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单质的性质

铜臭 / 2022-07-14

单质的熔点、沸点、硬度和导电性等物理性质与晶体结构有密切关系。副族和第VI族元素的单质，在通常情况下，除汞为液体外，其余的均为金属晶体。而主族元素的单质固态时的晶体结构则较复杂，有金属晶体、原子晶体、分子晶体以及层状或链状晶体，而且某些单质还有两种以上的晶体结构。

一般说来，属于原子晶体的单质，其熔点、沸点较高，硬度较大，不导热，不导电;属分子晶体的单质，其熔点、沸点最低，硬度最小，导热性和导电性差;属金属晶体的单质较复杂，有熔点、沸点高、硬度大的，也有熔点、沸点低、硬度小的，但都能导热导电，且均有金属光泽和延展性。

单质的化学性质通常表现为氧化还原性。在化学反应中，金属单质最突出的特性是易失去电子而表现为还原性，非金属单质的特性是能获得电子而表现出氧化性，但不少非金属单质有时也能表现出还原性。单质的这种性质的变化，在通常条件下，基本上是符合周期表中元素金属性和非金属性的递变规律的。

5.2.1 s 区元素的单质

s区元素原子的外层电子构型为ns¹⁻²，系周期表中的第I A、IIA族元素，包括碱金属的锂、钠、钾、铷、铯、钫和碱土金属的铍、镁、钙、锶、钡、镭。其中锂、铷、铯和铍是稀有元素，而钫和镭是放射性元素。

5.2.1. 1物理性质

s区元素的单质，除氢外，它们的晶体结构都属于金属晶体，具有银白色的光泽，能导电和导热，它们的主要物理性质见表5-2。

表5-2 s区元素某些单质的主要物理性质
族	元素	原子序数	密度/g·cm⁻³	熔点/K	沸点/K	硬度（金刚石=10）	导电性（Hg=1）
I A	H Li Na K Rb Cs	1 3 11 19 37 55	0.071 0.53 0.97 0.86 1.53 1.90	14.0 453.7 371.2 336.4 312.0 301.8	20.4 1604 1163 1047 974 958	0.6 0.4 0.5 0.3 0.2	11 21 14 8 5
II A	Be Mg Ca Sr Ba	4 12 20 38 56	1.85 1.74 1.54 2.54 3.60	1556.2 923.2 1123 1043 983	2750 1393 1765 1643 1911	4 2.5 2 1.8	5.2 21.4 20.8 4.2

由表5-2可见，碱金属具有密度小、硬度小、熔点低、导电性强的特点，是典型的轻金属。碱土金属的密度，熔点和沸点则较碱金属为高。Li、Na、K都比水轻，锂是固体单质中最轻的，它的密度约为水的一半。碱土金属的密度稍大此，但钡的密度比常见金属如Cu、Zn、Fe还小很多。

碱金属元素原子的价层电子结构为ns¹，最外层只有一个电子，次外层为8电子(Li为2电子)，对核电荷的屏蔽效应较强，所以这一个价电子离核较远，特别容易失去。因此，各周期元素的第一电离能以碱金属为最低。与同周期的元素比较，碱金属原子体积最大，只有一个成键电子，在固体中原子间的引力较小，所以它们的熔点、沸点、硬度、升华热都很低，硬度较小。碱土金属的原子半径较小，金属键较强些。因此，熔点和沸点较高，硬度和密度较大，但仍为轻金属。第IA、IIA族金属单质之所以比较轻，是因为它们在同一周期里比相应的其他元素相对原子质量较小，而原子半径较大的缘故。

碱金属和碱土金属晶体均为金属晶格，碱土金属由于核外有两个有效成键电子，原子间距离较小，金属键强度较大，因此，它们的熔点、沸点和硬度均较碱金属高，导电性却低于碱金属。碱土金属的物理性质变化不如碱金属那么有规律，这是由于碱土金属晶格类型不是完全相同的缘故。碱金属皆为体心立方晶格，碱土金属中，Be、Mg为六方晶格，Ca、Sr为面心立方晶格，Ba 为体心立方晶格。

锂、钠、钾这些金属能形成在常温下为液态的合金。例如钾-钠合金(K 77.2% -Na22.8%)的熔点为-12.3C，被用做原子能反应堆的冷却剂。

铍和镁常用来制造各种轻合金。例如镁铝合金和铍青铜合金。镁铝合金轻而坚固，广泛应用于航空制造工业;铍青铜合金硬度大、无磁性、耐磨和抗腐蚀，用于制造精密仪器及飞机的零件、内燃机和航海罗盘等。

碱金属，尤其是铯，失去电子的倾向很大。当受到光的照射时，最外层电子能溢出，因此常用铯(也可用钾、铷)制造光电子管。

除铍、镁外，碱金属和碱土金属及其化合物在无色火焰中灼烧时，火焰发出特征的颜色，这叫“焰色反应”。锂使火焰呈红色，钠呈黄色，钾和铯呈紫色，钙呈橙色，锶呈洋红色，钡呈浅绿色。碱金属和钙、锶、钡的盐，在灼烧时为什么能产生不同的颜色呢?因为当金属或其盐在火焰上灼烧时，原子被激发，电子接受了能量从较低的能级跳到较高能级，但处在较高能级的电子是很不稳定的，很快跳回到低能级，这时就将多余的能量以光的形式放出。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。在定性分析化学中，可以根据火焰的颜色定性的鉴别这些元素的存在与否，但一次只能鉴别一种离子。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，可以制造各色焰火，例如红色焰火的简单配方为 KCIO₃34%，Sr(NO₃)₂45%，炭粉10%，镁粉4%，松香7% (质量分数)。绿色焰火的简单配方为Ba(CIO₃)₂ 38%，Ba( NO₃)₂40%，S 22% (质量分数)。

5.2.1.2 化学性质

从s区元素原子结构特点可以看出，碱金属和碱土金属原子极易失去电子，具有极强的还原性，其化学性质极为活泼。

业碱金属元素在化合时，多以形成离子键为特征，但在某些情况下也显共价性。气态双原子分子，如Na、Cs,等就是以共价键结合的。碱金属元素形成化合物时，锂的共价倾向最大，铯最小。

与碱金属元素比较，碱土金属最外层有2个s电子。次外层电子数目和排列与相邻的碱金属元素是相同的。由于核电荷相应增加了个单位，对电子的引力要强一些，所以碱土金属的原子半径比相邻的碱金属要小些，电离能要大些，较难失去第一个价电子。失去第二个价电子的电离能约为第一电离能的倍，表面上看碱土金属要失去两个电子而形成二价正离子似乎困难，实际上生成化合物时所释放的晶格能足以使它们失去第二个电子。它们的第三电离能约为第二电离能的4-8倍，要失去第三个电子很困难，因此，它们的主要氧化数是+2,而不是+1和+3。由于上述原因，所以碱土金属的金属活泼性不如碱金属。比较它们的标准电极电势数值，也可以得到同样的结论。在这两族元素中，它们的原子半径和核电荷都由上而下逐渐增大，在这里，原子半径的影响是主要的，核对外层电子的引力逐渐减弱，失去电子的倾向逐渐增大，所以它们的金属活泼性由上而下逐渐增强。

碱金属和钙、锶、钡等都能与冷水作用放出氢气。这类反应在同一族中越往下越剧烈。锂与水反应不及钠剧烈;钠与水反应猛烈，放出的热量可使钠熔化;钾、铷、铯遇水就发生燃烧，甚至爆炸。根据标准电极电势，锂的活泼性应比铯更大,但实际上与水反应还不如钠剧烈。这是因为:

(1)锂的熔点较高，反应时产生的热量不足以使它熔化，而钠与水反应时放出的热可以使钠熔化，因而固体锂与水接触的机会不如液态钠。

(2)反应产物LiOH的溶解度较小，它覆盖在锂的表面，阻碍反应的进行。

碱土金属也可以与水反应，但其与水作用的剧烈程度远不及相应的碱金属。铍能与水蒸气反应。镁虽然能与水反应，但由于表面上形成一层难溶的氢氧化物，阻止与水进一步反应，因此，它们实际上和冷水几乎没有作用。钙、锶、钡与冷水就能比较剧烈地进行反应。

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