第二节　碱金属和碱土金属的性质

锂（Li）、钠（Na）、钾（K）、铷（Rb）、铯（Cs）、钫（Fr）这六种金属元素，其氧化物溶于水呈碱性，故称之为碱金属。铍（Be）、镁（Mg）、钙（Ca）、锶（Sr）、钡（Ba）、镭（Ra）这六种金属元素中，Ca、Sr、Ba的氧化物在性质上介于“碱性的”和“土性的”（以前把黏土的主要成分，既难溶又难熔的Al2O3称为“土性”氧化物）之间，故称之为碱土金属，现习惯上把与其原子结构相似的Be和Mg也包括在内。其中Li、Rb、Cs、Be是稀有金属，Fr和Ra是放射性元素。

一、碱金属和碱土金属的通性

碱金属原子最外电子层只有一个电子，次外层均为稳定结构，因此，它们均极易失去最外层电子，形成+1价阳离子（见表2-2），表现出强还原性。从Li到Cs，随着电子层数依次增多，最外层电子离核的距离越远，原子核对其吸引力逐渐减弱，失电子能力依次增强，因此还原性依次增强。

碱土金属原子最外电子层有2个电子，次外层均为稳定结构，因此，它们均易失去最外层的两个电子，形成+2价阳离子（见表2-3），表现出较强的还原性。从Be到Ba，电子层数依次增多，原子核对外层电子的吸引力逐渐减弱，失电子能力依次增强，即还原性依次增强。

碱金属与具有相同电子层数的碱土金属相比，碱金属的核电荷数少，原子核吸引外层电子的能力弱，最外层的电子更容易失去，即碱金属的还原性比相应的碱土金属的还原性强。

碱金属都是银白色金属，具有密度小、硬度3小、熔点低、沸点低、导电性强的特性，是典型的轻金属4。

Li是最轻的金属，能浮于煤油上；Na和K能浮于水面。碱金属硬度小，所以Na、K都可以用刀切割。碱金属的熔点低，其熔点（除Li外）比水的沸点还低，常温下能形成液态合金5。它们导电能力强，当K、Rb和Cs受光的照射，电子可以从表面逸出，这种现象叫做光电效应。对光特别灵敏的是Cs，是制造光电池的良好材料。

碱土金属中，除Be为钢灰色外，其他都具有银白色光泽，其密度、熔点和沸点较碱金属高，但仍属于轻金属，也都能导电。

碱金属和碱土金属的物理性质见表2-4。

二、钠、钾、镁、钙的化学性质

碱金属和碱土金属均为活泼金属，还原性较强，所以它们在空气和水中大多不稳定，并且金属的还原性越强，所发生的反应就越剧烈。

1.与氧反应

［演示实验2-1］　取一小块金属Na，用滤纸擦去煤油，用小刀切开，观察新切面的颜色及变化，再把小块Na放在燃烧匙中加热，观察现象。

从Na的新鲜断面可以看到银白色的金属光泽。Na、K在干燥空气中逐渐被氧化，生成氧化物，因而表面颜色变暗。

Na、K在空气中受热能燃烧，并分别生成过氧化钠（Na2O2）和超氧化钾（KO2）固体（K燃烧时也可以生成K2O2），并分别产生黄色和紫色火焰。

Mg、Ca在空气中也能逐渐被氧化而失去金属光泽。但由于在Mg表面形成的是一层致密的氧化膜，阻止了内层Mg与空气中O2的结合，因而Mg在空气中很稳定。Mg和Ca在空气中燃烧，分别生成MgO和CaO，并且Mg燃烧时发出炫目的白光，Ca燃烧时火焰呈砖红色。

知识拓展

一些金属或其化合物在灼烧时，火焰呈现特殊颜色的现象叫做焰色反应。利用焰色反应，可以鉴定或鉴别这些金属或金属离子。一些金属的火焰颜色见表2-5。

［演示实验2-2］ 将铂丝用浓HCl或纯HNO3洗净，放在酒精灯（最好用煤气灯）火焰里灼烧，直至火焰与原来灯焰的颜色一样。然后用铂丝分别蘸一下含有Na+、K+、Ca2+、Ba2+的溶液或晶体，在灯焰上灼烧（见图2-1），观察火焰的颜色。注意：每做完一个试样都要用浓HCl将铂丝清洗干净。

实验表明，灼烧上述四种试样时，火焰分别呈黄色、紫色（透过蓝色钴玻璃观察，以便滤去钠杂质的黄光，排除干扰）、砖红色和黄绿色。则根据表2-5，可确定与其对应的物质是否含有Na+、K+、Ca2+、Ba2+。

Mg、Ca与氧结合能力很强，不仅可以与O2化合，还能够夺取多种氧化物中的氧。如点燃的镁条放入CO2的集气瓶中，镁条会继续燃烧（如图2-2所示）。

2.与非金属反应

碱金属与卤素、S等非金属反应非常剧烈，甚至发生爆炸，生成不含氧的盐。例如：

碱土金属在一定的温度下也能与这些元素反应。此外，镁条在空气中燃烧生成白色粉末MgO的同时，还生成少量的氮化镁（Mg3N2），反应方程式为：

化学活泼性很强的碱金属与碱土金属中的Ca、Sr、Ba还能与H2在高温下直接化合，并将H还原为-1价离子，生成白色的固体氢化物，显示出它们较强的还原性。碱金属和碱土金属的氢化物也都是强还原剂。

3.与水、酸的反应

［演示实验2-3］　用镊子取一小块金属Na，放入盛有水（事先滴入两滴酚酞）的烧杯中，观察Na与水反应的现象，并收集检验所产生的气体（见图2-3）。再取一小块金属K代替Na，重复上述操作，观察K与水反应的现象。

Na比水轻，投入烧杯时，浮在水面上。Na与水反应放出的热量，使Na熔融成一个闪亮的小球，小球向各个方向迅速游动，并逐渐缩小，同时发出嘶嘶声，最后小球完全消失，溶液由无色变为红色，说明溶液显碱性。经检验，试管里收集到的气体是H2。反应方程式为：

2Na+2H2O 2NaOH+H2↑

K与水反应生成KOH和H2，但反应比Na更剧烈，可以燃烧，量较大时甚至发生爆炸。

2K+2H2O 2KOH+H2↑

Mg、Ca与水反应也生成氢氧化物和H2，但Mg与沸水才有显著的反应，而Ca与冷水就能迅速发生反应。

M+2H2O M（OH）2+H2↑（M=Mg、Ca）

碱金属和碱土金属也可与酸反应，生成盐和H2，例如：

2Na+H2SO4（稀） Na2SO4+H2↑

Ca+2HCl CaCl2+H2↑

由于反应非常剧烈，一般不宜用来制取H2。

4.与盐反应

［演示实验2-4］　向盛有0.1mol·L-1的CuSO4溶液的烧杯中，加入一小块金属Na，观察现象。

Na与CuSO4溶液剧烈反应，生成天蓝色Cu（OH）2沉淀，同时产生H2，放出大量的热。反应方程式为：

2Na+CuSO4+2H2O Cu（OH）2↓+Na2SO4+H2↑

当将金属Na加入到CuSO4稀溶液中时，金属Na首先与H2O反应，生成NaOH和H2，NaOH再与CuSO4反应，生成蓝色Cu（OH）2沉淀。因此，不能用K、Ca、Na等活泼金属与盐溶液反应来制取不活泼的金属。高温时，碱金属和碱土金属能夺取氯化物中的氯，如金属Na可以从四氯化钛（TiCl4）中置换出金属Ti：

由以上性质可知，K的还原性强于Na，Ca的还原性强于Mg；电子层数相同的碱金属与碱土金属相比，K的还原性强于Ca，Na的还原性强于Mg。

三、钠、钾、镁、钙的存在及制备

1.存在

由于Na、K、Mg、Ca的化学性质很活泼，所以它们均以化合态存在于自然界中。钠和钾在地壳中分布很广，钠约占地壳的2.74%，居元素含量的第六位；钾约2.47%，居元素含量的第七位。主要矿物有钠长石［Na（AlSi3O8）］、钾长石［K（AlSi3O8）］、光卤石（KCl·MgCl2·6H2O）以及明矾［K2SO4·Al2（SO4）3·24H2O］等。海水中NaCl的含量为2.7%，植物灰中也含有钾盐。

镁、钙在地壳中分布也很广。镁占地壳的2.00%，居元素含量的第八位；钙占地壳的3.45%，居元素含量的第五位。在自然界中，镁除光卤石外，还有白云石（CaCO3·MgCO3）和菱镁矿（MgCO3）等。海水中也含有大量的MgCl2、MgSO4。钙主要是含CaCO3的各种矿石，如石灰石、大理石、方解石、白云石，此外，还有石膏（CaSO4·2H2O）、萤石（CaF2）、磷灰石［Ca5F（PO4）3］，动物的骨骼和牙齿也含钙。

在生命必需的元素中，金属元素有十四种，其中钠、钾、镁、钙的含量占人体内金属元素总量的99%以上。Na+、K+主要起调节细胞内外液的水和电解质的渗透平衡作用，Ca2+、Mg2+及Zn2+是各种水解金属酶的必要组成部分。

2.制备

由于碱金属和碱土金属单质的还原性强，所以工业上常用电解它们的熔融化合物的方法来制备。

生产中为了降低能耗及减少由于钠蒸气的蒸发而造成的损失，往往加入助熔剂（如BaCl2、CaCl2等），一方面降低熔点；一方面增大熔盐的密度，使析出的Na浮在上面，易于分离。

由于K易溶于熔融的KCl中，难以分离，同时K的沸点低，易挥发，在电解过程中又有发生爆炸的危险，所以，工业上一般不用电解熔融盐的方法制取K，而主要采用Na置换法，即在熔融状态下（ 766～881℃），由金属Na从KCl中置换出K。

四、钠、钾、镁、钙的贮存与用途

1.贮存

由于碱金属和碱土金属的性质非常活泼，因此要隔绝空气和水，密封保存。

大量的Na、K、Ca要密封在钢桶内，单独存放；少量的Na、K、Ca则浸在煤油中保存。使用Na、K、Ca等活泼金属时，不能直接用手拿，应佩戴防护眼镜。残渣也不能随意丢弃在废液缸或纸篓中，以防发生火灾。遇其着火时，只能用砂土或干粉灭火，绝不能用水。而Mg由于有一层致密的MgO保护膜，在空气中很稳定，无需密封保存。

2.用途

Na主要用作强还原剂以制取钛（Ti）、锆（Zr）等稀有金属；可应用于电光源上，高压钠灯能发出射程远、透雾能力强的黄光；Na、K合金（质量分数为77.2%K和22.8%的Na，熔点-12.5℃）比热容大，液化范围宽，用作核反应堆的冷却剂；钠-汞齐由于具有缓慢的还原性而常应用于有机合成。大量的Na还用于制取那些不能由NaCl直接制取的钠的化合物，如Na2O2、氰化钠（NaCN）、NaH等；Na还用于替代性质相似、价格昂贵的K。金属K可用于制造合金，但由于其来源困难，它的应用受到限制。

Mg在冶金中用于制备密度小、硬度大、韧性高的合金，制造飞机和汽车的部件；利用Mg冶炼稀有金属；Mg粉用于制造焰火、照明弹等。Ca主要用于高纯度金属的冶炼，也用于制造合金，如与质量分数为1%的铅（Pb）的合金可作轴承材料。