堿金屬和堿土金屬的常見鹽類有鹵化物、碳酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽和硫化物等,下面討論它們的共性和一些特性。
堿金屬鹽類的最大特征是易溶于水,并且在水中完全電離。只有少數(shù)鹽類是難溶的。它們的難溶鹽一般都是由大的陰離子組成,而且堿金屬離子越大,難溶鹽的數(shù)目也越多。
難溶鈉鹽有白色粒狀的六羥基銻酸鈉Na[Sb(OH)6],醋酸雙氧鈾酰鋅鈉NaAc·Zn(Ac)2·3UO2(Ac)2·9H2O為黃綠色結(jié)晶。難溶的鉀鹽稍多,有
高氯酸鉀 KClO4(白色)
酒石酸氫鉀 KHC4H4O6(白色)
六氯鉑酸鉀 K4[PtCl6](淡黃色)
鈷亞硝酸鈉鉀 K2Na[Co(NO2)6](亮黃色)
四苯硼酸鉀 KB(C6H5)4(白色)
鈉、鉀的一些難溶鹽常用在鑒定鈉、鉀離子。
堿土金屬鹽類的重要特征是它們的微溶性。除氯化物、硝酸鹽、硫酸鎂、鉻酸鎂易溶于水外,其余的碳酸鹽、硫酸鹽、草酸鹽、鉻酸鹽等皆難溶。硫酸鹽和鉻酸鹽的溶解度依Ca—Sr—Ba的順序降低。草酸鈣的溶解度是所有鈣鹽中最小的,因此,在重量分析中可用它來測定鈣。
堿金屬和堿土金屬碳酸鹽溶解度的差別也常用來分離Na+、K+和Ca2+、Ba2+。
鈉鹽和鉀鹽性質(zhì)很相似,但也有差別,重要的有三點:
1.溶解度 鈉、鉀鹽的溶解度都比較大,相對說來,鈉鹽更大些。但NaHCO3溶解度不大,NaCl的溶解度隨溫度的變化不大,這是常見的鈉鹽中溶解性較特殊的。
2.吸濕性 鈉鹽的吸濕性比相應(yīng)的鉀鹽強。因此,化學(xué)分析工作中常用的標準試劑許多是鉀鹽,如用鄰苯二甲酸氫鉀標定堿液的濃度,用重鉻酸鉀標定還原劑溶液的濃度。在配制炸藥時用KNO3或KClO4,而不用相應(yīng)的鈉鹽。
3.結(jié)晶水 含結(jié)晶水的鈉鹽比鉀鹽多。如
Na2SO4·10H2O、K2SO4 Na2HPO4·10H2O、K2HPO4
鈉的化合物與相應(yīng)鉀的化合物性質(zhì)上一般很相似,鈉的化合物價格要便宜一些,故一般多使用鈉的化合物,而不用鉀的化合物。但要注意某些特殊情況,如鉀肥不能用鈉的化合物代替,制硬質(zhì)玻璃必須用K2CO3,制黑火藥一定要用KNO3等。
堿金屬和鈣、鍶、鋇的揮發(fā)性鹽在無色火焰中灼燒時,能使火焰呈現(xiàn)出一定顏色,這叫“焰色反應(yīng)”。原子的結(jié)構(gòu)不同,就發(fā)出不同波長的光,所以光的顏色也不同。堿金屬和堿土金屬等能產(chǎn)生可見光譜,而且每一種金屬原子的光譜線比較簡單,所以容易觀察識別。
表17-7 堿金屬和幾種堿土金屬的焰色
離子 | Li+ | Na+ | K+ | Rb+ | Cs+ | Ca2+ | Sr2+ | Ba2+ |
焰色 | 紅 | 黃 | 紫 | 紫紅 | 紫紅 | 橙紅 | 紅 | 黃綠 |
譜線波長 (nm) |
670.8 |
589.0 589.6 |
404.4 404.7 |
420.2 629.8 |
455.5 459.3 |
612.2 616.2 |
687.8 707.0 |
553.6 |
利用焰色反應(yīng),可以根據(jù)火焰的顏色定性的鑒別這些元素的存在與否,但只可以鑒別單個離子。同時利用堿金屬和鈣、鍶、鋇鹽在灼燒時,產(chǎn)生不同焰色的原理,還可以制造各色焰火,例如紅色焰火的簡單配方:
KClO3 34% Sr(NO3)2 45% 炭粉 10%
鎂粉 4% 松香 7%
綠色焰火配方:
Ba(ClO3)2 38% Ba(NO3)2 40% S 22%
絕大多數(shù)堿金屬和堿土金屬的鹽是離子型晶體,所以它們的熔點均較高。由于Li+、Be2+離子最小,極化作用較強,才使得它們的某些鹽(如鹵化物)具有較明顯的共價性。Mg2+鹽也有一些是共價性的。
堿金屬離子的水合能力從Li+→Cs+是降低的,這也反映在鹽類形成結(jié)晶水合物的傾向上。幾乎所有的鋰鹽是水合的,鈉鹽約有75%是水合的,鉀鹽有25%是水合物,銣鹽和銫鹽僅有少數(shù)是水合鹽。在常見的堿金屬鹽中,鹵化物大多是無水的,硝酸鹽中只有鋰可形成水合物L(fēng)iNO3·H2O和LiNO3·3H2O,硫酸鹽只有LiSO4·H2O和Na2SO4·10H2O,碳酸鹽中除Li2CO3無水合物外,其余皆有不同形式的水合物,其水分子數(shù)分別為:
Na2CO3 K2CO3 Rb2CO3 Cs2CO3
1、7、10 1、5 1、5 3、5
除鋰以外,堿金屬還能形成一系列復(fù)鹽。復(fù)鹽有以下幾種類型:
光鹵石類,通式為MⅠCl·MgCl2·6H2O,其中MⅠ=K+、Rb+、Cs+。如光鹵石KCl·MgCl2·6H2O;
通式為MⅠ2SO4·MgSO4·6H2O的礬類,其中MⅠ=K+、Rb+、Cs+。如軟鉀鎂礬K2SO4·MgSO4·6H2O;
通式為MⅠMⅢ(SO4)2·12H2O的礬類,其中MⅠ=Na+、K+、Rb+、Cs+,MⅢ=Al3+、Cr3+、Fe3+、Co3+、Ga3+、V3+等離子,如明礬KAl(SO4)2·12H2O。
復(fù)鹽的溶解度一般比相應(yīng)簡單堿金屬鹽小得多。
一般堿金屬鹽具有較高的熱穩(wěn)定性。鹵化物在高溫時揮發(fā)而難分解。硫酸鹽在高溫下既難揮發(fā),又難分解。碳酸鹽除Li2CO3在1543K以上分解為Li2O和CO2外,其余更難分解。唯有硝酸鹽熱穩(wěn)定性較低,加熱到一定溫度就可分解,例如:
4LiNO3=(973K)2Li2O+4NO2↑+O2↑
2NaNO3=(1003K)2NaNO2+O2↑
2KNO3=(943K)2KNO2+O2↑
堿土金屬的鹵化物、硫酸鹽、碳酸鹽對熱也較穩(wěn)定。但它們碳酸鹽的熱穩(wěn)定性較堿金屬、碳酸鹽要低。表17-8列出堿土金屬碳酸鹽分解的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。反應(yīng)的△G°值越大,分解反應(yīng)越難發(fā)生,即相應(yīng)的碳酸鹽也愈穩(wěn)定。下表的數(shù)據(jù)清楚的說明按MgCO3→BaCO3的順序,鹽的熱穩(wěn)定性升高。
表17-8 MCO3(s)→MO(s)+CO2(g)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)
△H298° | △G298° | T△S° | △S° | T*/K | |
MgCO3 | 117 | 67 | 50 | 0.168 | 813 |
CaCO3 | 176 | 130 | 44 | 0.148 | 1173 |
SrCO3 | 238 | 188 | 50 | 0.168 | 1553 |
BaCO3 | 268 | 218 | 50 | 0.168 | 1633 |
T* 分解產(chǎn)生101.3kPa的CO2所需的溫度
碳土金屬碳酸鹽熱穩(wěn)定性的規(guī)律也可以用離子極化的觀點來說明。
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