碱金属通性简析

碱金属元素属于周期系的s区元素，为第ⅠA元素，碱金属元素原子的价电子构型为次外层为8电子（Li为2电子）的稳定结构，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。同一族元素自上而下随着核电荷数的增加，原子半径、离子半径逐渐增大，电离能、电负性逐渐减小，金属活泼性、还原性逐渐增强，均为活泼金属（H除外）。碱金属元素的标准电极电势都很小，从Na到Cs逐渐减小，但Li比Cs还小，表现出反常性。这是由于与同族元素相比，Li的原子半径和离子半径小，离子的静电作用力较强。

碱金属元素的原子很容易失去一个电子而呈＋1氧化态。由于碱金属元素第二电离能远远高于第一电离能，所以它们不会具有其他氧化态。碱金属元素在化合时多以离子键结合，但在某些情况下仍显一定程度的共价性。

由于碱金属的化学活泼性很强，在自然界中只能以化合态形式存在。除海水中存在大量的钠、钾的氯化物和硫酸盐外，在地壳中钠和钾的分布很广，丰度很高，在已发现的百余种元素中居于前十位，见表9－2。其中主要矿物有：

Li：锂辉石LiAl（SiO3）2。Na：岩盐NaCl，芒硝Na2SO4·10H2O，钠长石Na［AlSi3O8］。K：光卤石KCl·MgCl2·6H2O，钾长石K［AlSi3O8］，明矾KAl（SO4）2·12H2O。

表9－2　地壳中主要含量元素的丰度（质量分数）　%

其中Na＋、K＋是人体必需的常量元素，其主要功能是维持体液的解离平衡、酸碱平衡和渗透平衡。

1.碱金属单质

（1）物理性质

碱金属是具有金属光泽的银白色金属。碱金属的密度都小于2 g·cm－3，其中锂、钠、钾的密度均小于1 g·cm－3，能浮在水面上，是典型的轻金属。碱金属是典型的软金属。这是由于碱金属原子半径较大，又只有1个价电子，所形成的金属键很弱。碱金属的硬度都小于2，可以用刀切割；从Li到Cs的熔点分别为180.5℃、97.8℃、63.5℃、39.3℃和28.5℃，铯的熔点比人的体温还低。在碱金属的晶体中有活动性较强的自由电子，因而它们具有良好的导电性、延展性。钠的导电性比铜、铝的还好。

碱金属在常温下就能形成液态合金，其中最重要的合金有钠钾合金和钠汞齐。锂铅合金具有较大的硬度，可用来制造火车的机车轴承；锂铝合金具有高强度和低密度的性能，是制造航空、航天产品所需要的材料；钠汞齐因还原性缓和，常用作有机合成反应的还原剂；钠钾合金因其比热大、液化范围宽，可用作核反应堆的冷却剂。

碱金属对光十分敏感，铷、铯主要用于制造光电管。在一定波长光的作用下，碱金属的电子可获得能量而从金属表面逸出，从而产生光电效应。将碱金属的真空光电管安装在宾馆或会堂的自动门上，当光照射时，由光电效应产生电流，形成闭合回路，驱动装置，使门关上。当人走在自动门附近时，遮住了光，光电效应消失，电路断开，门就会自动打开。

（2）化学性质

碱金属是化学活泼性很强的金属元素，其电负性和标准电极电势E⊖（M＋／M）很小。碱金属单质最突出的化学性质是强还原性，能与大多数的非金属元素形成相应的化合物，如与氧气、水反应。碱金属都能与水反应，生成MOH，并放出氢气。

值得注意的是，室温下锂与水反应较慢，虽然锂的标准电极电势比铯的小，但它与水反应时不如钠剧烈。这是因为Li＋有较小的半径，在水溶液中极易与水分子结合形成水合离子而释放出较高的水合能，但因锂单质的熔点较高，放出的热量不足以使其熔化，分散性较差，因而降低了锂的反应活性。此外，反应生成的氢氧化锂的溶解度较小，覆盖在金属表面上，从而也降低了反应速率。其余的碱金属反应均剧烈。钠与水猛烈地发生作用，并放出大量的热；钾与水可发生燃烧，甚至爆炸起火。另外，利用这些金属与水反应的性质，常将钠作为某些有机溶剂的脱水剂，除去其中含有的极少量水。

碱金属与空气反应，缓慢反应生成普通氧化物。例如：

燃烧时生成的产物分别为：

锂在空气中燃烧时，除了生成氧化物Li2O，还会生成氮化物。

碱金属有很高的反应活性，均不能存放于空气中，因此，要将它们保存在无水的煤油中。锂的密度很小，能浮在煤油上，所以将其保存在液状石蜡中。

2.碱金属的氧化物和氢氧化物

碱金属的化合物大多数是离子型化合物，在过量的空气中燃烧时生成不同类型的氧化物，有普通的氧化物（M2O）、过氧化物（M2 O2）、超氧化物（MO2）和臭氧化物（MO3）等。碱金属在空气中燃烧，锂生成氧化锂（Li2O），钠生成过氧化钠（Na2O2），而钾、铷、铯则生成超氧化物（KO2、RbO2、CsO2）。

碱金属中的锂在空气中燃烧时，主要产物是Li2 O。其他碱金属的正常氧化物是用金属与它们的过氧化物或硝酸盐作用得到的，例如：

碱金属氧化物的颜色从Li2O到Cs2 O依次加深，热稳定性和焰点也依次降低。Li2 O的熔点高达1 973 K以上，Na2O在1 548 K时升华，而其余碱金属氧化物在未达到熔点前即可开始分解。

碱金属的氧化物与水作用生成氢氧化物。例如：

3.过氧化物

所有碱金属都能形成相应的过氧化物M2 O2，其中最重要的是Na2 O2。Na2 O2为白色粉末，工业品通常呈黄色，对热稳定，但易吸潮，与水或酸作用生成H2O2。

Na2O2分子中含有，其中O（－1）既可以被氧化，又可以被还原，因此Na2O2既有氧化性，又有还原性，在实际应用中以氧化性为主，经常用作漂白剂，是一种强氧化剂，能强烈地氧化一些金属，如熔融的过氧化钠能把Fe氧化成与一些不溶于酸的矿石共熔可使矿石氧化分解，Na2O2兼有碱性。例如：

Na2O2在酸性条件下遇到像KMnO4这样的强氧化剂时，也表现出还原性，即在酸性条件下Na2O2被KMnO4氧化而放出氧气。

Na2O2易吸潮，可与水或稀硫酸在室温下反应生成过氧化氢。(www.xing528.com)

Na2O2与二氧化碳反应放出氧气，用作供氧剂或二氧化碳吸收剂。

因此，Na2O2可以用来作为氧气发生剂，用于高空飞行、水下工作和防毒面具的供氧剂和二氧化碳吸收剂。Na2 O2在熔融时几乎不分解，但遇到棉花、木炭或铝粉等还原性物质时，就会发生爆炸，使用Na2O2时应当注意安全。

4.超氧化物

纯净的超氧化锂至今尚未制得，除锂之外，碱金属都能形成超氧化物MO2。其中，钾、铷、铯在空气中燃烧能直接生成超氧化物MO2晶体。在30 MPa和773 K下，Na2O2和O2可反应生成NaO2。一般来说，金属性很强的元素容易形成含氧较多的氧化物，因此钾、铷、铯易生成超氧化物。

超氧化物与水反应立即产生氧气和过氧化氢。例如：

因此，超氧化物也是强氧化剂。超氧化钾与二氧化碳作用放出氧气。

KO2较易制备，常用在急救器和消防队员的空气背包中，利用上述反应除去呼出的CO2和湿气并提供氧气。

5.氢氧化物

碱金属的氢氧化物都是白色固体，易溶于水和醇类，溶解度从LiOH到CsOH依次递增。它们在空气中易吸水而潮解，所以固体NaOH常用作干燥剂。碱金属的氢氧化物均可由相应的氧化物与水反应制得，NaOH也可在溶液中由以下方法制取。

作为强碱的碱金属氢氧化物有一系列的碱性反应，现在以NaOH为例来说明。

（1）碱金属与两性金属反应

（2）与非金属B、Si、卤素等反应

（3）与酸反应

碱金属与酸发生中和反应生成盐和水，用NaOH溶液吸收H2 S气体，可制得Na2 S。也可以与酸性氧化物反应生成盐和水，如用NaOH吸收CO2气体生成碳酸钠。

因此，存放NaOH必须要注意密封，以免吸收空气中的CO2及水分，致使NaOH含有Na2CO3。要配置不含有Na2CO3的NaOH溶液，可先制备很浓的NaOH溶液，在这种溶液中，Na2CO3静置后即可析出沉淀，而上面的清液就是纯NaOH溶液。

（4）与二氧化硅反应

NaOH与SiO2发生缓慢反应生成可溶于水的硅酸：

因此，盛放NaOH溶液的瓶子要用橡皮塞子而不能用玻璃塞子。否则，长期存放后，NaOH和玻璃中的主要成分SiO2作用生成带有黏性的Na2 SiO3，把玻璃瓶塞和瓶口黏结在一起。

（5）与盐反应

NaOH与盐反应生成新的弱碱和盐。例如：

上述反应可用于实验室制备氨气。例如：

利用上述反应可除去溶液中的杂质Fe3＋，以制得某些纯物质。

氢氧化钠的熔点较低并具有溶解金属氧化物和非金属氧化物的能力，因此，在工业生产和分析化学工作中用于矿物原料和硅酸盐类试样的分解。

总之，碱金属氢氧化物最突出的性质是它的强碱性。其中以NaOH和KOH最为重要，NaOH称为烧碱、火碱或奇性碱，其强碱性所引起的腐蚀性能侵蚀衣服、玻璃、陶瓷以至稳定的金属铂，并能严重烧伤皮肤，尤其是眼睛的角膜。因此，制备或使用NaOH时应特别注意材料的选择和防护。在熔融或蒸发浓NaOH溶液时，要用银、镍或铁制的容器，在这三种金属中，尤其是银对NaOH有较强的抗腐蚀性能。KOH和NaOH的性质相似，但价格比NaOH的高，除非有特殊需要，一般多用NaOH。