碱金属族课件介绍

碱金属族介绍碱金属族是元素周期表中第一族元素的总称，包括锂、钠、钾、铷Li NaK、铯和钫这些元素因其化学性质相似且能与水反应生成碱性溶液Rb Cs Fr而得名碱金属是地球上最活泼的金属元素，具有许多独特的物理和化学特性它们都是银白色的软金属，密度低，熔点和沸点较低，具有极强的还原性本课件将系统介绍碱金属族的基本特性、各元素的特点及其在现代科学技术和日常生活中的应用，帮助大家深入了解这一重要的元素家族什么是碱金属？定义命名由来12碱金属是元素周期表中第一族碱金属得名于它们能与水反应（族）的金属元素，包括锂生成强碱性的氢氧化物溶液IA、钠、钾、铷、例如，钠与水反应生成氢氧化Li NaK Rb铯和钫这些元素的钠（），即烧碱或火碱，CsFrNaOH原子最外层只有一个电子，因是一种强碱性物质此化学性质非常活泼共同特点3所有碱金属都是银白色的柔软金属，密度较低，熔点和沸点相对较低它们具有极强的还原性，在自然界中以化合物形式存在，而不是以单质状态存在碱金属族元素锂Li原子序数，是碱金属中最轻的元素，在地壳中含量约为锂是固体金属中密度320ppm最小的，常用于锂电池制造钠Na原子序数，地壳中含量约为，是地壳中第六丰富的元素钠在日常生活中常见

112.3%于食盐氯化钠中钾K原子序数，地壳中含量约为钾是植物生长必需的元素，广泛用于肥料生产

192.1%铷与铯Rb Cs原子序数分别为和，在地壳中较为稀少铯是自然界中最活泼的金属元素之一，3755被用于原子钟元素周期表中的位置第一周期1锂位于元素周期表的第二周期、第一族，原子序数为，是除氢以外的第一Li3个碱金属元素第二周期2钠位于元素周期表的第三周期、第一族，原子序数为，是日常生活中最Na11常见的碱金属第三周期3钾位于元素周期表的第四周期、第一族，原子序数为，是生物体中重要K19的元素第四周期及以后4铷、铯和钫分别位于元素周期表的第

五、第六和第七周期的第一Rb CsFr族，它们的原子序数分别为、和375587碱金属的电子构型外层电子具体构型影响所有碱金属原子的最外层电子层都只有一锂随着原子序数增加，原子半径增大，最外1s²2s¹个电子，这是它们化学性质相似的根钠层电子与核的吸引力减弱，导致金属性增ns¹1s²2s²2p⁶3s¹本原因这个单个外层电子容易失去，使钾强，活泼性增加这就是为什么铯比锂更1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹碱金属倾向于形成价阳离子铷活泼的原因+1[Kr]5s¹铯[Xe]6s¹钫[Rn]7s¹原子结构特点原子半径第一电离能电负性碱金属的原子半径在各碱金属的第一电离能在碱金属的电负性很低，自周期中最大，并且从各自周期中最小，且从从锂到铯逐渐减小锂锂到铯逐渐增大锂的锂到铯逐渐减小锂的的电负性为，而铯

0.98原子半径约为，第一电离能为仅为低电负性意152pm

0.79而铯的原子半径可达，而铯仅味着它们更容易失去电520kJ/mol这是因为随为，表明子而不是得到电子265pm376kJ/mol着主量子数增加，电子铯最容易失去外层电子云体积变大碱金属的物理性质光泽性硬度所有碱金属都具有典型的银白色金属光泽，碱金属质地非常软，可以用刀切割从锂到新切割的表面呈现明亮的银白色但在空气铯，硬度逐渐降低铯在室温下几乎呈液态12中很快会因氧化而失去光泽状，用手指就能轻易压变形导电性延展性43碱金属是良好的导体，这是由于它们的外层碱金属具有良好的延展性，可以轧制成薄片电子可以自由移动钠的电导率约为铜的或拉伸成细丝这是因为它们的金属键较弱，，虽然不如铜和银，但仍然相当高原子层之间容易滑动35%熔点和沸点熔点°C沸点°C碱金属的熔点和沸点都相对较低，且随着原子序数增加而逐渐降低锂的熔点最高，为

180.5°C；铯的熔点最低，仅为

28.4°C，接近室温这种趋势主要是由于原子半径增大，金属键强度减弱导致的在常温下，锂、钠、钾为固态，而铷则接近熔点，铯可能在热天呈现出液态状态这种低熔点特性使得在实验室和工业中处理这些金属时需要特别注意温度控制密度碱金属的密度普遍较低，锂的密度最小，为，是所有固体金属中密度最小的，甚至可以漂浮在油上值得注意的是，虽然原子质量从锂到铯逐渐增加，但密度并不完全遵循这一趋势

0.534g/cm³钾的密度比钠略小，这是一个有趣的反常现象，主要是由于钾原子排列的晶格结构造成的从铷开始，密度又随原子序数增加而增大，铯的密度达到，是碱金属

0.86g/cm³

0.97g/cm³

1.87g/cm³中最大的金属光泽新切面的光泽氧化后的变化保护方法所有碱金属在新切割的表面都呈现出明亮的在空气中，碱金属表面会迅速与氧气和水蒸为了保持碱金属的光泽，通常将它们储存在银白色金属光泽这种光泽来源于金属原子气反应，形成氧化物、氢氧化物或碳酸盐薄无水矿物油或惰性气体如氩气中，以防止中自由电子对光的反射这些自由电子能够膜，使表面失去光泽，变成灰白色或暗黄色与空气和水接触在实验室观察时，可以切吸收并重新发射可见光谱中的大部分波长，这种变化速度从锂到铯逐渐加快，铯在空气割出新鲜表面来展示其真实的金属光泽使金属表面呈现银白色中几乎会立即氧化导电性和导热性21%锂导电率相对于银的百分比35%钠导电率相对于银的百分比24%钾导电率相对于银的百分比36%铯导热率相对于铜的百分比碱金属具有良好的导电性和导热性，这主要归因于它们的金属键特性和自由电子的存在在碱金属中，每个原子都会贡献一个价电子形成电子云，这些电子可以自由移动，从而导电和传热虽然碱金属的导电性不如铜和银，但仍然相对较高其中钠的电导率约为银的，在所有碱金属中最高导热性方面，从锂到铯，随着原子量增35%加，导热率逐渐降低，这与它们的晶格结构和原子间结合力有关碱金属的化学性质强还原性碱金属都是强还原剂，容易失去最外层的一个电子形成价阳离子，从而参与各种氧+1化还原反应从锂到铯，还原性逐渐增强，铯是自然界中最强的还原剂之一离子化倾向碱金属具有极强的离子化倾向，容易形成⁺离子这种倾向从锂到铯逐渐增强，与M它们的第一电离能呈负相关第一电离能LiNaKRbCs活泼性碱金属都非常活泼，能与多种非金属元素直接反应它们与水反应剧烈，放出氢气并形成氢氧化物与空气中的氧气、氮气也能发生反应，因此必须在惰性环境中保存碱性化合物碱金属的氢氧化物都是强碱，完全电离它们的碳酸盐、磷酸盐等在水中都具有碱性，这也是碱金属名称的由来活泼性活泼性递增趋势碱金属的化学活泼性随着原子序数的增加而增强，呈现出明显的递增趋势LiNa这种趋势是由原子结构决定的，随着原子半径增大，最外层电子与核的KRbCs距离增加，受到的吸引力减弱，更容易失去实验现象这种活泼性差异在实验中表现明显锂与水反应缓慢生成氢气；钠反应更快并可能点燃；钾与水接触立即燃烧并伴有紫色火焰；铷和铯与水接触会发生爆炸性反应与其他元素的对比碱金属的活泼性远超大多数其他金属铁需要在高温下才能与氧气反应，而碱金属在室温下就能与氧气迅速反应铝在氧气中会形成保护性氧化膜，而碱金属则会持续反应应用与安全由于极高的活泼性，碱金属必须谨慎处理，通常储存在无水矿物油中这种高活泼性也使它们成为重要的还原剂，在有机合成和金属提取中有广泛应用与氧气的反应元素反应现象主要产物化学方程式锂白色火焰氧化锂₂₂₂Li O4Li+O→2Li O钠黄色火焰过氧化钠₂₂₂Na O2Na+O→₂₂Na O钾紫色火焰超氧化钾₂₂₂KOK+O→KO铷红紫色火焰超氧化铷₂₂₂RbORb+O→RbO铯蓝紫色火焰超氧化铯₂₂₂CsOCs+O→CsO碱金属与氧气反应的活泼性随着原子序数增加而增强有趣的是，它们形成的氧化物类型也随原子序数变化锂主要形成正常氧化物₂，钠主要形成过氧化物₂₂，而钾、Li ONa O铷、铯则主要形成超氧化物₂MO这些反应通常伴随着明亮的特征焰色锂呈现鲜艳的红色火焰，钠产生明亮的黄色火焰，钾则显示独特的紫色火焰由于这些反应放热剧烈，在空气中碱金属表面会很快被氧化物覆盖，形成保护层阻止进一步氧化与水的反应锂与水锂与水反应相对温和，在水面上漂浮并缓慢释放氢气，生成氢氧化锂溶液反应热不足以点燃产生的氢气₂₂2Li+2H O→2LiOH+H↑钠与水钠与水反应剧烈，在水面上快速移动并释放大量氢气，同时产生大量热量反应热有时足以点燃氢气，伴随着黄色火焰₂₂2Na+2H O→2NaOH+H↑钾与水钾与水接触立即发生剧烈反应，反应热点燃氢气产生紫色火焰，常伴随小型爆炸反应产物为氢氧化钾溶液₂₂2K+2H O→2KOH+H↑铷和铯与水铷和铯与水接触会瞬间发生爆炸性反应，反应极为猛烈，会溅射出燃烧的金属和溶液这两种金属与水的反应是最危险的₂₂2Rb/Cs+2H O→2RbOH/CsOH+H↑与卤素的反应碱金属与卤素反应极为剧烈，直接接触会发生强烈的放热反应，甚至可能伴随爆炸这些反应通常伴随着明亮的火焰，产生相应的碱金属卤化物例如，钠与氯气反应₂，放出明亮的黄光2Na+Cl→2NaCl碱金属与卤素的反应活性顺序为₂₂₂₂，这与卤素自身的活性顺序一致形成的卤化物都是典型的离子化合物，具有FClBrI高熔点、高沸点的特性，大多数在水中易溶碱金属卤化物在日常生活中非常常见，如食盐、碘化钾等NaCl KI与氢的反应产物特性反应条件形成的氢化物都是离子型化合物，呈白色2固体，具有高熔点碱金属与氢气直接反应需要在加热条件下1进行，反应温度从锂到铯逐渐降低化学方程式通用方程式₂2M+H→2MH M3代表碱金属应用价值5水解性质作为强还原剂在有机合成中应用广泛，如₄LiAlH4碱金属氢化物易被水分解，释放氢气并形成强碱性溶液碱金属氢化物的离子性从锂到铯逐渐增强，这影响了它们的热稳定性和反应活性例如，氢化锂相对稳定，而氢化铯则不稳定LiH CsH且极易分解在水中，所有碱金属氢化物都会迅速分解₂₂，这使它们成为实验室制备氢气的良好来源MH+H O→MOH+H↑碱金属离子的性质离子半径碱金属离子的半径大小顺序为⁺⁺⁺⁺⁺离子半径影响其水LiNaKRbCs合能、配位数以及形成的化合物的晶格能，进而影响这些化合物的溶解性和稳定性水合作用碱金属离子在水溶液中会被水分子水合，形成₂⁺水合能大小顺序⁺[MH O]Liₙ⁺⁺⁺⁺锂离子由于半径小，电荷密度大，水合能最高NaKRbCs配位特性碱金属离子的配位数随离子半径增大而增加锂离子通常呈配位，而铯离子可达48-12配位这影响它们与生物大分子的结合特性和选择性光谱特性碱金属离子在火焰中呈现特征颜色锂呈红色，钠呈黄色，钾呈紫色，铷和铯呈红紫色和蓝紫色这是火焰光谱分析的基础锂的特性Li物理特性1锂是碱金属中最轻的元素，密度仅为

0.534g/cm³，可漂浮在石油上熔点为

180.5°C，沸点为1342°C，均为碱金属中最高银白色金属，但在空气中表面会迅速变暗化学特性锂是碱金属中化学活性最弱的，与水反应相对缓慢，放出氢气在空气中燃烧产生氧化2锂₂而非过氧化物锂离子半径小，电荷密度大，水合能高Li O独特之处锂与其他碱金属相比具有一些反常性质熔点、沸点高；能与氮3气直接反应生成氮化锂；能溶于某些有机溶剂；形成的盐通常比其他碱金属盐的溶解度小锂的应用锂电池医药应用润滑脂锂离子电池是锂最重要的应用，碳酸锂是治疗双相情感障碍的锂基润滑脂具有良好的耐水性、广泛用于手机、笔记本电脑、重要药物，能稳定情绪波动耐高温性和机械稳定性，广泛电动汽车等锂电池具有能量此外，锂盐还用于治疗某些类用于汽车、航空和工业机械的密度高、自放电低、无记忆效型的抑郁症和精神分裂症，是润滑它是全球使用最广泛的应等优点，是现代电子设备的精神药理学的重要组成部分润滑脂类型主要电源合金制造锂铝合金轻质高强，用于航空航天工业添加锂可显著降低铝合金密度，提高强度和弹性模量，是制造飞机、航天器结构部件的理想材料钠的特性Na自然存在物理特性12钠在地壳中含量丰富，约占银白色软金属，密度为，是地壳中第六丰富的元，熔点为°，

2.3%

0.97g/cm³

97.8C素主要以氯化钠食盐形式沸点为°室温下质地软，883C存在于海水中，也存在于各种可用刀切割具有良好的导电矿物中，如石盐、芒硝和天然性，约为铜的在干燥空35%碱气中表面迅速氧化变暗化学特性3钠是活泼的金属，比锂活泼但比钾温和与水剧烈反应放出氢气和热量，能在水面快速移动在空气中燃烧形成过氧化钠₂₂钠蒸气在Na O火焰中呈明亮的黄色钠的应用钠的应用广泛多样，在工业和日常生活中扮演重要角色钠蒸气灯因其高效能和特殊的黄色光线，广泛用于街道照明和高速公路在化学工业中，钠是制造氢氧化钠烧碱的重要原料，后者应用于造纸、肥皂和纺织品生产液态钠因其优异的导热性能，被用作核反应堆的冷却剂此外，金属钠还用于有机合成中的还原剂，如还原反应钠的化合物更是Birch无处不在氯化钠食盐是人类必需的调味品和防腐剂；碳酸钠纯碱用于玻璃制造和洗涤剂；焦亚硫酸钠用于照相定影剂钾的特性K物理特性化学特性生物意义钾是一种银白色的软金属，密度为钾的化学活性比钠更强，与水接触会立即钾是生物体内的主要阳离子，对维持细胞比水轻，熔点为°，发生剧烈反应，产生足够的热量点燃释放内的水分平衡、神经传导和肌肉收缩至关

0.86g/cm³

63.4C沸点为°在室温下极其柔软，用刀的氢气，燃烧时呈现紫色火焰在空气中重要人体内约的钾存在于细胞内，759C98%可轻易切割，切口呈现有光泽的表面，但迅速氧化，主要形成超氧化钾₂，而钾离子通过钠钾泵维持细胞膜两侧的电位KO迅速变暗钾的导电性约为铜的非氧化钾或过氧化钾钾能与大多数非金差，是生命活动的基础24%属直接反应钾的应用农业肥料食品和医疗工业与特殊用途钾是植物生长的必需元素，负责调节水分平氯化钾用作低钠食盐替代品，适合高血压患超氧化钾₂用于密闭空间的空气净化KO衡、光合作用和糖分转运钾肥常见如氯者医学上，钾盐用于治疗低钾血症，维持和氧气生成，如潜水艇和宇航员呼吸系统化钾、硫酸钾是农业生产的三大肥料之一，心脏正常功能钾通道阻滞剂是治疗心律失高氯酸钾是火箭推进剂和烟花的重要成分适当的钾肥施用可提高作物产量、增强抗病常的重要药物静脉注射的氯化钾用于极端合金中，钾钠合金在某些核反应堆中用作-性和抗旱能力情况下的低钾血症治疗冷却剂铷的特性Rb物理性质化学活性同位素特性光电特性生物作用铷是一种银白色的软金属，原子序数为37，在地壳中含量约为90ppm铷的物理特性包括密度为

1.53g/cm³，熔点为

39.3°C，沸点为688°C室温下极软，甚至在温暖的日子可能呈现液态铷在空气中迅速氧化，与氧气反应形成超氧化铷₂RbO铷的化学活性非常强，比钾更活泼，与水接触会立即发生爆炸性反应，反应热足以点燃释放的氢气铷燃烧时火焰呈现红紫色，这是其光谱特性的体现铷具有两种主要同位素稳定和放射⁸⁵Rb⁸⁷Rb性，半衰期亿年，后者可用于地质年代测定490铷的应用光电应用高效光电池和光敏元件1时间计量2原子钟和频率标准科学研究3地质测年和放射性示踪医学应用4肿瘤治疗和成像PET特种玻璃5提高光学性能和电气绝缘性铷的主要应用集中在科技领域，尤其是精密计时系统铷原子钟利用原子振荡频率的稳定性，提供极高精度的时间计量，误差仅为百万年一秒这些原子钟广泛用于全球定位系统⁸⁷Rb、通信网络和科学研究中GPS在医学领域，放射性同位素用于正电子发射断层扫描心脏成像，帮助诊断冠状动脉疾病也被用于某些癌症的治疗此外，铷化合物在催化剂、特种玻璃制造和电子管生⁸²Rb PET⁸⁷Rb产中也有应用尽管应用广泛，但由于铷相对稀少且反应活性高，其应用主要局限于高科技和特殊领域铯的特性Cs发现历史1铯于年由德国科学家罗伯特本生和古斯塔夫基尔霍夫通过光谱分析法发现其名称源自1860··拉丁语，意为天蓝色，指其光谱中的蓝线铯是第一个通过光谱分析发现的元素caesius物理特性2铯是一种金黄色的软金属，原子序数为，在地壳中含量约为密度为，553ppm

1.87g/cm³熔点仅为

28.4°C，是除汞和镓外唯一在接近室温下可能呈液态的金属铯的沸点为671°C化学特性3铯是自然界中最活泼的金属元素之一，比铷更活泼与水接触立即发生爆炸性反应，甚至能与冰反应在空气中迅速燃烧，主要形成超氧化铯₂铯燃烧时火焰呈蓝紫色CsO核性质4铯的主要同位素是稳定，而是重要的放射性同位素，半衰期约年，是核裂变的¹³³Cs¹³⁷Cs30主要产物之一，也是核泄漏事件的指示剂铯的应用原子钟光电器件石油开采铯原子钟是世界上最精确的时铯的光电效应显著，用于制造铯甲酸盐用作钻井液添加剂，间计量设备，利用原子在光电池、红外探测器和夜视设提高钻井效率和稳定性在高¹³³Cs微波辐射下的振荡频率定义国备铯化合物作为光敏材料，温高压条件下，铯基钻井液具际单位制中的秒铯原子钟的能在弱光条件下将光能转化为有优异的性能，能防止钻井设精度可达百万年误差不超过一电能，在太空探测和军事领域备腐蚀和钻孔坍塌，广泛用于秒，为系统、通信网络和有重要应用深海和深井石油勘探GPS科学研究提供关键支持医学和辐射放射性同位素用于放射治¹³⁷Cs疗和工业射线照射在医学上，铯放射源用于治疗某些类型的癌症在工业上，铯放射源用于测量材料厚度和密度，以及食品辐照杀菌钫的特性Fr物理特性稀有性钫预计是一种银白色的碱金属，放射性熔点约为27°C，沸点约为钫是地球上最稀有的自然元素钫的所有同位素都具有放射性，677°C由于极度稀有和不稳之一，地壳中估计总量不超过最稳定的同位素半衰期仅发现和命名²²³Fr定，许多物理性质只能通过理克它主要通过铀的放射性为分钟，迅速衰变为3022²²³Ra论计算推测钫于年由法国物理学家衰变产生，但由于半衰期极短，这种极短的半衰期使得对钫的1939化学特性玛格丽特佩雷发现，命名为钫难以积累研究极为困难·，以纪念她的祖作为碱金属，钫理论上应是自Francium国法国钫是元素周期表中最然界中最活泼的金属元素预后一个被发现的自然存在的元计它会与水瞬间发生爆炸性反素3应，并在空气中立即氧化2415碱金属化合物氧化物碱金属形成不同类型的氧化物锂主要形成正常氧化物₂；钠形成过氧化物₂₂；Li ONa O钾、铷、铯主要形成超氧化物₂这些氧化物都具有强碱性，与水反应生成相应的氢氧化MO物氢氧化物碱金属氢氧化物都是强碱，完全电离，水溶液呈强碱性从到，碱性逐渐增MOH LiOHCsOH强这些氢氧化物在水中溶解度大，放热明显，广泛用于工业生产盐类碱金属形成多种盐类，如卤化物、硫酸盐₂₄、硝酸盐₃、碳酸盐MX MSOMNO₂₃等这些盐通常具有良好的水溶性，除少数锂盐外，如碳酸锂和磷酸锂溶解度较小M CO有机化合物碱金属能与有机基团形成化合物，如甲基锂₃、丁基锂₄₉等，这些化合物在有CH LiC HLi机合成中是重要的碱和亲核试剂钠钾合金可作为强力还原剂氢氧化物氢氧化物外观溶解度特性主要用途g/100g水,20°C白色晶体最弱碱性，吸收宇航用₂吸LiOH

12.8CO₂能力强收剂CO白色固体强碱性，吸湿性肥皂制造，造纸NaOH109强白色固体强碱性，更易溶碱性电池，肥皂KOH121解白色固体强碱性，极易溶特种玻璃RbOH180解黄色晶体最强碱性，吸湿有机合成催化剂CsOH400性极强碱金属氢氧化物是一类重要的强碱，它们在水中完全电离生成金属阳离子和氢氧根离子从锂到铯，氢氧化物的碱性和溶解度逐渐增强，这与金属离子半径增大、电荷密度减小有关这些氢氧化物具有强烈的腐蚀性，能与酸、两性氧化物和某些金属发生反应工业上，氢氧化钠烧碱和氢氧化钾苛性钾用途最广，是重要的基础化工原料氢氧化锂因其重量轻且吸收二氧化碳能力强，在宇航和潜水器中用作空气净化剂碳酸盐碱金属碳酸盐是重要的工业化合物，它们的物理化学性质存在明显差异从锂到铯，碳酸盐的溶解度总体呈增加趋势，其中碳酸锂溶解度异常低，仅为水，而碳酸铯的溶解度高达

1.3g/100g水这种溶解度差异与晶格能和离子水合能有关260g/100g碳酸盐水溶液都呈碱性，这是由于碳酸根水解产生氢氧根离子工业上最重要的是碳酸钠纯碱，广泛用于玻璃制造、洗涤剂生产和纺织工业碳酸钾碱灰用于制造特种玻璃和肥皂碳酸锂则因其特殊性质，在锂电池生产和精神疾病治疗中有重要应用硝酸盐物理特性化学性质主要应用碱金属硝酸盐通常为白色晶体，具有良好的碱金属硝酸盐都是强氧化剂，尤其在高温下硝酸钾是火药的主要成分，也用于火箭推进水溶性从锂到铯，硝酸盐的溶解度总体呈加热时分解释放氧气，最终生成相应的氮气剂、烟花和火柴制造硝酸钠和硝酸钾广泛增加趋势，且溶解过程通常伴随吸热现象，或氧化物例如₃₂用作农业肥料，提供植物所需的氮元素在2KNO→2KNO+这使硝酸盐常被用作制冷混合物大多数碱₂硝酸盐与可燃物混合后具有爆炸性，食品工业中，硝酸钠和硝酸钾O E251金属硝酸盐具有潮解性吸湿，尤其是硝酸这是因为它们能快速提供氧气支持燃烧，即用作防腐剂，特别是在肉制品加工E252钠和硝酸钾使在缺氧环境下中硝酸锂用于制造特种陶瓷和光学玻璃。