碱金属概述
碱金属的性质
碱金属性质概述
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。
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}
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
常温：迅速被氧化为 \ce{Na2O}，失去金属光泽。
\ce{4Na + O2 -> 2Na2O}
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}
钠着火后用沙土盖灭。
钠与水的反应
\ce{Na + 2H2O -> 2NaOH + H2 ^}
| 现象 | 解释 |
|---|---|
| 钠浮在水面上 | 钠密度比水小 |
| 熔化成光亮的小球 | 反应放热，钠熔点低 |
| 四处游动 | 反应生成气体 |
| 发出嘶嘶响声 | 反应剧烈，产生气体 |
| 产生使酚酞变红的物质 | 生成碱性物质 |
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：
先和水生成碱。
后发生碱和盐的反应。
\ce{2Na + 2H2O + CuSO4 -> H2 ^ + Na2SO4 + Cu(OH)2 v}
- 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：
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。
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。
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。
| \ce{Na2O} | \ce{Na2O2} | |
|---|---|---|
| 颜色 | 白色 | 淡黄色 |
| 氧的化合价 | -2 | -1 |
| 阴阳离子个数比 | 1:2 | 1:2(\ce{O2^2-}) |
| 稳定性 | 不稳定 | 较稳定 |
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。
- 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）：
原料：食盐 \ce{NaCl}、石灰石 \ce{CaCO3}。
媒介：\ce{NH3}。
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}
化学方程式：
\ce{NaCl + NH3 + CO2 + H2O -> NH4Cl + NaHCO3}
经典问题：
氨气使溶液具有碱性，可以吸收更多的二氧化碳。
相同温度下，\ce{NaHCO3} 溶解度小于 \ce{NH4Cl}，先析出。
\ce{NaHCO3} 的相对分子质量大于 \ce{NH4Cl}，先达到饱和。
工业流程：
循环使用 \ce{NaHCO3} 分解产生的氨气。
使用碳酸钙制取 \ce{Ca(OH)2} 与 \ce{NH4Cl} 反应，循环利用氨气。
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）：
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。
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。