【无机化学】碱金属和碱土金属的单质

一、单质的物理性质、化学性质及用途

1. 单质的物理性质及用途

碱金属和碱土金属单质除铍呈钢灰色外，其余均具有银白色光泽。碱金属具有密度小、硬度小、熔点低的特点，是典型的软、轻金属。其中锂、钠、钾比水轻，锂比没有还轻，是固体单质中最轻的。由于它们的硬度小、钠和钾可用小刀切割。切割后的新鲜表面可以看到银白色得金属光泽，接触空气后，由于生成氢化物、氮化物和碳酸盐的外壳，颜色变暗。金属还具有良好的导电性。铷和铯在光照下便可发射电子，因此它们可做光电元件材料。铯光电管制成的自动报警装置可报告远处的火警。在天文仪器中，铯光电管可测出星体的亮度，从而推测该星体与地球之间的距离。铷、铯还可用于制造最准确的计时仪器——铷、铯原子钟。铷、铯等碱金属之所以具有上述性质，是因为与同周期元素相比较，它们的原子体积最大，又只有一个成键电子，固体均为体心立方晶格，原子间引力较弱。

碱土金属由于核外电子有2个成键电子，晶体中原子间距离较小，金属键强度较大，因此它们的熔点、沸点较碱金属高，硬度也较大，但导电性却低于碱金属。另外，碱土金属的物理性质不如碱金属那么有规律，这是由于它们单质的晶格类型不同所致。铍。镁为六方晶格，钙、锶为面心立方晶格，钡为体心立方晶格。

碱金属和碱土金属的单质及合金在工农业生产、科学研究和日常生活中较为广泛。钠钾合金由于具有较高的比热容和较宽的液态范围被用做核反应堆的冷却剂；钾贡齐由于具有缓和和还原性而常在有机合成中做成还原剂。钠在实验室常用来除去残留在有机溶剂中的微量水分。

碱土金属中实际用途最大的事镁、其次是铍。镁主要是用于制镁铝合金和电子合金，供制造汽车和飞机的部件。薄的铍片易被X射线穿过，是制造X射线管小窗不可取代的材料；铍还是核反应堆中最好的中子反射剂和减速剂之一；由于铍密度小，比热容大、导热性好、韧度大等优良性能，使它在航空、航天方面得到了广泛应用。

钾、钠、钙、镁均是动物体必需的元素，其中钾、钠是体液的重要成分；钙是骨骼的主要组成部分；镁则作为许多酶的活化剂，对肌肉的新陈代谢和中枢神经系统作用。在植物体中，钾对碳水化合物的形成及植物组织的发育有重要作用。而镁的配合物叶绿素在光合作用中起最主要的作用。Li2CO3可以用来治疗狂躁型抑郁症。

二、单质的化学性质

碱金属和碱土金属很活泼，易与活泼的非金属单质反应生成离子化合物。如在空气中碱金属表面迅速罩上一层氧化物，锂表面还有氮氧化物。钠、钾在空气中加热便燃烧、铯、铷在常温下，遇空气就立即燃烧。碱土金属的活泼型弱于碱金属，室温下这些金属表面缓慢生成氧化膜，在空气中加热时才显著发生反应，除有氧化物生成外，还有氮化物生成。例如：

3Ca+N2=Ca3N2

因此，在金属冶炼及电子工业中常用锂、钙做除气剂，以除去某些体系中不必要的氧气和氮气。

碱金属和碱土金属均能与水反应，但反应的剧烈程度各不相同。锂的电极电势随比铯更负，但由于锂的熔点较高，且LiOH溶解度小，易覆盖在锂的表面，因而锂与水反应不如钠剧烈。钠与水反应放出的热使钠融化成小球；钾与水反应产生的氢气能燃烧；铯、铷与水剧烈反应发生爆炸。相比之下，碱土金属与水的反应要温和得多。铍仅能与水蒸气反应；镁能分解热水；钙、锶、钡能与冷水发生比较剧烈的反应。

由碱金属和碱土金属的电负性和电极电势可知，它们在固态和水溶液中都是强还原剂，但由于它们能还原水，因此不宜做还原剂还原水溶液中的其它物质。但在非水体系，如固相反应和有机反应体系中，它们的还原性得到了广泛的应用。如冶金工业中常用钠、镁做还原剂：

TiCl4+4Na=Ti+4Nacl  SiO2+2Mg=Si+2MgO

碱金属能溶在液氨中，其稀溶液呈蓝色，且随溶液浓度的增大，溶液颜色加深。当浓度超过1mol/L后，在原来深蓝色溶液上出现一个青铜色的新相。浓度继续加大，溶液由蓝色变青铜色。将此溶液增发，又得到碱金属。

钙、锶、钡也能溶于液氨生成蓝色溶液。

碱金属的另一个性质便是能获得电子生成非常活泼的负离子M-。这是因为碱金属得到一个电子后，s轨道全充满了，这种结构的稳定性质虽比8电子构型差些，但比只有半充满的s轨道都要稳定些，所以在特殊条件下碱金属能形成负离子。

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