碱金属均可以与水反应。锂在反应中不熔化,钠与水反应剧烈,反应放出的热使钠熔化成小球。钾与水的反应更剧烈,产生的氢气能燃烧,铷、铯与水剧烈反应并发生爆炸。
碱土金属也均可以与水反应。铍能与水蒸气反应,镁能将热水分解,而钙、锶、钡与冷水就能比较剧烈地进行化学反应。
由此可知碱金属和碱土金属均为活泼金属,都是强还原剂;在同一族中,金属的活泼性由上而下逐渐增强;在同一周期中从左到右金属活泼性逐渐减弱。
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,它覆盖在锂的表面,阻碍反应的进行。
上述碱金属和碱土金属的活泼性及其变化规律,还表现在它们在空气中都容易和氧化合。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间后,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氮化物。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牧二氧化碳形成碳酸盐:
Na2O+CO2=Na2CO3
因此碱金属应存放在煤油中。锂因密度最小,可以浮在煤油上,所以将其浸在液体石蜡或封存在固体石腊中。
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。
在高温时碱金属和碱士金属还能存取某些氧化物中的氧,如镁可使SiO2的硅还原成单质硅,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
碱金属最有兴趣的性质之一是它们在液氨中表现的性质。碱金属的液氨稀溶液呈蓝色,随碱金属溶解量的增加,溶液的颜色变深。当此溶液钠的浓度超过1mol·L-1以后,就在原来深蓝色溶液之上出现一个青铜色的新相。再添加碱金属,溶液就由蓝色变为青铜色。如将溶液蒸发,又可以重新得碱金属。
根据研究认为: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。具有高导电性主要是由于有溶剂合电子存在。溶液中因含有大量未成对的电子,因此是顺磁性的。
痕量杂质如过渡金属的盐类、氧化物和氢氧化物的存在,以及光化作用都能促进溶液中的碱金属和液氨之间发生反应而生成氨基化物:
Na+NH3(l)=NaNH2+1/2H2
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。
碱金属液氨溶液中的溶剂合电子是一种很强的还原剂。它们广泛应用在无机和有机制备中。
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