『元素笔记』 s 区元素、稀有气体

说明：除非必要，下列方程式不进行配平。我们通常都只记忆反应物与产物，不是吗？

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$\rm\Large\color{#2222EE}一、碱金属与碱土金属$

$\rm\large\color{#2222EE}1. 常见矿物与俗名$

以下俗名整理自《无机化学》下册。

『锂』锂辉石 $\rm LiAlSi_2O_6$

『钠』钠长石 $\rm NaAlSi_3O_8$，岩盐 $\rm NaCl$，智利硝石 $\rm NaNO_3$

『钾』钾长石 $\rm KAlSi_3O_8$，天然氯化钾，光卤石 $\rm KCl\cdot MgCl_2\cdot 6H_2O$

『铷, 铯』常与锂的矿石共生；铯榴石 $\rm Cs_4Al_4Si_9O_26\cdot H_2O$

『铍』绿柱石 $\rm Be_3Al_3Si_6O_18$ 若含有 2％ Cr，则称为祖母绿

『镁』光卤石，白云石 $\rm MgCO_3\cdot CaCO_3$，泻盐 $\rm MgSO_4\cdot 7H_2O$，菱镁矿 $\rm MgCO_3$

『钙』白云石，方解石 $\rm CaCO_3$，磷灰盐 $\rm Ca_5(PO_4)_3F$，萤石 $\rm CaF_2$，生石膏 $\rm CaSO_4\cdot 2H_2O$（熟石膏合 0.5 个水）

『锶』天青石 $\rm SrSO_4$ 菱锶矿 $\rm SrCO_3$

『钡』重晶石/钡餐 $\rm BaSO_4$ 毒重石 $\rm BaCO_3$

芒硝 $\rm Na_2SO_4\cdot10H_2O$，元明粉 $\rm Na_2SO_4$

软镁钾钒 $\rm K_2SO_4\cdot MgSO_4\cdot 6H_2O$

铬钾钒 $\rm K_2SO_4\cdot Cr_2(SO_4)_3\cdot 24H_2O$

明矾 $\rm K_2SO_4\cdot Al_2(SO_4)_2\cdot 24H_2O$

$\rm\large\color{#2222EE}2. 金属单质相关$

$\rm\large\color{#2222EE}(1) 需要记忆的物理性质$

①颜色：Ba 银黄色，Be 灰色，其他为白色。

对于钡，您可以联想到宝贝，世界上的宝贝不是银子就是金(黄)子，所以是银黄色；对于铍，您可以想象您的孩子很调皮并在地上打滚，把衣服滚成了灰色。这一记忆方法来自B站某位Up主（名字忘了）。

②焰色：Na 黄色，K 紫色，Cs 蓝色，Ca 橙色，Ba 绿色，Li, Rb, Sr 红色。

我们每个人都知道钠黄钾紫。我对其他焰色的记忆方法：如果您将 Cs 的读音与 "蓝" 连在一起读，您会发现您立马记住了 Cs 的颜色；至于 Ca，您可以想象有一位疯子，把一颗橙子切开盖("钙")在头上当帽子，这样也记住了；至于 Ba，您可以想一想毒重石 $\rm BaCO_3$ 有剧毒，如果您吃下去，您就会脸色变绿，然后死亡。

$\rm\large\color{#2222EE}(2) 可以用化学原理解释的物理性质$

$\color{#2222EE}①金属键的强度与离子势（Z/r）有关，离子势越大，金属键越强。$

碱金属离子只有一个正电荷，所以 Z=1。查阅它们的离子半径，分别为约 0.08, 0.1, 0.14, 0.15, 0.17 (nm). 那么根据离子势 = Z / r，可以算出它们的离子势大约为：13, 10, 7, 6.5, 6。同样，碱土金属的离子势为：45, 30, 20, 17, 15. 所以，金属键的强度排序为：Be>Mg>Ca>Sr>Ba>Li>Na>K>Rb>Cs。（我发现离子势在探讨许多物理与化学性质时也非常有用，虽然教材上没有详细展开！因此我把它放在这里，我在下文中也将用到。）

$\color{#2222EE}②离子势\xrightarrow{反映出}金属键强度\xrightarrow{造成很大影响}硬度、溶沸点、挥发性$

Be Mg Ca Sr Ba Li Na K Rb Cs

硬度 4 2.5 2 1.8 1.3 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2

熔点 1300 650 840 770 730 180 100 60 40 30

沸点 2500 1100 1500 1400 1850 1350 880 760 690 700

I. 硬度、熔沸点的排序基本吻合离子势的排序，尽管Mg的熔点和碱土金属的沸点存在着较明显的离群。

＊原因：碱土金属的堆积方式不同，Be, Mg 是六方，Ca, Sr 是面心立方，Ba 是体心立方。

＊不像碱金属都是体心立方，碱土金属不同的堆积方式对熔沸点影响大，使熔沸点不具有可比性。

II. Be 具有极高的熔沸点，这是因为 Be 有相对比较强的非金属性，使其带有一些原子晶体的特征。

III. K, Rb, Cs 特别容易挥发，它们的沸点也很低。这也是为什么它们的单质不能采用熔盐电解法制备：大部分的 K, Rb, Cs 都会挥发走，还可能与空气产生容易爆炸的 $\rm M_2O (M=K, Rb, Cs)$，把电解槽炸碎（可能太夸张了？）。另一个原因是 K, Rb, Cs 还易溶于熔盐，没办法得到固体，这会造成较大的浪费。

$\color{#2222EE}③密度与电极电势$

Be Mg Ca Sr Ba Li Na K Rb Cs

密度 1.9 1.7 1.5 2.5 3.5 0.5 1 0.8 1.5 1.9

E(M离子/M) -1.9 -2.4 -2.9 -2.9 -2.9 -3 -2.7 -2.9 -2.9 -3

I. 密度：碱土金属离群严重，这也是堆积方式导致的；而碱金属中 Na 的离群，主要是从 Li → Na，M 的增长没有赶上 $\rm R^3$ 的增长。

II. 电极电势：碱土金属感觉良好，而碱金属中的 Li 出现了离群。这是因为 Li 的极化能力强，水合能很负，使 $\Delta_rH_m^\circ\downarrow, \Delta_rG_m^\circ\downarrow, E^\circ\uparrow$。

＊ Be 极化能力更强，它为什么不离群？因为 Be 虽然水合能变负很多，但电离能变正的幅度大可以背锅，不像 Li 的电离能和其他碱金属差不多，没法把总焓往回挪。（真押韵（bs

III. 关于密度的补充：如您所见，Li, Na, K 的密度比水还小，所以 Na, K 要存在煤油中；Li 甚至比煤油还要小，所以保存 Li 需要更轻的液体石蜡。

$\rm\large\color{#2222EE}(3) 与离子势有关的化学性质$

$\color{#2222EE}①与水的反应$

Be, Mg 不与水反应；Ca, Sr, Ba, Li 与水能反应，但是反应比较慢；Na, K, Rb, Cs 与水反应很剧烈。

＊Mg 能与 $\rm NH4Cl$ 溶液反应－－$\rm NH4Cl$ 提供的质子能够腐蚀 $\rm Mg(OH)_2$ 保护膜。

＊Ca~Li 反应缓慢，是因为生成的 M(OH) 是略溶的，附着在金属表面阻碍反应。同理，Be, Mg 的保护膜是致密的，所以根本没法反应；Na~Cs 的 OH 化物都易溶，所以它们反应剧烈。

$\color{#2222EE}②与氢气的反应$

碱族与 Ca,Sr,Ba 能与氢气反应生成金属氢化物，例如：$\rm 2Ca+H_2\xrightarrow{150~300^\circ C}CaH_2$；

Mg 也可以形成，但是条件就要苛刻得多：$\rm Mg+H_2\xrightarrow{高压，MgI_2}MgH_2$。

碱金属氢化物的分解温度以 NaH 最高，从 Na → Cs 依次递减，因为 $Cs^+$ 的半径太大，电子云太分散，难以和 $H^-$ 有效重叠；而小半径的 $Na^+$ 就好得多。分解温度的差异可以用来分离不同的碱金属：例如您有一些锂钾合金，您若想得到钾，只需把它们氢化，再加热到合适的温度，使 KH 分解而 NaH 不分解，并收集 K 蒸汽。

$\color{#2222EE}③与液氨的反应$

$\rm\color{#2222EE}碱族与 Ca,Sr,Ba$ 在液氨中，会被撕扯开，变为 $\rm M^+$ 和 $\rm e^-$，因为它们俩能够被 NH3(l) 的溶剂化作用稳定。例如 Na 与液氨：$\rm Na+NH_{3(l)}\xrightarrow{}Na^+(NH_3)_n+e^-(NH_3)_n$。

$\color{#2222EE}碱族$ 如果长期放置或者用 $\rm Fe^{2+}$ 催化，还会生成氨基碱。您可以在 Clayden P542 找到图解。

＊第一步：$\rm NH_3+e^-\xrightarrow{(缓慢)}NH_2^-+H$；

＊第二步：$2H\xrightarrow{(迅速)}H_2$；

＊总反应为：$\rm Na+NH_3\xrightarrow{Fe^(2+)}}NaNH_2+0.5H_2$。

现在是十二点整，这篇笔记的作者应当回到试剂柜中的 $\rm ZnSO_4\cdot 7H_2O$ 试剂瓶休息，因此暂且咕咕咕