金属原子的外围电子受高温火焰的激发而跃迁到较高能阶轨域上,当电子从高能阶返回到低能阶时,就会发射出特定波长(频率)的光束,使火焰呈现出它们的特徵焰色:锂为深红色;钠为黄色、钾为紫色、铷为紫红色、铯为蓝色、钙为砖红色、锶为红色、钡为绿色。

硷金属元素和硷土金属化合物大多数是离子型化合物。它们的离子易和水分子结合成稳定的水合离子:M+(aq)和M2+(aq)而且都是无色的。硷金属离子与同週期的硷土金属离子相比,有较大的离子半径和较小的电荷,同时它们的离子最外电子层结构符合八隅体(Li+、Be2+除外)。所以硷金属的氢氧化物和盐,大多易溶于水,氢氧化物和盐的溶解度比硷土金属更大。

硷金属在空气中燃烧时,金属锂主要生成LiO,而金属钠、钾、铷和铯主要生成Na2O2、KO2、RbO2和CsO2。硷金属氧化物和硷土金属氧化物的热稳定性的大趋势是从Li2O到Cs2O、从BeO到BaO逐渐降低。硷金属氢氧化物和硷土金属氢氧化物都是白色晶体,在空气中易吸水潮解,所以NaOH和Ca(OH)2晶体 皆可作为乾燥剂。硷金属氢氧化物易溶于水,而硷土金属氢氧化物在水中的溶解度较小。硷金属氢氧化物的溶解度从LiOH到CsOH依次增大;硷土金属氢氧化物的溶解度从Be (OH)2到Ba(OH)2也依次递增,而Be(OH)2和Mg(OH)2则难溶于水。


参考资料:
1. Geoff Rayner-Canham, Tina Overton, 2006, Descriptive Inorganic Chemistry, 4th ed., Freeman.
2. 司学芝、刘捷、展海军,2009年,无机化学,化学工业出版社。

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