第十二章 s区金属（ⅠA、ⅡA）
在讨论s区元素之前，这里先对元素的丰度和分类加以简单介绍。
1．元素的丰度 各种元素在地球上的含量相差极为悬殊。一般说来，较轻的元素含量较多，较重的元素含量较少；原子序数为偶数的元素含量较多，原子序数为奇数的元素含量较少。地球表面下16km厚的岩石层称为地壳，化学元素在地壳中的含量称为丰度。丰度可以用质量分数表示，称为质量Clarke值，也可以用原子分数表示，称为原子Clarke值。对于同一元素，其质量Clarke值和原子Clarke值是不同的。表12—1列出了一些元素的质量Clarke值。氧是地壳中含量最多的元素，其次是硅，这两种元素的总质量约占地壳的75％。氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁这8种元素的总质量占地壳的99％以上。
人体中大约含有30多种元素，其中有11种为常量元素(见表12—2)，约占人体质量的99．95％，其余的为微量元素或超微量元素。人体中的多数常量元素在地壳中的含量也较多。
2．元素的分类 在化学上按习惯将元素分为普通元素和稀有元素，这种划分只是相对的，它们之间没有严格的界限。所谓稀有元素，一般是指在自然界中含量少，或被人们发现较晚，或刘其研究较少，或比较难以提炼，以致在工业上应用得也较晚的元素。通常稀有元素分为以下几类：
轻稀有金属：Li，Rb，Cs，Be；
高熔点稀有金属，Ti，Zr．IIf，V，Nb，Ta，Mo，w，Re；
分散稀有元素：Ga，In，Tl，Ge，Se，Te；
稀有气体：He，Ne，Ar，Kr，Xe，Rn'
稀土金属：Sc，Y，Lu，和镧系元素；
铂系元素；Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt；
放射性稀有元素：Fr，Ra，Tc，Po，At，Lr和锕系元素。
在自然界中只有少数元素(如稀有气体．O2，N2，S，C，Au，Pt等)以单质的形态存在，大多数元素则以化合态存在，而且主要以氧化物、硫化物，卤化物和含氧酸盐的形式存在。
我同矿产资源很丰富，其中钨、锌、锑、锂，稀土元素等含量占世界舀位，铜，锡、铅、汞、镍、钍，钔等储量也居世界前列。非金属硼、硫、磷等储量也不少。开发我国的丰产元素，并在高科技领域巾加以利用，是化学下作者的义务。
碱金属和碱土金属是周期表ⅠA族和ⅡA族元素。ⅠA族包括锂、钠、钾、铷、铯、钫六种金属元素。ⅡA 族包括铍、镁、钙、锶、钡、镭六种金属元素。其中锂、铷、铯、铍是希有金属，钫和镭是放射性元素。
§12、1 s区元素的通性
表12-3、12-4列举了碱金属和碱土金属的一些重要性质。
1、结构：ns 1-2
碱金属和碱土金属原子的最外层电子排布分别为:ns1和ns2,这两族元素构成了周期系的s区元素。碱金属原子最外层只有一个电子，次外层为8电子(Li为2电子)，对核电荷的屏蔽效应较强，所以这一个价电子离核校远，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。S区元素的元素中，同一族元素自上而下性质的变化都是有规律的。例如，随着核电核数的增加，同族元素的原子半径、离子半径逐渐增大，电离能逐渐减小，电负性逐渐减小，金属性、还原性逐渐增强，均为活泼金属（H）除外。碱金属和碱土金属原子的标准电极电势都很小，从钠到铯，逐渐减小，但锂比铯还小，表现出反常性。Li与Be的性质与同族元素相比具有特殊性。
2、成键特征： Ⅰ， Ⅱ 离子型
碱金属元素的原子很容易失去一个电子而呈 1氧化态，因此碱金属是活泼性很强的金属元素。它们不会具有其它氧化态。
碱土金属原子比相邻的碱金属多一个核电荷，因而原子核对最外层的两个s电子的作用增强了，所以碱土金属原子要失去一个电子比相应碱金属难。碱土金属的主要呈 2氧化态.
碱金属和碱土金属元素在化合时，多以离子键结合为特征，但在某些情况下仍显一定程度的共价性。气态双原子分子Na2、Cs2等就是以共价键结合的。常温下在s区元素的盐类水溶液中，金属离子大多数不发生水解反应。除铍以外，s区元素的单质都能溶于液氨生成蓝色的还原性溶液。
3、m.p.b.p.硬度低，且从上自下，由高到低。导电性ⅠA＞ⅡA。碱金属和碱土金属团体均为金属晶格。碱金属原子体积最大，只有一个成键电子，在固体中原子间的引力较小，所以它们的熔点、沸点、硬度、升华热都很低，并随着Li 一Na —K 一Rb 一Cs 的顺序而下降。碱土金属由于核外有2 个有效成键电子，原于间距离较小，金属键强度较大，因此，它们的熔点、沸点和硬度均较碱金属高，导电性却低于碱金属。
4、s区元素的单质是最活泼的金属，它们都能与大多数非金属反应。
如与氢反应、与氧气反应、除了镁和铍外，它们都易于水反应，形成稳定的氢氧化物，这些氢氧化物大多是强碱，与非金属反应。
§12、2 s 区元素的单质
12、2、1、单质的物理性质和化学性质
1、物理性质
碱金属和碱土金属都是具有金属光泽的银白色(铍为灰色)金属。它们理性质的主要特点是：轻、软、低熔点。碱金属的密度都小于2 g•cm-3，其锂、钠、钾的密度均小于1 g•cm-3(表12—3)，能浮在水面上；碱土金属的密度小于5。它们都是轻金属昼。碱金属的密度小与它们的原子半径比较大、晶体结构为堆积密度比较小的体心立方以及摩尔质量比较小等因素有关；同样，可以从原子半径、晶体结构和摩尔质量的变化来了解碱土金属的密度比同周期碱金属的密度有所增大的事实。
碱金、属碱土金属的硬度很小，除铍、镁外，它们的硬度都小于2。碱金属和钙、锶、钡可以用刀子切割。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，它们的熔点、沸点都较低。铯的熔点比人的体温还低。碱土金属原子半径比相应的碱金属小，具有2个价电子，所形成的金属键比碱金属的强，故它们的熔点、沸点比碱金属高。在碱金属、碱土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、导热性。钠的导电性比铜、铝还好。
s区元素的物理性质与它们在实际中的应用密切相关，如镁铅合金是大家熟悉的轻质合金。镁合金具有很好的机械强度和质轻的特点，是很重要的结构材料。航空工业应用了大量的镁合金，直升飞机需要极轻的材料，镁合金广泛地应用于直升飞机的制造上。镁合金也成为各种运输工具、军事器材(枪炮零件)、通讯器材等的重要结构材料。目前在空间轨道飞行器上所用的镁比任何其他金属都多。随着火箭、导弹、人造地球卫星和各种空间运载工具的发展，镁合金的用量将越来越多。
除镁之外，锂、铍的合金也有较多的应用。例如，锂铅合金0.4％Li，0.70％Cu，0．6％Na，其余为铅)使铅的硬度增大，可用来制造火车的机车轴承。锂铝合金也具有高强度和低密度的性能，锂合金也是制造航空、宇航产品所需要的材料。含2．6％Be的铍镍合金的强度与不锈钢相似。62％Be和38％A1的合金被称为“锁合金”，其弹性模数高，密度低，并容易成型。铍青铜是铍与铜的合金，少量的铍可以大大增加铜的硬度和导电性。铍作为最有效的中子减速剂和反射剂之一用于核反应堆。铍还可以用X射线管的窗口材料。
由于钠的低熔点、低粘度及低的中子吸收截面，并兼有异常高的热容量和导热率，在快增殖核反应堆中钠被用作热交换液体。钾钠合金和锂都可作为核反应堆中的热交换介质。在一定波长光的作用下，碱金属的电子可获得能量从金属表面逸出而产生光电效应。将碱金属的真空光电管安装在宾馆或会堂的自动开关的门上，当光照射时，由光电双应产生电流，通过一定装置形成电流，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，门就会自动托开。铷、铯主要用于制造光电管。
2、化学性质
碱金属和碱土金属是化学活泼性很强或较强的金属元素。它们能直接或间接地与电询性较大的非金属元素形成相应的化合物。碱金属和碱土金属的重要化学反应分别列于表12—6和表12—7中。
碱金属有很高的反应活性，在空气中极易形成M2CO3的覆盖层，因此要将它们保存相无水的煤油中。锂的密度很小，能浮在煤油上，所以将其保存在液体石蜡中。碱土金属的活泼性不如碱金属，铍和镁表面形成致密的氧化物保护膜。碱金属中的锂和碱土金属在空气中燃烧时，生成正常氧化物Li2O和MO。Li在生成氧化物的同时，还会生产氮化物，碱土金属在空气中燃烧生成氧化物的同时，也会生成氮化物。
碱金属的 (M ／M)和碱土金属的正 (M2 ／M)都很小，相应金属的还原性强，都能与水反应，并生成氢气。例如，钠、钾与水反应很激烈，并能放出大的热，使钠、钾熔化，同时使H2燃烧。虽然锂的标准电极电势比铯的还小，但它与水反应时还不如钠激烈。这是因为锂的升华焓很大，不易活化，因而反应速率较小。另外，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。同周期的碱土金属与水反应不如碱金属激烈。铍、镁与冷水作用很慢，因为金属表面形成一层难溶的氢氧化物，阻止了金属与水的进一步作用。利用这些金属与水反应的性质，常将钠与钙作为某些有机溶剂的脱水剂，除去其中含有的极少量水。不能用钠脱除醇中的水，因为钠与醇反应能生成醇钠和氢气。
碱金属和碱土金属都能与稀酸反应。
铍能与碱溶液发生反应，反应方程式如下：
其他碱金属和碱土金属无此类反应。
钡、钙可以用作真空管中的脱气剂，除去其中少量的氮、氧等气体。镁在炼钢中作为除氧剂和脱硫剂。
钠、锂、镁、钙等常用作冶金、无机合成和有机合成中的还原剂。
焰色反应
12、2、2 单质的存在与单质的制备：
碱金属和碱土金属是活泼的金属元素，因此在自然界中不存在碱金属和碱土金属的单质，这些元素多以离子型化合物的形式存在。碱金属中的钠、钾和碱土金属(除镭外)在自然界中的分布均很广，Na，K，Mg，Ca和Ba的丰度比较大，它们的主要矿物资源见表12—9。
由于钠和镁等s区主要金属有很强的还原性，它们的制备一般都采用电解熔融盐的方法。钠和镁主要用电解熔融的氯化物制取。NaCl，BeCl 2，MgCl 2 等。在金属钾的实际生产中，并不采用电解KCl熔盐的方法。这是因为钾太容易溶解在熔化的KCl中，以致不能浮在电解槽的上部加以分离收集。同时，还因为钾在操作温度下迅速气化，增加了不安全因素。工业上采用热还原法，在850℃以上用金属钠还原氯化钾得到金属钾：
Na(g) KCI(1)→NaCI(1) K(s)
由于钾的沸点比钠的沸点低，钾比钠更容易气化。随着钾蒸气的不断逸出，平衡不断向右移动，可以得到含少量钠的金属钾，再经过蒸馏可得到纯度为99％-99．99％钾。用类似的方法，在减压的情况下，于750℃时用金属钙还原，可以生产金属铷和铯。由于锶、钡在电解质中有较大的溶解度，不能用电解法生产锶和钡。一般用—铝热法生产锶和钡(也可用硅还原法)。
§12、3 s 区元素的化合物
