1、1第二章 碱金属 本章说明一、教材分析碱金属是典型的金属元素，是学生学习的第一个金属元素族。将碱金属编排在第二章讨论，是基于以下几点考虑：1.义务教育初中化学教材中已介绍了铁等金属，以及碳酸钠、氯化钠、氢氧化钠等钠的化合物的知识，为碱金属知识的介绍奠定了一定的基础。2.与卤素相比较，对碱金属的学习，可能会使学生感到相对更简单、更容易些，因此，有利于减轻学生在高中学习初期的不适应感。3.有利于复习巩固和运用第一章所学的氧化还原反应、离子反应、放热反应和吸热反应等知识。本章教材在复习初中金属原子的最外层电子数的特征以及碱的有关知识后，在章前言中简单介绍了钾、钠等称为碱金属的原因。教材还从章图中碱金
2、属元素的原子结构示意图引导学生得出，由于它们的最外层上的电子数都是 1，在反应时很容易失去，因此，它们都是很活泼的金属。这是本章及本节教学的理论指导。本章教材具有以下特点：1.重视实验教学。本章教材共编入了 11 个实验和 1 个家庭小实验，且在第一节的编写上要求采用边讲边做实验的教学方法，即很重视通过实验，给学生以大量的感性知识，并重视通过对实验现象的分析和比较，引导学生得出结论，激发学生学习化学的兴趣。编入的演示实验或边讲边做实验中，吸收了教师在教学中研究出来的好成果，使实验更简单易行，现象更明显，以利于学生观察。2.重视化学史教育。教材中编入了两个阅读材料：侯氏制碱法和金属钾的发现。采用
3、针对史实而不全面论及个人的编写方法，较为详细地介绍了侯氏制碱法和金属钾的发现历史，对学生进行科学态度和爱国主义等教育。3.重视科学方法的训练。本章第三节教材的编写采用了化学学习中使用较多的科学方法模式。即通过实验和观察，将实验现象和数据等资料加以分析，找出规律性的知识，并根据这些规律性的知识，进一步对一些物质的性质作出推论和预测，推论和预测经过多次论证后，即可将其中的正确部分上升为理论。这种科学方法模式的训练，有利于培养学生的思维能力和自学能力，使他们能利用这种模式来进行卤素等章的学习，也为学生今后学习元素周期律和原子结构等知识打下良好的基础。本章教学重点：钠的化学性质，碱金属元素性质的比较。
4、本章教学难点：碱金属元素性质的比较。二、课时分配建议第一节 钠 1第二节 钠的化合物 1第三节 碱金属元素 2实验三 碱金属及其化合物的性质 1本章复习 1第一节 钠2一、教学目的要求1.使学生认识钠是一种很活泼的金属，了解钠的物理性质，掌握钠的化学性质。2.通过钠的有关性质实验以及对实验现象的讨论，培养学生的观察能力和思维能力。二、教材分析和教学建议本节教材包括三部分内容：钠的物理性质、钠的化学性质，以及钠的存在和主要用途。在钠的化学性质中，重点讨论了钠与氧气的反应以及钠与水的反应。在钠的存在和主要用途中，首先介绍了自然界里元素的两种存在形态游离态和化合态，然后结合钠的化学性质很活泼，引导学
5、生得出在自然界中钠只能以化合态存在。钠的用途只作简单介绍。本节教材具有以下特点：1.本节教材为边讲边做实验模式，很重视通过实验给学生以感性认识，并通过对实验现象的观察和分析，引导学生共同讨论得出有关结论，获取新知识。例如，教材对钠的性质的介绍是通过 4 个实验展开的。尤其是钠与水的反应的实验，通过对两个实验主要现象的讨论，引导学生自己得出钠的密度比水的小、钠与水的反应是放热反应，以及反应后生成了碱(氢氧化钠) 和氢气等结论，培养学生分析问题的能力和科学态度。2.重视知识的综合运用，通过对知识的综合运用来加深学生对所学知识的理解。例如，教材中对实验室里的钠为什么通常保存在煤油里的介绍，就是通过对
6、所学知识的综合运用来进行的。本节教材后的习题也很重视综合运用第一章及本节所学的知识。教学建议如下：1.该节教材的编写采用了边讲边做实验的模式，因此教学时应抓住提出问题、实验、观察、分析、结论等几个关键环节，引导学生主动参与体验学习，并在与同学们的交流和合作中学习新知识，训练科学方法。2.组织好钠与水反应有关现象的讨论，重点应放在引导学生如何观察钠与水反应的现象，以及如何根据现象分析钠的性质的教学上，以使学生能够举一反三，了解元素化合物知识学习的常用方法。3.注意联系上一章的氧化还原反应等有关知识，引导学生在知识的应用过程中更好地理解氧化还原反应等原理。4.注意将钠的性质与其结构、用途等联系起来
7、进行教学，使学生了解物质的性质往往是其内在结构的反映，而物质的用途又往往是由其性质决定的，使学生了解物质的结构、性质与用途之间的密切关系。本节教学重点：从钠的原子结构特征认识钠的化学性质。本节教学难点：对实验现象的观察和分析。三、演示实验说明和建议实验 2-1观察钠的金属光泽还可以用以下方法：(1)取两支口径不同而长短适当的试管，一支试管较小，可以紧密地放到另一支试管里而不留下多少空隙。先在口径较大的试管里注入 1 m洁净的煤油，取金属钠一小块(黄豆大)，除去表面已经发生变化的部分，露出金属光泽，放入盛有煤油的试管里。在试管底部缓缓加热，等钠熔化后，插入较小口径的试管，把钠压挤在两管之间，成一
8、薄层，钠的颜色和光泽就清楚地显现出来。然后在两支试管口间的缝隙涂上石蜡，以隔绝空气，这样可以使钠的光泽在较长的时间内不致消失。3(2)选取一根管壁较薄的玻璃管，用布包裹着玻璃管像使用钻孔器一样，慢慢地钻入大的钠块里，使管中填有一段银白色的金属钠。用玻璃棒把钠推移到管的中央，然后用蜡封好玻璃管的两端，这样样品就可以长期保存使用。实验 2-2钠在空气里燃烧时，如罩上一个干燥的小烧杯，还可看到烧杯壁上附着的淡黄色的Na2O2。也可将钠放在破试管中加热。做此实验时应注意在钠开始燃烧后立即撤掉酒精灯。四、部分习题参考答案习题二：B习题五：2. 2L五、资料1.金属钠的用途有相当大一部分金属钠用于制造一种
9、抗爆震剂四乙基铅，它能降低汽油的爆震性，减少在汽油发动机中使用汽油时发生的噪音。四乙基铅通常是使氯乙烷跟金属钠和铅的合金(钠铅齐) 起反应而制得的。4C2H5Cl+4Na+Pb=(C2H5)4Pb+4NaCl金属钠能从钛、锆、铌、钽等金属元素的化合物中把它们置换出来。例如：TiCl4+4Na Ti+4NaCl铌和钽通常是共生在某一种矿物内，一般是先分离它们的氟化物，然后再用金属钠置换出铌和钽。NbF5+5Na=Nb+5NaFTaF5+5Na=Ta+5NaF钠还用于制造过氧化钠等化合物。钠和钾组成的合金在常温时是液体，用于快中子增殖反应堆作热交换流体。下面列出几种钠钾合金的熔点。钠 钾 熔点20
10、% 80% -10 22% 78% -11 24% 76% -3.5 40% 60% 5 (以上均指质量分数)高压钠灯现在已大量应用于道路和广场的照明。由于它不降低照度水平而又能减少能源消耗，所以有取代高压汞灯的趋势。早在 1950 年就在实验室中解决了钠蒸气的气体放电发光问题，但由于需要解决在高温、高压下钠蒸气有很强的腐蚀性的问题，直到 1965 年才制出了第一支高压钠灯。高压钠灯虽问世较晚，但发展很快。钠灯也可用于洗相的暗室，因为这种黄光不会使相纸曝光。2.金属钠的制法原理金属钠是在 1807 年通过电解氢氧化钠制得的，这个原理应用于工业生产，约在 1891 年才获得成功。1921 年电解
11、氯化钠制钠的工业方法实现了。由于金属钠在现代技术上得到重要应用，它的产量显著地增4加。目前，世界上钠的工业生产多数是用电解氯化钠的方法，少数仍沿用电解氢氧化钠的方法。电解氯化钠制金属钠通常在电解槽(图 2-1)里进行。电解时氯化钠需要熔融，因氯化钠的熔点为 801 ，在技术上有困难。所以用熔融温度约为 580 的 40%(质量分数) 氯化钠和 60%氯化钙的低共熔物(即两种或两种以上物质形成的熔点最低的混合物)，这样可降低电解时所需的温度，从而也降低了钠的蒸气压。电解时，氯气在阳极放出，当电流通过熔盐时，金属钠和金属钙同时被还原出来，浮在阴极上方的熔盐上面，从管道溢出。把熔融的金属混合物冷却到
12、 105 110 ，金属钙成晶体析出，经过滤就可以把金属钠跟金属钙分离。图 2-1 制钠电解槽的示意图1.石墨阳极 2.网状隔膜 3.铁管内液体钠 4.钠收集管5.种罩 6.铁环阴极 7.倒装的环形槽3.碱金属的氢化物当碱金属跟氢气发生反应时，就生成碱金属的氢化物，它们都是离子化合物，其中氢以阴离子 H-的形式存在，氢显-1 价。它们的结构可以用电子式表示如下：碱金属的氢化物 LiH NaH KH RbH CsH电子式 Li +H- Na+H- K+H- Rb+H- Cs+H-氢化物中的氢跟卤化物中的卤素，在原子结构上有一些相似的地方，因为它们都是得到 1 个电子而形成阴离子。由此也可以说，氢
13、元素在一定程度上有着类似卤素的性质。当然，氢没有卤素那样活泼，它接受电子的能力也比卤素弱，因此成为阴离子的倾向也比较弱。在这里，试比较氢和卤素中的溴在接受电子以后的能量变化。Br2(g)+e-Br -(g)；H=-214 kJ/molH2(g)+e-H -(g)；H=+151 kJ/mol从 Br2 变成 Br-是放热的，从 H2 变成 H-是吸热的，所以只有很活泼的金属，如碱金属和碱土金属才能跟氢生成离子型的氢化物，如 NaH、CaH 2 等。碱金属的氢化物是强还原剂，用于有机合成，制备碱金属的硼氢化物(如 NaBH4)、铝氢化物(如NaAlH4)等。钢制品的除锈可以用氢化钠，即把钢制品浸在
14、 NaH 的质量分数为 2%的熔融 NaOH 槽中，铁5锈因被还原为铁而除去。LiH 是一种氢气发生剂，用于军事上或其他需要氢气的场合。LiH + H2O=LiOH + H2碱金属氢化物的制法通常是使碱金属跟氢气直接反应。氢化锂是由熔融的锂跟氢气直接反应而生成的。2Li+H2=2LiH生成的物质必须保存在惰性的气体中，以避免着火。熔融钠在 100 110 时，开始吸收氢气，到 300 400 时，反应较快。氢化钠在钠的表面上形成，这层氢化钠阻止了反应的继续进行。生产上，使金属钠分散在高熔点的烃类里或跟熔融的氯化钠混合，以保证钠跟氢气的接触。第二节 钠的化合物一、教学目的要求1.使学生了解钠的重
15、要化合物的性质和用途。2.通过碳酸钠和碳酸氢钠的热稳定性实验，使学生了解鉴别它们的方法。二、教材分析和教学建议钠的化合物很多，本节教材在初中已介绍过的氢氧化钠和氯化钠等的基础上，主要介绍过氧化钠、碳酸钠和碳酸氢钠。对于过氧化钠，重点介绍它与水的反应，以及与二氧化碳的反应。同时，还简单介绍了过氧化钠的用途。对于碳酸钠和碳酸氢钠，重点介绍它们与盐酸的反应，以及它们的热稳定性。同时，通过对它们的热稳定性不同的介绍，使学生进一步了解碳酸钠和碳酸氢钠的鉴别方法。本节习题中的计算题，涉及到混合物中有一种物质不起反应的类型，因此类计算题实质上是有关杂质的计算，因此是对初中所学有关杂质计算技能的发展。本节教材
16、具有以下特点：1.与第一节教材类似，本节教材也很重视实验教学。例如，教材中对过氧化钠、碳酸钠和碳酸氢钠的介绍，都是先通过实验给学生以感性知识，然后再通过对实验现象的观察和分析，引导学生共同得出有关结论。这样的编写方式有利于学生参与教学过程，使他们能主动学习。教材最后的家庭小实验，具有探索和设计实验的性质，有利于激发学生的学习兴趣和培养能力。2.教材重视采取对比的方法来介绍碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸的反应，以及它们的热稳定性。这样的编写方法，可以使学生在比较中学习，并使他们对所学知识留下深刻的印象，有利于他们理解、记忆知识，也有利于他们掌握正确的学习方法。3.教材重视知识在实际中的运用。例如，教材中
17、编入的“讨论”以及家庭小实验，就是引导学生运用所学知识来解决一些简单的化学问题。4教材重视化学史的教育。教材后编入的阅读材料 “侯氏制碱法”，较详细地介绍了侯氏制碱法发现的历史背景以及它所起的作用等，以对学生进行化学史方面的教育及爱国主义教育。教学建议如下：61.如果条件允许的话，可以继承上一节的教学方法，即采用边讲边做实验的方法。重点仍放在引导学生进行实验、观察、分析等关键环节的教学上，以使学生主动参与教学过程，有效地获取知识。2.注意采用对比的教学方法，尤其是在对碳酸钠和碳酸氢钠的教学上，采用对比的教学方法，更有利于学生了解它们性质的差别，并进而理解鉴别它们的原理和方法。可以设计表格，对碳
18、酸钠和碳酸氢钠的颜色、状态、溶解性、热稳定性等进行对比，以有利于学生理解和记忆。3.钠的化合物在生活和生产实际中都有很广泛的应用，应注意密切联系实际并利用实物和实物照片进行教学。4.重视引导学生认真阅读“侯氏制碱法”，使学生了解科学家的优良品德和所具有的科学精神。尽可能创造条件鼓励学生做家庭小实验，培养学生的创新精神和应用知识解决实际问题的能力。本节教学重点：碳酸钠和碳酸氢钠的性质及其鉴别方法。本节教学难点：过氧化钠与二氧化碳的反应。三、演示实验说明和建议实验 2-5 可用一支大试管，先放入少量固体过氧化钠，再注入少量水，反应立即发生，并有大量的气泡产生。这时应迅速地把带有余烬的木条伸入试管，
19、可看到木条复燃，证明产生了氧气。在放出氧气后的溶液里滴入几滴酚酞试液，可看到溶液颜色变红，说明有氢氧化钠生成。由于反应剧烈，过氧化钠的用量不宜过多。如果没有过氧化钠，可将金属钠放在一块干净的铁片上加热，使它在空气中燃烧以制取过氧化钠。实验 2-6 水不宜滴加过多，约 4 滴即可。实验 2-7 这是对比实验，应该注意反应物的用量应相等，气球内的碳酸钠和碳酸氢钠应同时倒入试管中，这样实验结果才更有说服力。此外，碳酸氢钠与酸的反应比较剧烈，建议药品用量要少，以免使反应过猛。实验 2-8 在这个实验中，分别加热碳酸钠和碳酸氢钠，目的是为了让学生了解碳酸钠比较稳定，在这样的实验条件下不会分解，而碳酸氢钠
20、则容易分解。碳酸钠的熔点是 851 ，当超过熔点时碳酸钠才稍稍分解。而碳酸氢钠超过 100 即开始分解，温度升高，分解加快。在 170 180 ，约经过 30 min，碳酸氢钠即全部分解为碳酸钠(图 2-2)。图 2-2 碳酸氢钠转化为碳酸钠四、部分习题参考答案习题一：2.说明：NaHCO 3 与 Ca(OH)2 的反应不要求学生填写，因此由习题本身给出答案。7习题二：1.A、D 2.C 3.B习题四：1.剩余的物质是 Na2CO3，其质量是 259 g。2Na2CO3 的质量分数为 38.9%。五、资料1.碳酸钠和硫酸钠的主要用途碳酸钠广泛用在制玻璃、制皂、造纸、纺织等工业上，硫酸钠也是制玻
21、璃和造纸的主要原料。以下简单作一些介绍。一般玻璃的主要原料是石英、纯碱和石灰石。纯碱是引入 Na2O 的原料，当纯碱被加热到超过它的熔点后就逐渐分解。无水硫酸钠也常用来代替纯碱，但因硫酸钠必须在更高温度时才能分解，所以常配入一定量的木炭、焦炭或无烟煤等，使硫酸钠被还原成易与二氧化硅发生反应的亚硫酸钠。Na2SO4 + C=Na2SO3 + CO2Na2SO4 + C=2Na2SO3 + CO2制皂的原料如用脂肪酸，因易于皂化，可以用纯碱代替烧碱。碳酸钠和硫酸钠都用于造纸过程的制浆。碳酸钠通常代替烧碱用于苛性钠法制纸浆。硫酸钠用于硫酸盐法制纸浆。把硫酸钠和碳一起煅烧，生成硫化钠。硫化钠水解生成的
22、硫氢化钠和氢氧化钠，能跟造纸原料中的木质素等起作用，使纤维素分离出来，制成纸浆。Na2SO4 + 2C = Na2S + 2CO2Na2S + H2O = NaHS + NaOH碳酸钠用于纺织工业上，也是为了除去棉麻原料中的非纤维素。所以在棉麻纤维漂白之前，要经过碱煮( 即用纯碱溶液来煮)。在冶金工业中，往往要把矿石中的有效成分转变为可溶性的钠盐，以便除去其中的不溶性杂质。因此，常需要加入纯碱(它又是助熔剂 )，有时也用烧碱。例如，冶炼钨时首先将精矿和纯碱焙烧成可溶的钨酸钠，再经酸析、脱水、还原等过程而制得粉末状钨。2.关于过氧化物和超氧化物的稳定性过氧化物和超氧化物的稳定性，取决于离子晶格是
23、否稳定，而后者又主要取决于金属离子半径的大小。因为在离子型晶体中，只有当正、负离子完全紧密接触时，晶体才是稳定的。在不同构型的离子晶格中，要使正、负离子完全接触，则正、负离子的半径比(r -/r+或 r+/r-)必须在一定范围内。负离子的半径通常都比正离子的半径大，就 NaCl 型晶体而言，由于正、负离子的半径比不同可能出现下列三种接触情况：(A)r +/r-0.414(B)r +/r-=0.414(C)r+/r-0.414，图 2-3 中的大圈代表负离子，小圈代表正离子。在 A 中，由于正、负离子半径相差大，它们不能很好地接触，因而形成的晶格不稳定，O 22-及 O2-离子都比 O2-离子大
24、，所以在碱金属中，只有半径大的金属离子才倾向于生成过氧化物和超氧化物。例如，碱金属中的 +、Rb +、Cs +的半径大，易形成稳定的超氧化物；Na +的半径较小，倾向于生成过氧化物；Li +最小，生成正常的氧化物，很难形成过氧化物或超氧化物。如果要将 Na2O2 转变为 Na2O，则需要高压条件。从下表可以看出，金属离子半径和该金属能形成的稳定氧化物之间的关系是：金属离子半径小的，倾向于生8成普通氧化物；金属离子半径大的，则倾向于生成过氧化物和超氧化物。图 2-3 NaCl 型晶体中正、负离子的接触情况表 2-1 对应于碱金属离子半径所得到的稳定氧化物金属 形成的氧化物 离子半径/nmLi L
25、i2O 0.068Na Na2O2 0.097K KO2 0.133Rb RbO2 0.147Cs CsO2 0.167*这些氧化物都是由各金属分别在过量氧气中直接燃烧而制得的。3.关于碳酸钠和碳酸氢钠的热稳定性一般说来，碳酸和碳酸盐的热稳定性有下列规律：(1)H2CO3MHCO 3M 2CO3(M 为碱金属)(2)同一主族元素(如碱金属元素 )的碳酸盐：Li 2CO3Na 2CO3K 2CO3Rb 2CO3(3)碱金属的碳酸盐碱土金属的碳酸盐过渡元素的碳酸盐第三节 碱金属元素一、教学目的要求1.使学生了解碱金属的物理性质和化学性质，并能运用原子结构的初步知识来了解它们性质上的差异及其递变规律
26、，为今后学习元素周期律等打好基础。2.使学生了解焰色反应，并能利用焰色反应检验钾、钠及其化合物。3.对学生进行科学方法的训练以及辩证唯物主义教育。二、教材分析和教学建议本节教材分为两部分：碱金属元素的原子结构和碱金属的性质、焰色反应。第一部分内容为本节的重点，也是本章的重点。在第一部分内容中，教材先给出了碱金属的物理性质表和原子结构表，引导学生通过对表中事实和数据等资料的分析，得出一些规律性的知识。然后，根据这些规律性的知识，作出了碱金属元素可能具有与钠相似的化学性质，以及它们的金属性随核电荷数的增大而逐渐增强的推测。接着，教材在演示实验的基础上，通过介绍碱金属与氧气等非金属的反应，以及碱金属
27、与水的反应，证明上述推论和预测的合理性。最后，要求学生通过讨论，总结出碱金属具有哪些共同的化学性质，以及随着核电荷数的递增，碱金属的性质呈现怎样的变化。9在第二部分内容中，教材主要介绍了钠和钾的焰色反应，以及根据焰色反应检验钠、钾及其化合物的方法等。本节最后的“讨论”是对焰色反应知识的灵活应用。阅读材料“金属钾的发现” ，意在激发学生学习化学的兴趣，培养学生的科学态度以及训练科学方法。本节教材具有以下特点：1.重视引导学生认识原子的结构与元素性质间存在着密切的关系，以对学生进行量变引起质变、内因与外因的关系等辩证唯物主义教育。2.重视对学生进行科学态度和科学方法的教育。教材结合碱金属元素性质的
28、比较等具体内容的介绍，采用中学化学学习中较常用的科学方法模式，对学生进行科学方法的训练。同时，通过阅读材料“金属钾的发现”，使学生认识树立正确的科学态度和掌握正确的科学方法对化学学习的重要性。教学建议如下：1.单纯从知识来讲，本节教材与以往的教材并没有太大区别，主要是在体现科学方法上与以往的教材存在着较大区别。教材以钠的性质以及与原子结构的关系作为参照物，将其余碱金属的原子结构与之相比较，分析它们原子结构的相似性和递变性，并进而推论出它们性质的相似性和递变性。应注意引导学生采用科学方法模式，在推论的基础上认真做好实验和分析实验事实，正确得出结论。使学生在获得知识的同时进行科学方法训练，认识科学
29、方法对化学学习的重要性。2.碱金属元素原子结构的相似性和递变性，使它们的性质也表现出相应的相似性和递变性，结合此知识对学生进行量变引起质变、内因与外因的关系等辩证唯物主义教育。3.注意通过实验进行焰色反应的教学，并结合节日燃放的烟火等对学生进行安全教育。本节教学重点：碱金属元素的性质，以及与原子结构的关系。本节教学难点：科学方法模式的训练。三、演示实验说明和建议实验 2-10整个实验操作要迅速，切取的钾块不能太大，要注意安全。实验 2-11由于焰色反应所需温度较高，所以最好在煤气灯或酒精喷灯上做实验，这样，现象会更明显。四、部分习题参考答案习题二：1.C 2.B、D 3.D 4.C习题六：1.
30、 13.6 g 2. 184 g五、资料1.碱金属元素的发现碱金属元素包括锂、钠、钾、铷、铯、钫，它们被发现的次序是钾、钠、锂、铷、铯、钫。(1)钾和钠都是在 1807 年由戴维发现的。他电解熔融的氢氧化钾时，发现阴极表面上出现有金属光泽、酷似水银滴的颗粒，有的颗粒刚形成就燃烧掉了，发出火焰，并发生爆炸。有的颗粒逐渐失去光泽，表面形成一层白色薄膜。把这种小的金属颗粒投进水里，即出现火焰。戴维确定它是一种新的元素，因为是从钾碱(potash) 制得的，所以定名为钾(potassium)。同年，戴维又电解氢氧化钠而制得金属钠。(2)1817 年阿尔费特逊(Arfvedson) 从矿石分析中确定了锂
31、元素的存在。锂的火焰颜色在 1818 年由格美10林(melin)发现。他们都没有能制出锂的单质。1818 年，布朗得斯(Brandes)和戴维电解氧化锂，制得了少量金属锂。一直到 1855 年，本生(Bunsen)和马提生(Mattiessen)用电解氯化锂的方法才制得较多的锂。1893 年根茨(Guntz)提出在 400 时电解熔融的 LiCl(55%)、Cl(45%)电解液制锂，这种原理应用到生产上，一直沿用到现在。(3)1860 年克希荷夫(Kirchhoff)和本生研究碱金属光谱时，发现蓝色区域有明亮的光谱线，他们把显示这种光谱线的元素叫铯，意思是“天蓝”。1861 年，克希荷夫和本
32、生又在暗红色区域发现新的光谱线，他们把显示这种光谱线的元素叫铷，意思是“暗红”。(4)钫这种在碱金属中密度最大的元素，在理论上和性质上都早就相当明了地被预见了。但一直到1939 年，贝赫蕾(Perrey)才发现了这第 87 号元素的一个半衰期很短的同位素 223Fr，它是从 235U 衰变为227Ac， 227Ac 又经 -衰变而成的。贝赫蕾是法国人，她为了祖国的荣誉命名它为钫，意思是“法兰西” 。图 2-4 金属钠的晶体结构2.碱金属的一些物理性质(1)碱金属的晶体结构用近代实验仪器可以测得碱金属原子是在体心立方晶格上排列的(见图 2-4)，在立方体的 8 个顶点各有 1 个原子，在立方体的
33、中心有 1 个原子。几种碱金属的原子排列全是这样。由于碱金属的最外电子层只有 1 个电子(即价电子数为 1)，比起具有相同电子层数的其他金属来说，原子半径大得多，因此它们就显示了熔点和沸点较低、密度较小的特点。在高温时，实验测出碱金属的气态分子是单原子分子，但在沸点以上近于沸点温度时的蒸气中，约含有 1%的双原子分子(Li 2，Na 2，K 2，Rb 2，Cs 2)。这也说明这些原子还可以以共价键结合，这种共价键是随着原子序数的增大而减弱的。(2)碱金属密度的变化情况随着原子序数的增加，碱金属的密度一般是增大的。这说明由于这几种金属的晶体结构方式相同，随着原子序数的增加，相对原子质量增加所起的
34、作用超过了( 或者抵消了) 原子半径(或原子体积)增大的作用。但有一个例外，就是从a 到出现了“反常现象” ，理由是由于从 a 到的相对原子质量增大所起的作用小于原子体积增大所起的作用，因此的密度比钠的密度反而小。还必须注意到，除 Li、Na、K外，只有 Rb、Cs 的密度是大于水的，这也是比较特殊的。(3)碱金属的硬度和熔点、沸点在晶格结点上碱金属原子之间是以金属键结合，而金属键是一种中等强度的键。随着碱金属原子半径的增加，金属键的强度相对来说逐渐减弱。这样金属原子间的联系越弱，熔点越低，硬度也越小。除了 Li，其他碱金属都在水的沸点以下熔化，这也是比较特殊的。从硬度来说，用刀是不容易切开锂
35、的，但随着原子序数的增加，硬度越来越小，如钠不仅可以用普通小刀切开，而且用手的力量可以挤压变形；钾好像油灰那样更软些。113.碱金属等元素的光谱线当原子被火焰、电弧、电火花或其他方法产生的能量所激发时，能够发射出一系列具有一定波长的光谱线。当原子核外的电子从火焰、电弧、电火花吸收一定的能量，被激发到一定的能级，这样的电子就处于激发态。激发态的电子回到基态的时候，就会放出具有一定能量、一定波长的光谱线。由火焰激发后而发射出的光谱就是焰色光谱，由电弧激发后而发射出的光谱就是电弧光谱，由电火花激发后而发射出的光谱就是电火花光谱。这 3 种光谱的强度虽有所不同，但从任一种元素的原子发射出的光谱都有某些
36、共同的谱线。从焰色反应的实验里所看到的各元素的特殊焰色，就是光谱谱线的颜色。每一种元素的光谱都有一些特征谱线。如果在光谱中出现某一种元素的特征谱线，就可以断定该种元素的存在(见表 2-2)。表 2-2 碱金属、碱土金属元素的主要特征谱线元素 波长/nm 元素 波长/nmLiNaKRb670.784 4610.364 2323.261589.592 3588.995 3330.232 3404.720 1766.490 7769.897 9780.022 7794.760420.185 1CsBeMgCaSrBa852.110459.317 7234.861 0313.041 6285.212
37、9279.553422.072 8393.366 6460.733 1407.771 4553.555 1455.404 24.碱金属跟氧气的反应及其生成物碱金属是一族很活泼的金属元素，课本里叙述了它们跟氧气的反应和反应后生成的物质，但限于条件，叙述得很简单，在这里作一些补充。碱金属跟氧气起反应，能生成氧化物(M 2O)、过氧化物(M 2O2)、超氧化物(MO 2)等。其中 M 代表碱金属元素。最简单的氧化物是 Li2O、Na 2O、K 2O 等。但是，除 Li2O 外，M 2O 不是最稳定的氧化物，这可以从它们的生成热的大小看出( 见表 2-3)。12当锂在氧气中燃烧时生成的是氧化锂，同时只
38、有微量的过氧化锂生成。当钠在氧气中燃烧时，生成的产物是过氧化钠。这是因为氧化钠不稳定，会跟氧气继续起反应，生成过氧化钠。有人曾经做过实验，使钠在有限的氧气中起反应的时候，生成的是氧化钠。4Na+O2=2Na2O当氧化钠暴露在空气中时，就继续氧化为过氧化钠，这个反应有实际意义，已成为过氧化钠的一种工业制法。2Na2O+O2=2Na2O2氧化钠一般是用间接的方法来制取的。例如：2NaNO2+6Na=4Na2O+N2在 20 世纪 40 年代末，发现了制备超氧化钠的方法，即在压强为 15.2 MPa 的氧气中和温度为 450 时，于密闭容器中持续反应 100 h，过氧化钠即变为超氧化钠。Na2O2+
39、O2 2NaO2这种制备方法用于工业上生产超氧化钠。比钠更活泼的钾、铷、铯，在跟氧气的反应中，主要产物分别是 KO2、RbO 2 和 CsO2，这些元素的超氧化物较相应的过氧化物稳定。课本所述，钾、铷等跟氧气起反应，生成比过氧化物更复杂的氧化物，即是指相应的超氧化物，因它们较为复杂，课本里没有具体阐述。碱金属的过氧化物和超氧化物，像它们的氧化物一样都是离子化合物。过氧化钠是以 2Na+和 O22-结合的，在 O22-里，氧原子跟氧原子是以共价键相结合的，这个键是单键，键长是 0.149 nm。从氧化数来说， O22-中氧的氧化数是-1 。其他碱金属的过氧化物中氧的氧化数都是-1。超氧化钾是以
40、K+和 O2-结合的，O 2-的结构比较复杂，它像氧分子那样具有顺磁性。我们知道，氧分子之所以具有顺磁性是因为氧分子里有 2 个未成对的电子的缘故。O 2-的顺磁性没有 O2 里的大，由顺磁共振光谱证明，O 2-里只有 1 个未成对电子。超氧化物中，氧原子跟氧原子的距离是 0.128 nm，比氧分子里13氧原子间的距离(0.121 1 nm)长，比 O22-里氧原子间的距离短。图 2-5 KO2 的四面体结构在常温时，KO 2 的晶体呈四面体结构(图 2-5)。在高温时，KO 2 的晶体呈立方体结构，即跟 NaCl 的结构相似，不过 Cl-的位置由 O2-代替，就是 O2-中连接 2 个氧原子
41、的键的中心点，位于 Cl-的位置上。从氧化数来说，O 2-的氧化数是-1，每个氧原子的氧化数是-12 。例如：4KO2+2H2O=3O2+4KOH超氧化钾中有 6 个氧从- 到 0，氧化数增加了，超氧化钾中另有 2 个氧从-12 到氢氧化钾中氧的-2，氧化数减少了。氧化数的增加和减少恰好相等。在生产上，纯净的过氧化物和超氧化物是用钾或铷等的液氨溶液跟反应所需要的计算量的氧气起反应而制得的。钾或铷的原子的电子转移给氧分子，氧分子获得 1 个电子成为 O2-，获得 2 个电子成为 O22-。这个反应可以分别简单表示如下：e- + O2O 2-2e- + O2O 22-在上面的反应里，电子的转移可以
42、帮助我们了解 O22-和 O2-的结构。过氧化物没有顺磁性，可以认为氧气分子里的 2 个未成对电子，在反应中获得 2 个电子而成为成对电子。当氧气分子获得 1 个电子时，成为 O2-，只有其中 1 个未成对电子转为成对，还留下 1 个未成对电子，所以超氧化物具有顺磁性，但顺磁性比氧分子小。5.锂、钾、铷、铯的用途(1)锂常用于制有机金属化合物，如丁基锂等。丁基锂可用于有机高分子化合物的合成，作为引发剂。锂跟铝、铜等金属可制成低密度的和在高温下保持高强度的合金。把钠玻璃浸在含有锂化合物的熔盐浴中，锂离子代替了玻璃表面的钠离子，使玻璃的强度增大。锂用于原子能工业，6Li 是生产氢弹不可缺少的原料。
43、用中子轰击 6Li，生成 3H，而 6Li3H 就是氢弹的炸药。 6LiD 和 6LiH 也是氢弹的重要原料。锂和它的某些化合物是优质高能燃料，这些燃料的单位质量小，燃烧温度高，火焰宽，排出气体速度快，已经用于宇宙火箭、人造卫星和超音速飞机等系统方面。14锂的密度为 0.534 g/cm3，是最轻的一种金属，它在冶金工业方面被用于制造轻质合金和耐腐合金，如 Li-Al 合金在高温下比一般航空用的铝合金强度好，Li-Mg 合金已试作火箭、导弹、人造卫星和宇宙飞船的部件。锂在熔点时能跟氢气作用生成白色晶体氢化锂 LiH，氢化锂遇水即产生大量的氢气，用 1 kg 氢化锂可得到 2.8 m3 的氢气，
44、在空间飞行上可以用作燃料电池的原料。(2)钾比钠难于生产，所以常用钠代替钾，如呼吸面具中应用的超氧化钾，现在可用超氧化钠或过氧化钠代替。超氧化物跟二氧化碳的反应以超氧化钾为例可以表示如下：4KO2 + 2H2O + 4CO2=4KHCO3+3O2钾的化合物最大量、最重要的用途是作肥料，氯化钾、硫酸钾、硝酸钾、碳酸钾都是钾肥。硝酸钾很久以前就是制火药的重要原料。硫酸钾用于制造光学玻璃。氢氧化钾用于制钾的化合物。钾对于人体也有重要作用，但一般不感到缺乏，因为可以从植物中摄取远多于需要量的钾元素。(3)铷和铯虽没有大量的用途，但在现代技术中扮演一定的角色。它们的原子失去价电子非常容易，以致可见光的能
45、量就足以使原子电离。它们是制造光电管和真空管的重要材料。铯被研究作为燃料，用于磁流体发电和热离子发电。磁流体发电是把热能直接转换成电能的一种新型发电方式，当高温导电气体(其中含有少量铷或铯) 通过磁场时，在电磁感应作用下把热能转变为电能。目前火电站的最佳热效率为 40%，核电站的热效率为25%32%。而磁流体 蒸汽联合循环电站的热效率可以提高到 50%60%，结合磁流体发电可使核电站热效率提高到 50%55%。热离子发电是利用二极真空管的原理，把热能直接变为电能，当其中充有铷或铯的蒸气时，可以提高热电极( 即发射极)的电子发射速度，减少集电极(收集电子的电极)的能量损失等。与原子反应堆结合应用
46、时，铀棒就是发射极，中子减速剂就是集电极，这样就可以在反应堆的内部实现热离子热核发电。6.为什么金属钾要用活泼金属置换的方法制取在工业上成功地用电解氯化钠的方法制取金属钠。电解 400 熔化的 55%(质量分数)氯化锂和 45%氯化钾的共熔物可制得金属锂。那么，别的碱金属是否也是用同样原理生产的呢?由于碱金属性质的相似性，用电解熔盐的方法对钾、铷等来说在原理上和实验上都是可行的。但是，在工业生产上要考虑许多因素。例如，金属钾在工业生产上，就不能像钠那样利用电解熔盐来制取，这主要由于下列几个原因。(1)金属钾过于容易溶解在熔盐中，以致不能浮在熔盐上面而被分离出来。(2)钾的沸点是 774 ，钾的
47、蒸气容易从熔盐电解槽中逸出而污染环境。(3)在电解槽中会生成超氧化钾，而超氧化钾跟金属钾的反应很剧烈，是爆炸性的。因此，工业生产上是在 850 的高温用金属钠从熔化的氯化钾里置换出钾来的。Na+KCl NaCl+K这个反应是可逆的，并且从热力学来说是有利于逆反应的，但钾的沸点比钠的低，钾蒸气的逸出使反应有效地向右进行。把熔融的氯化钾导入不锈钢制的分馏塔中部，分馏塔底层是铁釜，放着钠。当钠的蒸气上升到分馏塔中时，就跟氯化钾起反应，钾蒸气从塔顶逸出，冷凝后的金属钾约含有 1%的金属钠。再经分馏精制就可以制得纯度达 99.99%的金属钾。15铷、铯的金属性更活泼，电解熔融盐类时金属的收集更困难。铷、
48、铯的沸点更低，分别为 688 和678.4 ，有利于在气态时收集。所以，工业上都用活泼金属还原的方法，如在 700 800 和真空条件下，用镁还原铷或铯的氯化物，铷或铯即呈气体逸出，冷凝收集即得金属铷或铯。2RbCl+Mg MgCl2+2Rb2CsCl+Mg MgCl2+2Cs7.汉弗莱戴维简介1801 年，戴维(H.Davy,17781829) 在(英)皇家学院讲授化学，1803 年成为(英)皇家学会会员，1813年被选为法国科学院院士，1820 年任(英) 皇家学会主席， 1826 年被封为爵士。1826 年因病赴欧洲求治，1829 年殁于日内瓦。戴维一生科学贡献甚丰，其中较大的成果有：(
49、1)1802 年开创农业化学。(2)发明煤矿安全灯产业革命时主要能源是煤，当时煤矿设备简陋，常发生瓦斯爆炸。1815 年( 英)成立“预防煤矿灾祸协会” ，当年戴维用了三个月的时间就解决了瓦斯爆炸问题用金属丝罩罩在矿灯外，金属丝导走热能，矿井中可燃性气体达不到燃点，就不会爆炸。煤矿安全灯沿用到 20 世纪 30 年代(此后，被电池灯逐渐取代)。(3)用电解方法得到碱金属等 1807 年戴维用 250 对锌- 铜原电池串联作为电源电解得到钠、钾，1808年电解得到镁、钙、锶、钡、硅、硼。(4)确定氯为单质戴维研究氢碲酸时发现其中无氧，从而怀疑拉瓦锡的论点酸中含氧。1774 年瑞典的席勒藉 MnO2 和 HCl 反应制得 Cl2，在拉瓦锡观点影响下，因产物溶于水显酸性，他认为氯是 “氧化盐酸气”。盖 吕萨克在气体反应简比定律中发现“氧化盐酸气 ”没有氧，但他坚信拉瓦锡的观点。1810 年
