碱金属和碱土金属的常见盐类有卤化物、碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐和硫化物等,下面讨论它们的共性和一些特性。
碱金属盐类的最大特征是易溶于水,并且在水中完全电离。只有少数盐类是难溶的。它们的难溶盐一般都是由大的阴离子组成,而且碱金属离子越大,难溶盐的数目也越多。
难溶钠盐有白色粒状的六羟基锑酸钠Na[Sb(OH)6],醋酸双氧铀酰锌钠NaAc·Zn(Ac)2·3UO2(Ac)2·9H2O为黄绿色结晶。难溶的钾盐稍多,有
高氯酸钾 KClO4(白色)
酒石酸氢钾 KHC4H4O6(白色)
六氯铂酸钾 K4[PtCl6](淡黄色)
钴亚硝酸钠钾 K2Na[Co(NO2)6](亮黄色)
四苯硼酸钾 KB(C6H5)4(白色)
钠、钾的一些难溶盐常用在鉴定钠、钾离子。
碱土金属盐类的重要特征是它们的微溶性。除氯化物、硝酸盐、硫酸镁、铬酸镁易溶于水外,其余的碳酸盐、硫酸盐、草酸盐、铬酸盐等皆难溶。硫酸盐和铬酸盐的溶解度依Ca—Sr—Ba的顺序降低。草酸钙的溶解度是所有钙盐中最小的,因此,在重量分析中可用它来测定钙。
碱金属和碱土金属碳酸盐溶解度的差别也常用来分离Na+、K+和Ca2+、Ba2+。
钠盐和钾盐性质很相似,但也有差别,重要的有三点:
1.溶解度 钠、钾盐的溶解度都比较大,相对说来,钠盐更大些。但NaHCO3溶解度不大,NaCl的溶解度随温度的变化不大,这是常见的钠盐中溶解性较特殊的。
2.吸湿性 钠盐的吸湿性比相应的钾盐强。因此,化学分析工作中常用的标准试剂许多是钾盐,如用邻苯二甲酸氢钾标定碱液的浓度,用重铬酸钾标定还原剂溶液的浓度。在配制炸药时用KNO3或KClO4,而不用相应的钠盐。
3.结晶水 含结晶水的钠盐比钾盐多。如
Na2SO4·10H2O、K2SO4 Na2HPO4·10H2O、K2HPO4
钠的化合物与相应钾的化合物性质上一般很相似,钠的化合物价格要便宜一些,故一般多使用钠的化合物,而不用钾的化合物。但要注意某些特殊情况,如钾肥不能用钠的化合物代替,制硬质玻璃必须用K2CO3,制黑火药一定要用KNO3等。
碱金属和钙、锶、钡的挥发性盐在无色火焰中灼烧时,能使火焰呈现出一定颜色,这叫“焰色反应”。原子的结构不同,就发出不同波长的光,所以光的颜色也不同。碱金属和碱土金属等能产生可见光谱,而且每一种金属原子的光谱线比较简单,所以容易观察识别。
表17-7 碱金属和几种碱土金属的焰色
离子 | Li+ | Na+ | K+ | Rb+ | Cs+ | Ca2+ | Sr2+ | Ba2+ |
焰色 | 红 | 黄 | 紫 | 紫红 | 紫红 | 橙红 | 红 | 黄绿 |
谱线波长 (nm) |
670.8 |
589.0 589.6 |
404.4 404.7 |
420.2 629.8 |
455.5 459.3 |
612.2 616.2 |
687.8 707.0 |
553.6 |
利用焰色反应,可以根据火焰的颜色定性的鉴别这些元素的存在与否,但只可以鉴别单个离子。同时利用碱金属和钙、锶、钡盐在灼烧时,产生不同焰色的原理,还可以制造各色焰火,例如红色焰火的简单配方:
KClO3 34% Sr(NO3)2 45% 炭粉 10%
镁粉 4% 松香 7%
绿色焰火配方:
Ba(ClO3)2 38% Ba(NO3)2 40% S 22%
绝大多数碱金属和碱土金属的盐是离子型晶体,所以它们的熔点均较高。由于Li+、Be2+离子最小,极化作用较强,才使得它们的某些盐(如卤化物)具有较明显的共价性。Mg2+盐也有一些是共价性的。
碱金属离子的水合能力从Li+→Cs+是降低的,这也反映在盐类形成结晶水合物的倾向上。几乎所有的锂盐是水合的,钠盐约有75%是水合的,钾盐有25%是水合物,铷盐和铯盐仅有少数是水合盐。在常见的碱金属盐中,卤化物大多是无水的,硝酸盐中只有锂可形成水合物LiNO3·H2O和LiNO3·3H2O,硫酸盐只有LiSO4·H2O和Na2SO4·10H2O,碳酸盐中除Li2CO3无水合物外,其余皆有不同形式的水合物,其水分子数分别为:
Na2CO3 K2CO3 Rb2CO3 Cs2CO3
1、7、10 1、5 1、5 3、5
除锂以外,碱金属还能形成一系列复盐。复盐有以下几种类型:
光卤石类,通式为MⅠCl·MgCl2·6H2O,其中MⅠ=K+、Rb+、Cs+。如光卤石KCl·MgCl2·6H2O;
通式为MⅠ2SO4·MgSO4·6H2O的矾类,其中MⅠ=K+、Rb+、Cs+。如软钾镁矾K2SO4·MgSO4·6H2O;
通式为MⅠMⅢ(SO4)2·12H2O的矾类,其中MⅠ=Na+、K+、Rb+、Cs+,MⅢ=Al3+、Cr3+、Fe3+、Co3+、Ga3+、V3+等离子,如明矾KAl(SO4)2·12H2O。
复盐的溶解度一般比相应简单碱金属盐小得多。
一般碱金属盐具有较高的热稳定性。卤化物在高温时挥发而难分解。硫酸盐在高温下既难挥发,又难分解。碳酸盐除Li2CO3在1543K以上分解为Li2O和CO2外,其余更难分解。唯有硝酸盐热稳定性较低,加热到一定温度就可分解,例如:
4LiNO3=(973K)2Li2O+4NO2↑+O2↑
2NaNO3=(1003K)2NaNO2+O2↑
2KNO3=(943K)2KNO2+O2↑
碱土金属的卤化物、硫酸盐、碳酸盐对热也较稳定。但它们碳酸盐的热稳定性较碱金属、碳酸盐要低。表17-8列出碱土金属碳酸盐分解的热力学数据。反应的△G°值越大,分解反应越难发生,即相应的碳酸盐也愈稳定。下表的数据清楚的说明按MgCO3→BaCO3的顺序,盐的热稳定性升高。
表17-8 MCO3(s)→MO(s)+CO2(g)的热力学数据
△H298° | △G298° | T△S° | △S° | T*/K | |
MgCO3 | 117 | 67 | 50 | 0.168 | 813 |
CaCO3 | 176 | 130 | 44 | 0.148 | 1173 |
SrCO3 | 238 | 188 | 50 | 0.168 | 1553 |
BaCO3 | 268 | 218 | 50 | 0.168 | 1633 |
T* 分解产生101.3kPa的CO2所需的温度
碳土金属碳酸盐热稳定性的规律也可以用离子极化的观点来说明。
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