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鹼金屬(alkali metal)指的是元素周期表ⅠA族元素中所有的金屬元素,目前共計鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs)、鈁(Fr)六種,前五種存在於自然界,鈁只能由核反應產生。鹼金屬是金屬性很強的元素,其單質也是典型的金屬,表現出較強的導電、導熱性。鹼金屬的單質反應活性高,在自然狀態下只以鹽類存在,鉀、鈉是海洋中的常量元素,在生物體中也有重要作用;其餘的則屬於輕稀有金屬元素,在地殼中的含量十分稀少。註:本條目主要介紹各鹼金屬元素的通性,關於歷史、工業信息以及更為具體的性質,請參閱相應條目

1 鹼金屬 -簡介

鹼金屬是指在元素周期表中屬於第IA族的六個金屬元素。 鹼金屬除銫以外都是銀白色的(Cs略帶金色光澤),質軟的,化學性質活潑的金屬,密度小,熔點和沸點都比較低。他們生成化合物的幾乎都是正一價陽離子(在鹼化物中,鹼金屬會以負一價陰離子的方式出現)。鹼金屬原子失去電子變為離子時最外層一般是8個電子,但鋰離子最外層只有2個電子。電子構型通式為ns1。因為鹼金屬最外層只有1個電子,所以鹼金屬都能和水發生激烈的反應,生成強鹼性的氫氧化物,並隨相對原子質量增大反應能力越強。在氫氣中,鹼金屬都生成白色粉末狀的氫化物。鹼金屬都可在氯氣中燃燒。由於鹼金屬化學性質都很活潑,為了防止與空氣中的水發生反應,一般將他們放在油或石蠟中保存。氫雖然是第1族元素,但它在普通狀況下是雙原子氣體,不會呈金屬狀態。只有在極端情況下(1.4兆大壓力),電子可在不同氫原子之間流動,變成金屬氫。

2 鹼金屬 -分佈

地殼

下面為鹼金屬元素在地殼中(不含海洋、大氣)的質量克拉克值,取自《無機化學(第五版)》,2008[1].371   元素 鋰  鈉  鉀  銣  銫   w(%) 0.006%  2.64% 2.60% 0.03% 0.0006% 
由表可見,鹼金屬中,鉀、鈉的丰度較大,為常量元素,鋰、銣、銫丰度很小,為微量元素。而海水中,鈉的質量克拉克為1.062%,鉀的質量克拉克為0.038%,鉀、鈉同樣是海水中的常量元素。[2]   礦物學  鹼金屬在自然界的礦物是多種多樣的,常見的如下   ·鋰:鋰輝石、鋰雲母、透鋰長石   ·鈉:氯化鈉、碳酸鈉、硝酸鈉、芒硝   ·鉀:光鹵石、氯化鉀、鉀長石   ·銣:紅雲母、銣銫礦   ·銫:銣銫礦、銫榴石

人體

鹼金屬在人體中以離子形式存在於體液中,也參與蛋白質的形成。鹼金屬在人體中的質量分數(%)數據來源:《無機化學(第五版)》,2008.371  元素 鋰  鈉  鉀  銣  銫   鮮重 極微量 0.15%  0.35%  極微量  —  
註:數據可能存在較大差異,以下數據可供核對:氧65%、碳18%、氫10% 。人體中元素與地殼元素丰度呈正相關,這是生物鏈的傳遞結果。動物胚胎中鉀與鈉的質量分數相近,有學者認為這是動物源於海生有機體的證據之一。作用 :鋰離子:鋰在人腦有特殊作用,研究表明,鋰離子可以引起腎上腺素及神經末梢的胺量降低,能明顯影響神經遞質的量,因為鋰離子具體的作用機理尚不清楚,故鋰中毒也沒有特效解藥,但碳酸鋰目前被廣泛用於狂躁型抑鬱症的治療(口服:600mg~800mg╱天)。[1] 鈉離子:人體液的滲透壓平衡主要通過鈉離子和氯離子進行調節,鈉離子的另一個重要作用是調節神經元軸突膜內外的電荷,鈉離子與鉀離子的濃度差變化是神經衝動傳遞的物質基礎,世界衛生組織建議每人每日攝入(1~2)克鈉鹽,中國營養學會建議不要超過5克。[1]鉀離子:鉀也參與調節滲透壓與軸突膜內外的電荷,人體中心臟、肝臟、脾臟等器官中鉀比較富集。[1] ·銣元素:銣元素的生理作用目前還在研究中,有多種跡象表明銣與生命過程有關,疑似為微量元素。[3]

3 鹼金屬 -元素性質

元素 3 Li(鋰) 11Na (鈉) 19K(鉀) 37Rb(銣) 55Cs(銫) 87Fr(鈁) 
熔點/℃ 180.5 97.81 63.65 38.89 28.4 27 
沸點/℃ 1347 822.9 774 688 669.3 677 
熔沸點變化 降低趨勢      
密度(25℃)/g·cm^-3 0.534 0.971 0.856 1.532 1.8785 1.870 
密度變化 升高趨勢  反常  
 導電性 導 體 導 體 導 體 導 體 導 體 導 體 
顏 色 銀白色 銀白色 銀白色 銀白色 略帶黃色 紅色 
形 態 固 體 固 體 固 體 固 體 固 體 固 體 
金屬or非金屬性 金屬性 金屬性 金屬性 金屬性 金屬性 金屬性 
價 態 +1 +1 +1 +1 +1 +1 
主要氧化物 Li2O Na2O Na2O2 K2O K2O2 複雜 複雜 複雜 
氧化物對應的水化物 LiOH NaOH KOH RbOH CsOH FrOH 
氣態氫化物 LiH NaH KH RbH CsH FrH 
氣態氫化物的穩定性 不穩定 不穩定 不穩定 不穩定 不穩定 不穩定 

周期律性質

主條目:元素周期律   鹼金屬位於ⅠA族,其周期律性質主要表現為   ·自上而下,鹼金屬元素的金屬性逐漸增強   ·每一種鹼金屬元素都是同周期元素中金屬性最強的元素
鋰的特殊性

鋰的反常性

ⅠA族的周期性十分明顯,但鋰還是和同族的其它鹼金屬元素有很大不同,這種不同主要表現在鋰化合物的共價性,這是由鋰的原子半徑過小導致的。   鋰-鎂對角線規則   主條目:對角線規則   元素周期表中,鹼金屬鋰與位於其對角線位置的鹼土金屬鎂(Mg)存在一定的相似性,這裡體現了元素周期表中局部存在的「對角線規則」。鋰與鎂的相似性表現在:   ·單質與氧氣作用生成正常氧化物   ·單質可以與氮氣直接化和(和鋰同族的其它鹼金屬單質無此性質)   ·氫氧化物為中強鹼,溶解度小,加熱易分解   ·氟化物、碳酸鹽、磷酸鹽難溶於水   ·碳酸鹽受熱易分解   ·氯化物能溶於有機溶劑中(共價性)   ·鋰離子、鎂離子的水合能力強   究其原因,鋰-鎂對角線規則可以用周期表中離子半徑的變化來說明,同一周期從左到右,離子半徑因有效電荷的增加而減少,同族元素自上而下離子半徑因電子層數的增加而增大,鋰與鎂因為處於對角線處,鎂正好在鋰的「右下方」,其離子半徑因周期的遞變規律而減小,又因族的遞變規律而增大,二者抵消后就出現了相似性。[3]

4 鹼金屬 -單質與離子

鹼金屬元素單質(左~右為鋰~銫)
鹼金屬單質皆為具金屬光澤的銀白色金屬,但暴露在空氣中會因氧氣的氧化作用生成氧化物膜使光澤度下降,呈現灰色,鹼金屬單質的密度小於2g·cm^-3,是典型的輕金屬,鋰、鈉、鉀能浮在水上,鋰甚至能浮在煤油中;鹼金屬單質的晶體結構均為體心立方堆積,堆積密度小,莫氏硬度小於2,質軟,導電,導熱性性極佳。鹼金屬單質都能與汞(Hg)形成合金(汞齊)。[1]

5 鹼金屬 -化學性質

鹼金屬單質的標準電極電勢很小,具有很強的反應活性,能直接與很多非金屬元素形成離子化合物,與水反應生成氫氣,能還原許多鹽類(比如四氯化鈦),除鋰外,所有鹼金屬單質都不能和氮氣直接化合。   與氧氣反應   4Li(s)+O₂(g)——→2Li2O(s)   2Na(s)+O₂(g)——→Na2O₂(s)   M(s)+O₂(g)——→M2O(s)M=K、Rb、Cs   與鹵素(X)反應   2M(s)+X₂(g)——→2MX(s)   與氫氣(H₂)反應   2M(s)+H₂(g)——→2MH(s)   與硫反應   M(s)+S(s)——→M2S(s)   與磷反應   M(s)+P(s)——→M3P(s)   鋰與氮氣反應   6Li(s)+N2(s)——→2Li3N(s)   焰色反應   鹼金屬離子及其揮發性化合物在無色火焰中燃燒時會顯現出獨特的顏色,這可以用來鑒定鹼金屬離子的存在,鋰、銣、銫也是這樣被化學家發現的,電子躍遷可以解釋焰色反應,鹼金屬離子的吸收光譜落在可見光區,因而出現了標誌性顏色。   除了鑒定外,焰色反應還可以用於製造焰火和信號彈。   下表給出鹼金屬離子的焰色反應相關表格,波長數據取自《無機化學(第五版)》,2008[1]380    類別 鋰離子  鈉離子  鉀離子  銣離子  銫離子  
顏色 紫紅 黃 淡紫 紫 藍 
波長/nm 670.8  589.2  766.5  780.0  455.5  

6 鹼金屬 -熱力學及電化學性質

鹼金屬的相關熱力學及電化學數據見下   數據取自《無機化學(第五版)》,2008[1].375   電子親和能數據取自《化學-物質結構與性質(選修)》,2007年[4].24   單位均為標準單位   類別 鋰  鈉  鉀  銣  銫  
標準摩爾升華焓  159.37  107.32  89.24  80.88  76.065  
標準摩爾水合焓  -535.27  -420.48 -337.64 -312.27  -287.24  
離子標準摩爾生成焓(aq)  150.51 188.88 176.62 177.83 170.72 
第一電離能(I)  526.41  502.04  425.02  409.22  381.90  
電子親和能(E)  59.6 52.9  48.4 46.9 45.5 
標準電極電勢E⊕  -3.040 -2.714 -2.936 -2.943 -3.027 
由表中可以看出鹼金屬的標準電極電勢都在-3.000V左右,表明其單質很容易失去電子,電離能不斷增加,電子親和能不斷遞減,表明其單質的還原性不斷增強,鋰的標準摩爾水合焓最大,但事實上鋰與水最不易反應,這是因為鋰的標準摩爾升華焓太大,且鋰與水的反應產物氫氧化鋰不溶於水,覆蓋在鋰上,影響了反應。[1]

7 鹼金屬 -化合物

在鹼金屬元素形成的各類化合物中,鹼金屬陽離子是沒有特別性質的,鹼金屬化合物的性質在絕大多數情況下體現為陰離子的性質。

氧化物

 鹼金屬單質與氧氣能生成各種複雜的氧化物   正常氧化物   鹼金屬中,只有鋰可以直接生成氧化物,其它鹼金屬單質的氧化物可以被繼續氧化   4Li(s)+O₂(g)——→2Li2O(s)   鹼金屬的正常氧化物是反磁性物質,都能與水反應生成對應的氫氧化物   M2O(s)+H2O(l)——→MOH(aq)   鹼金屬正常氧化物的相關性質見下,取自《無機化學(第五版)》,2008[1].383   單位均為標準熱力學單位   類別 氧化鋰  氧化鈉  氧化鉀  氧化銣  氧化銫  
顏色  白 白  淡黃  亮黃  橙紅  
熔點/K 1743.15  1093.15  ~523.15(分解) ~573.15(分解) ~663.15(分解)  
標準摩爾生成焓 -597.9  -414.22  -361.5  -339  -345.77  

過氧化物

所有鹼金屬都能形成過氧化物,除鋰外,其它鹼金屬可以直接化合得到過氧化物,鹼金屬的過氧化物呈淡黃色   2M(s)+O₂(g)——→M2O₂(s)   過氧化物中的氧元素以過氧陰離子的形式存在,過氧根離子的鍵級為1。過氧化物是強鹼(質子鹼),能與水反應生成鹼性更弱的氫氧化物和過氧化氫,由於反應大量放熱,生成的過氧化氫會迅速分解產生氧氣。   M2O₂(s)+2H2O(l)——→4MOH(aq)+H2O₂(aq)   2H2O₂(aq)——→2H2O(l)+O₂(g)   過氧化物可與酸性氧化物反應生成對應的正鹽,若與之反應的酸性氧化物有較強還原性,則有被氧化的可能   M2O₂(s)+2CO₂(g)——→2M2CO₃(s)+O₂(g)   M2O₂(s)+2SO₂(g)——→2M2SO₄(s)   過氧化物在熔融狀態下可與某些鉑系元素形成含氧酸鹽   Ru(s)+3M2O₂(l)——→M2RuO₄(s)+2M2O(l)   過氧化物中常見的是過氧化鈉(Na2O₂)和過氧化鉀(K2O₂),它們可用於漂白,熔礦,生氧。   超氧化物   除鋰外,所有鹼金屬元素都有對應的超氧化物,鉀、銣、銫能在空氣中直接化和得到超氧化物,超氧化鉀為淡黃~橙黃色,超氧化銣為棕色,超氧化銫為深黃色。   M(s)+O₂(g)——→MO₂(s)   超氧化物中存在超氧離子,分子軌道表明超氧離子存在一個σ鍵和一個3電子π鍵,鍵級為3/2,有順磁性。   超氧化物能與水反應生成對應氫氧化物,氧氣和過氧化氫,反應大量放熱,過氧化氫分解   2MO₂(s)+2H2O(l)——→2MOH(aq)+H2O₂(l)+O₂(g)   2H2O₂(aq)——→2H2O(l)+O₂(g)   超氧化物能與酸性氧化物反應,類似過氧化物,其中,超氧化鉀與二氧化碳的反應被應用於急救空氣背包中   4MO₂(s)+2CO₂(g)——→2M2CO₃(s)+3O₂(g)   超氧化鉀是最為常見的超氧化物   臭氧化物   除鋰外,乾燥的鹼金屬氫氧化物固體與臭氧(O₃)反應,產物在液氨中重結晶可得到臭氧化物晶體   6MOH(s)+4O₃(g)——→4MO₃(s)+2MOH·H2O(s)+O₂(g)臭氧化物在放置過程中緩慢分解   2MO₃(s)——→2MO₂(s)+O₂(g)   臭氧化物中存在臭氧離子,V型結構,鍵級為1/3,極不穩定,具有順磁性   臭氧化物的其他性質與超氧化物類似,不再贅述。

氫化物

鹼金屬單質在氫氣流中加熱就可獲得對應的氫化物   2M(s)+H₂(g)——→2MH(s)   鹼金屬氫化物中以氫化鋰(LiH)最為穩定,850℃分解   鹼金屬氫化物屬於離子型氫化物,熔沸點高,晶體結構為氯化鈉型,鹼金屬氫化物中存在氫負離子,電解溶於氯化鋰的氫化鋰可以在陽極得到氫氣,這可以證明氫負離子的存在。   鹼金屬氫化物與水劇烈反應放出氫氣   MH(s)+H2O(l)——→MOH(aq)+H₂(g)
氫氧化物
鹼金屬元素的氫氧化物常溫下為白色固體,可溶或易溶於水,溶於水放出大量熱,在空氣中會發生潮解並吸收酸性氣體;除氫氧化鋰外其餘的鹼金屬氫氧化物都屬於強鹼,在水中完全電離。   2MOH(s)+CO₂(g)——→M2CO₃(s)+H2O(l)   2MOH(aq)+2Al(s)+2H2O(l)——→2MAlO₂(aq)+3H₂(g)   2MOH(aq)+Al2O₃(s)——→2MAlO₂(aq)+H2O(l)   3MOH(aq)+FeCl₃(aq)——→Fe(OH)₃(s)+3H2O(l)   鹼金屬氫氧化物中以氫氧化鈉和氫氧化鉀最為常見,可用作乾燥劑。

有機金屬化合物

鹼金屬的有機金屬化合物在有機合成上有重要應用,以下對常見物種簡要介紹其中   烴(烷)基鋰   烴基鋰中存在橋鍵(LI-C-Li),以四聚體的形式存在,烴基鋰中碳-鋰鍵具有共價鍵的特徵,其中丁基鋰具有揮發性,並能進行減壓蒸餾就是一個例子。[5]烴基鋰是強親核試劑,親核能力優於格氏試劑,能引發後者的所有加成反應,並有更高的產率,但立體選擇性差;烴基鋰位阻小,反應時受空間效應的影響小,因此可用烴基鋰合成位阻較大的醇,此外,烴基鋰與銅(Ⅰ)鹵化物可形成二烴基銅鋰,在有機合成上也有重要應用。烴基鋰容易與水反應,製備時要徹底乾燥。[6]   炔基鈉   1-炔烴可與鈉在液氨中生成炔基鈉,炔基鈉是親核試劑,可與鹵代烴反應備制炔的衍生物或增長碳鏈,此外,也可以與醯鹵反應備制炔基酮,但在有機合成中應用較少,其替代品為炔基銅(Ⅰ)化合物。[6]
絡合物

冠醚絡合物

 冠醚的中央存在一個特定大小的空腔,可與鹼金屬離子絡合形成絡合物,常見的有   鋰離子:12-冠-4   鈉離子:15-冠-5   鉀離子:18-冠-6     鉀離子與[2.2.2]穴醚形成的絡合物
穴醚絡合物   鹼金屬離子也可與穴醚絡合,生成的絡合物比冠醚絡合物穩定,常見的有   鉀離子:[2.2.2]穴醚   應用   ·表面活性劑(surfactant)   ·相轉移催化劑(Phase transfer catatysis PTC)   ·分離對應的鹼金屬離子

 鹼金屬的鹽類大多為離子晶體,而且大部分可溶於水,其中不溶的鹽類有   ·鋰鹽:氟化鋰、碳酸鋰、磷酸鋰[1]   ·鈉鹽:六亞硝酸合鈷(Ⅲ)酸鈉鉀、醋酸鈾醯鈉、六羥基合錫(Ⅳ)酸鈉[1]   ·鉀鹽:六亞硝酸合鈷(Ⅲ)酸鈉鉀、高氯酸鉀、四苯基硼(Ⅲ)酸鉀[1]   鹼金屬的鹽類熔沸點較高,下表即為鹼金屬鹽類的熔點,本表取自《無機化學(第五版)》,2008[1].387   單位:m.p./℃   
 鋰  鈉  鉀  銣  銫  
氯化物  613  801  771  715  646  
硫酸鹽 859  880  1069  1050  1005  
硝酸鹽 ~225  307  333  305  414  
碳酸鹽 720  858  901  837  792  
從表中還可以觀察到:鋰鹽的沸點明顯偏低,表明鋰鹽表現出一定的共價性   鹵化物   鹼金屬鹵化物中常見的是氯化鈉和氯化鉀,它們大量存在於海水中,電解飽和氯化鈉可以得到氯氣,氫氣和氫氧化鈉,這是工業製取氫氧化鈉和氯氣的方法。   陽極:2Cl--2e- ——→Cl₂↑   陰極:2H++2e- ——→H₂↑   總反應:2NaCl+2H2O——→2NaOH+H₂↑+Cl₂↑   硫酸鹽   鹼金屬硫酸鹽中以硫酸鈉最為常見,十水合硫酸鈉俗稱芒硝,用於相變儲熱,無水硫酸鈉俗稱元明粉,用於玻璃、陶瓷工業及製取其它鹽類。[1]   硝酸鹽   鹼金屬的硝酸鹽在加強熱時分解為亞硝酸鹽   2MNO₃(s)——→2MNO₂(s)+O₂(g)   硝酸鉀(KNO₃)和硝酸鈉(NaNO₃)是常見的硝酸鹽,可用作氧化劑   碳酸鹽   鹼金屬的碳酸鹽中,碳酸鋰可由含鋰礦物與碳酸鈉反應得到,是製取其它鋰鹽的原料,還可用於狂躁型抑鬱症的治療;碳酸鈉俗名純鹼,是重要的工業原料,主要由侯氏制鹼法生產。[1]   NH₃(g)+H2O(l)+CO₂(g)——→NH4HCO₃(aq)   NH4HCO₃(aq)+NaCl(s)——→NH4Cl(aq)+NaHCO₃(s)   2NaHCO₃(s)—△→Na2CO₃(s)+H2O(l)+CO₂↑(g)詞條圖冊更多圖冊

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