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s区元素

第9章 s 区元素

【9-1】试说明碱金属和碱土金属在同一族从上到下,同一周期从左到右下列性质递变的情况:(1)离子半径,(2)电离能,(3)离子水和能。并解释原因。

解:(1)碱金属和碱土金属从上到下离子半径增大,这是因为随着主量子数的增加,外层电子在核外出现概率最大的距离明显增加;在同一周期中,从左到右离子半径减小,这是因为随着核电荷的增加,核对于核外电子的吸引力(即有效核电荷)增强的缘故。

(2)碱金属和碱土金属从上到下电离能减小,是因为随着原子半径的增加,原子核对外层电子的束缚力减小;在同一周期中,从左到右电离能增大,这是因为随着有效核电荷的增加,和对外层电子的束缚力增加的缘故。

(3)碱金属和碱土金属从上到下水合能减小,这是因为随着原子序数增加,离子半径增加,正离子与水分子相互作用力减小的缘故。。在同一周期中,从左到右水合能增加,碱土金属离子在水溶液中,均为正二价离子,所以电荷高于正一价碱金属离子的缘故。

【9-2】锂、钠、钾在氧气中燃烧生成何种氧化物?这些氧化物与水反应情况如何?以化学方程式来说明。

解:分别生成Li 2O 、Na 2O 2、KO 2 ;

LiO; Na 2O 2; KO 2LiO + H 2O = 2LiOH 2 Na 2O 2 + 2H 2O = 4NaOH + O 2↑4KO 2 + 2H 2O = 4KOH 3O 2↑ iO; Na 2O 2; KO 2LiO + H 2O = 2LiOH 2 Na 2O 2 + 2H 2O = 4NaOH + O 2↑4KO 2 + 2H 2O = 4KOH 3O 2↑ iO; Na 2O 2; KO 2LiO + H 2O = 2LiOH 2 Na 2O 2 + 2H 2O = 4NaOH + O 2↑

4KO 2 + 2H 2O = 4KOH 3O 2↑

【9-3】写出下列反应方程式: (1)Al 溶于NaOH 溶液中 (2)Ba(NO 3)2加热分解 (3)Na 2O 2+CO 2 (4)CaH 2+H 2O

(5)Na 2O 2+Cr 2O 3

(6)K+KNO 3

解:(1) 2Al + 2NaOH + 6H 2O = 2NaAl(OH)4 + 3H 2↑(2)Ba(NO 3)2 = Ba(NO 2)2 + O 2↑(3) 2Na 2O 2 + 2CO 2 =2NaCO 3 + O 2(4) CaH 2 + 2H 2O =Ca(OH)2 + 2H 2↑(5) 3Na 2O 2 + Cr 2O 3 = 2Na 2CrO 4 + Na 2O (6) 10K + 2KNO 3 = 6K 2O + N 2↑

(1) 2Al + 2NaOH + 6H 2O = 2NaAl(OH)4 + 3H 2↑(2)Ba(NO 3)2 = Ba(NO 2)2 + O 2↑(3) 2Na 2O 2 + 2CO 2 =2NaCO 3 + O 2(4) CaH 2 + 2H 2O =Ca(OH)2 + 2H 2↑(5) 3Na 2O 2 + Cr 2O 3 = 2Na 2CrO 4 + Na 2O (6) 10K + 2KNO 3 = 6K 2O + N 2↑ 1) 2Al + 2NaOH + 6H 2O = 2NaAl(OH)4 + 3H 2↑(2)Ba(NO 3)2 = Ba(NO 2)2 + O 2↑(3) 2Na 2O 2 + 2CO 2 =2NaCO 3 + O 2(4) CaH 2 + 2H 2O =Ca(OH)2 + 2H 2↑(5) 3Na 22 + Cr 2O 3 = 2Na 2CrO 4 + Na 2O (6) 10K + 2KNO 3 = 6K 2O + N 2↑ 1) 2Al + 2NaOH + 6H 2O = 2NaAl(OH)4 + 3H 2↑(2)Ba(NO 3)2 = Ba(NO 2)2 + O 2↑(3) 2Na 2O 2 + 2CO 2 =2NaCO 3 + O 2(4) CaH 2 + 2H 2O =Ca(OH)2 + 2H 2↑(5) 3Na 2O 2 + Cr 2O 3 = 2Na 2CrO 4 + Na 2O (6) 10K + 2KNO 3 = 6K 2O + N 2↑ 1) 2Al + 2NaOH + 6H 2O = 2NaAl(OH)4 + 3H 2↑(2)Ba(NO 3)2 = Ba(NO 2)2 + O 2↑(3) 2Na 2O 2 + 2CO 2 =2NaCO 3 + O 2(4) CaH 2 + 2H 2O =Ca(OH)2 + 2H 2↑(5) 3Na 2O 2 + Cr 2O 3 = 2Na 2CrO 4 + Na 2O (6) 10K + 2KNO 3 = 6K 2O + N 2↑

1) 2Al + 2NaOH + 6H 2O = 2NaAl(OH)4 + 3H 2↑(2)Ba(NO 3)2 = Ba(NO 2)2 + O 2↑(3) 2Na 2O 2 + 2CO 2 =2NaCO 3 + O 2(4) CaH 2 + 2H 2O =Ca(OH)2 + 2H 2↑(5) 3Na 2O 2 + Cr 2O 3 = 2Na 2CrO 4 + Na 2O (6) 10K + 2KNO 3 = 6K 2O + N 2↑

【9-4】比较下列性之的大小:

(1)溶解度:CsI ,LiI ,CsF ,LiF ,LiClO 4,KClO 4 (2)碱性的强弱:Be(OH)2, Mg(OH)2,Ca(OH)2, NaOH (3)分解温度:Na 2CO 3,NaHCO 3,MgCO 3, K2CO 3

(4)水和能:Na +, K +,Mg 2+,Be 2+ 解:(1)溶解度:CsILiF; LiClO 4>KClO 4

(2)碱性的强弱:Be(OH)2Na 2CO 3> MgCO 3>NaHCO 3 (4)水和能:Na +>K +> Be 2+>Mg 2+

【9-5】解释下列事实:

(1)卤化锂在非极性溶剂中的溶解度大小顺序为LiI >LiBr >LiCl >LiF 。 (2)虽然电离能I(Li)>I(Na),但φθ(Li +/Li)<φθ(Na +/Na)更低。

(3)虽然φθ(Li+/Li)<φθ(Na+/Na),但金属锂与水反应没有金属钠与水反应剧烈。 (4)锂的第一电离能小于铍的第一电离能,但锂的第二电离能大于铍的第二电离能。 (5)在实验室里,为什么标准溶液不能装在酸滴定管中,而只能装在碱滴定管。

解:(1)非极性或弱极性溶质的溶解性可以用相似相溶原理来说明,随着F -

、Cl -

、Br -

、I -

离子半径增大,极化率增大,LiF 、LiCl 、LiBr 、LiI 的共价键成分增强,分子的极性减弱,所以在非极性溶剂中的溶解度依次增大。

(2)φθ(M +

/M)与△f 0m G (M +

,aq )有关,但从金属生成水合离子时,Li 与Na 的△r 0m S 相近,可

忽略二者的差异,只考虑△f 0m

H 。虽然Li 在升华及电离时吸收的能量都比Na 多,但Li +

半径很小,水合热比Na +

大得多,足以抵消前两项吸热而有余。因此,△f 0m H (Li +

,aq )比△f 0m H (Na +

,aq )更

小,所以φθ(Li +

/Li)比φθ(Na +

/Na)小。

(3)虽然φθ(Li +

/Li)<φθ(Na +

/Na),但Li 熔点高,升华焓大,不易活化,同时Li 与H 2O 反应的

产物LiOH 溶解度较小,覆盖在金属表面减缓了反应。因此锂与水反应不如金属钠与水反应激烈。

(4)因原子半径Be 比Li 小,而有效核电荷Be 比Li 大,所以第一电离能Be 比Li 大。第二电离能对 Li 来说是失去一个1s 电子所需的能量,对Be 来说是失去2s 电子所需的能量,2s 电子能量比1s 电子高得多,易失去。 【9-6】回答下列问:

(1)在水溶液中,离子在电场作用下移动速度的快慢常用离子的迁移速率来描述。为什么测得碱金属的迁移速率大小顺序是Cs +>Rb +>K +>Na >+Li +

(2)氯化钙加入冰中可获得低温,从致冷效果来看,采用无水CaCl 2还是CaCl 2·6H 2O 好? (3)为什么碱金属氯化物的熔点NaCl >KCl >RbCl >CsCl?而碱土金属的熔点MgCl 2<CaCl 2<SrCl 2<BaCl 2?

(4)加热CaCl 2·6H 2O 和MgCl 2·6H 2O 时,为什么前者得到CaCl 2而后者得到Mg(OH)Cl ?

解:(1)离子越小水合程度越大,就水合离子半径而言,Li + Cs +递减,而水合离子半径越小迁移率

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就越大。

(2)用CaCl 2·6H 2O 为好。因为无水CaCl 2溶于水时水合作用强,放出大量的水合能不利于温度降

低。

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(3)碱金属氯化物都是离子晶体,因为离子半径Na+Cs+递增,所以NaCl CsCl晶格能递减;碱土金属正离子的极化力较大,因为极化力Mg2+Ba2+递减,所以BaCl2基本上还保持离子晶体,而MgCl2向共价键过渡较多。

(4)Mg2+半径小,它与O2-结合力大,所以MgCl2·6H2O加热时水解为Mg(OH)Cl。

【9-7】如何鉴别下列各对物质?

(1)Be(OH)2, Mg(OH)2(2)BeCO3, MgCO3

(2)LiF, KF (4)NaClO4, KClO4

解:(1)加过量碱,Be(OH)2溶于碱,而Mg(OH)2不溶。

(2)加热,BeCO3分解温度低于100℃,而MgCO3分解温度较高(540℃)。

(3)加水,KF易溶于水,而LiF难溶于水。

(4)加水,NaClO4的溶解度比KClO4大得多。

【9-8】商品NaOH中为什么常含有杂质Na2CO3?怎样用简便的方法检验?并如何除去?

解:2NaOH+CO2(空气中)=Na2CO3+H2O

取试样少量,加入几滴BaCl2溶液,若有白色沉淀生成,证明其中含有杂质Na2CO3。

先配制NaOH的饱和溶液,Na2CO3因不溶于饱和的溶液而先沉淀析出,静置,过滤即可除去。

【9-9】Ca2+和Mg2+混合液可用如下操作予以分离:在混合液中先加NH3-NH4C l混合液,然后再加入(NH4)2CO3溶液, 发现Ca2+变成CaCO3沉淀,而Mg2+仍留在溶液中。试用有关平衡理论解释之。

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解:在N-NH3缓冲溶液中,因存在NH3·H2O N+OH-的平衡,使溶液中[OH-]较

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低,从而促使C水解平衡C+H

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O HC+OH-向右移动。由于大部分

2

C在此条件下以HC形式存在,造成较大的MgCO3达不到溶度积,而较小的CaCO3仍可达到溶度积。

【9-10】在某酸性BaCl2溶液中,有少量FeCl3杂质,现用BaCO3调节溶液的PH,可把Fe3+沉淀为Fe(OH)3而除去。试用有关平衡理论解释之。

解:因反应BaCO3+2H+Ba2++CO2+H2O不断消耗H+,促使Fe3+以下的水解平衡:

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Fe3++H2O Fe(OH)2++H+

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Fe(OH)2++H2O Fe(OH+H+

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Fe(OH+H2O Fe(OH)3+H+

向右移动,因此形成Fe(OH)3沉淀。

【9-11】一镁条在空气中燃烧后的余烬溶于60mmol的盐酸后,过量盐酸需用12mmolNaOH才完全中和。然后在此溶液中加入碱蒸馏。蒸出的氨通入10mmol的盐酸中,剩余的盐酸需用的6mmol

碱中和。求算原来的镁条质量。(注:镁条燃烧产物为MgO 和M 3N 2的混合物。)

解:发生如下反应:

22Mg+O =2MgO(1) 2323Mg+N =Mg N (2) 22MgO+2HCl=MgCl +H O(3) 3224Mg N +8HCl=3MgCl +2NH Cl(4)

n n 432NH Cl+OH =NH +H O+Cl (5)

反应(5)消耗的碱=10mmol-6mmol=4mmol

则生成的4NH Cl 为4mmol ,32Mg N 为2mmol ,反应(4)消耗的HCl 16mmol , 则反应(3)共消耗HCl=60mmol-16mmol-12mmol=32mmol

16MgO n mmol =

323Mg MgO Mg N n n n ∴=+=16mmol+3×2mmol=22mmol Mg m =22mmol×24g/mol=0.53g

【9-12】氧化钡是制备显像管和电真空管的吸氧剂和超导材料。它可由BaCO 3和焦炭混合加热制得。试用热力学原理估算此法制取BaO 所需的温度。如果不用焦炭,直接将BaCO 3加热制取BaO ,则所需的温度为多高?

解:1270 K ,不加焦碳 1562 K

【9-13】图9-2给出BeCl 2在不同温度下的三种结构式。试指出这三种结构中Be 的杂化类型,并给出这三种结构的电子结构式(正常共价键用“—”表示,配位键用“→”表示)。

解:室温: sp 3

杂化

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500℃

sp 2杂化

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1000℃ sp 杂化

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【9-14】试讨论镭一下几方面性质: (1)能否与水发生反应? (2)下列镭的化合物能否溶于水?

Ra(OH)2,RaF 2,RaSO 4, RaCO 3 (1)Ra(OH)2碱性的强弱。

解:(1)镭是最活泼的碱土金属,与水反应剧烈,生成氢氧化镭和氢气。(2)Ra(OH)2难溶,RaF2易溶,RaSO4难溶,RaCO3难溶。

(3)Ra(OH)2为强碱。