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第八章主族金屬元素（一）堿金屬和堿土金屬,第一節(jié)化學(xué)元素的自然資源第二節(jié)堿金屬第三節(jié)堿土金屬,第一節(jié)化學(xué)元素的自然資源,一、地殼中元素的分布和存在類型元素的豐度：元素在地殼中的相對含量稱為豐度。豐度通常以質(zhì)量分數(shù)或原子分數(shù)表示地殼中豐度最大的前十位的元素是：地殼中主要含量元素的豐度（質(zhì)量分數(shù)）,元素大部分以化合物的形式存在，只有少數(shù)以單質(zhì)形式存在化合物主要有：氧化物（包括含氧酸鹽）----親石元素硫化物----親硫元素元素在地殼中的分別如下表：,,,二、元素資源的存在形式和提取、利用,1、化學(xué)礦物：自然界3000余種，可利用的僅150來種，目前我國已發(fā)現(xiàn)的可有礦物有136種。分為金屬礦物和非金屬礦物。2、天然含鹽水：包括海水、鹽湖水、地下鹵水和氣井水等。3、大氣：是游離是游離N2，O2和稀有氣體的大本營。4、農(nóng)副產(chǎn)品：可以用來提取無機物。5、工業(yè)廢料：廢水、廢氣和廢渣含有大量的可用之物。,第二節(jié)堿金屬,Li,Na,K,RbCs,,一、堿金屬元素概述：1、堿金屬是IA族S區(qū)元素，包括鋰、鈉、鉀、銣、銫和鈁2、價電子結(jié)構(gòu)：ns13、金屬性：同周期元素中，原子半徑最大，易失1個電子，表現(xiàn)出強烈的金屬性。本族自上而下原子半徑和離子半徑依次增大，其活潑性有規(guī)律地增強。,堿金屬的基本性質(zhì),4、離子焰色：應(yīng)用于定性鑒別鋰（紅色）鈉（黃色）鉀（紫色）銣（紅紫色）銫（藍色）,堿金屬和鈣、鍶、鋇的揮發(fā)性鹽在無色火焰中灼燒時，能使火焰呈現(xiàn)出一定顏色。這叫“焰色反應(yīng)”。堿金屬和鈣、鍶、鋇的鹽，在灼燒時為什么能產(chǎn)生不同的顏色呢？因為當(dāng)金屬或其鹽在火焰上灼燒時，原子被激發(fā)，電子接受了能量從較低的能級跳到較高能級，但處在較高能級的電子是很不穩(wěn)定很快跳回到低能級，這時就將多余的能量以光的形式放出。原子的結(jié)構(gòu)不同，就發(fā)出不同波長的光，所以光的顏色也不同。堿金屬和堿土金屬等能產(chǎn)生可見光譜，而且每一種金屬原子的光譜線比較簡單，所以容易觀察識別。,5、堿金屬元素的化合物多為離子型化合物6、對角線規(guī)則：在周期表中某一元素的性質(zhì)和它右下方的另一元素相似的現(xiàn)象。LiBeBC╲╲╲NaMgAlSi氫氧化物：鋰、鎂為中強堿，水溶性小，受熱易分解為氧化物；鋰和鎂的氟化物、碳酸鹽、磷酸鹽等都難溶于水。Be和Al的單質(zhì)及化合物都具有兩性特點。,7、存在形式：由于堿金屬和堿土金屬的化學(xué)性質(zhì)很活潑，所以它們只能以化合狀態(tài)存在于自然界中。主要礦物有：,鋰的用途1、鋰的密度為0.534g/cm3，是最輕的一種金屬，它在冶金工業(yè)方面被用于制造輕質(zhì)合金和耐腐合金，如Li-A1合金在高溫下比一般航空用的鋁合金強度好，Li-Mg合金已試作火箭、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星和宇宙飛船的部件。2、鋰和它的某些化合物是優(yōu)質(zhì)高能燃料，這些燃料的單位質(zhì)量小，燃燒溫度高，火焰寬，排出氣體速度快，已經(jīng)用于宇宙火箭、人造衛(wèi)星和超音速飛機等系統(tǒng)方面。比如，火箭燃料。火箭需要很大的功率來克服地球引力，才能飛向外層空間。原來，煤油被認為是最有效、使用液氧作氧化劑的燃料，它的發(fā)熱量為550J/g。現(xiàn)在，鋰被科學(xué)家認為是用作火箭燃料的最佳金屬。鋰金屬燃料燃燒后釋放出的熱量達2465J/g，約為煤油的4.5倍。3、鋰在熔點時能跟氫氣作用生成白色晶體氫化鋰，氫化鋰遇水即產(chǎn)生大量的氫氣，用1kg氫化鋰可得到2.8m3的氫氣，在空間飛行上可以用作燃料電池的原料。用于原子能制造業(yè)4、鋰用于原子能工業(yè)，6Li是生產(chǎn)氫彈不可缺少的原料。用中子轟擊6Li生成3H，而6Li3H就是氫彈的炸藥。6LiD和6LiH也是氫彈的重要原料。1g鋰生成的氚化鋰，實現(xiàn)熱核反應(yīng)放出的能量，相當(dāng)于燃燒20t煤。用于醫(yī)療方面5、心臟起搏器是一種脈沖發(fā)生器，它可以用來治療比較嚴重的心臟病。心臟起搏器一般是植入人體的，它以一定頻率發(fā)出的電脈沖刺激心肌，使心房和心室周期性地收縮，從而使心臟正常地工作。過去所用的Zn－Hg電池，壽命比較短（1年－2年）且Hg對人體有一定的危害?，F(xiàn)在所用的鋰電池，它突出的優(yōu)點是：①比容量（單位質(zhì)量電極材料所轉(zhuǎn)換的電量）特別大；②使用壽命長，可達10年，有的可達14－15年。目前全世界大約有200萬心臟病患者帶著這種鋰電池心臟起搏器，金屬鋰給他們帶來了生機。6、鋰鹽（如Li2CO3）用以治療某些精神病。澳大利亞精神病學(xué)家卡特經(jīng)過多年的實驗證明鋰鹽具有治療癲狂病的作用。1948年，這項研究成果試用于臨床醫(yī)學(xué)。引人注目的一個病例是：一位有五年癲狂病史的患者，精神行為完全失常，僅服用兩個多月的鋰藥劑，使奇跡股地康復(fù)了。其它用途7、鋰常用于制有機金屬化合物，如丁基鋰等。丁基鋰可用于有機高分子化合物的合成，作為引發(fā)劑。鋰跟鋁、銅等金屬可制成低密度的和在高溫下保持高強度的合金。把鈉玻璃浸在含有鋰化合物的熔鹽浴中，鋰離子代替了玻璃表面的鈉離子，使玻璃的強度增大。,8、氫化鋁鋰（LiAlH4）是有機反應(yīng)中常用的還原劑。9、硬脂酸鋰（C17H35COOLi）和軟脂酸鋰（C15H31COOLi）是理想的潤滑劑，即使在-60。C的環(huán)境中，也不會結(jié)冰。鈉與鈉的化合物的用途鈉的用途（含部分鉀的用途）1、人體中80%的鈉分布于細胞外液中，其余的主要分布在骨骼中；鉀主要分布在細胞液中，其余貯藏在肌肉和紅細胞中。鈉和鉀在保持組織細胞與血液之間的電荷和化學(xué)平衡方面起著重要作用。2、高壓鈉燈，提供四種固定波長的光線，其中D65(色溫6504K)是國際光學(xué)測量用標準光線之一，發(fā)出的黃光透霧能力強，常用作路燈。鈉燈也可用作洗相的暗室，因為這種燈不會使相紙曝光。3、鈉是一種強還原劑，可以冶煉鈦、鋯、鈮、鉭等金屬。3、金屬鈉以前主要用于制造車用汽油的抗暴劑——四乙基鉛，但由于會污染環(huán)境，現(xiàn)在已經(jīng)很少用了。4、鈉可以作為合成橡膠的催化劑。5、鈉可以作為石油的脫硫劑。鈉的化合物的用途1、氫氧化鈉的用途⑴制造肥皂。肥皂的主要成分是高級脂肪酸的鈉鹽，通常用油脂和氫氧化鈉為原料經(jīng)過皂化反應(yīng)而制成。⑵精煉石油。石油產(chǎn)品經(jīng)硫酸洗滌后還含有一些酸性物質(zhì)，必須用氫氧化鈉溶液洗滌，再經(jīng)水洗，才能得到精制產(chǎn)品。⑶造紙。造紙的原料是木材或草類植物，這些植物里除含纖維素外，還含有相當(dāng)多的非纖維素（木質(zhì)素、樹膠等）。加入稀的氫氧化鈉溶液可將非纖維素成分溶解而分離，從而制得以纖維素為主要成分的紙漿。銣的用途和銫大致相同，但銣光電池和光陰極的靈敏度以及使用范圍稍遜于銫。銣和鉀、鈉、銫的合金可用以除去高真空系統(tǒng)的殘余氣體。碘化銣銀(RbAg4I5)是良好的離子導(dǎo)體，用作固體電池電解質(zhì)。銣的特征共振頻率為6835兆赫，可用作時間標準。銣原子鐘的特點是體積小，重量輕，需要的功率小。用銣氣泡制成的磁強計，測量范圍達15000～80000伽馬(1伽馬為10-9特斯拉)。氧化銣可用以調(diào)整光學(xué)玻璃的密度和折射率，并可用來生產(chǎn)光敏玻璃和光色玻璃。硝酸銣還可用作化學(xué)鋼化玻璃的熔劑，以提高玻璃的抗張強度。鑄鋁合金中加入0.01～1％的銣，可以改善其力學(xué)性能。熔化的銅中加入0.01～0.5％的銣，用噴霧法可制得表面積大而性能好的銅粉。很多有機和無機合成中，可以用Rb2O代替K2O作助催化劑的組分。銣鹽還可用于制藥。,二、金屬鈉和鉀,（一）物理性質(zhì)鈉和鉀的性質(zhì)十分相似，質(zhì)軟似蠟，易用小刀切開。（二）儲存：需貯存于煤油和石蠟油中鈉與水作用易引起燃燒和爆炸，鉀比鈉更活潑，制備、儲存和使用時應(yīng)更加小心。由于鈉、鉀的搞活破性和強傳熱性用以還原制備相應(yīng)金屬，作核反應(yīng)堆得到熱劑。（三）制備金屬鈉工業(yè)上由電解氯化鈉的熔融鹽制取。金屬鉀因其沸點低，易揮發(fā)，難分離，而難以用電解其熔融鹽法制取，通在熔融狀態(tài)下用金屬鈉置換法制取，因此金屬鉀的價格約是鈉的10倍。,制備方法：,1、電解熔融鹽,如：2NaCl===2Na+Cl2,,,,,,,,,電解,2、熱還原法,如：K2CO3+2C===2K+3CO,3、金屬置換法(工業(yè)上制取鉀),如：KCl+Na==NaCl+K↑,,1473K,真空,三、堿金屬的化學(xué)性質(zhì),（一）堿金屬的氫化物：1、制備：2、化性：主要有LiH和NaH，皆為白色粉末，是離子型化合物，是很強的還原劑：NaH+H2O─→NaOH+H2↑劇烈反應(yīng)4NaH+TiCl4─→Ti+4NaCl+2H2強還原性4LiH+AlCl3─→Li[AlH4]+3LiCl四氫鋁鋰是白色多孔的輕質(zhì)粉末狀復(fù)合氫化物，用于制備有機試劑、藥物、香料。,（二）氧化物：氧化物，過氧化物,超氧化物。1、制備：,2、代表物質(zhì)：過氧化鈉，是淡黃色粉末或粒狀物。（1）酸介質(zhì)中做強氧化劑Na2O2+2H2O─→2NaOH+H2O2Na2O2+2H2SO4（?。┅ぁ鶱a2SO4+H2O22H2O2─→2H2O+O2↑（2）堿介質(zhì)中強氧化劑，分解礦石的熔劑Na2O2+Cr2O3─→2Na2CrO4+Na2ONa2O2+MnO2─→Na2MnO4(3)防毒面具等提供氧氣2Na2O2+2CO2─→2Na2CO3+O2（三）氫氧化物：易潮解，在空氣中吸收CO2生成碳酸鹽，均為白色固體。,1、堿性規(guī)律：LiOHNaOHKOHRbOHCsOH中強堿強堿強堿強堿強堿2、代表物質(zhì)NaOH：又稱燒堿、火堿、苛性堿具有強堿性，除了與非金屬及其氧化物作用外，還與一些兩性金屬及其氧化物作用，生成鈉鹽。Si+2NaOH+H2O─→2Na2SiO3+2H2SiO2+2NaOH─→Na2SiO3+H2O2Al+2NaOH+2H2O─→2NaAlO2+3H2AL2O3+2NaOH─→2NaAlO2+H2O,因為氫氧化鈉、氫氧化鉀易于熔化，又具有溶解某些金屬氧化物、非金屬氧化物的能力，因此工業(yè)生產(chǎn)和分析工作中常用于分解礦石。溶融的氫氧化鈉腐蝕性更強，工業(yè)上熔化氫氧化鈉一般用鑄鐵容器，在實驗室可用銀或鎳的器皿3、制備：苛化法、隔膜電解法和水銀電解（1）苛化法Ca(OH)2+Na2CO3─→2NaOH+CaCO3(2)隔膜電解法和水銀電解法2NaCL+2H2O─→2NaOH+H2+CL2,四、鈉鹽和鉀鹽：,（一）鈉鹽和鉀鹽性質(zhì)的差異(1)易溶于水：溶解度堿金屬鹽類的最大特征是易溶于水，并且在水中完全電離，所有堿金屬離子都是無色的。只有少數(shù)堿金屬鹽是難溶的。鈉、鉀鹽的溶解度都比較大，相對說來，鈉鹽更大些。僅NaHCO3的溶解度不大，NaCl的溶解度隨溫度的變化不大，這是常見的鈉鹽中溶解性較特殊的。(2)吸濕性鈉鹽的吸濕性比相應(yīng)的鉀鹽強。因此，化學(xué)分析工作中常用的標準試劑許多是鉀鹽，如用鄰苯二甲酸氫鉀標定堿液的濃度，用重鉻酸鉀標定還原劑溶液的濃度。在配制炸藥時用KNO3或KClO3，而不用相應(yīng)的鈉鹽。(3)結(jié)晶水含結(jié)晶水的鈉鹽比鉀鹽多。如Na2SO410H2O、K2SO4、Na2HPO410H2O等。,（二）重要的鈉鹽和鉀鹽1、氯化鈉：食用是人類賴以生存的物質(zhì)，也是化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)。NaCl廣泛存在與海洋、鹽湖和巖鹽中。工業(yè)NaC的精制通常采用重結(jié)晶法。純晶體用于紅外光譜儀作濾光材料。2、碳酸鈉：又稱純堿、蘇打、或堿面。有無水、一水、七水及十水結(jié)晶物。生產(chǎn)方法主要有氨堿法（蘇爾維法)和聯(lián)堿法（侯氏制堿法）（1）氨堿法：NH3+CO2+H2O─→NH4HCO3NaCl+NH4HCO3─→NaHCO3↓+NH4Cl2NaHCO3─→Na2CO3+CO2↑+H2O↑2NH4Cl+Ca（OH）2─→CaCl2+2NH3↑+2H2O優(yōu)缺點:原料經(jīng)濟,NaCl利用低,CaCl2廢液無法利用,（2）聯(lián)堿法：是經(jīng)冷凍結(jié)晶析出氯化銨，母液再用于溶解氯化鈉循環(huán)使用。利用NH4Cl在低溫時的溶解度比NaCl小的特性,在5—10度下向母液中加入NaCl粉末,可以得到NH4Cl做氮肥,同時可以利用合成廠的廢氣CO2,且不生成無用CaCl2。3、碳酸氫鈉：小蘇打。4、碳酸鉀：工業(yè)上路布蘭法是用K2SO4與碳和碳酸鈣共燒制取。,第三節(jié)堿土金屬,,Mg,Be,Ca,Sr,Ba,一、堿土金屬元素概述：（一）堿土金屬是周期表的IIA族元素，s區(qū)元素。,,,,,,,,,,（二）堿金屬和堿土金屬的比較,,,,,,,,,核電荷原子半徑熔、沸點硬度∧∨∧∧核電荷原子半徑熔、沸點硬度,,,,,,,,,,堿金屬和堿土金屬的性質(zhì),,,,,,,,,,堿金屬和堿土金屬的性質(zhì),,,氧化數(shù)與族數(shù)一致，常見的化合物以離子型為主由于Li+、Be2+半徑小，其化合物具有一定共價性,堿金屬與堿土金屬比較,1、熔沸點硬度密度﹥堿金屬2、活潑性﹤堿金屬3、也可以發(fā)生焰色反應(yīng)MgCaSrBa白光磚紅色艷紅色綠色4、氫化物穩(wěn)定性﹥堿金屬氫化物5、鹽類溶解度、含氧酸鹽熱穩(wěn)定性﹤堿金屬6、鈹?shù)奶厥庑裕号c鋁相似（1）與H2O不反應(yīng)（2）Be(OH)2具有兩性。（3）BeO熔點高、硬度大。（4）BeCl2為共價化合物。,,Li,Na,K,Ca,Sr,Ba,焰色反應(yīng),（二）堿土金屬的用途堿土金屬有著廣泛的用途。鈹具有透過X射線的能力，常用作X光管的透射材料和制造霓虹燈的元件。鈹也用作原于反應(yīng)推的減速劉，鈹青銅合合的抗拉強度很大，比鋼大9倍，而彈性似彈簧鋼，被稱為“超硬合金”，其機械性能優(yōu)良，硬度大，彈性好，抗腐蝕能力強，常用于制造氣閥座、手表游絲、高速軸承、耐磨齒輪及精密儀器的零件等。鈹-鎂-鈷合金輕而堅硬，常用于航空航天工業(yè)中。鈹及其化合物有毒，能導(dǎo)致嚴重的肺病和皮膚炎。鎂離子在機體中的生化作用是十分重要的。鎂能激活人體中的不少生物酶，對蛋白質(zhì)的合成起重要作用。鎂是構(gòu)成葉綠素的重要成分。鎂還具有鎮(zhèn)靜作用，在血液中注射鎂鹽可以引起麻醉。在工業(yè)中，鎂主要用于制強度高、密度小的合金，廣泛用于汽車、飛機制造業(yè)中。鈣是構(gòu)成人和動物骨骼的主要成分，在傳遞神經(jīng)脈沖、觸發(fā)肌肉收縮和激素釋放、血液的凝結(jié)以及正常心律調(diào)節(jié)中，Ca2+都起著重要的作期。鈣鹽是人休必需的無機鹽。人體每天要補充400~1500mg的鈣。如果人體缺鈣就會導(dǎo)致佝僂病及骨質(zhì)硫松癥。鈣主要來源于牛奶、干酪及綠葉蔬菜。,（三）堿土金屬的制備1、鈹通常是用金屬鎂在大約1300℃下還原BeF2來制取的，也可以用電解熔融BeCl2(加入堿金屬氯化物作助熔劑)的方法制得。2、鎂是所有這族金屬中生產(chǎn)規(guī)模最大的金屬，世界年產(chǎn)量在幾十萬噸以上。電解法和硅熱還原法是工業(yè)上生產(chǎn)鎂的主要方法。電解法是在750℃的溫度下，通過電解熔融的MgCl2而獲得鎂。硅熱還原法則是在減壓和1150℃的溫度下，用硅鐵與煅燒過的白云石進行反應(yīng)而制得鎂：2(MgO?CaO)+FeSi==2Mg+Ca2Si04+Fe3、鈣、鍶、鋇都可以用其氯化物進行熔鹽電解制得，鍶和鋇還可以用金屬鋁在高溫和真空條件下還原其氧化物制得。,（四）存在形式：一般以礦物的形式存在,二、堿土金屬的化學(xué)性質(zhì),（一）氫化物：制備：Ca+H2─→CaH2化性：CaH2+H2O─→Ca（OH)2+H2應(yīng)用：放出大量的氫氣，可作為野外產(chǎn)生氫氣的材料。（二）氧化物：Ba+O2─→BaO2堿金屬和堿土金屬與氧氣的反應(yīng)比較如下：,,(三）氫氧化物1、MOH易溶于水，放熱。堿土金屬溶解度（20℃）,同族，從上到下，溶解度增大。,2、堿性規(guī)律,與酸反應(yīng)Be(OH)2+2H+→Be2++2H2O與堿反應(yīng)Be(OH)2+2OH-→[Be(OH)4]2-,,氫氧化物酸堿性遞變規(guī)律——M-O-H規(guī)律,一般地，在MOH中，如果ф的值越大，則說明氧原子的電子云偏向當(dāng)M+，極化作用越強。O－H鍵變?nèi)酰琈OH以酸式電離為主，即酸性越強。反之，則MOH更趨向堿式電離.判斷酸堿性的經(jīng)驗公式為：φ:＜0.22ROH呈酸性：=0.22~0.32ROH呈兩性：＞0.32ROH呈堿性此規(guī)則也稱為MOH規(guī)則。,,,,代表物質(zhì)：1、氧化鎂（MgO)俗稱:苦土;燈粉物理性質(zhì):白色輕松粉末，無臭、無味，本品不溶于水和乙醇，熔點2852℃，沸點3600℃，氧化鎂有高度耐火絕緣性能?；瘜W(xué)性質(zhì)：氧化鎂是堿性氧化物,具有堿性氧化物的通性暴露在空氣中，容易吸收水份和二氧化碳,溶于酸和銨鹽1.與非金屬單質(zhì)的反應(yīng)：2Mg+O2==2MgO3Mg+N2=Mg3N22.與水的反應(yīng)：Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2(加熱)3.與酸的反應(yīng)：Mg+2HCl=MgCl2+H24.與氧化物的反應(yīng)：2Mg+CO2=2MgO+C(點燃),2、氧化鈣和氫氧化鈣氧化鈣俗稱生石灰、石灰。工業(yè)上煅燒石灰石CaCO3─→（高溫）CaO+CO2↑CaO+H2O─→Ca(OH)2放出大量的熱生石灰熟石灰用途：醫(yī)藥級和食品級氫氧化鈣廣泛用于醫(yī)藥、食品添加劑的合成、高技術(shù)生物材料HA的合成、飼料添加劑的VC磷酸脂的合成、食品魔芋、鈣劑合成及環(huán)烷酸鈣、乳酸鈣、檸檬酸鈣制糖業(yè)的添加劑和水處理及其他高檔有機化工的合成。工業(yè)級氫氧化鈣主要應(yīng)用環(huán)保中和劑，酸性廢水、污水處理、鍋爐煙氣脫硫和房屋建筑。,（四）堿土金屬的鹽類,1、堿土金屬鹽類的通性：（1）晶體類型BeCL2—MgCL2—CaCL2—SrCl2—BaCl2離子半徑增大，極化力減弱，化學(xué)鍵離子性增強，熔沸點升高。,BeCl2MgCl2CaCl2SrCl2BaCl2熔點/℃405714782876962,（2）溶解度：大多數(shù)難溶于水可溶：硝酸鹽和氯化物難溶：鈣、鍶、鋇的碳酸鹽、草酸鹽、硫酸鹽（3）熱穩(wěn)定性:比堿金屬差比較表8—10可知：①從Be到Ba，含鹽酸鹽熱分解溫度升高。BeCO3MgCO3CaCO3SrCO3BaCO3T/℃＜10054090012901360②硝酸鹽熱穩(wěn)定性差③穩(wěn)定性M2CO3＞MCO3，既堿土金屬含氧酸鹽的熱分解溫度大于堿金屬含氧酸鹽。,,2、代表物質(zhì)（1）氯化鈣：制備：CaCO3+2HCl─→CaCl2+CO2+H2O用途：無水氯化鈣具有強吸水性，可做干燥劑，廣泛用于干燥O2、N2、CO2、HCLH2S等氣體以及醛酮醚等有機試劑。CaCl2.2H2O可做致冷劑,比食鹽效果更好。（2）硫酸鈣：制備：CaCl2+(NH4)2SO4+2H2O─→CaSO4.2H2O+2NH4Cl用途：見課本194表,,(3)鍶鹽：天青石制備：SrSO4+NaCO3─→SrCO3+Na2SO4SrCO3+HNO3─→Sr(NO3)2+CO2+H2O用途：制造紅色煙火信號、電視顯像管和玻璃工業(yè)。（4）鋇鹽：重晶石制備：BaSO4+2C─→BaS+2CO2BaS+2HCl─→BaCl2+H2SBaCl2+Na2SO4─→BaSO4(純凈）+NaCl,,本章結(jié)束,