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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”。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?；鸺枰艽蟮墓β蕘砜朔厍蛞Γ拍茱w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?，F(xiàn)在，鋰被科學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)熱核反應放出的能量，相當于燃燒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。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金屬，作核反應堆得到熱劑。（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的鉀鹽強。因此，化學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)，也是化學工業(yè)的基礎。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（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,（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、堿土金屬的化學性質(zhì),（一）氫化物：制備：Ca+H2─→CaH2化性：CaH2+H2O─→Ca（OH)2+H2應用：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Be(OH)2+2H+→Be2++2H2O與堿反應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M+，極化作用越強。O－H鍵變?nèi)?，MOH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：2Mg+O2==2MgO3Mg+N2=Mg3N22.與水的反應：Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2(加熱)3.與酸的反應：Mg+2HCl=MgCl2+H24.與氧化物的反應：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,