碱金属概述
预计阅读时间: 7 分钟碱金属的性质
碱金属性质概述
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碱金属大多为银白色固体（铯 Cs 略带金色）、密度小柔软、熔沸点低。
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按照从上到下，$ce{Li,Na,K,Rb,Cs}$，熔沸点降低、密度增大（钾反常小），与氧气反应更加复杂。
$$ \ce{Li + O2 -> LiO2} $$
$$ \ce{Na + O2 -> Na2O, Na2O2} $$
$$ \ce{K + O2 -> K2O, K2O2, KO2, KO3} $$
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对应的碱，除了氢氧化锂外均为强碱，且碱性依次增强。
钠单质的物理性质
- 质软。
- 银白色金属光泽。
- 常温下是固态。
- 密度比水小，比煤油大。
- 熔点低。
钠单质的化学性质
钠与氧气的反应
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常温：迅速被氧化为 $ce{Na2O}$，失去金属光泽。
$$ \ce{4Na + O2 -> 2Na2O} $$
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加热：先熔化后燃烧，发出黄色火焰，生成淡黄色固体。
$$ \ce{2Na + O2 -> Na2O2} $$
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钠着火后用沙土盖灭。
钠与水的反应
$$ \ce{Na + 2H2O -> 2NaOH + H2 ^} $$
钠与酸的反应
与非氧化性酸（e.g. HCl）发生反应：
- $ce{2Na + 2HCl -> 2NaCl + H2 ^}$。
- $ce{2Na + H2O -> 2NaOH + H2 ^}$。
其中与强酸的反应一般比与水的更剧烈。
钠与盐的反应
与盐溶液反应：
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先和水生成碱。
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后发生碱和盐的反应。
$$ \ce{2Na + 2H2O + CuSO4 -> H2 ^ + Na2SO4 + Cu(OH)2 v} $$
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现象：同时有气体和沉淀产生。
与熔融盐盐发生置换反应：
$$ \ce{2Na + CuSO4 -> Cu + Na2SO4} $$
钠的应用
- 高压钠灯。
- 钠钾合金用作原子反应堆的导热剂。
钠冶炼金属：
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通常用于冶炼制取纯度高的金属，尤其是熔融态还原金属氯化物。
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钠还原四氯化钛（TiCl₄）是工业制钛的重要方法（亨特法）：
此反应在惰性气氛中进行，生成的海绵钛经熔炼后用于航空、医疗等领域。
亨特法逐渐被用镁还原的克劳尔法所替代。
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此外，还可以用于冶炼锆（Zr）、铌（Nb）、钽（Ta）。
钠的氧化物
氧化钠的性质
作为碱性氧化物，与酸、水、酸性氧化物的反应：
$$ \begin{aligned} \ce{Na2O + 2HCl &-> 2NaCl + H2O}\ \ce{Na2O + H2O &-> 2NaOH}\ \ce{Na2O + CO2 &-> Na2CO3} \end{aligned} $$
同时存在 $ce{2Na2O + O2 -> 2Na2O2}$ 在加热条件下生成。
过氧化钠的性质
类似氧化钠的：
$$ \begin{aligned} \ce{2Na2O2 + 4HCl &-> 4NaCl + 2H2O + O2}\ \ce{2Na2O2 + 2H2O &-> 4NaOH + O2}\ \ce{2Na2O2 + 2CO2 &-> 2Na2CO3 + O2} \end{aligned} $$
可以进行氧气供给。
$$ \begin{aligned} \ce{Na2O2 + SO2 &-> NaSO4}\ \ce{Na2O2 + SO3 &-> NaSO4 + O2} \end{aligned} $$
这是因为其具有强氧化性，另外其还具有漂白性，可以用于杀菌消毒。
钠的氧化物题型
关于 $ce{Na2O2}$ 的增重：
- $ce{Na2O2}$ 与 $ce{H2O}$ 反应，相当于增加了 $ce{H2}$ 的重量。
- $ce{Na2O2}$ 与 $ce{CO2}$ 反应，相当于增加了 $ce{CO}$ 的重量。
因此：$a\pu g$ 的 $ce{H2,CO}$ 混合气体与足量氧气点燃，生成的气体通过足量过氧化钠，增重 $a\pu g$。
钠单质长期暴露在空气中，会变为 $ce{Na2CO3}$ 固体。
钠的碳酸（氢）盐
套管实验
理论：$ce{Na2CO3}$ 比 $ce{NaHCO3}$ 更碱、更溶、更稳定。
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- 外层：$ce{Na2CO3}$，无明显现象。
- 内层：$ce{NaHCO3}$，塞蘸有无水硫酸铜的棉花，插入澄清石灰水中。
类似的结论有 $ce{OH- + HCO3+ -> H2O + CO3^2-}$。
半径法
- 向 $ce{NaOH}$ 溶液中通入二氧化碳。
- 向得到的溶液中加入稀盐酸，记录二氧化碳产生量与加入盐酸的量的折线图。
从折点开始画圆，半径为左右较小的长度，圆内平阶段发生碳酸钠的反应，前发生氢氧化钠的反应。
海水制碱
氨碱法（索尔维制碱法）：
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原料：食盐 $ce{NaCl}$、石灰石 $ce{CaCO3}$。
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媒介：$ce{NH3}$。
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流程：
$$ \ce{饱和食盐水 ->[NH3] 饱和氨盐水 ->[CO2] 碳酸氢钠 ->[过滤] ->[加热] 碳酸钠} $$
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化学方程式：
$$ \ce{NaCl + NH3 + CO2 + H2O -> NH4Cl + NaHCO3} $$
经典问题：
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氨气使溶液具有碱性，可以吸收更多的二氧化碳。
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相同温度下，$ce{NaHCO3}$ 溶解度小于 $ce{NH4Cl}$，先析出。
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$ce{NaHCO3}$ 的相对分子质量大于 $ce{NH4Cl}$，先达到饱和。
工业流程：
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循环使用 $ce{NaHCO3}$ 分解产生的氨气。
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使用碳酸钙制取 $ce{Ca(OH)2}$ 与 $ce{NH4Cl}$ 反应，循环利用氨气。
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缺点：产生 $ce{CaCl2}$ 无用物质，$ce{NaCl}$ 利用率低。
联合制减法（侯氏制碱法）：
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氨厂与碱厂联合：碱厂直接利用氨厂产出的氨气和二氧化碳。
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中国农业化肥需求量大，$ce{NH4Cl}$ 直接作为化肥生产，无 $ce{CaCl2}$ 污染。