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! colspan=2 style="text-align:left;" | ↓ 週期
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碱金属是指在元素周期表中同属第1族(或稱ⅠA族)的六个金属元素:锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)、钫(Fr),其中钫具有強烈的放射性。
碱金属均有一个属于s轨道的最外层电子,碱金属的化学性质显示出十分明显的同族元素相似性,是化学的例证之一。,但其显现的化学性质和碱金属相差甚远,
碱金属有很多相似的性质;它们都是银白色的金属(铯除外,略带金属光泽)、密度小、熔点和沸点都比较低、标准状况下有很高的。
|-
| 3 || 锂 || 2, 1 || [He] 2s1
|-
| 11 || 钠 || 2, 8, 1 || [Ne] 3s1
|-
| 19 || 钾 || 2, 8, 8, 1 || [Ar] 4s1
|-
| 37 || 铷 || 2, 8, 18, 8, 1 || [Kr] 5s1
|-
| 55 || 铯 || 2, 8, 18, 18, 8, 1 || [Xe] 6s1
|-
| 87 || 钫 || 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1 || [Rn] 7s1
|}
由于具有强烈的放射性,钫可展现的化学性质十分有限,因此它的化学性质并未得到深入研究。对碱金属元素的化学性质研究主要针对这一族的前五个元素。
已知的碱金属元素均为活泼金属,至今尚未发现碱金属的天然单质。因此,碱金属通常泡在矿物油或煤油中保存。 碱金属和卤素剧烈反应生成卤化物,为白色的离子晶体,除氟化锂外均可溶于水。
与之相对的是,碱金属的第二电离能普遍很高,因为失去一个电子的碱金属离子为稀有气体电子结构,而且电子和原子核的距离下降了。这一能量差异导致碱金属在反应中通常失去一个电子,形成一价正离子。
化学家起初认为碱金属不会形成负离子,但后来的研究发现了一类含负一价碱金属离子的不稳定化合物,称作碱化物。碱化物中的碱金属负离子有充满的s亚层,这使得它更加稳定。“反氢化钠”,H+Na-,是这类化合物中一个引人注目的例子。通常的氢化钠应当是Na+H-,反氢化钠具有与之相反的电荷分布。因此,反氢化钠的能量高,纯净物很不稳定,但它的几种衍生物已被预测为稳定或亚稳定的。根据目前已知的信息,除锂之外的碱金属都能形成碱化物。碱化物的化学性质和电子盐(一种以束缚电子为负离子的盐)类似。由于拥有不同寻常的化学计量和低电离电位,碱化物有很高的理论研究价值。
锂离子(Li+)的半径很小(76pm),会极化化合物中的阴离子,使化合物具有一定共价性;此外,在各自所在的族中,只有锂和镁可以形成共价有机金属化合物。此外,高氯酸锂和其它含有无法被极化的大阴离子的锂盐比类似的碱金属盐稳定,可能是因为 Li+ 有高溶剂化能。已经考虑到相对论效应而预测钫的几个特性是电子亲和能 (47.2 kJ/mol)和 Fr2 分子的键解离能 (42.1 kJ/mol)。CsFr 分子的极性为 Cs+Fr−,显示钫的 7s 壳层比铯的 6s 壳层更受到相对论效应的影响。沿这一族从上到下,反应逐渐加剧:锂和水反应平缓进行,伴有冒泡现象;钠和钾与水反应可产生燃烧;铷和铯沉入水中,迅速产生大量氢气并产生冲击波,足以将玻璃容器击碎。
和第14族(第IVA族,碳族)元素的反应
锂和钠可与碳反应生成(Li2C2和Na2C2),这类化合物也可由金属与乙炔反应制得。钾、钠、铷和铯可与石墨反应,碱金属原子嵌入到六边形的石墨层中,形成石墨层间化合物MC60(深灰色、近乎黑色)、MC48(深灰色、近乎黑色)、MC36(蓝色)、MC24(钢蓝色)、MC8(铜黄色)。它们的导电性比纯石墨强200倍,说明碱金属的价电子转移到石墨层中,形成M+Cx-的化合物。和石墨反应时,较大的碱金属原子(钾、铷、铯)开始时形成KC8,而小的碱金属原子开始时形成KC6。
碱金属和碳族其它的元素反应时,生成含笼状结构的离子化合物。例如硅化物M4(M=K,Rb,Cs),含有M+和四面体离子。有时有更复杂的簇合离子,例如 中的 , 简单的铅阴离子(Pb4-)尚未发现;碱金属铅化物均含有复杂的簇合离子。]]
锂是唯一在标准状况下和氮气反应的碱金属,它的氮化物也是唯一稳定的碱金属氮化物。破坏N2分子中的N-N三键需要很高的能量,因而N2显惰性。形成碱金属氮化物需要消耗能量,从而将碱金属电离生成M+离子,破坏N2分子的三键并形成N3-离子;这些能量由形成碱金属氮化物释放的晶格能进行补偿。离子半径越小,电荷越高,晶格能越大;而碱金属无法形成高电荷离子,因而碱金属氮化物的晶格能只取决于金属离子的半径。所以,只有半径最小的锂能够释放足够的晶格能,让形成氮化物的反应成为一个放热反应,形成Li3N。而其它的碱金属无法释放足够的晶格能,形成氮化物的反应是吸热的,因而在标准条件下不生成氮化物。空间位阻禁止了氮化铷和氮化铯的存在。大多数金属可生成砷化物,而只有碱金属、碱土金属可生成离子型砷化物。Na3As的结构很复杂:其中的Na-Na距离为328-330pm,比金属钠单质中的Na-Na距离更短。这说明即使和低电负性的碱金属形成的化学键也不是纯粹的离子键。铋化物不完全为离子性,而是含有部分离子键和部分金属键的金属互化物。实际上,它们具有某些金属性质,化学计量比MSb的碱金属锑化物包含以螺旋Zintl结构键合的锑原子。 铋化物甚至不是完全离子化的;它们是含有部分金属键和部分离子键的金属间化合物。
和第16族(VIA族,氧族)元素的反应
标准状况下,碱金属均可和氧气剧烈反应,形成多种多样的氧化物。比如简单氧化物(含O2-离子),过氧化物(含 离子,氧原子间存在单键),超氧化物(含离子)等。锂在空气中燃烧生成氧化锂;钠和氧气反应生成氧化钠和过氧化钠的混合物;钾则形成过氧化钾和超氧化钾的混合物;铷和铯只形成超氧化物。锂、钠和钾在空气中仅仅是燃烧,而铷和铯可在空气中自燃,这也说明碱金属从上到下反应性增强。
铷和铯可形成比超氧化物更复杂的氧化物。铷在空气中被氧化可生成Rb6O和Rb9O2.铯生成的氧化物种类丰富得多,比如臭氧化物CsO3,以及几种色彩鲜明的低氧化物,如, , , (深绿色), CsO, ,以及.真空下加热可生成.
碱金属可和较重的氧族元素(硫、硒、碲、钋)发生类似反应。除钫之外,所有的M2Ch(M为碱金属,Ch=S、Se、Te、Po)都是已知的。碱金属和过量的氧族元素反应生成M2Chx,其中的氧族元素原子连接成链状。比如,钠可和硫反应生成硫化钠(Na2S)以及各种多硫化钠(Na2Sx, x=2~6),其中含有 离子。碱金属在300-400 °C下和钋直接反应,形成含Po2-离子的碱金属钋化物,后者化学上十分稳定。
和第17族(VIIA族,卤素)元素,以及氢气的反应
碱金属是元素周期表中电负性最低的元素,因而趋向于和电负性最高的鹵素形成离子键,产物为碱金属卤化物。氯化钠,也就是通常所说的食盐,就是其中之一。碱金属和卤素的反应性呈规律性变化:从锂到铯,反应性越来越强;从氟到碘,反应性越来越弱。碱金属卤化物化学式均为MX(M为碱金属,X为卤素),均为白色离子晶体,常温下为固态。其它拟卤化物也是已知的,其中最著名的是氰化物。除了氰化锂,它们的晶体结构类似真正的碱金属卤化物,而氰离子可以自由旋转。}}
碱金属的半径很大,而电荷仅有+1,所以碱金属通常不和简单的路易斯碱生成配合物。半径最小的Li+有最多的配合物,随着离子半径增大,形成的配合物越来越少。水溶液中,碱金属离子以八面体的六水合离子([M(H2O)6]+)存在;由于锂离子半径小,因而形成的是正四面体的四水合离子[Li(H2O)4]+.由于水分子的极性,二者由静电力相互吸引,形成水合离子。因此,含碱金属离子的无水盐常被用做干燥剂。除了氨基化合物与溶剂化电子,溶液中还有碱金属离子(M+),碱金属原子(M),碱金属双原子分子(M2)和碱金属负离子(M-)。后三种粒子均不稳定,最终生成热力学稳定的碱金属氨基化合物和氢气。氨合电子为强还原剂,常在化学合成中使用。有机钠化物和有机钾化物也是多聚的。锂的电负性低,因而锂-碳键的电荷密度主要集中在碳原子上,可有效形成碳负离子;因此,有机锂化合物是非常强力的碱,也是强力的亲核试剂。丁基锂常被用做强碱,已经投入商业化生产。
有机钠试剂在化学中的应用较为有限。相比较而言,有机锂试剂已投入商业化生产,且反应性能更易于使用。有些有机钠试剂具有商业意义,其中最主要的是环戊二烯基钠。四苯硼钠也可归类为有机钠化物,因为在固态下这一化合物中的钠和芳基形成化学键。更重的碱金属形成的有机金属化合物反应性更强,应用更为受限。施洛瑟碱是这类化合物中的一种重要试剂。它是正丁基锂和叔丁醇钾的混合物,可和丙烯反应,生成丙烯钾(KCH2CHCH2)。
顺-2-丁烯和反-2-丁烯在和碱金属接触时实现化学平衡。所用的碱金属为锂和钠时,这一异构化反应进行得较快;而使用钾、铷、铯时进行得较慢。钾、铷、铯更倾向高位阻的构象。有机钠、有机钾、有机铷和有机铯化合物成键以离子性为主,在非极性溶剂中几乎不可溶。碱金属都很软,具有较低的密度、熔点以及沸点。|group=注解}}!!熔点 !!沸点||
|-
|钠||22.98976928(2)||370.87 K,
97.72 °C,
207.9 °F||1156 K,
883 °C,
1621 °F||0.968||0.93||495.8||186||橙黄色||? 1.87||? 0.7||380||?||?||
|}
元素周期律
元素周期表中,碱金属族是族内元素性质最为相近的一族。反应性逐渐升高,
! 碱金属
! 原子半径
(pm)
! 离子半径
(pm)
|-
| 锂
| style="background:#ff9200;"| 152
| style="background:#ff4100;"| 60
|-
| 钠
| style="background:#ffb200;"| 186
| style="background:#ff5e00;"| 95
|-
| 钾
| style="background:#ffda00;"| 227
| style="background:#ff7f00;"| 133
|-
| 铷
| style="background:#fe0;"| 248
| style="background:#ff8e00;"| 148
|-
| 铯
| style="background:#ff0;"| 265
| style="background:#ffa000;"| 167
|}
沿周期表从上到下,已知的碱金属原子半径逐渐升高。碱金属价电子只受到一个+1的净电荷的作用,因为部分有效核电荷被内层电子(除去最外层的所有电子)所抵消,而碱金属内层电子的数量永远比核电荷数少一个。因此,碱金属原子半径只和电子层数有关;电子层数随周期数增加而增加,因此碱金属原子半径从上到下逐渐增大。
! 碱金属
! 第一电离能(kJ/mol)
|-
| 锂
| style="background:#ffb800;"| 520.2
|-
| 钠
| style="background:#ffc100;"| 495.8
|-
| 钾
| style="background:#ffe500;"| 418.8
|-
| 铷
| style="background:#fe0;"| 403.0
|-
| 铯
| style="background:#ff0;"| 375.7
|-
| 钫
| style="background:#fffc00;"| 380
|}
元素或分子的第一电离能指将最容易解离的电子从气态原子/分子中解离出来,形成带+1电荷的气态离子所需的能量。第一电离能受有效核电荷数、内层电子的屏蔽效应、最易解离的电子(对主族元素而言,通常是最外层电子)到原子核距离的影响。核电荷数与屏蔽效应影响作用于易解离电子的有效电荷。作用于碱金属最外层电子的有效电荷相同(均为+1),因此影响第一电离能的只有最外层电子到原子核的距离。沿这一族从上到下,外层电子到原子核的距离逐渐升高,核对最外层电子的吸引逐渐减弱, 第一电离能因而逐渐降低。
! 碱金属
! 电负性
|-
| 锂
| style="background:#ffe900;"| 0.98
|-
| 钠
| style="background:#ffed00;"| 0.93
|-
| 钾
| style="background:#fff600;"| 0.82
|-
| 铷
| style="background:#fff600;"| 0.82
|-
| 铯
| style="background:#fff800;"| 0.79
|-
| 钫
| style="background:#ff0;"| ? 0.7
| style="background:#fffd00;"| 因此,碱金属熔沸点的变化规律说明碱金属的金属键强度从上到下逐渐变弱。
! 碱金属
! 密度 (g/cm3)
|-
| 锂
| style="background:#ff4500;"| 0.534
|-
| 钠
| style="background:#ff7f00;"| 0.968
|-
| 钾
| style="background:#ff7500;"| 0.89
|-
| 铷
| style="background:#ffca00;"| 1.532
|-
| 铯
| style="background:#ff0;"| 1.93
|-
| 钫
| style="background:#fff700;"|
|}
碱金属晶体均为体心立方结构。
由于奇数-奇数核素十分罕见,碱金属几乎所有的主要同位素均是奇数-偶数核素。碱金属奇数-奇数同位素中,锂-6是稳定的,钾的放射性同位素钾-40也有较长的寿命。对一个给定的奇数质量数,只能有一种(不产生β衰变的同位素)。和偶数-偶数核素与奇数-奇数核素间的束缚能差距相比,奇数-偶数核素与偶数-奇数核素的束缚能几乎没有差距,因此和β衰变稳定同位素质量相等的其它核素(同量素)会产生β衰变,生成能量最低的核素。总之,质子数和/或中子数为奇数的核素相对不稳定,这就导致拥有奇数原子序数的元素——例如碱金属—— 拥有的稳定同位素数量比原子序数为偶数的元素少。26种单一同位素元素中,除铍之外的所有成员的质子数均为奇数,中子数均为偶数。(铍的质子数为偶数,中子数为奇数),钾-40和铷-87有很长的 半衰期,得以在自然界中存在,尽管它没有天然放射性同位素。钾的天然放射性同位素K-40约占自然界中的钾的0.012%,因此自然界的钾存在微弱的放射性。正是钾产生的这一微弱辐射,导致1925年有人错误地声称发现了87号元素。
铯-137是一种β放射源,也是一种强γ放射源。它的半衰期为30.17 年,是两种主要的中等寿命裂变产物之一(另一种为锶-90)。这两种裂变产物是核燃料棒使用完毕后数年到数百年产生的辐射的主要来源。经过高能β衰变,最终生成稳定的钡-137。捕获中子的速度很慢,因而不能通过中子照射的方法进行处理,只能任其衰变。在水文学研究中,被用做,和氚在这方面的应用类似。几乎所有的核试验都会向环境中释放少量的铯-134与铯-137。某些核事故也会释放这两种同位素,比如切尔诺贝利核事故和福岛第一核电站事故。截至2005年,铯-137仍是切尔诺贝利核电厂附近隔离区的主要辐射源。
延伸
到第九周期的碱金属与碱土金属原子半径。 Na–Cs, Mg–Ra的数据为, Fr–Uhp, Ubn–Uhh的数据为预测值。单位为埃或铷Uue的8s轨道因相对论效应而变得稳定,导致 Uue的电子亲合能升高——远高于铯和钫的电子亲合能,甚至比其它所有的碱金属元素都高。 相对论效应同样会导致Uue的极化性大幅下降。
后才能形成双原子分子(如Li2)。
和碱金属一样,氢拥有一个价电子
氢的第一电离能为 (1312.0 kJ/mol),远高于碱金属的第一电离能。尽管在碱化物中,碱金属也可形成负离子,然而这类产物很不稳定,只用于实验室研究。反对这种放置的论点是,与卤素放热形成卤化物的反应不同,氢形成氢化物的反应是吸热的。 H− 阴离子的大小也违反卤素离子越往下大小越大的趋势。实际上,H -的扩散性很强,因为它的单个质子不能轻易控制两个电子。
氢的 1s1 电子构型类似碱金属 (ns1),不过由于不存在 1p 亚层,氢的这个构型很特殊。 它可以失去一个电子,形成氢正离子 H+,或是再获得一个电子,形成氢负离子 H−。
铵及其衍生物
铵离子()的性质像是一种介于钾和铷之间的“中间碱金属”,经常被看做碱金属的近亲。根据推测,在极高压下,铵可以形成稳定的金属铵(由离子和游离电子构成)。这一反应可能在天王星和海王星的内部进行,这两颗行星的内部磁场可能受到了该反应的显著影响。据估计,从氨气与氢气的混合物转变为金属铵所需的压强为25 GPa 左右,低于将游离态物质转化为金属态通常所需的压强100 GPa钴可以被其较重的同类物铑取代,从而得到更强的还原剂二茂铑。 二茂铱(用 铱代替钴)可能会更强,但由于其不稳定性,因此并未得到很好的研究。
铊
中的高纯铊样品。安瓿中充满氩做为保护气。]]
和所有的碱金属一样,铊拥有+1氧化态。在尤利乌斯·洛塔尔·迈耶尔1868年编制的周期表以及门捷列夫1869年编制的元素周期表中,铊被当做第六个碱金属,位置与铯相邻。后来两人都对周期表进行了修改。在迈耶尔1870年的周期表和门捷列夫1871年的周期表中,铊被放在了硼族,也就是如今它所在的位置;而铯下方的一格为空缺。化学上,第11族金属的行为类似于主族金属,处于+1价态,因此在某种程度上与碱金属有关:这是其先前被标记为IB族,与碱金属的 IA族有关的原因。它们有时被分类为后过渡金属。它们的光谱类似于碱金属。
在门捷列夫 1871年元素周期表中,铜、银和金被列出了两次,一次在VIII族下(铁系元素和铂族金属),另一次在IB族下。 尽管如此,IB族里的它们还是用括号括了起来,指出它是暂定的。 门捷列夫对元素进行分配的主要标准是元素的最大氧化态:在此基础上,由于当时已知存在二价铜和三价金化合物,因此无法将第11族元素归为IB族。他将所有已知的碱金属(锂到铯)以及铜,银和铊(它们表示出碱金属的+1氧化态特征)放入当时的元素周期表,一起成为一个族。他的周期表把氢归类为卤素。两年后,门捷列夫修改了元素周期表,将第1族中的氢置于锂上方,并且将铊移至硼族元素。 在此版本,铜、银和金被放置了两次,一次是11族元素的一部分,另一次是包含当今8至11族元素的VIII族。引入18列元素周期表后,第11族元素移动到了d区中的当前位置,而碱金属则留在了 IA组中。后来该组的名称在1988年更改为第1族。然而直到1817年,正在贝采里乌斯的实验室工作的约翰·奥古斯特·阿韦德松才在分析透锂长石时发现了一种新元素。这种新元素形成的化合物和钠、钾的化合物相似;它的碳酸盐和氢氧化物在水中的溶解度比钠、钾的对应化合物低。贝采里乌斯将这一未知的材料命名为"lithion/lithina",这一名称来自希腊语的λιθoς (lithos,意为“岩石”)。当时已知的另外两种碱金属中,钠因在动物血液中含量丰富而知名,钾是在植物灰烬中发现的,因此lithos这一名称体现了这种材料的独特来源——矿石。贝采里乌斯将这一材料中的金属命名为"lithium".受拉丁语影响的语言中的“薪水”一词多是salarium的变形,比如英语中的salary,意大利语和西班牙语中的salario. 钠的英文名Sodium来自苏打(soda),而苏打的名称源自阿拉伯语的suda (صداع),意为“头痛”。人们很早知道碳酸钠有缓解头痛的功效,苏打因此得名。1807年,汉弗莱·戴维用之前分离钾的类似方法电解熔融苛性钠(氢氧化钠),首次将钠分离出来。
钾
)]]
从古代起人们就使用白草木灰了,然而它的使用史的大部分时间中,人们并不了解草木灰和钠矿物盐是完全不同的物质。1702年,格奥尔格·恩斯特·斯塔尔获取了一些实验证据,提出草木灰和矿物盐有本质上的差异,到了1736年证明了这一差异。而那时人们仍然不知道钾、钠化合物的准确化学组成,也不知道钾、钠这两种元素。因此,安托万-洛朗·德·拉瓦锡并没有将碱金属收录进他1789年编制的元素表中。纯钾的首次分离发生在1807年,由汉弗莱·戴维爵士在英国完成。戴维用当时新发明的伏打电堆电解熔融的苛性钾,得到了这一元素。钾是首个用电解法分离出的元素。同年,戴维宣布用相似的方法从苛性钠中分离出金属钠,从而说明了两种元素及相应化合物的本质差异。铷的发现紧随铯的发现,而铯同样是由本生和基尔霍夫用分光镜发现的。|group=注解}}铯在本生和基尔霍夫发明分光镜仅一年后即被发现,是首个通过光谱学方法发现的元素。
钫
1939年之前,第87号元素被错误或者不完整地发现了至少四次。1939年,的玛格丽特·佩里在巴黎提纯一份锕-227样品时真正发现了钫。锕-227的衰变能为220 keV,然而佩里发现其中一些衰变粒子的能量低于80 keV。佩里认为这是一种之前未被分辨出的衰变产物,于是在提纯过程中将其分离出来,但是后来在提纯的后锕-227中又产生了这种物质。后续的大量实验证明这种未知物质不可能是钍、镭、铅、铋或者铊,而显现出可碱金属相近的化学性质(比如和铯盐形成)。佩里因而认为这种未知物是第87号元素,由锕-227的α衰变产生。于是佩里试图测定锕-227中α衰变与β衰变的比率。她的第一次实验测定的α衰变比率为0.6%,后来她将这一数值修正为1%。钫是最后一种在自然界中发现的元素。
钫下元素(Eka-钫)
钫下方的元素(Eka-Francium, 类钫)极有可能是第119号元素Uue;
:\,^{254}_{99}\mathrm{Es} + \,^{48}_{20}\mathrm{Ca} \to \,^{302}_{119}\mathrm{Uue} ^{*} \to 無原子
这一反应选择了254Es做为原料。254Es的质量数大,半衰期相对较长(270天),可获得性高(数毫克),因此常被用来合成超重元素。然而这一反应近期极不可能生成Uue原子,因为很难生产足够多的锿-254来制作一个尺寸足够大的靶,从而将实验的灵敏度提升到所需级别。目前还没有发现位于第8周期的元素;而且由于液滴不稳定性,或许只有原子序数较低的第8周期元素(原子序数低于128)在物理上可能存在。比Uue更重的碱金属原子序数太高,因此尚未有合成尝试。]]
说明:除氢以外,质子数为偶数的元素比质子数为奇数的元素更为常见——后者拥有未成对的质子,趋向于捕获另一个质子,原子序数因此增加。而偶数原子数的元素中的质子均为成对质子,自旋彼此抵消,使得原子更加稳定。所有的碱金属的原子序数均为奇数,它们在太阳系中的丰度低于邻近的两族元素(稀有气体和碱土金属)。铷之后的碱金属只能在超新星中生成,而不能由恒星核合成获得,所以较重的碱金属比轻的碱金属稀有。锂的丰度低于钠、钾,因为它在太初核合成和恒星中都极少生成——大爆炸只能生成痕量的锂、铍和硼,因为这些元素缺少稳定的5核子或8核子核素;而恒星核合成反应会通过3氦过程生成碳来通过这一瓶颈。
由于反应活性很高的缘故,碱金属在自然界不以单质形式存在。它们属于,极易和氧结合,因而和二氧化硅紧密关联,形成不会沉入地球核心的低密度矿物,因而停留在地球表面附近。钾、铷、铯属于地球化学中的不相容成分,因为它们的离子半径大,不能进入矿物中的阳离子聚集区域。
钠和钾在土壤中十分丰富。钠在地壳中的质量分数约为2.6%,是地壳中丰度排在第六的元素;钾的质量分数约为1.5%,排在第七。,若以體積莫爾濃度表示就是25μM.
铷的丰度和锌大抵相同,比铜要高,可在白榴石、铯榴石、光鹵石、和中找到。铯的丰度低于铷,但比很多为人们所熟知的元素(比如镉、锡、锑、钨)更高。在铀矿石中,大概有1018 个铀原子才会出现一个钫原子。钫的半衰期极短,为22分钟;因此据估计地壳中最多只会有30 g的钫。
制备与分离
制取纯的碱金属较为困难。碱金属的反应活性很高,这导致它们极易和常见的物质(例如水、空气)反应,且无法用其他元素置换制备。因此,碱金属只能用电解一类的高能方法分离。
钾存在于多种矿物中,例如钾石盐(氯化钾)等。和19世纪末20世纪初制取钠的方法类似。氢氧化钾矿物广泛存在于加拿大、俄罗斯、白俄罗斯、德国、以色列、美国和约旦等地。含钾矿物也可以从海水中提取。
钠主要存在于海水和干涸的海床中。超纯钠可通过叠氮化钠分解制备。
矿石样品包含大约100,000个钫-223原子,这些钫原子的总质量为3.3 g.如今通常用将铷和钾、铯分开:将一种含铷和铯的矾(Cs,Rb)Al(SO4)2•12H2O经30步反应处理,可得到纯净的铷矾,从而进一步制取铷。铷的生产方法有限,矿物丰度低,导致含铷化合物的产量只有每年2到4吨。然而铯并不是用这一反应分离制取的。铯主要从 铯榴石矿中提取,有三种常见的提取方法:酸消化、碱分解以及直接还原。
钫-223是唯一一种存在于自然界的钫的同位素,至今最大的一份钫样品含有300,000个钫中性原子,
所有的碱金属都可以从硅酸盐中用同样的步骤获得:首先用硫酸将铝和所需的碱金属从矿石中溶出;溶液中加碱将铝离子以氢氧化铝的形式沉淀出来,将铝和碱金属分离。将剩余的碱金属离子以碳酸盐的形式选择性沉淀出来,再用盐酸溶解沉淀;浓缩所得溶液可得碱金属氯化物,将其电解即得碱金属。
纯钠可用于制作钠灯,一种十分高效的光源;还可以用来抛光其它金属的表面。钠化合物也有十分广泛的用途,比如常见的食盐就是氯化钠;常用的肥皂是钠或钾的脂肪酸盐。
钾是植物重要的营养元素,因此钾的化合物常被用做化肥。氢氧化钾是一种强碱,被用来控制各种体系的pH值。
铷和铯常用于制作原子钟。铯原子钟极其精确,如果一台铯原子钟从8千万年前的恐龙时代开始运行到今天,它的偏差不会超过4秒。铯常添加在石油工业所用的钻井液中。铷离子常用于制作紫色焰火。
钫没有商业应用,但钫的原子结构相对简单,因而在光谱学实验中有广泛应用。钫的光谱学研究可以提供和能级、次原子粒子间的耦合常数相关的信息。科学家研究激光束缚的钫-210粒子发射的光,获得了原子能级跃迁的准确数据,和量子论的预测相近。
生物学作用及防护
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通常在生物系统中只有痕量的锂。锂没有已知的生物学作用,但是摄入锂确实对身体有影响。锂在人体中的天然生物学功能尚待研究;不过从生物化学特性、被人体处理的方式以及在老鼠、山羊身上的实验结果来看,锂是一种必要的稀有元素。
钠和钾存在于一切已知的生物学系统中,通常作为细胞内外的电解质存在。氯化钠——也就是俗称的食盐——是食物中主要的钠源,用作调味品和食物处理(比如泡菜、腊肉)。氯化钠主要来自处理过的食物。钠的DRI为每天1.5g,然而根据2010年的调查,中国城市居民平均每日摄入的钠相当于13.5g食盐(5.31 g钠)。而每天摄入的钠超过2.3克就会提高患高血压的几率。由钠摄入过量导致的高血压每年在全球导致了760万例早逝。
钾是细胞内的主要阳离子,而钠是动物细胞外的主要阳离子。这两种带电粒子的浓度差异导致了细胞内外的电势差,也就是膜电势。细胞膜两侧的钠钾浓度平衡由细胞膜内的维持。由钠钾浓度差产生的膜电势让细胞可以产生动作电位——一次急剧的细胞放电过程。细胞放电的能力是很多种身体机能(、肌肉收缩、心脏功能等)的基础。由于钾、铷、铯的化学性质相似,铷和铯有可能取代身体中的钾离子引发低钾血症,因此它们具有轻微的毒性。氯化铯在小鼠身上的LD50为2.3 g 每千克体重,和氯化钾、氯化钠的LD50相仿。一些癌症替代疗法用氯化铯作为治疗药物,这种未经科学证实的疗法可能和至少50名患者的死亡有联系。铯的放射性同位素需要格外小心处理,若对铯-137γ放射源处理不当,可能导致这种放射性核素泄露,引发辐射伤害。最著名的例子是1987年的戈亚尼亚事故:巴西戈亚尼亚的一处废品堆积场中扫出了一台放疗仪,这台放疗仪属于一家废弃的诊所,未经妥善处理。放疗仪中发光的铯盐被卖给了好奇又缺乏教育的买家。事件造成了4人死亡及大量的辐射伤害。铯-137是切尔诺贝利核事故释放的对健康威胁最大的四种放射性同位素之一(另外三种为铯-134、碘-131和锶-90)。其强放射性可能引发辐射中毒,因此钫极可能有毒。 然而至今为止最大的钫样品只有约300,000个中性钫原子,因此绝大多数人不可能摄入钫。
参看
- 元素周期表
- 元素的族
- 鹼化物
注解
参考文献
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