從s區(qū)元素原子結構特點可以看出,堿金屬和堿土金屬原子極易失去電子,具有極強的還原性,其化學性質極為活潑。
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Na2、Cs2等就是以共價鍵結合的。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。由于核電荷相應增加了一個單位,對電子的引力要強一些,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一倍,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,實際上生成化合物日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。比較它們的標準電極電勢數(shù)值,也可以得到同樣的結論。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。
堿金屬和鈣、鍶、鋇等都能與冷水作用放出氫氣。這類反應在同一族中越往下越劇烈。鋰與水反應不及鈉劇烈;鈉與水反應猛烈,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。根據標準電極電勢,鋰的活潑性應比銫更大,但實際上與水反應還不如鈉劇烈。這是因為:
(1)鋰的熔點較高,反應時產生的熱量不足以使它熔化,而鈉與水反應時放出的熱可以使鈉熔化,因而固體鋰與水接觸的機會不如液態(tài)鈉。
(2)反應產物LiOH的溶解度較小小,它覆蓋在鋰的表面,阻礙反應的進行。
堿土金屬也可以與水反應,但其與水作用的劇烈程度遠不及相應的堿金屬。鈹能與水蒸氣反應。鎂雖然能與水反應,但由于表面上形成一層難溶的氫氧化物,阻止與水進一步反應,因此,它們實際上和冷水幾乎沒有作用。鈣、、鋇與冷水就能比較劇烈地進行反應。
s區(qū)元素原子在空氣中極易與氧化合,這種作用在同一族中,從上到下逐漸增強;在同一周期中,堿金屬比堿土金屬更易被氧化。堿金屬在室溫下能迅速地與空氣中的氧反應,所以堿金屬在空氣中放置一段時,金屬表面就生成一層氧化物,在鋰的表面上除生成氧化物外還有氨化物。鈉、鉀在空氣中稍微加熱就燃燒起來,而銣和銫在室溫下遇空氣就立即燃燒。
4Li+O2=2Li2O
6Li+ N2=2LI3N
4Na +O2=2NA2O
它們的氧化物在空氣中易吸收二氧化碳形成碳酸鹽
Na2O+CO2=Na2CO3
儲存這些金屬時不能與水和空氣接觸,通常放在煤油中。因鋰的密度最小,可以浮在煤油上,所以將其浸在液體石蠟或封存在固體石蠟中。
堿土金屬活潑性略差,室溫下這些金屬表面緩慢生成氧化膜。它們在空氣中加熱才顯著發(fā)生反應,除生成氧化物外,還有氮化物生成。
3Ca+ N2=Ca3N2
因此,在金屬熔煉中常用Li、Ca等作為除氣劑,除去溶解在熔融金屬中的氮氣和氧氣。
堿土金屬氧化物都是白色固體。除BeO外,都是氯化鈉晶格的離子型化合物。由于正、負離子都是帶有兩個電荷,而M-O的距離又較小,所以MO具有較大的晶格能,因此它們的熔點和硬度都相當高,而且熔點除BeO外是依次下降。根據這種特性,BeO和MgO常用來制造耐火材料和金屬陶瓷。
在高溫時堿金屬和堿土金屬還能奪取某些氧化物中的氧,如鎂可使SiO2的硅還原成單質Si,或奪取氯化物中的氯,如金屬鈉可以從TiCl4中置換出金屬鈦。
SiO2 +2Mg=Si+2MgO
TiCl4 +4Na=Ti+4NaCl
堿金屬和鈣、鍶、鋇在空氣中燃燒時,除生成正常的氧化物外,還生成過氧化物,如Na2O2、BaO2。過氧化物中存在O22-過氧離子,可以看成是過氧化氫H2O2中的氫被金屬置換后所得的產物。Na2O2、BaO2等離子型過氧化物與水或稀酸作用生成過氧化氫。例如
BaO2 + 2HCl=H2O2+BaCl2
它們都是強氧化劑。Na2O2在熔融時幾乎不分解,但遇到棉花、木炭、鋁粉等還原性物質時,就會發(fā)生爆炸,所以使用Na2O2時要特別小心。
鉀、銣、銫、鈣、鍶、鋇等金屬在過量的氧氣中燃燒時還會生成超氧化物,如KO2、BaO4等。超氧化物和過氧化物與水或二氧化碳反應都能產生氧氣,可供宇航、礦井及潛水工作人員使用。例如
2KO2+2H2O=O2+2KOH+H2O2
4KO2+2CO2=2K2CO3+3O2
堿金屬和堿土金屬可溶于液氨,形成藍色溶液。堿金屬的液氨稀溶液呈藍色,隨著堿金屬溶解度的增加,溶液的顏色變深。如將溶液蒸發(fā),又可以重新得堿金屬。
研究認為,在堿金屬的稀氨溶液中,堿金屬離解生成堿金屬正離子和溶劑合電子
M(s)+(x+y)NH3(l)=M+(NH3)x+e-(NH3)y
因為離解生成氨合陽離子和氨合電子,所以溶液有導電性。此溶液具有高導電性主要是由于有溶劑合電子存在。
堿金屬和堿土金屬氨溶液不穩(wěn)定,過渡金屬的鹽類、氧化物物和氫氧化物的存在,以及光化作用都可催化其分解生成氨基化物
Na+(NH3)+e-NH3(l)=NaNH2(NH3)+ 1/2H2(g)
鈣、鍶、鋇也能溶于液氨生成和堿金屬液氨溶液相似的藍色溶液,與鈉相比,它們溶得要慢些,量也少些。