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碱金属元素
  人们把锂、钠、钾、铷、铯等叫作碱金属，放在一起研究，是由于它们之间存在某
种内在的联系。这种内在的联系是什么呢？下面我们将从它们的结特征和性质等来进行探讨。
一．碱金属元素的原子结构和碱金属的性质
碱金属是一类化学性质非常活泼的金属，因此，它们在自然界中都以化合态存在，碱金属的单质都由人工制得。表2－1中给出了碱金属元素的主要物理性质。表2－1 碱金属的主要物理性质
元素名称
元素
符号
核电
荷数
颜色和状态
密度①g．cm-3
熔点℃
沸点℃
锂
Li
3
银白色，柔软
0.534
180.5
1347
钠
Na
11
银白色，柔软
0.97
97.81
882.9
钾
K
19
银白色，柔软
0.86
63.65
774
铷
Rb
37
银白色，柔软
1.532
38.89
688
铯
Cs
55
略带金色光泽，柔软
1.879
28.40
678.4
① 密度是指常温时的数据。
由表2－1可以看出，碱金属除铯略带金色光泽外，其余的都是银白色。碱金属都比较柔软，有展性。碱金属的密度都较小，尤其是锂、钠、钾。碱金属的熔点都较低，如铯在气温稍高时就是液态。此外，碱金属的导热、导电性能也都很强。由表2－1的数据分析中还可得到一些规律性的知识：随着碱金属元素核电荷数的增加，它们的密度呈增大趋势，熔点和沸点逐渐降低。我们再来分析碱金属元素的原子结构情况。
表2－2 碱金属元素的原子结构
元素
名称
元素
符号
核电
荷数
电子层结构
原子半径②
nm
锂
Li
3

钠
Na
11

钾
K
19

铷
Rb
37

铯
Cs
55

②锂、钠、钾等金属的原子半径，是指固态金属里2个邻近原子核间距离的1/2。
由表2－2，我们也可以得出一些规律性的知识：碱金属元素的原子，其最外电子层上都只有1个电子，随着核电荷数的增多，它们的电子层数逐渐增多，原子半径逐渐增大。根据上述事实，我们可以作如下推论：
第一，元素的性质与原子最外电子层中的电子数目有密切关系。碱金属元素原子的最外层上都只有1个电子，因此，可以推论它们具有相似的化学性质。如果以钠作为参照物，可以预测锂、钾、铷、铯等碱金属也能与氧气等非金属以及与水等起反应。
第二，由于随着核电荷数的增加，碱金属元素原子的电子层数逐渐增多，原子半径逐渐增大，因此，碱金属元素的原子失去最外电子层中电子的能力逐渐增强。也就是说，碱金属元素的性质也具有差异性，从锂到铯，它们的金属性逐渐增强。因此，钾、铷、铯与氧气或水的反应，将比钠更剧烈。
上述这些推论是否正确，需要通过实验和事实进行论证。
1．碱金属与非金属的反应
【实验2－9】取一小块钾，擦干表面的煤油后，放在石棉网上稍加热（图2－14）。观察发生的现象，并跟钠在空气中的燃烧现象进行对比。
同钠一样，钾也能与氧气起反应，而且反应比钠的更剧烈。
大量实验证明，碱金属都能与氧气起反应。锂与氧气的反应不如钠剧烈，生成氧化锂：4Li＋O2 2Li2O
在室温时，铷和铯遇到空气就会立即燃烧。钾、铷等碱金属与氧气反应，生成比过氧化物更复杂的氧化物。除与氧气反应外，碱金属还能与氯气等大多数非金属起反应，表现出很强的金属性，且金属性从锂到铯逐渐增强。
2．碱金属与水的反应
【实验2－10】在一个盛有水的锥形瓶里滴入几滴酚酞试液。取像黄豆那样大小的一小块钾，擦干表面的煤油后放入锥形瓶里，迅速用玻璃片盖好（图2－15）。观察所发生的现象，并跟钠与水的反应现象进行对比。反应完毕后，取下玻璃片，迅速将燃着的小木条靠近锥形瓶口，检验反应所生成的气体。实验证明，同钠一样，钾也能与水起反应生成氢气和氢氧化钾。钾与水的反应比钠与水的反应更剧烈，反应放出的热可以使生成的氢气燃烧，并发生轻微的爆炸，证明钾比钠的金属性更强。
2K＋2H2O＝2KOH＋H2↑
大量实验还证明，碱金属都能与水起反应，生成氢氧化物并放出氢气。例如，铷、铯与水的反应比钾与水的反应还要剧烈。它们遇水立即燃烧，甚至爆炸。上面实验及大量事实都证明，前面所作的推论是合理的，也是正确的。
题型示例一：碱金属元素性质的相似性和递变性及焰色反应
例1：下列叙述正确的是（　 ）
A.碱金属性质相似均为银白色金属
B.按原子序数增加则碱金属的密度依次增大
C.钠可保存在煤油中而锂不能
D.碳酸氢盐的溶解度大于其正盐的溶解度
1）相似性：碱金属元素在结构上的相似性，决定了锂、钠、钾、铷、铯在性质上的相似性，碱金属都是强还原剂，性质活泼。具体表现在都能与、、水、稀酸溶液反应，生成含（为碱金属）的离子化合物；他们的氧化物对应水化物均是强碱；
2）递变性：随着原子序数的增加，电子层数递增，原子半径渐大，失电子渐易，还原性渐强，又决定了他们在性质上的递变性。具体表现为：①与反应越来越剧烈，产物越来越复杂，②与反应越来越剧烈，③随着核电荷数的增强，其最高价氧化物对应的水化物的碱性增强：。
【变式训练1】某碱金属0.575g与足量水反应，得到标准状况下280mL氢气，则该金属的相对原子质量是 （ 　 ）
A．23 B．39 C．85 D．133 

有关碳酸钠的题型整理
一、知识结构体系及要注意的几点问题
1. Na2O的稳定性要小于Na2O2，所以Na2O在加热情况下与O2反应变成Na2O2
2. NaHCO3溶解度Na2CO3溶解度，所以向饱和Na2CO3溶液中通CO2会析出NaHCO3晶体
3. NaHCO3受热易分解，Na2CO3则不易
4. 有时向Na2O2固体上滴加酚酞试液，开始变红，后来褪色，那是因为Na2O2的强氧化性和漂白作用
5. 将Na2CO3溶液逐滴加入稀盐酸中，马上就会释放出气体。
Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑，而将稀盐酸逐滴加入Na2CO3溶液中则开始无气泡，后来产生气泡。Na2CO3+HCl=NaHCO3+NaCl NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑可利用这种正反滴加来鉴别盐酸与Na2CO3
6. NaOH与NaHCO3不能共存，无论混溶于水或加热，首先考虑二者之间的反应 NaHCO3+NaOH=Na2CO3+H2O
7. 向Na2CO3与NaOH的混合溶液中逐滴滴加稀盐酸，首先考虑HCl+NaOH=NaCl+H2O再考虑5
8. 碱金属从Li→Rb熔沸点逐渐降低
9. 焰色反应为物理变化而不是化学变化，它体现了元素的性质
10. 将Na2CO3转变为NaHCO3，可采取持续不断的通入CO2气体的方法Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3，NaHCO3转变为Na2CO3可采取加热的方法，也可以采取滴加适量NaOH的方法NaHCO3+NaOH=Na2CO3+H2O
11. Na2O2的电子式 Na+[:O:O:]2-Na+其中O的化合价为-1价
2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2↑ 2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2↑
均为自身的氧化还原反应，而Na2O2+SO2=Na2SO4则为Na2O2与SO2间的氧化还原反应
12. 将NaHCO3加热时，固体质量的减少并不单为CO2,而为CO2与H2O的质量之和，所以可
利用2NaHCO3=N2CO3+H2O+CO2↑
168 106 62
m1 m2 ⊿m
对应成比例来解决具体问题.
题型示例一：Na2CO3和NaHCO3性质、转化及制法
例1：某干燥粉末可能由、、、、中的一种或几种组成。将该粉末与足量的盐酸反应，有气体X逸出，X通过足量的溶液后体积缩小(同温、同压下测定)。若将原来混合粉末在空气中用酒精灯加热，也有气体放出，且剩余固体的质量大于原混合粉末的质量，下列判断正确的是[ ]
A. 粉末中一定有、、
B. 粉末中一定不含有和
C. 粉末中一定不含有和
D. 无法肯定粉末里是否含有和
点评：此题中“混合物经加热后质量增大”是分析的难点。另外这些实验无法证实NaCl的存在与否，思考中易将NaCl忽略。碳酸钠与碳酸氢钠的性质比较。Na2CO3和NaHCO3作为碳酸的正盐和酸式盐．二者既有区别又有联系．分析如下：
1. 向饱和的Na2CO3溶液中通足量的CO2有晶体NaHCO3析出。
2. Na2CO3溶液与稀HCl的反应
①向Na2CO3溶液中滴加稀HCl，先无气体，后有气体，如果n(HCl)小于n(Na2CO3)时反应无气体放出。发生的反应：先①Na2CO3 + HCl == NaCl + NaHCO3,后②NaHCO3 + HCl == NaCl + H2O +CO2 .
②向稀HCl中滴加Na2CO3溶液，先有气体，反应是：Na2CO3 + 2HCl == 2NaCl + H2O + CO2.
如果用2mol的Na2CO3和2.4mol的稀HCl反应，采用①方法放出CO2是0.4mol；采用②方法放出CO2为1.2mol。希望同学们在解题时要留意。
3. Na2CO3溶液和NaHCO3溶液的鉴别：取两种试液少量，分别滴加CaCl2或BaCl2溶液，有白色沉淀 的原取溶液为Na2CO3，另一无明显现象的原取溶液为NaHCO3。
4. 侯氏制碱法
反应式：NaCl + NH3 + CO2 + H2O == NaHCO3 ↓+ NH4Cl.
注意:在生产中应先在饱和的NaCl溶液中先通入NH3,后通入CO2，NaHCO3晶体析出过滤，在滤液中加入NaCl细末和通NH3析出NH4Cl晶体为副产品。NH4Cl晶体析出后的母液进行循环试用，提高原料的利用率。
【变式训练1】有关纯碱和小苏打的叙述正确的是 （ ）
A.等质量的Na2CO3、NaHCO3分别与足量稀H2SO4反应，NaHCO3产生的CO2多
B.等质量的Na2CO3、NaHCO3分别与足量的同种盐酸反应，NaHCO3消耗的盐酸多
C.向NaHCO3溶液中滴入Ba(OH)2溶液无沉淀，而Na2CO3溶液中加入Ba(OH)2溶液出现白色沉淀
D. Na2CO3和NaHCO3都既能与酸反应，又能与氢氧化钠反应
【变式训练2】我国化工专家侯德榜的“侯氏制碱法”曾为世界制碱工业做出了突出贡献。他以NaCl、NH3、CO2等为原料先制得NaHCO3，进而生产出纯碱。有关反应的化学方程式为：NH3＋CO2＋H2O NH4HCO3 ； NH4HCO3＋NaCl NaHCO3↓＋NH4Cl ；2NaHCO3 Na2CO3＋CO2↑＋H2O
（1）碳酸氢铵与饱和食盐水反应，能析出碳酸氢钠晶体的原因是 （填字母标号）。
a．碳酸氢钠难溶于水 b．碳酸氢钠受热易分解
c．碳酸氢钠的溶解度相对较小，所以在溶液中首先结晶析出
（2）某探究活动小组根据上述制碱原理，进行碳酸氢钠的制备实验，同学们按各自设计的方案实验。
① 一位同学将二氧化碳气体通入含氨的饱和食盐水中制备碳酸氢钠，实验装置如下图所示（图中夹持、固定用的仪器未画出）。

试回答下列有关问题：
（Ⅰ）乙装置中的试剂是 ；
（Ⅱ）丁装置中稀硫酸的作用是 ；
（Ⅲ）实验结束后，分离出NaHCO3 晶体的操作是 （填分离操作的名称）。
② 另一位同学用图中戊装置（其它装置未画出）进行实验。
（Ⅰ）实验时，须先从 管通入 气体，再从 管中通入 气体；
（Ⅱ）有同学建议在戊装置的b管下端连接己装置，理由是 ；
（3）请你再写出一种实验室制取少量碳酸氢钠的方法： 。
题型示例二：相关计算
例2：有NaHCO3、Na2CO3、CaO、NaOH组成的混合物27.2g, 把它们溶于水后,溶液中Ca2+、、均转化为沉淀，将反应后的溶液蒸干，最后得到白色固体物质共29g，则原混合物中Na2CO3的质量是 A.10.6g B.5.3g C.5.9g D.无法确定
解析：发生反应的方程式为：
⑴CaO+H2O=Ca（OH）2，
⑵2 NaHCO3+Ca(OH)2= CaCO3↓+2 H2O,
⑶Na2CO3+ Ca(OH)2= CaCO3↓+2NaOH.
设Na2CO3为amol，NaHCO3为bmol，则CaO为（a+b）mol。由于CaO+H2O=Ca（OH）2，使混合物增加了（a+b）mol水的质量；由NaHCO3转化成CaCO3使混合物减轻了bmol水的质量，所以反应前后的质量差为amol水的质量。依题意a=1.8/18mol=0.1mol
小结：解此类题目的要诀是合理分析反应的进行顺序，按方程式逐一分析。
有关钠的化合物的混合物的计算:
（1）NaHCO3和Na2CO3固体混合物加热。
仅发生反应2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O,反应的差量即为分解产生的H2O和CO2,由差量法求解.
（2）amolNa2O2和bmolNaHCO3固体混合物在密闭容器中加热。
发生的反应按下列方式处理：
2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑分解产生的CO2与Na2O2反应完后，若Na2O2过量，H2O再与Na2O2反应.
①当a/b<1/2时，剩余固体为Na2CO3，排出气体为O2、H2O、CO2
②当a/b＝1/2，剩余固体为Na2CO3，排出气体为O2、H2O
③当1/2<a/b<1,剩余固体为Na2CO3、NaOH，排出气体为O2、H2O
④当a/b=1时,剩余固体为Na2CO3、NaOH，排出气体为O2
⑤当a/b＞1时,剩余固体为Na2CO3、NaOH、Na2O2，排出气体为O2
（3）NaHCO3和NaOH的混合物在密闭容器中加热
NaHCO3和NaOH在密闭容器中加热所发生的反应按下列方式处理；首先考虑NaHCO3+NaOH===Na2CO3+H2O①若NaHCO3过量则再考虑2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑②。反应的差量可能是①造成的，也可能是①②共同造成，主要是看两者相对量的关系，所以首先讨论何者在①中过量是重要问题，然后再根据差量法进行进一步的计算。讨论过量一般采用的方法是假设两者等物质的量按反应①，由差量法求得理论失重值,再进行判断:
若实际失重值小于或等于理论失重值,则n(NaHCO3):n(NaOH)≤1:1按反应①由差量法求算，质量减少为H2O的质量;
b、 若实际失重值大于理论失重值,则n(NaHCO3):n(NaOH)>1:1,按反应①和②由差量法求算，质量减少由两部分组成：NaHCO3+NaOH===Na2CO3+H2O产生的水和由2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O↑生成的H2O和CO2.
【变式训练1】 某碳酸钾样品中的杂质含有纯碱、硝酸钾、硝酸钡中的一种或两种。取7.8 g该样品溶于 适量水中得到澄清溶液，再加入过量CaCl2溶液得到沉淀5.0 g。下列对原样品中所含杂质的判断正确的是
A．一定没有Na2CO3和Ba(NO3)
B．一定有Na2CO3而没有Ba(NO3)
C．没有Na2(CO3)2但有KNO3可能还有Na2CO3
D．没有Na2CO3但有Na2(CO3)2和KNO3
【变式训练2】 有50mLNaOH溶液，向其中逐渐通入一定量的CO2，随后取此溶液10mL将其稀释到100mL，并向此稀释后的溶液中逐滴加入0.1mol/L的HCl溶液，产生的CO2气体体积（标准状况下）与所加入的HCl的体积之间的关系如图所示：

试分析：⑴NaOH在吸收CO2气体后，在甲、乙两种情况下，所得溶液中存在的溶质是
甲： 其物质的量之比是：
乙： 其物质的量之比是：
⑵且在两种情况下产生的CO2气体（标准状况）各是甲： mL；乙： mL。
⑶原NaOH溶液的物质的量浓度是 ；若以Na2O2固体溶于水配得100mL溶液需Na2O2 g
答案：⑴NaOH，Na2CO3；1:1；NaHCO3和Na2CO3；1:1；⑵56mL；112mL；⑶0.75mol/L；2.93g
解析：NaOH溶液中通入一定量的CO2，有几种情况：一种情况是CO2不足，反应后的混合物为NaOH，Na2CO3；另一种情况是二者恰好完全反应生成Na2CO3；第三种情况是CO2过量，全部NaOH转化为NaHCO3；第四种情况是CO2过量，反应后的混合物为NaHCO3和Na2CO3。
分析甲图象：加入盐酸50mL时开始产生CO2气体，至反应完毕消耗25mL盐酸，根据反应：
Na2CO3+HCl=NaHCO3+NaCl ①
NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑②
可知滴加到50mL时开始反应②，根据耗酸量可知NaHCO3的物质的量。分析图象加入50mL以前，无气体放出，与盐酸反应转化为NaHCO3应消耗25mL盐酸，则与NaOH反应的盐酸也应是25mL。由此得也甲成分只能为NaOH和Na2CO3，且物质的量之比为1:1，产生CO2的体积为0.056L.
分析乙图象：加入盐酸25mL时开始产生CO2气体，消耗50mL盐酸反应完全，耗酸为末产生气体时的2倍，说明原物质是Na2CO3和NaHCO3的混合物，由耗酸量可判断出物质之比为1:1，产生气体亦可由产生气体耗酸量求得，为0.112L。原溶液NaOH物质的量浓度可由Na+守恒求得。
【变式训练3】：2molNaHCO3和一定量Na2O2固体混合，在加热条件下让其充分反应，150℃下所得气体仅含2种组分，反应后固体的物质的量n的取值范围是 （ ）
A．n=l B．l<n<2 C．2≤n<4 D．n≥4
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