碱金属——配置、特性、应用

碱金属是元素周期表左侧的 s 区元素。因为碱金属很容易失去电子，所以它们是地球上最活跃的元素之一。术语碱一般是指它们的金属氢氧化物的碱性或碱性。这些化合物被称为碱金属，因为当它们与水反应时，它们会产生碱，这种强碱很容易中和酸。

Alkali metals have a corresponding [Noble gas] ns¹ electronic configuration. 

它们位于元素周期表的第一列。锂 (Li)、钠 (Na)、钾 (K)、铷 (Ru)、铯 (Cs) 和钫 (Fr) 是碱金属元素，它们占据从 1 到 7 的连续周期。钫是一种放射性元素，半衰期极短。氢不被认为是碱金属的主要原因是它在常温常压下最常见的是气体。当暴露在极高的压力下时，氢会表现出特性或转化为碱金属。

碱金属的电子配置

The valence shell of alkali metals contains one electron. ns¹ specifies the electronic configuration.

它们有失去外壳电子的倾向，导致带+1电荷的阳离子。 （一价离子）。因此，它们是最具正电性的元素，因此，它们不是纯态的。

碱金属物理性质的趋势

• 元素的原子和Ionic半径

元素的原子半径和离子半径沿色谱柱呈直线增加。此外，在相应时期，每种碱金属的半径都是所有元素中最大的。

Increasing order of Atomic and Ionic Radius: Li ˂ Na ˂ K ˂ Rb ˂ Cs and Li⁺ ˂ Na⁺ ˂ K⁺ ˂ Rb⁺ ˂ Cs⁺

• 碱金属的密度

尽管具有最大的半径和体积，但碱元素的密度最低。因此，它们非常柔软，可以用刀切割。锂、钠和钾元素都比水轻。在碱金属中，钾的密度最低。

• 正电金属字符和电离能

所有碱金属都是带正电的单价金属。小的锂原子将需要最多的电离能来去除价电子。随着原子尺寸的增加，价电子被内部电子屏蔽，使其更容易以更少的能量去除。结果，随着原子序数增加，电离能也增加。

Increasing order of Ionization Energy: Li > Na > K > Rb > Cs

• 碱金属离子的溶解度或水合度

最易溶解的是锂离子，随着尺寸的增加，溶解度也会增加，其中铯离子是水溶性最低的碱金属离子。物质的离子性质和大小影响其在水中的溶解度。较小的离子具有较高的电荷密度，可以被更多的水分子溶解。这导致更高的水合焓和更稳定的水合离子。

Solubility of Li⁺ > Na+ > K⁺ > Rb⁺ > Cs⁺

• 火焰着色

s-block 元素中可用能级之间的电子跃迁所需的能量落在可见光谱区域。因此，当加热时，它们会向火焰发出独特的颜色，该颜色反映了它们的发射或吸收光谱，可用于识别它们。

碱金属的化学性质

• 氢化物

在较高温度下，碱金属与氢反应形成金属氢化物。氢化物离子由金属氢化物释放。

2M + H ₂ → 2MH → M ⁺ + H ^–

• 氮化物

当碱金属甚至与大气中的氮反应时，也会形成氮化物。

6M + N ₂ → 2M ₃ N

• 氧化物

当碱金属与大气中的氧气发生反应时，它们会失去光泽。当它们与氧气反应时会形成氧化物。然而，形成的氧化物的性质不同。它们各自具有不同的氧氧化态。较小的锂原子形成正常的氧化物，而钠原子形成过氧化物，较大的原子形成超氧化物。因为碱金属在空气中会与氮气、氧气和水发生反应，所以它们总是储存在煤油中。

4Li + O ₂ → 2Li ₂ O（氧化物）

2Na + O ₂ → Na ₂ O（过氧化物）

Ce + O ₂ → CeO ₂ (超氧化物)

碱金属的提取

常规萃取方法不适用于碱金属的萃取。由于这些金属具有最高的正电性，因此置换和电解不适用。此外，高电极电位限制了还原剂（例如碳）还原它们的能力。

在水溶液电解过程中，氢离子优先于钠离子被还原为气态氢。因此，钠和钾只能通过电解氢氧化钠和氯化钠的熔盐来获得。碱金属与其他金属结合形成合金、汞齐和汞齐。

锂的异常行为

由于其体积小、电离能高、正电性和极化性最强，锂与其他碱金属的不同之处在于它具有更多的共价性质。由于体积小、溶解度高、电极电位高，锂具有最强的还原字符。

锂与镁的对角关系

1. 来自碱金属族的锂更类似于来自碱土金属族的镁。
2. 镁和锂是较硬的金属，熔点较高。
3. 两者都与水缓慢反应，释放氢气。
4. 水水解两种氮化物，释放氨。
5. 两者都会产生水溶性较差的普通氧化物。
6. 两者都产生碳化物，当水解产生乙炔时。
7. 碳酸氢锂和碳酸氢镁仅在溶液中稳定而不是固体形式。

碱金属的应用

1. 锂、钠和钾有许多应用，而铷和铯在学术环境中特别有用。
2. 锂通常用于锂离子电池，而氧化锂有助于二氧化硅的加工。
3. 氯化锂是一种用于铝制零件的钎焊合金。
4. 金属锂与镁和铝结合形成极其坚韧和轻质的合金。
5. 氯化钠，用作食盐。
6. Soap是由脂肪酸的钠盐制成的。
7. 纯金属钠有许多应用，包括用于钠蒸气灯，与其他类型的照明相比，钠蒸气灯产生非常有效的光，并有助于其他金属表面的平滑。
8. 钾化合物经常用作肥料，因为钾是植物必需的营养素。
9. 氢氧化钾是一种非常强的碱，可用于调节多种物质的 pH 值。

示例问题

问题 1：为什么 I 族元素被称为最具正电性的元素？

回答：

These elements have the most electropositive metals due to the loosely held s-electron in the outermost valence shell. They easily lose electrons, resulting in monovalent M⁺ ions.

问题2：为什么碱金属的熔点和沸点低？

回答：

Since the alkali metals have only one valence electron, their melting and boiling points are low, indicating weak metallic bonding.

问题3：为什么锂会被放在煤油下面？

回答：

Because of their high reactivity to air and water, lithium is typically stored in kerosene oil.

问题4：为什么碱金属氢氧化物是最强的碱？

回答：

They make the strongest base as they dissolve freely in water and generate a lot of heat due to intense hydration, alkali metal hydroxides are the most powerful of all bases.

问题5：为什么锂化合物易溶于有机溶剂？

回答：

They are soluble in organic solvents because of their high polarising power, lithium compounds have an increased covalent character, which accounts for their solubility in organic solvents.