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單質(zhì)的性質(zhì)

銅臭 / 2022-07-14

單質(zhì)的熔點、沸點、硬度和導(dǎo)電性等物理性質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。副族和第VI族元素的單質(zhì)，在通常情況下，除汞為液體外，其余的均為金屬晶體。而主族元素的單質(zhì)固態(tài)時的晶體結(jié)構(gòu)則較復(fù)雜，有金屬晶體、原子晶體、分子晶體以及層狀或鏈狀晶體，而且某些單質(zhì)還有兩種以上的晶體結(jié)構(gòu)。

一般說來，屬于原子晶體的單質(zhì)，其熔點、沸點較高，硬度較大，不導(dǎo)熱，不導(dǎo)電;屬分子晶體的單質(zhì)，其熔點、沸點最低，硬度最小，導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性差;屬金屬晶體的單質(zhì)較復(fù)雜，有熔點、沸點高、硬度大的，也有熔點、沸點低、硬度小的，但都能導(dǎo)熱導(dǎo)電，且均有金屬光澤和延展性。

單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)通常表現(xiàn)為氧化還原性。在化學(xué)反應(yīng)中，金屬單質(zhì)最突出的特性是易失去電子而表現(xiàn)為還原性，非金屬單質(zhì)的特性是能獲得電子而表現(xiàn)出氧化性，但不少非金屬單質(zhì)有時也能表現(xiàn)出還原性。單質(zhì)的這種性質(zhì)的變化，在通常條件下，基本上是符合周期表中元素金屬性和非金屬性的遞變規(guī)律的。

5.2.1 s 區(qū)元素的單質(zhì)

s區(qū)元素原子的外層電子構(gòu)型為ns¹?²，系周期表中的第I A、IIA族元素，包括堿金屬的鋰、鈉、鉀、銣、銫、鈁和堿土金屬的鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鐳。其中鋰、銣、銫和鈹是稀有元素，而鈁和鐳是放射性元素。

5.2.1. 1物理性質(zhì)

s區(qū)元素的單質(zhì)，除氫外，它們的晶體結(jié)構(gòu)都屬于金屬晶體，具有銀白色的光澤，能導(dǎo)電和導(dǎo)熱，它們的主要物理性質(zhì)見表5-2。

表5-2 s區(qū)元素某些單質(zhì)的主要物理性質(zhì)
族	元素	原子序數(shù)	密度/g·cm?³	熔點/K	沸點/K	硬度（金剛石=10）	導(dǎo)電性（Hg=1）
I A	H Li Na K Rb Cs	1 3 11 19 37 55	0.071 0.53 0.97 0.86 1.53 1.90	14.0 453.7 371.2 336.4 312.0 301.8	20.4 1604 1163 1047 974 958	0.6 0.4 0.5 0.3 0.2	11 21 14 8 5
II A	Be Mg Ca Sr Ba	4 12 20 38 56	1.85 1.74 1.54 2.54 3.60	1556.2 923.2 1123 1043 983	2750 1393 1765 1643 1911	4 2.5 2 1.8	5.2 21.4 20.8 4.2

由表5-2可見，堿金屬具有密度小、硬度小、熔點低、導(dǎo)電性強(qiáng)的特點，是典型的輕金屬。堿土金屬的密度，熔點和沸點則較堿金屬為高。Li、Na、K都比水輕，鋰是固體單質(zhì)中最輕的，它的密度約為水的一半。堿土金屬的密度稍大此，但鋇的密度比常見金屬如Cu、Zn、Fe還小很多。

堿金屬元素原子的價層電子結(jié)構(gòu)為ns¹，最外層只有一個電子，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)，所以這一個價電子離核較遠(yuǎn)，特別容易失去。因此，各周期元素的第一電離能以堿金屬為最低。與同周期的元素比較，堿金屬原子體積最大，只有一個成鍵電子，在固體中原子間的引力較小，所以它們的熔點、沸點、硬度、升華熱都很低，硬度較小。堿土金屬的原子半徑較小，金屬鍵較強(qiáng)些。因此，熔點和沸點較高，硬度和密度較大，但仍為輕金屬。第IA、IIA族金屬單質(zhì)之所以比較輕，是因為它們在同一周期里比相應(yīng)的其他元素相對原子質(zhì)量較小，而原子半徑較大的緣故。

堿金屬和堿土金屬晶體均為金屬晶格，堿土金屬由于核外有兩個有效成鍵電子，原子間距離較小，金屬鍵強(qiáng)度較大，因此，它們的熔點、沸點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。

鋰、鈉、鉀這些金屬能形成在常溫下為液態(tài)的合金。例如鉀-鈉合金(K 77.2% -Na22.8%)的熔點為-12.3C，被用做原子能反應(yīng)堆的冷卻劑。

鈹和鎂常用來制造各種輕合金。例如鎂鋁合金和鈹青銅合金。鎂鋁合金輕而堅固，廣泛應(yīng)用于航空制造工業(yè);鈹青銅合金硬度大、無磁性、耐磨和抗腐蝕，用于制造精密儀器及飛機(jī)的零件、內(nèi)燃機(jī)和航海羅盤等。

堿金屬，尤其是銫，失去電子的傾向很大。當(dāng)受到光的照射時，最外層電子能溢出，因此常用銫(也可用鉀、銣)制造光電子管。

除鈹、鎂外，堿金屬和堿土金屬及其化合物在無色火焰中灼燒時，火焰發(fā)出特征的顏色，這叫“焰色反應(yīng)”。鋰使火焰呈紅色，鈉呈黃色，鉀和銫呈紫色，鈣呈橙色，鍶呈洋紅色，鋇呈淺綠色。堿金屬和鈣、鍶、鋇的鹽，在灼燒時為什么能產(chǎn)生不同的顏色呢?因為當(dāng)金屬或其鹽在火焰上灼燒時，原子被激發(fā)，電子接受了能量從較低的能級跳到較高能級，但處在較高能級的電子是很不穩(wěn)定的，很快跳回到低能級，這時就將多余的能量以光的形式放出。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。在定性分析化學(xué)中，可以根據(jù)火焰的顏色定性的鑒別這些元素的存在與否，但一次只能鑒別一種離子。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，可以制造各色焰火，例如紅色焰火的簡單配方為 KCIO?34%，Sr(NO?)?45%，炭粉10%，鎂粉4%，松香7% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))。綠色焰火的簡單配方為Ba(CIO?)? 38%，Ba( NO?)?40%，S 22% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

5.2.1.2 化學(xué)性質(zhì)

從s區(qū)元素原子結(jié)構(gòu)特點可以看出，堿金屬和堿土金屬原子極易失去電子，具有極強(qiáng)的還原性，其化學(xué)性質(zhì)極為活潑。

業(yè)堿金屬元素在化合時，多以形成離子鍵為特征，但在某些情況下也顯共價性。氣態(tài)雙原子分子，如Na、Cs,等就是以共價鍵結(jié)合的。堿金屬元素形成化合物時，鋰的共價傾向最大，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)增加了個單位，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，電離能要大些，較難失去第一個價電子。失去第二個價電子的電離能約為第一電離能的倍，表面上看堿土金屬要失去兩個電子而形成二價正離子似乎困難，實際上生成化合物時所釋放的晶格能足以使它們失去第二個電子。它們的第三電離能約為第二電離能的4-8倍，要失去第三個電子很困難，因此，它們的主要氧化數(shù)是+2,而不是+1和+3。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漸增大，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，失去電子的傾向逐漸增大，所以它們的金屬活潑性由上而下逐漸增強(qiáng)。

堿金屬和鈣、鍶、鋇等都能與冷水作用放出氫氣。這類反應(yīng)在同一族中越往下越劇烈。鋰與水反應(yīng)不及鈉劇烈;鈉與水反應(yīng)猛烈，放出的熱量可使鈉熔化;鉀、銣、銫遇水就發(fā)生燃燒，甚至爆炸。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極電勢，鋰的活潑性應(yīng)比銫更大,但實際上與水反應(yīng)還不如鈉劇烈。這是因為:

(1)鋰的熔點較高，反應(yīng)時產(chǎn)生的熱量不足以使它熔化，而鈉與水反應(yīng)時放出的熱可以使鈉熔化，因而固體鋰與水接觸的機(jī)會不如液態(tài)鈉。

(2)反應(yīng)產(chǎn)物L(fēng)iOH的溶解度較小，它覆蓋在鋰的表面，阻礙反應(yīng)的進(jìn)行。

堿土金屬也可以與水反應(yīng)，但其與水作用的劇烈程度遠(yuǎn)不及相應(yīng)的堿金屬。鈹能與水蒸氣反應(yīng)。鎂雖然能與水反應(yīng)，但由于表面上形成一層難溶的氫氧化物，阻止與水進(jìn)一步反應(yīng)，因此，它們實際上和冷水幾乎沒有作用。鈣、鍶、鋇與冷水就能比較劇烈地進(jìn)行反應(yīng)。

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