表17-1和17-2列舉了堿金屬和堿土金屬的一些重要性質(zhì)。
堿金屬元素原子的價(jià)電子層結(jié)構(gòu)為ns1。因此,堿金屬元素只有+Ⅰ氧化態(tài)。堿金屬原子最外層只有一個(gè)電子,次外層為8電子(Li為2電子),對核電荷的屏蔽效應(yīng)較強(qiáng),所以這一個(gè)價(jià)電子離核較遠(yuǎn),特別容易失去,因此,各周期元素的第一電離勢以堿金屬為最低。與同周期的元素比較,堿金屬原子體積最大,在固體中原子間的引力較?。ㄒ蛎總€(gè)原子只有一個(gè)電子參加金屬鍵),所以它們的熔點(diǎn),沸點(diǎn)、硬度、升華熱都很低,并隨著Li-Na-K-Rb-Cs的順序而下降。隨著原子量的增加(即原子半徑增加),電離勢和電負(fù)性也依次降低,見表17-1。
表17-1 堿金元素的基本性質(zhì)
元素 性質(zhì) |
鋰 | 鈉 | 鉀 | 銣 | 銫 |
符號 | Li | Na | K | Rb | Cs |
原子序 | 3 | 11 | 19 | 37 | 55 |
原子量 | 6.941 | 22.9893 | 39.098 | 85.4678 | 132.9054 |
價(jià)電子層結(jié)構(gòu) | 2s1 | 3s1 | 4s1 | 5s1 | 6s1 |
主要氧化數(shù) | +Ⅰ | +Ⅰ | +Ⅰ | +Ⅰ | +Ⅰ |
原子半徑/pm*(金屬半徑) | 152 | 153.7 | 227.2 | 247.5 | 265.4 |
離子半徑/pm | 68 | 97 | 133 | 147 | 167 |
電離勢 第一電離勢/(kJ·mol-1) 第二電離勢/(kJ·mol-1) |
521 7295 |
499 4591 |
421 3088 |
405 2675 |
371 2436 |
電負(fù)性 | 0.98 | 0.93 | 0.82 | 0.82 | 0.79 |
標(biāo)準(zhǔn)電極電勢/V M+(aq)+e-=M(s) |
-2.045
|
-2.7109
|
-2.923
|
-2.925
|
-2.923
|
* 表中所列原子半徑數(shù)值系金屬半徑值。
表17-2 堿土金屬元素的基本性質(zhì)
元素 性質(zhì) |
鈹 | 鎂 | 鈣 | 鍶 | 鋇 |
符號 | Be | Mg | Ca | Sr | Ba |
原子序 | 4 | 12 | 20 | 38 | 56 |
原子量 | 9.01218 | 24.305 | 40.078 | 87.62 | 137.33 |
價(jià)電子層結(jié)構(gòu) | 2s2 | 3s2 | 4s2 | 5s2 | 6s2 |
主要氧化數(shù) | +Ⅱ | +Ⅱ | +Ⅱ | +Ⅱ | +Ⅱ |
原子半徑/pm(金屬半徑) | 111.3 | 160 | 197.3 | 215.1 | 217.3 |
離子半徑/pm | 35 | 66 | 99 | 112 | 134 |
電離勢 第一電離勢/(kJ·mol-1) 第二電離勢/(kJ·mol-1) 第三電離勢/(kJ·mol-1) |
905 1768 14939 |
742 1460 7658 |
593 1152 4942 |
552 1070 4351 |
564 971 3575 |
電負(fù)性 | 1.57 | 1.31 | 1.00 | 0.95 | 0.89 |
標(biāo)準(zhǔn)電極電勢/V M2++2e- ?M(s) M2+(OH)2+2e- ?M(s)+2OH- |
-1.85 -2.28 |
-2.375 -2.69 |
-2.76 -3.02 |
-2.89 -2.99 |
-2.90 -2.97 |
堿金屬性質(zhì)的變化一般很有規(guī)律,但由于鋰原子最小,所以有些性質(zhì)表現(xiàn)特殊。事實(shí)上,除了它們的氧化數(shù)以外,鋰及其化合物的性質(zhì)與本族其它堿金屬差別較大,而與周期表中鋰的右下角元素鎂有很多相似之處。
堿金屬元素在化合時(shí),多以形成離子鍵為特征,但在某些情況下也顯共價(jià)性。氣態(tài)雙原子分子,如Na2、Cs2等就是以共價(jià)鍵結(jié)合的。堿金屬元素形成化合物時(shí),鋰的共價(jià)傾向最大,銫最小。
與堿金屬元素比較,堿土金屬最外層有2個(gè)s電子。次外層電子數(shù)目和排列與相鄰的堿金屬元素是相同的。由于核電荷相應(yīng)增加了一個(gè)單位,對電子的引力要強(qiáng)一些,所以堿土金屬的原子半徑比相鄰的堿金屬要小些,電離勢要大些,較難失去第一個(gè)價(jià)電子。失去第二個(gè)價(jià)電子的電離勢約為第一電離勢的一倍。從表面上看堿土金屬要失去兩個(gè)電子而形成二價(jià)正離子似乎很困難,實(shí)際上生成化合物時(shí)所釋放的晶格能足以使它們失去第二個(gè)電子。它們的第三電離勢約為第二電離勢的4~8倍,要失去第三個(gè)電子很困難,因此,它們的主要氧化數(shù)是+Ⅱ而不是+Ⅰ和+Ⅲ。由于上述原因,所以堿土金屬的金屬活潑性不如堿金屬。比較它們的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢數(shù)值,也可以得到同樣的結(jié)論。
在這兩族元素中,它們的原子半徑和核電荷都由上而下逐新增大;在這里,原子半徑的影響是主要的,核對外層電子的引力逐漸減弱,失去電子的傾向逐新增大,所以它們的金屬活潑性由上而下逐漸增強(qiáng)。
堿金屬和堿土金屬固體均為金屬晶格,堿土金屬由于核外有2個(gè)s電子,原子間距離較小,自由電子活動(dòng)性較差。因此,它們的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和硬度均較堿金屬高,導(dǎo)電性卻低于堿金屬。堿土金屬的物理性質(zhì)變化不如堿金屬那么有規(guī)律,這是由于堿土金屬晶格類型不是完全相同的緣故。堿金屬皆為體心立方晶格,堿土金屬中,Be、Mg為六方晶格,Ca,Sr為面心立方晶格,Ba為體心立方晶格。
該兩族元素的離子還有各自的不同的味道特性,如Li+離子味甜;K+、Na+離子味咸;Ba+離子味苦。
Li+離子的極化力是堿金屬中最強(qiáng)的,它溶劑化作用和形成共價(jià)的趨勢異常的大。有人提出有“鋰鍵”的存在。類似于氫鍵,如H—F···Li—F和(LiF2)2。
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