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s区元素单质的化学性质


实验室k / 2018-07-18

    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。
    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Na2、Cs2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一个单位,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一倍,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,实际上生成化合物日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、、钡与冷水就能比较剧烈地进行反应。
    s区元素原子在空气中极易与氧化合,这种作用在同一族中,从上到下逐渐增强;在同一周期中,碱金属比碱土金属更易被氧化。碱金属在室温下能迅速地与空气中的氧反应,所以碱金属在空气中放置一段时,金属表面就生成一层氧化物,在锂的表面上除生成氧化物外还有氨化物。钠、钾在空气中稍微加热就燃烧起来,而铷和铯在室温下遇空气就立即燃烧。

4Li+O2=2Li2O

6Li+ N2=2LI3N
4Na +O2=2NA2O

    它们的氧化物在空气中易吸收二氧化碳形成碳酸盐

Na2O+CO2=Na2CO3

    储存这些金属时不能与水和空气接触,通常放在煤油中。因锂的密度最小,可以浮在煤油上,所以将其浸在液体石蜡或封存在固体石蜡中。
    碱土金属活泼性略差,室温下这些金属表面缓慢生成氧化膜。它们在空气中加热才显著发生反应,除生成氧化物外,还有氮化物生成。

3Ca+ N2=Ca3N2

    因此,在金属熔炼中常用Li、Ca等作为除气剂,除去溶解在熔融金属中的氮气和氧气。
    碱土金属氧化物都是白色固体。除BeO外,都是氯化钠晶格的离子型化合物。由于正、负离子都是带有两个电荷,而M-O的距离又较小,所以MO具有较大的晶格能,因此它们的熔点和硬度都相当高,而且熔点除BeO外是依次下降。根据这种特性,BeO和
MgO常用来制造耐火材料和金属陶瓷。
    在高温时碱金属和碱土金属还能夺取某些氧化物中的氧,如镁可使
SiO2的硅还原成单质Si,或夺取氯化物中的氯,如金属钠可以从TiCl4中置换出金属钛。

SiO2 +2Mg=Si+2MgO
TiCl4 +4Na=Ti+4NaCl

    碱金属和钙、锶、钡在空气中燃烧时,除生成正常的氧化物外,还生成过氧化物,如Na2O2、BaO2。过氧化物中存在O22-过氧离子,可以看成是过氧化氢H2O2中的氢被金属置换后所得的产物。Na2O2、BaO2等离子型过氧化物与水或稀酸作用生成过氧化氢。例如

BaO2 + 2HCl=H2O2+BaCl2

    它们都是强氧化剂。Na2O2在熔融时几乎不分解,但遇到棉花、木炭、铝粉等还原性物质时,就会发生爆炸,所以使用Na2O2时要特别小心。
    钾、铷、铯、钙、锶、钡等金属在过量的氧气中燃烧时还会生成超氧化物,如KO2、BaO4等。超氧化物和过氧化物与水或二氧化碳反应都能产生氧气,可供宇航、矿井及潜水工作人员使用。例如

2KO2+2H2O=O2+2KOH+H2O2

4KO2+2CO2=2K2CO3+3O2

    碱金属和碱土金属可溶于液氨,形成蓝色溶液。碱金属的液氨稀溶液呈蓝色,随着碱金属溶解度的增加,溶液的颜色变深。如将溶液蒸发,又可以重新得碱金属。
    研究认为,在碱金属的稀氨溶液中,碱金属离解生成碱金属正离子和溶剂合电子

M(s)+(x+y)NH3(l)=M+(NH3)x+e-(NH3)y

    因为离解生成氨合阳离子和氨合电子,所以溶液有导电性。此溶液具有高导电性主要是由于有溶剂合电子存在。
    碱金属和碱土金属氨溶液不稳定,过渡金属的盐类、氧化物物和氢氧化物的存在,以及光化作用都可催化其分解生成氨基化物

Na+(NH3)+e-NH3(l)=NaNH2(NH3)+ 1/2H2(g)

    钙、锶、钡也能溶于液氨生成和碱金属液氨溶液相似的蓝色溶液,与钠相比,它们溶得要慢些,量也少些。


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