碱土金属元素 课件

碱土金属元素碱土金属是元素周期表中第Ⅱ族的金属元素，包括铍、镁、钙A BeMg、锶、钡和镭六种元素这些元素因形成的氧化物呈碱Ca SrBa Ra性而得名，它们在自然界和人类社会中扮演着重要角色本课件将详细介绍碱土金属元素的基本性质、在自然界中的分布、制备方法以及广泛的应用，帮助我们更全面地了解这一重要的元素族目录碱土金属概述包括定义、分类、基本特征以及电子构型与周期性变化规律各元素详细介绍铍、镁、钙、锶、钡和镭的物理性质、化学性质及应用性质比较与应用领域物理化学性质比较、在自然界中的分布、制备方法及工业、医疗、日常生活中的应用碱土金属概述定义包含元素共同特点碱土金属是周期表第ⅡA族元素，因碱土金属族包括六种元素铍Be、碱土金属元素都是银白色金属，有良它们的氧化物与水反应生成碱性物质镁Mg、钙Ca、锶Sr、钡Ba和好的导电性和导热性它们的最外层而得名这些金属具有相似的化学性镭Ra这些元素在地壳中的含量各电子数均为2，容易失去这两个电子质，但随着原子序数的增加，其活泼不相同，其中钙和镁较为丰富，而镭形成+2价离子，因此化学性质相对性也逐渐增强极为稀少活泼碱土金属的电子构型最外层电子数2通式惰性气体[]ns²所有碱土金属元素的最外层均有两个1表示碱土金属元素的价电子排布方式电子2能级递增易失去电子4从铍到镭，电子所在的主量子数递增n3容易失去两个电子形成价离子+2碱土金属元素的电子构型决定了它们的化学性质最外层的两个电子使这些元素倾向于失去电子成为稳定的价离子，这解释了+2它们的化学活泼性随着原子序数增加，外层电子距离原子核越远，电子越容易失去，因此化学活泼性逐渐增强碱土金属的周期性原子序数增加1从铍到镭，原子序数逐渐增大，电子层数增加，表现出明显的488周期性变化这种序数的增加导致了原子结构的复杂化，同时也影响了元素的各种物理和化学性质原子半径增大2随着原子序数的增加，碱土金属元素的原子半径逐渐增大这是因为随着主量子数的增加，电子云的分布范围扩大，导致原子体积增大原子半径增大使得核外电子受到的束缚力减弱电离能降低3从铍到镭，电离能逐渐降低，意味着失去电子形成离子的难度降低，化学活泼性增强电离能的降低直接反映了元素参与化学反应的能力增强，解释了为什么钡和镭比铍和镁更活泼铍Be原子序数相对原子质量

1429.012铍是碱土金属元素中原子序数铍是一种相对较轻的元素，其最小的元素，位于元素周期表相对原子质量为

9.012这种轻的第二周期其原子核中含有质特性使其在特定领域具有不4个质子，在核外分布有4个电可替代的应用价值，尤其是在子，电子排布为1s²2s²作为需要轻质高强度材料的场合碱土金属的第一个成员，铍展由于其原子质量小，铍的密度现出一些独特的性质也相对较低发现历史3铍于年被法国化学家路易尼古拉沃克兰发现，但直到年才被1798··1828德国化学家弗里德里希维勒和法国化学家安托万布西成功分离出纯铍金··属铍的名称来源于希腊语中的，意为绿宝石beryllos铍的物理性质银白色金属硬度高熔沸点铍是一种银白色的轻金属，表面有金属光泽在碱土金属中，铍的硬度最高，莫氏硬度约铍的熔点为1287°C，沸点为2470°C，都较在空气中会形成一层致密的氧化膜，保护内为

5.5，接近玻璃的硬度这种高硬度特性高这些高熔沸点特性使铍适合用于高温环部金属不被进一步氧化这层氧化膜使铍在使铍在某些特殊应用中具有优势铍的强度境与其他碱土金属相比，铍的熔沸点是最常温下表现出较强的抗腐蚀性能高但脆性也较大，在室温下不易变形高的，这反映了铍原子间键合力的强度铍的化学性质化学性质不活泼与其他碱土金属相比，铍的化学活泼性最低在常温下，铍表面形成一层致密的氧化膜，使其表现出较强的抗腐蚀性能这层保护膜阻止了进一步的氧化反应，使铍能在空气中保持相对稳定与氧反应铍在空气中燃烧可生成氧化铍氧化铍是一BeO2Be+O₂→2BeO种白色粉末，具有很高的熔点（约）和良好的导热性，但电绝2500°C缘性好，这些特性使其在某些特殊领域有重要应用与酸反应铍能与稀酸反应释放氢气铍与氢氧化Be+2HCl→BeCl₂+H₂↑钠等强碱也能反应生成可溶性的铍酸盐和氢气Be+2NaOH+，表现出两性金属的特征2H₂O→Na₂[BeOH₄]+H₂↑铍的应用铍因其独特的物理化学性质在多个高科技领域有重要应用在航空航天领域，铍及其合金因质轻高强被用于制造卫星、航天器部件和惯性导航系统在核工业中，铍是优良的中子反射材料，用于核反应堆的中子反射层和调节棒在医疗领域，铍因其对射线的高透过性被用于射线管窗口材料此外，铍铜合金具有高导电性、高强度和优良的弹性，广泛应X X用于电子工业中的弹簧触点和连接器然而，铍的粉尘和化合物有毒性，使用时需要特别注意安全防护措施镁Mg元素标识原子序数，符号112Mg基本信息2相对原子质量

24.305发现历史3年由英国科学家戴维分离1808自然存在4地壳中第八丰富元素镁是一种重要的碱土金属元素，在元素周期表中位于第三周期第二主族它是地壳中含量第八丰富的元素，在海水中也大量存在镁的名称源自希腊古城麦格尼西亚，因其氧化物最早在此地被发现Magnesia镁的电子构型为，外层有两个价电子，化学性质比铍活泼镁广泛应用于轻质合金制造、医药工业、农业和日常生活的多个领域，是现代工业和人类健[Ne]3s²康不可或缺的重要元素镁的物理性质银白色金属质轻熔沸点镁是一种亮银白色的镁是工业常用金属中镁的熔点为650°C，轻金属，具有良好的密度最小的，其密度沸点为1090°C，与铍金属光泽在干燥空约为

1.74g/cm³，仅为相比显著降低这种气中表面会形成一层铝的三分之二，铁的相对较低的熔点使镁保护性的氧化膜，但四分之一这一特性更容易熔化和铸造，这层膜不如铍的氧化使镁成为制造轻质结有利于其在金属加工膜致密，因此镁的抗构材料的理想元素，工业中的应用镁的腐蚀性能较差在潮尤其在需要减轻重量热膨胀系数较大，在湿环境下，镁容易被的航空航天和汽车工温度变化时易发生形腐蚀业中具有重要应用变镁的化学性质化学性质活泼1镁的化学活泼性比铍强，但比钙弱镁在潮湿空气中容易被氧化腐蚀，在高温下能与多种非金属元素直接反应镁的标准电极电势为，表明其具有较-

2.37V强的还原性，能够从许多金属化合物中置换出金属与氧反应2镁在空气中燃烧时发出耀眼的白光，生成氧化镁MgO2Mg+O₂→2MgO这种反应放出大量的热和光，使镁成为烟火、信号弹和闪光灯的重要原料氧化镁是一种白色粉末，俗称轻烧镁，具有耐高温、绝缘性好的特点与水反应3镁与冷水反应缓慢，但能与热水或水蒸气快速反应Mg+H₂O→MgO+H₂↑这种反应生成氢气和氧化镁镁与酸反应迅速，放出氢气Mg+2HCl→这些反应表明镁具有较强的还原性和金属活泼性MgCl₂+H₂↑镁的应用轻质合金还原剂医药用品镁是重要的轻质结构材料，镁合金广泛在冶金工业中，镁被用作强还原剂，用镁化合物在医药领域应用广泛氧化镁应用于汽车制造、航空航天、电子设备于从氯化物或氧化物中提取钛、锆等高用作胃酸中和剂和轻泻剂；硫酸镁（泻外壳等领域镁合金具有质轻、比强度活性金属镁热还原法是生产海绵钛的盐）用于治疗妊娠高血压和抽搐；氯化高、减震性好、易于加工等特点，是实重要工艺此外，镁还用于脱硫、脱氧镁和各种镁盐用作膳食补充剂，补充人现轻量化设计的理想材料选择等金属精炼过程体所需的镁元素，维持心脏、肌肉和神经系统的正常功能钙Ca基本信息1原子序数，相对原子质量

2040.078发现历史2年由英国化学家戴维分离1808自然分布3地壳中第五丰富元素，约占地壳质量的

3.6%钙是碱土金属家族中最丰富、应用最广泛的元素之一它在元素周期表中位于第四周期第二主族，电子构型为钙在自然界中主要[Ar]4s²以碳酸钙（如石灰石、大理石）、硫酸钙（石膏）和磷酸钙（磷灰石）等化合物形式存在钙是生物体必需的矿物质元素，是构成骨骼和牙齿的主要成分，也参与血液凝固、肌肉收缩、神经传导等生理过程在工业上，钙化合物是建筑、农业、食品和制药等多个行业的重要原料钙的化学性质活泼，比镁更容易与其他物质反应钙的物理性质银白色金属较软12钙是一种银白色的金属，表面钙是一种相对较软的金属，可有金属光泽新切割的钙金属以用刀切割其硬度比镁低，在空气中很快失去光泽，形成可塑性和延展性较好，可以加一层氧化物和氮化物的混合保工成薄片和丝钙的机械强度护膜这种保护膜不如铍和镁低于铍和镁，在工业应用中通的氧化膜有效，因此钙在空气常需要与其他元素合金化以提中的稳定性较差高强度熔沸点3钙的熔点为，沸点为这些温度值处于铍和镁之间，反映842°C1484°C了钙原子间的键合力强于镁但弱于铍钙的比热容较高，导热性好，这些特性使其在某些热处理过程中有特定应用钙的化学性质化学性质活泼钙的化学活泼性明显强于铍和镁，但弱于锶和钡钙在空气中容易氧化，与非金属元素反应活泼钙的标准电极电势为，表明其具有较强-

2.87V的还原性，能够从许多金属盐溶液中置换出金属与氧反应钙在空气中容易氧化，加热时能迅速燃烧，生成氧化钙CaO2Ca+氧化钙俗称生石灰，是一种白色固体，具有吸水性，与水O₂→2CaO反应放热生成氢氧化钙钙还能与氮气反应生成氮化钙Ca₃N₂与水反应钙与冷水反应迅速放出氢气反应产物Ca+2H₂O→CaOH₂+H₂↑氢氧化钙在水中溶解度较小，形成的悬浊液称为石灰水，呈碱性钙与酸反应更为剧烈，展现出典型的金属活泼性Ca+2HCl→CaCl₂+H₂↑钙的应用建筑材料农业食品工业医药其他钙化合物在建筑材料领域占据主导地位，石灰、水泥、石膏等是建筑业不可或缺的基础材料在农业领域，钙化合物用于土壤改良和肥料生产，调节土壤酸碱度，提供植物所需的钙营养在食品工业中，钙盐用作食品添加剂、稳定剂和强化剂，增加食品中的钙含量医药领域使用钙制剂治疗钙缺乏症、骨质疏松症，以及作为抗酸剂和补充剂其他应用包括冶金工业中的脱硫剂、水处理中的硬水软化剂等钙及其化合物的多样化应用反映了这一元素在人类活动中的重要性锶Sr元素基本信息发现历史自然分布锶是原子序数为的碱土金属元素，锶元素于年由苏格兰化学家阿锶在地壳中的含量约为，是第

3817900.034%其相对原子质量为锶元素的电德克劳福德在斯特朗蒂安村的矿石中丰富的元素主要以硫酸锶天青石

87.62·15子构型为，最外层拥有两个价发现年，英国化学家汉弗里戴和碳酸锶菱锶矿形式存在锶也存在[Kr]5s²1808·电子锶的名称来源于苏格兰的斯特朗维通过电解法首次分离出纯锶金属锶于海水中，平均浓度约为8毫克/升锶蒂安村Strontian，因为这里最早发现的发现丰富了人们对碱土金属元素族的通常与钙共生，在自然界中分布较广了含锶矿物认识锶的物理性质银白色金属质软12锶是一种银白色的软金属，表面锶的硬度较低，比钙更软，可以有明亮的金属光泽新切割的锶用刀轻松切割它的可塑性和延金属在空气中迅速失去光泽，表展性较好，可以加工成各种形状面形成氧化膜和氮化物这种保锶的机械强度低，这限制了其作护膜不够致密，无法有效保护内为纯金属的结构应用，通常需要部金属，因此锶在空气中不稳定，与其他元素形成合金才能获得足需要存放在矿物油中够的强度熔沸点3锶的熔点为，沸点为，比钙的熔沸点低这种熔沸点的降低反映777°C1382°C了随着原子序数增加，碱土金属原子间键合力逐渐减弱的趋势锶的导热性和导电性良好，但不如常见导体如铜和铝锶的化学性质化学性质活泼锶的化学活泼性强于钙，但弱于钡它在空气中迅速氧化，与多种非金属元素直接反应锶的标准电极电势约为，表明其具有很强的还原性，-

2.89V能够从许多金属化合物中置换出金属元素与氧反应锶在空气中迅速被氧化，加热时剧烈燃烧，发出明亮的红色火焰，生成氧化锶这种反应的红色火焰特性使锶化合物SrO2Sr+O₂→2SrO成为制造红色烟火的理想材料氧化锶是一种白色固体，具有碱性与水反应锶与水反应剧烈，放出氢气反应速Sr+2H₂O→SrOH₂+H₂↑率比钙与水的反应更快，放出的氢气甚至可能自燃氢氧化锶溶解度比氢氧化钙高，在水中形成强碱性溶液锶与酸的反应更为激烈锶的应用烟火制造陶瓷工业同位素应用锶化合物，特别是硝酸锶和碳酸锶，是氧化锶和碳酸锶用于陶瓷釉料和特种玻锶的放射性同位素锶-90在医学和工业中制造红色烟火的主要原料当锶盐在高璃的生产添加锶化合物可以改善陶瓷有重要应用在医学领域，锶-90用于治温下燃烧时，会发出鲜艳的红色光，这和玻璃的强度、耐热性和电绝缘性能疗某些类型的骨癌和骨转移瘤在工业一特性使锶化合物在烟火、信号弹和照锶也用于制造特殊的铁氧体磁材料，这上，锶-90被用作核电池RTG的能源，明弹中得到广泛应用这种红色来源于些材料在电子工业中有重要应用，如永为远程设备和航天器提供长期稳定的电锶原子在高温下电子跃迁产生的特征光磁体和磁性记录媒介力来源谱钡Ba元素基本信息发现历史钡是原子序数为的碱土金属元钡元素于年被瑞典化学家卡561774素，相对原子质量为钡尔舍勒首次发现于重晶石中

137.327·的电子构型为，最外层拥年，英国化学家汉弗里戴维[Xe]6s²1808·有两个价电子钡元素的名称来通过电解熔融氢氧化钡首次分离源于希腊语barys，意为重的，出纯钡金属钡的发现和分离丰因其化合物密度较大而得名富了人们对碱土金属族的认识，完善了元素周期表自然分布钡在地壳中的含量约为，主要以硫酸钡重晶石和碳酸钡毒重石形

0.05%式存在钡矿藏主要分布在中国、美国、德国等国家钡元素在自然界中不以游离态存在，由于其化学活泼性高，总是以化合物形式出现钡的物理性质

3.5727密度熔点g/cm³°C钡的密度为克立方厘米，比锶和钙高，这反钡的熔点为，比锶和钙的熔点低，符合碱

3.5/727°C映了钡原子质量大的特性虽然密度相对较高，土金属族熔点随原子序数增加而降低的趋势这但与常见重金属如铅

11.3克/立方厘米相比仍然种熔点降低现象与原子间键合力减弱有关较轻1897沸点°C钡的沸点为，高于其熔点，使其在液态范1897°C围内有较大的温度区间这一特性对某些特定的工业应用有利，如真空技术中的吸气剂钡是一种银白色柔软的金属，具有金属光泽新切割的钡表面在空气中迅速失去光泽，形成氧化层钡的硬度低，质地软，可以用刀切割钡的导热性和导电性良好，但不如铜和铝等常用导体钡的机械强度较低，在工业应用中通常需要与其他金属形成合金以改善其性能钡的化学性质化学性质极活泼氧化反应1钡在碱土金属中化学活泼性仅次于镭与氧迅速反应生成氧化钡和过氧化钡2强还原性水反应4标准电极电势为-

2.90V，还原性极强3与水剧烈反应放出氢气和大量热钡的化学活泼性在碱土金属中仅次于镭，远高于钙和锶在空气中，钡表面迅速氧化，甚至可能自燃在含氧量高的环境下，2Ba+O₂→2BaO钡会形成过氧化物这些特性使钡需要在惰性环境中或矿物油中保存Ba+O₂→BaO₂钡与水反应极为剧烈，放出氢气和大量热反应产生的氢气通常因放出的热量而自燃氢氧化钡溶解度高，形成强碱Ba+2H₂O→BaOH₂+H₂↑性溶液钡还能与卤素、硫、氮等非金属直接反应，展示出极高的化学活性这种高活泼性使纯钡金属在实验室和工业中的处理需要特别小心钡的应用射线造影剂真空技术陶瓷工业X硫酸钡是重要的X射线造影剂，用于消化系金属钡是优良的吸气剂（吸气剂），用于真钡化合物广泛用于陶瓷和玻璃工业碳酸钡统的诊断成像因为钡原子对X射线的高吸空管和其他高真空设备中钡能与真空系统和氧化钡用作釉料和玻璃添加剂，提高产品收能力，使消化道在X射线下呈现出清晰的中的残余气体分子如氧、氮、二氧化碳等发的光泽、硬度和化学稳定性钡铁氧体是重轮廓硫酸钡不溶于水且几乎无毒，作为生化学反应，形成固态化合物，有效提高真要的永磁材料，用于扬声器、电动机和发电钡餐可安全用于医学诊断这种应用是钡空度钡吸气剂在电子学和核物理研究领域机钡钛酸盐是优秀的压电材料，用于电子化合物在医疗领域的主要用途有重要应用元件制造镭Ra基本信息发现历史镭是碱土金属族中的最后一个稳镭于1898年由居里夫妇玛丽·居里定元素，原子序数为，相对原和皮埃尔居里从沥青铀矿中发现88·子质量约为226镭的电子构型为并分离这一发现为他们赢得了，最外层拥有两个价电子年的诺贝尔物理学奖镭的[Rn]7s²1903镭的名称来源于拉丁语radius，发现拓展了人们对放射性元素的意为光线，因其具有发光特性而认识，也开启了核物理研究的新得名纪元稀有性镭是地壳中极其稀有的元素，在铀矿中微量存在，自然界中的含量约为由于其半衰期较短（的半衰期约为年）和极高的放射10⁻¹⁰%Ra-2261600性，镭在自然界中极为稀少且难以获取，是最珍贵的元素之一镭的物理性质银白色金属放射性特性12镭是一种银白色的金属，具有金镭是强放射性元素，会不断释放α、属光泽新制备的镭金属在空气β和γ射线镭及其衰变产物发出中迅速暗淡，形成黑色的氮化物的辐射能使某些物质发光，这种和氧化物镭的质地较软，接近现象被称为放射性发光镭的这铅的硬度，可塑性良好由于其一特性使其曾被用于制造发光涂高放射性，纯镁金属的精确物理料镭-226是最常见的镭同位素，性质测定困难半衰期约为1600年熔沸点3镭的熔点约为，沸点约为，这些值在碱土金属中相对较低这反700°C1737°C映了随着原子序数增加，碱土金属族元素熔沸点降低的趋势镭的自热性显著，克镭每小时产生约焦耳的热量

14.2×10⁻³镭的化学性质极高活泼性与非金属反应放射性衰变镭是碱土金属中化学活泼性最强的元素镭能与大多数非金属元素直接反应与镭的核化学性质极为显著镭-226通它在空气中迅速氧化，与水反应极为剧氧气反应生成氧化镭RaO；与卤素如过放射性衰变逐步转变为氡气、钋、铅烈，需要在惰性气体环境中或矿物油中氯反应生成氯化镭RaCl₂；与氮气反等元素，最终形成稳定的铅-206这保存镭的标准电极电势约为-

2.92V，应生成氮化镭这些反应都很剧烈，往个衰变链释放出大量的能量和辐射，使表明其具有极强的还原性，能够从许多往伴随着热量和光的释放，体现出镭极镭成为重要的放射性元素镭的衰变过金属化合物中置换出金属强的化学活性程使其化学行为随时间变化镭的应用放射性治疗1镭曾是癌症放射治疗的重要元素，特别是在世纪早期镭针和镭贴剂被用于治疗皮20肤癌和某些内部肿瘤镭的α粒子辐射能有效杀死癌细胞然而，由于其高毒性和更安全替代品的出现，如今镭已很少用于医疗目的发光涂料2历史上，镭盐与硫化锌混合被广泛用于制造发光涂料，用于钟表表盘、仪器仪表和军事装备镭发出的辐射能激发硫化锌发光，不需要外部能源但由于认识到镭的健康危害，这种应用已被禁止，转而使用氚和磷光材料科学研究3在现代，镭主要用于核物理和放射化学研究镭是重要的放射源，用于校准辐射探测器和研究放射性衰变机制镭的衰变过程也为研究原子核结构和放射性同位素提供了宝贵的数据镭的化学行为研究有助于理解超铀元素碱土金属的物理性质比较密度g/cm³熔点°C沸点°C从上图可以看出，碱土金属的物理性质呈现明显的周期性变化趋势密度方面，从铍到镭总体呈增加趋势，这主要是由于原子质量的增加尤其是从锶开始，密度显著增加，镭的密度达到

5.50g/cm³，远高于其他碱土金属熔点和沸点则呈现不同的变化规律，铍的熔沸点明显高于其他碱土金属，这与铍独特的电子构型和金属键特性有关从镁到镭，熔沸点总体呈下降趋势，反映了随着原子序数增加，原子间结合力减弱的特点这些物理性质的差异影响了碱土金属元素在工业和科研中的不同应用领域碱土金属的硬度比较铍1莫氏硬度约，接近玻璃

5.5镁2莫氏硬度约，比铍软得多

2.5钙3莫氏硬度约，可用刀切割

1.75锶、钡、镭4硬度继续降低，接近铅的硬度碱土金属的硬度随着原子序数的增加而显著降低，这一趋势与其原子结构的变化密切相关铍是碱土金属中硬度最高的元素，其硬度接近玻璃，显著高于其他族元素这种高硬度主要源于铍原子半径小、电子云密集，使得金属键结合更为紧密随着原子序数增加，原子半径变大，外层电子受核的束缚力减弱，金属键强度下降，因此硬度逐渐降低到钙时已可用刀切割，而锶、钡和镭更软，接近于铅的硬度这种硬度的周期性变化对理解金属材料的机械性能和应用特性具有重要意义，也是元素周期律在物理性质上的直观体现碱土金属的金属性比较电正性递减从铍到镭，电负性逐渐减小，电正性增强铍的电负性约为，而镭仅为电正性增强意味着这些元素越来越容易失去电子形成阳离子，表现出更强的金属性

1.

570.9电离能递减第一电离能从铍到镭明显降低第二电离能也有类似趋势电离能降低表明外层电子越来越容易失去，金属性增强电离能的递减与原子

899.5kJ/mol

509.3kJ/mol半径增大、外层电子与核距离增加有关金属键强度变化从铍到镭，金属键强度总体呈减弱趋势这表现为熔点降低、硬度减小、机械强度下降等特性金属键强度减弱是因为原子体积增大，价电子云更加分散，电子在金属晶格中的移动性增强碱土金属的金属性从铍到镭逐渐增强，这种变化反映了元素周期表中的规律性金属性增强表现为这些元素越来越容易失去电子形成稳定的价离子，化学反应活性增强，与非金属元素+2的化合物也表现出更明显的离子性。