碱金属元素

	学科: 化学
	教学内容：碱金属元素

【基础知识精讲】

一、碱金属元素的“三性”(括号内为特殊性)

1.相似性

(1)原子结构：最外层电子数都是1个，次外层为8个(Li为2个)的稳定结构.

(2)单质的物理性质：都有银白色的金属光泽(除铯略带金色以外)，质软，密度小，熔点低，有强的导热、导电性能.

(3)单质的化学性质：与钠相似，都能与金属、与氧气、与水、与稀酸溶液等反应，且生成物都是含R⁺(R为碱金属)的离子化合物.

(4)它们最高价的氢氧化物(ROH)均是强碱.

2.递变性(差异性)

(1)原子结构：随着Li、Na、K、Rb、Cs核电荷数递增，核外电子层数增多，原子半径逐渐增大.

(2)单质的物理性质：随着Li、Na、K、Rb、Cs核电荷数递增，碱金属熔、沸点逐渐降低(与卤族、氧族单质相反)，密度逐渐增大(Li、Na、K的密度＜1g/cm³，Rb、Cs的密度＞1g/cm³).

(3)单质的化学性质：随着Li、Na、K、Rb、Cs核电荷数递增，核对电子引力减弱，失电子能力增强，因此金属性增强.例如，与氧气反应时，Li：常温或燃烧生成Li₂O；Na：常温生成Na₂O，燃烧生成Na₂O₂；K：常温生成K₂O₂，燃烧生成KO₂(超氧化钾).

(4)ROH碱性随R核电荷数递增而增强.

二、焰色反应

1.焰色反应是指某些金属或它们的化合物在灼烧时火焰呈特殊的焰色.

2.常见金属，及其化合物焰色：

Na：黄色　K：紫色(透过蓝色钴玻璃)　Cu：绿色　Ca：砖红色　Ba：黄绿　Li：紫红色

3.操作：取洁净铂丝(或无锈铁丝或镍、铬、钨丝)在盐酸中浸洗后灼烧至无色，然后蘸取待测物灼烧.

4.焰色反应不属于化学法检验.

【重点难点解析】

一、碱金属与氧生成的化合物：

氧化物中存在O^2-，如：Na₂O、K₂O、Li₂O、…属碱性氧化物，与酸反应，只能生成盐和水，如：

Na₂O+2HCl ＝ 2NaCl+H₂O

而过氧化物中存在O₂^2-过氧离子，其中氧价态为-1价，如Na₂O₂、CaO₂、…与酸反应生成盐和水，同时还有O₂放出，如：

2Na₂O₂+4HCl ＝ 4NaCl+2H₂O+O₂↑

还有超氧化物，如：KO₂，含有O_2-，其中氧价态为-价，当然可能有更复杂的化合物.

应注意：过氧化物、超氧化物都不属碱性氧化物.

二、碱金属元素的相似性、差异性和递变性：

1.相似性

(1)原子结构.最外层都只有1个电子，并且都容易失去这个电子而形成+1价阳离子.表现出强还原性.

(2)单质的化学性质.

①都能与O₂、水、稀酸反应，反应中均为还原剂.

②它们的最高价氧化物的水化物都是强碱.

2.差异性、递变性

(1)原子结构.从Li→Cs随着核电荷数的递增，电子层数增加，原子半径增大.

(2)化学性质.

①随着原子半径的逐渐增大，原子核对最外层电子的引力逐渐减弱，使得原子失电子的能力逐渐增强，则金属的还原性也逐渐增强.

②随着核电荷数的增加，碱金属元素的最高价氧化物的水化物的碱性逐渐增强.

三、用讨论法解化学元素计算题的一般思路：

有一类化学计算题，由于某一条件的不确定，结果可能是两个或两个以上，也可能在某个范围内取值，这类题就需要用讨论的方法求解.近几年高考中出现的涉及讨论的试题主要有四种类型：①讨论反应发生的程度；②讨论反应物是否过量；③讨论反应物或生成物的组成范围；④讨论不定方程的解.

前三种类型的讨论题一般思路是：①首先利用有关反应方程式(或加工变形的关系式)确定两种反应物恰好完全作用时，各反应物和生成物的具体的量的关系；②然后再按某一反应物的量不足或过量分别讨论；③最后将①②联系起来找出各种情况下对应的答案或取值范围.

对不定方程的讨论，需充分利用题目中给出的条件，有选择范围地讨论.

【难题巧解点拨】

例1　某K₂CO₃样品中含有Na₂CO₃、KNO₃和Ba(NO₃)₂三种杂质中的一种或二种.现将13.8g样品加入足量水中，样品全部溶解.再加入过量的CaCl₂溶液，得到9g沉淀.对样品所含杂质的正确判断是(　　)

A.肯定有KNO₃B.肯定有KNO₃，可能还含有Na₂CO₃

C.肯定没有Ba(NO₃)₂，可能含有KNO₃D.肯定没有Na₂CO₃和Ba(NO₃)₂

解析　将13.8g样品加入足量的水，样品全溶解则样品中一定无Ba(NO₃)₂(因能与K₂CO₃生成沉淀).下面用极值法分析：如13.8g是纯的K₂CO₃，则生成CaCO₃沉淀应为10g，而现在得沉淀9g，则混进的杂质或不与CaCl₂生成沉淀，或13.8g杂质与CaCl₂作用生成的沉淀小于9g.杂质中KNO₃不与CaCl₂生成沉淀，符合题意.而13.8gNa₂CO₃与CaCl₂混合生成沉淀为×100＞9g不合理.所以选项A正确.但分析选项B，可能存在这样的情况，即混进很多的KNO₃，而只混进少量的Na₂CO₃，这时也可以保证13.8g样品与CaCl₂反应后只生成9g沉淀，故B正确.选项B很容易漏掉.故选A、B.

评析　此题考查学生思维的严密性.

例2　18.4gNaOH和NaHCO₃固体混合物，在密闭容器中加热到约250℃，经充分的反应后排出气体，冷却，称得剩余固体质量为16.6g.试计算原混合物中NaOH的百分含量.

解析　解法Ⅰ　混合物加热时的化学方程式为：

2NaHCO₃Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O

2NaOH+CO₂ ＝ Na₂CO₃+H₂O

综合为：

NaHCO₃+NaOHNa₂CO₃+H₂O

84　 40

　　124　　　　 106

假设18.4g混合物恰好按84∶40比例混合，设加热后剩余固体为x，则

124∶106＝18.4g∶x　x=15.7g而实际16.6g，可见NaOH过量.设NaHCO₃质量为y,NaOH为18.4g-y

NaOH+NaHCO₃=Na₂CO₃+H₂O

　　　  84　　　　18

　　　  y　　　　 18.4g-16.6g=1.8g

y=8.4g

∴NaOH%=×100%=54.3%

解法Ⅱ  判断混合物中哪种物质过量还可以根据差值法，因为NaOH受热时不分解，所以：

NaOH+NaHCO₃Na₂CO₃+H₂O

　 40　 84

　　　 124　　　　  18

　18.4g　　　　　　　  x

x=2.67g＞1.8g，说明NaOH过量.

解法Ⅲ  设混合物由等摩尔比组成，并设形成1.8g(18.4g-16.6g)差量时消耗混合物的质量为m，则124∶18=m∶1.8g　m=12.4g　因为原混合物为18.4g形成1.8g差值只需12.4g，所以余下18.4g-12.4g=6g，这6g不是NaHCO₃而是不分解的NaOH，说明NaOH过量.以下解法同上.

评析　许多计算题并不明显给出已知条件，初审时感到条件不足，这时就要仔细分析，挖掘隐含条件.本题的关键是要判断NaOH和NaHCO₃在反应时哪一种过量.而题目的条件只是反应前后的固体混合物的质量变化，NaOH与NaHCO₃按不同比例混合时，引起的质量减小也不同，再与已知条件相比较，即可判断是哪种物质过量.

【典型热点考题】

例1　 关于锂的结构和性质的判断，错误的是(　　)

(1)与水反应比钠剧烈

(2)它的原子半径比钠小

(3)它的氧化物暴露于空气易吸收二氧化碳

(4)它的阳离子最外层电子数和钠的相同

(5)它是还原剂

A.只有(1)　　　 B.(3)和(5)　　　C.(2)和(3)　　　　　D.(1)和(4)

解析：该题为碱金属元素性质的判断题，解此题的关键是注意对碱金属元素的相似性、差异性和递变性的理解和掌握.(1)钠比锂的金属性强，所以锂与水反应不如钠剧烈，此项说法错误.(2)锂原子的电子层为2层，钠原子有3个电子层，所以前者比后者原子半径小.此项正确.(3)氧化锂与氧化钠相似，也是碱性氧化物，易吸收酸性氧化物二氧化碳变为碳酸盐.(4)锂离子Li⁺最外层只有2个电子，而钠离子Na⁺最外层有8个电子，此项说法错误.(5)锂也是活泼金属，它在反应中只能作还原剂.故答案为D.

例2　下列关于钾、钠、铷、铯的叙述中不正确的是(　　)

A.其氢氧化物中碱性最强的是CsOH

B.氧化能力最强的是钠原子

C.原子半径随核电荷数的增大而增大

D.单质的密度均小于1g/cm³

解析：在Na、K、Rb、Cs四种碱金属中，Cs的金属性最强，所以CsOH的碱性最强，A选项正确；钠原子只能失去电子，不能得到电子，即钠原子没有氧化性，B选项错误；核电荷数越大，电子层数越多，原子半径越大，C选项正确；从Na→K→Rb→Cs，碱金属的密度逐渐增大，K、Na的密度小于1g·cm^-3，但Rb、Cs的密度大于1g·cm^-3，D选项错误.

答案：B、D.

例3　 某物质燃烧时，焰色为黄色，下列判断正确的是(　　)

A.该物质一定是钠的化合物　　　　　　B.该物质中一定含有钾元素

C.该物质一定是金属钠　　　　　　D.该物质中一定含有钠元素

解析：所谓焰色就是指一些发光物质，当加热提供其一定的能量时，自身便可发出各种颜色的光.由此看出它的能量转换是提供的能量直接转变成光能.这一点与白炽灯的工作能量转换有着明显的区别，正因为如此，发光物质的研究才是当今的活跃科技领域之一.那么发光物质的发光是由原子产生的，还是由离子产生的呢?请注意下列事实：①路边的照明灯发出光多为黄色，原因是路灯里装入的是纯净的金属钠，当通电后钠汽化，钠原子接受电能并将其转化为光能，从而产生黄光.用这种路灯有两大好处：一是省电，二是光的亮度是同功率白炽灯的几倍至几十倍.②我国每逢重大的庆祝活动或重大的节日，有放焰火的习惯，若放出黄色焰火，则制造焰火的原料必有NaCl，因为Na⁺产生的焰色是黄色的.由此可以看出：发光物质的颜色既不能断言是离子的，也不能确认是原子的，所以说焰色反应是元素的行为.

答案：D.

例4　 将含Na₂CO₃10.6g的Na₂CO₃溶液100mL逐滴滴加到100g4.56%的盐酸中与将100g4.56%的盐酸逐滴滴加到含Na₂CO₃10.6g的Na₂CO₃溶液100mL中，两者所产生的气体的质量比是(　　)

A.1∶1　　　　　B.2∶5　　　　　C.5∶2　　　　　D.2∶1

解析：将Na₂CO₃加到盐酸中(相对而言，过程中酸过量)与将盐酸加到Na₂CO₃中(相对而言，过程中Na₂CO₃过量)，两者发生的反应是有区别的.

第一种情况：Na₂CO₃+2HCl＝2NaCl+CO₂↑+H₂O

第二种情况：HCl+Na₂CO₃＝NaHCO₃+NaCl

HCl+NaHCO₃＝NaCl+H₂O+CO₂↑

现Na₂CO₃质量为10.6g，HCl质量为4.56g，在第一种情况下，应按HCl的质量来算产生的CO₂的质量.设产生CO₂的质量为x：

　　Na₂CO₃+2HCl＝2NaCl+H₂O+CO₂↑

73　　　　　  44

4.56g　　　　  x

x＝2.75g

在第二种情况下，应分步计算，设生成NaHCO₃所消耗HCl的质量为Y，生成NaHCO₃的质量为W，最后产生的CO₂的质量为Z.

　　HCl　+  Na₂CO₃＝ NaHCO₃+NaCl

36.5　　 106　　　84

Y　　　 10.6g　　 W

y＝3.65g　　　　W＝8.4g

这时，剩余HCl的质量＝4.56g-3.65g＝0.91g.

显然，在接下来的反应中，应按HCl的质量来算产生的CO₂的质量.

　　　HCl　+  NaHCO₃＝NaCl+ CO₂↑+H₂O

36.5　　　　　　　　  44

0.91g　　　　　　　　  W

　　　　W＝＝1.1g

所以，两种情况下产生的CO₂的质量比是2.75g∶1.1g＝5∶2.

答案：C.

例5　 由某碱金属(R)及其氧化物(R₂O)组成混合物4.0g与水充分反应后，蒸发反应后的溶液，得到5.0g无水晶体.试通过计算确定该金属元素的名称.

解析：本题若用常规方法求解，非常麻烦.若用极端假设法，则可事半功倍.用极端假设法解题的一般方法是：以问题的两个极端去提出假设，求出极值(最大值或最小值)后，确定一个取值范围，利用这个取值范围进行推理、判断，使问题得到解决.可见，本题虽是一道化学计算题，但其中除了包含着的化学原理之外，还隐含着数学理念.本题的化学原理比较简单，不过是两个反应式，即：

2R+2H₂O ＝ 2ROH+H₂↑

R₂O+H₂O ＝ 2ROH

显然，无论是R，还是R₂O与水反应的结果都必然最终导致固体的质量增加.假定该混合物是由单一成分组成的纯净物，可计算出该原子的相对原子质量的取值范围.

解答：设碱金属R的相对原子质量为x，则R₂O的相对分子质量为2x+16.

若全为金属，则有关系式：　　若全为氧化物，则有关系式：

　　R　→　 ROH　　　　　　　  R₂O　　 →　　 2ROH

　　x　　　 x+17　　　　　　　 2x+16　　　　 2(x+17)

　　4.0g　　5.0g　　　 　　　　 4.0g　　　　　 5.0g

　　＝　　　　　　　＝

　　x＝68　　　　　　　　　 x＝28

因为混合物为金属和氧化物组成，故金属的相对原子质量应介于28～68之间，在此区间内的碱金属只有钾.

故，该碱金属元素为钾.

例6　　现有A、B、C、D四种化合物，透过蓝色钴玻璃其焰色反应均为紫色，A、B、C和盐酸发生反应后，均得到D；将固体C加热可得到A；若在A的溶液中通入一种无色无味气体，可制得C，若B与C的溶液混合可制得A；推断：A为　　　　　  ；B为　　　　　  ；C为　　　　　  ；D为　　　　　  .写出有关反应的化学方程式：　　　　　　　　　  .

解析：解该题的突破口在A、B、C均可与盐酸发生反应，证明A、B、C可能是KOH或K的弱酸盐，而下一步展开，C加热可分解，进一步证明C是KHCO₃，A溶液中通入无色无味气体得C，进一步证明C是KHCO₃，而A为K₂CO₃.这样可知D为KCl.

因此解此类推断题重要的是找准突破口，突破口一找到，其他问题则会迎刃而解.

另外，本题第一已知条件：“其焰色反应均为紫色”也很重要，据此，我们首先可断定这四种化合物含有钾元素.

答案：A.K₂CO₃；B.KOH；C.KHCO₃；D.KCl；化学方程式为：2KHCO₃K₂CO₃+CO₂↑+H₂O；K₂CO₃+CO₂+H₂O ＝ 2KHCO₃；KOH+KHCO₃ ＝ K₂CO₃+H₂O

【同步达纲练习】

一、选择题

1.跟水反应最剧烈的碱金属是(　　)

A.Li　　　 　　 B.Na　　　 　　 C.K　　　　　　 D.Rb

2.下列比较不正确的是(　　)

A.熔点：Li＞Na＞K　　　　　　　 B.碱性：LiOH＜NaOH＜KOH

C.还原性：K＞Na＞Li　　　　　　 D.氧化性：Cs⁺＞Rb⁺＞K⁺

3.下列物质在自然界中存在的有(　　)

A.KNO₃　　　　　B.KOH　　　　　 C.K₂O₂　　　　　 D.K

4.下列化合物中，阴阳离子半径比最大的是(　　)

A.NaF　　　　　 B.LiF　　　　　 C.LiI　　　　　 D.CsI

5.焰色反应是指(　　)

A.可燃物在燃烧时所显示的火焰颜色

B.所有元素在灼烧时都有焰色反应

C.多种金属或它们的化合物灼烧时所显示的火焰颜色

D.焰色反应是一种化学变化

6.物质灼烧时，火焰呈紫色的一定含有(　　)

A.钾原子　　　 B.钾离子　　 　C.钾元素　　　　　D.钾的化合物

7.把一小块金属钾投入硫酸铜溶液中，生成物有(　　)

A.Cu和K₂SO₄　　　　　　　　　　 B.Cu、K₂SO₄和H₂

C.K₂SO₄、Cu(OH)₂和H₂　　　　　　 D.Cu、KOH和H₂

8.下列物质中，既能与氢氧化钠溶液反应，又能与盐酸反应的是(　　)

A.Na₂CO₃　　　　 B.(NH₄)₂CO₃ C.NaHCO₃　　　　D.K₂SO₄

9.下列物质加入到水中无气体放出的是(　　)

A.金属钾　　　　B.氧化钠　　　　C.纯碱　　　　　D.过氧化钾

10.钾和钠的性质相似，下列说法中能较好地解释这个事实的是(　　)

A.最外层电子数相同　　　　　　　B.都是金属元素

C.原子半径相差不大　　　　　　　D.最高化合价相同

二、填空题

11.某种金属单质X可能发生如下图所示的转化关系，A、B、C、D、E、F、G均为该金属的化合物，G的焰色反应呈黄色火焰.A、B、C、D、E、F与盐酸反应后的产物均有G和H.a、b是都能使澄清石灰水变浑浊的气体，B是具有漂白作用的固体物质.根据关系图可知(写化学式)：A　　　　　　  　B　　　　　  　C　　　　　 　D　　　　　 　E　　　　　　 

F　　　　　 　G　　　　　 　H　　　　　 　X　　　　　 　a　　　　　 b　　　　　

12.碱金属(除钫外)中，原子半径最大的是　　　　  ，密度比水大的是　　　　 ，熔、沸点最高的是　　　　　　 ，单质的金属活动性最强的是　　　　　　 ，与水反应最强烈的是　　　　　　 .

13.通常用小苏打的悬浊液除去CO₂中的HCl，反应的离子方程式为　　　　　　 ；不能用NaOH溶液的原因是　　　　　　　　   (用离子方程式表示)；不能用Na₂CO₃溶液的原因是　　　　　　  (用离子方程式表示).

三、计算题

14.将70gNa₂O₂和Na₂O的混合物跟98水充分反应后，所得NaOH溶液的质量分数为50%，计算原混合物中Na₂O₂和Na₂O质量各为多少克?

【素质优化训练】

1.下列关于铯及其化合物的说法，不正确的是(　　)

A.氢氧化铯是一种强碱　　　　　　B.铯与水或酸反应剧烈，都能放出H₂

C.碳酸铯加热可生成氧化铯和CO₂ D.铯与氧反应的产物很复杂.

2.今有10.8g某碱金属R及其氧化物R₂O组成的混合物，加足量水溶解后加热蒸干并干燥得固体16g，可确定该金属R是(　　)

A.Li　　　　　　B.Na　　　　　　C.K　　　　　　 D.Rb

3.氢化钠(NaH)是一种白色的离子晶体，其中钠为+1价，NaH与水反应放出H₂下列叙述正确的是(　　)

A.NaH在水中显酸性　　　　　　　 B.NaH中氢离子的电子层排布与氦原子相同

C.NaH氢离子可被还原成H₂ D.NaH与水反应时水作氧化剂

4.把7.4g小苏打和Na₂CO₃·10H₂O组成溶于水制成100mL溶液，其中C(Na⁺)=0.6mol·L^-1.若将等质量的该混合物加热至恒重，则该混合物的质量减小了(　　)

A.2.12g　　　　 B.3.18g　　　　 C.4.22g　　　　 D.5.28g

二、填空

5.有A、B、C、D四种物质的溶液，在进行焰色反应时，火焰均呈黄色.它们之间可发生如下转化，则这四种物质分别是：

A　　　　　　 　B　　　　　　 　C　　　　　　 　D　　　　　　

有关离子方程式：

①　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

②　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

③　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

④　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

⑤　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

6.有一包固体粉末，其中可能含有Na₂CO₃、NaCl、Na₂SO₄、CuCl₂、BaCl₂、K₂CO₃和K₂SO₄中的一种或几种，现进行以下实验.

(1)将该粉末溶于水得无色溶液和白色沉淀.

(2)将滤出的沉淀中加入稀硝酸后有部分沉淀溶解，并有无色气体.

(3)取滤液做焰色反应、火色呈黄色、隔着蓝色钴玻璃，不见紫色，由上述实验现象判断：混合物中一定含有　　　　　　 ；一定不含有　　　　　　 ，不能肯定是否含有　　　　　　 .

【生活实际运用】

1.国庆焰火晚会施放的焰火五颜六色，对此叙述不正确的是(　　)

A.五颜六色是火药本身燃烧的颜色

B.颜色是火药内掺入的金属离子焰色反应引起的

C.金属的焰色反应是物理变化

D.火药内掺入的是金属单质

2.氯化钠在人体中维持水、电解质平衡，成人每天摄入食盐的最佳量为(　　)

A.1～2g　　　　 B.5～10g　　　　C.15～20g　　　　　 D.0.5～1g

3.为了使鱼苗顺利运输，必须满足三个条件：①需要保持适量的氧气；②使鱼苗呼出的CO₂及时排出；③防止细菌大量繁殖.已知下述四种物质加入水中都可起到供氧灭菌的作用，CaO₂微溶于水，生成氧气和Ca(OH)₂.在长距离储运鱼苗的水中，最好加入(　　)

A.Na₂O₂　　　　　B.氯水　　　　　C.CaO₂　　　　　　　D.H₂O₂

4.Na₂O₂可以做潜艇上的补氧剂，该反应中　　　　　　 是氧化剂，　　　　　　 是还原剂.若潜艇上有50人，每人每分钟消耗0.8LO₂(密度为1.43g/L)，则一天需消耗　　　　　　  gNa₂O₂.

若用KO₂(超氧化钾)代替Na₂O₂做补氧剂，请回答下列问题：

(1)KO₂与CO₂反应的化学方程式是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　 .

(2)等质量的KO₂和Na₂O₂分别与足量的CO₂反应，生成O₂的质量比是　　　　　  .

(3)等质量的CO₂分别与足量的KO₂和Na₂O₂反应，生成O₂的质量比是　　　　　  .

对比KO₂和Na₂O₂，更适合的补氧剂是　　　　　  ，理由是　　　　　　 　　　 .

5.用面粉发面时，有时直接用小苏打掺入面中，掌握好用量也能使馒头“发”起来，解释原因并写出反应方程式.

参考答案：

【同步达纲练习】

一、1.D　2.AD　3.A  4.C　5.C　6.C  7.C　8.BC　9.BC　10.A

二、11.Na₂O;Na₂O₂;NaOH;Na₂CO₃;Na₂SO₃;NaHCO₃、NaCl;H₂O;Na;SO₂;CO₂　12.铯；铷和铯；锂；铯；铯　13.H⁺+HCO₃^-=CO₂↑+H₂O;CO₂+2OH^-=CO₃^2-+H₂O　CO₃^2-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-

三、14.m(Na₂O₂)=39g　m(Na₂O)=31g

【素质优化训练】

一、1.C　2.B  3.BD　4.C

二、5.A：NaOH　B:Na₂CO₃　C:NaHCO₃　D:Na₂SO₄

①2OH^-+CO₂=CO₃^2-+H₂O　②CO₃^2-+H₂O+CO₂=2HCO₃^-　③HCO₃^-+H⁺=H₂O+CO₂↑ ④Ba²⁺+SO₄^2-=BaSO₄↓

6.一定含有Na₂CO₃、Na₂SO₄、BaCl₂；一定不含有CuCl₂、K₂CO₃、K₂SO₄；可能含有NaCl.

CO₃^2-+CO₂+H₂O=2HCO₃^-