堿金屬奧賽培訓教案
講義四 堿金屬一.存在和制備1.存在由于堿金屬的化學性質很活潑，所以它們以化合態狀態存在于自然界中。在堿金屬中，鈉和鉀在地殼中分布很廣，兩者的豐度都為2.5﹪。主要礦物有鈉長石na[alsi3o8]、鉀長石k[alsi3o8]、光鹵石kcl.mgcl2.6h2o以及明礬石k2so4.al2(so4)3.24h2o等。海水中nacl的含量為2.7﹪，植物灰中也含有鉀鹽。鋰的重要礦物為鋰輝石li2o.al2o3.4sio2，鋰、銣和銫在自然界中儲量較少且分散，被列為稀有金屬。2.制備由于堿金屬的性質很活潑，所以一般都用電解它們的熔融化合物的方法制取。鈉和鉀主要用電解熔融的氯化物制取。①電解熔融的氯化納制取金屬鈉電解用的原料是氯化鈉和氯化鈣的混合鹽。若只用氯化鈉進行電解，不僅需要高溫，而且電解出來的鈉易揮發（nacl的熔點為1073k，鈉的沸點為1156k），還容易分散在熔融鹽中，難以分離出來。假如氯化鈣后，一則可降低電解質的熔點（混合鹽的熔點約873k），防止鈉的揮發，再則可減少金屬鈉的分散性，因熔融混合物的密度比金屬鈉大，鈉易浮在上面�？偡磻�2nacl== 2na + cl2電解得到的鈉約含有1﹪的鈣。②熱還原法制取金屬的方法還有熱還原法、金屬置換法和熱分解法。熱還原法一般采用焦炭或碳化物為還原劑，例如：k2co3 + 2c == 2k + 3co2kf + cac2 ====caf2 + 2k + 2c③金屬置換法鉀、銣和銫雖然也可以用電解法制取，但常用強還原性的金屬如na、ca、mg、ba等在高溫和低壓下還原它們氯化物的方法制取，例如：kcl + na ==nacl + k↑2rbcl +ca ==cacl2 + 2rb↑2csalo2 + mg == mgal2o4 + 2cs上面幾個反應看起來都是較不活潑的金屬把活潑金屬從其鹽類中置換出來，這似乎與金屬的活動順序相矛盾。而這個規律只能在水溶液的情況下應用，而上述反應都是在高溫下進行的，所以不能應用。鈉的沸點為1155.9k，鉀的為1032.9k，鉀在高溫更易揮發，在分餾塔中利用鉀在高溫時揮發度大而分離出來。鉀沸點低易揮發，鉀易熔于熔融kcl中難以分離，在電解過程中產生的ko2與k會發生爆炸反應，所以一般不用熔融鹽電解法制鉀，主要用金屬置換法等制取。④熱分解法堿金屬得化合物，如氰化物和疊氮化物，加熱也能分解成堿金屬。4kcn == 4k+ 4c + 2n22mn3 == 2m + 3n2 m = na、k、rb、cs銣、銫常用這種方法制備：2rbn3 === 2rb + 3n22csn3 === 2cs + 3n2堿金屬的疊氮化物較易純化，而且不易發生爆炸。這種方法是精確定量制備堿金屬的理想方法。鋰因形成很穩定的li3n，故不能用這種方法制備。二.單質的物理性質堿金屬的單質除cs略帶金色外，其它都具有銀白色光澤。堿金屬具有密度小、硬度小、熔點低、導電性強的特點，是典型的輕金屬。li、na、k都比水輕，li是固體單質中最輕的，它的密度約為水的一半。該族金屬單質之所以輕是因為它們在同一周期里比相應的其它元素原子量較小，而原子半徑較大的緣故。由于堿金屬的硬度小，所以na、k都可以用刀切割。切割后的新鮮表面可以看到銀白色的金屬光澤，接觸空氣后，由于生成氧化物、氮化物和碳酸鹽的外殼，顏色變暗。堿金屬在常溫下能形成液態合金（77.2﹪k和22.8﹪na，熔點260.7k）和鈉汞齊（熔點236.2k），前者由于具有較高的比熱和較寬的液化范圍而被用作和反應堆的冷卻劑，后者由于具有緩和的還原性而常在有機合成中用作還原劑。na在實驗室中常用來除去殘留在各種有機溶劑中的水分。