鹼金屬和鹼土金屬

鹼金屬和鹼土金屬 (Alkali Metals and Alkaline Earth Metals)
高雄市立女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

鹼金屬元素的價層電子結構為ns¹。由於每一個週期都是從鹼金屬元素開始的，因此鹼金屬元素的原子都比前一週期元素的原子多了一個電子層，它們的原子半徑在同一週期中都是最大的。鹼金屬原子的次外層具有惰性氣體原子的穩定電子層結構，對核電荷的遮蔽效應較大，所以它們的第一游離能在同一週期中是最小的。

鹼金屬原子很容易失去一個電子而呈+1氧化數，低游離能和低電負度使鹼金屬元素的金屬性很強。從鹼金屬元素具有很大的第二游離能來看，它們不會失去第二個電子，因此不會表現出其他氧化數。

鹼金屬元素和鹼土金屬元素在與非金屬元素化合時，雖然多以形成離子鍵為主，但在某些情況下仍呈現出一定程度的共價性。鋰和鈹元素由於原子半徑小，游離能較其他同族元素高，所以形成共價鍵的傾向比較顯著（少數鎂的化合物也是共價性較強）；常常表現出與同族其他元素不同的化學性質。在同一族中，鹼金屬元素和鹼土金屬元素從上至下，原子半徑依次增大，游離能和電負度依次減小，金屬活潑性依次增強。

鹼金屬元素和鹼土金屬元素的金屬性很強，只能以化合物的形式存在於自然界中。鈣、鈉、鉀和鎂元素在地殼中的豐度均很高，而鋰、鈹、銣、銫含量很低屬於稀有金屬，鍅和鐳則為放射性元素。

鹼金屬和鹼土金屬都具有金屬光澤，有良好的導電性和延展性。除了鈹和鎂單質以外，其他鹼金屬和鹼土金屬都很軟，可以用刀子切割。金屬鋰、鈉和鉀的密度小於1g /cm³，比水的密度小，會浮在水面上。鹼金屬元素的原子只有一個價電子，且原子半徑較大，故形成的金屬鍵很弱，因此，鹼金屬單質的熔點、沸點較低。其中銫的熔點最低，只有28. 44℃，是熔點略高於汞的低熔點金屬。

金屬銫中的自由電子活性極大，當其表面受到光照時，電子便獲得能量從表面逸出，利用這種特性，銫被用來製作光電管中的陰極。鹼土金屬元素的原子有2個價電子，與同周期的鹼金族相比，金屬鍵較強，因此鹼土族金屬的熔點、沸點、密度和硬度都比鹼金族高。

化學性質方面，鹼金屬和鹼土金屬都是很活潑的金屬，它們都能與大多數非金屬反應。如它們極易在空氣中燃燒。在鹼金屬和鹼土金屬中，除金屬鈹和鎂由於表面形成一層緻密的保護膜對水穩定外，其他金屬單質都容易與水發生反應形成穩定的氫氧化物，這些氫氧化物大多是強鹼，例如：NaOH、Ca(OH)₂。這些反應放出大量的熱，因此金屬鈉與水發生劇烈作用；金屬鉀、銣、銫遇水則會燃燒甚至發生爆炸。金屬鋰、鈣、鍶和鋇與水反應比較緩慢，其原因是這幾種金屬的熔點較高，反應中放出的熱，不足以使它們熔化成液體；另外這幾種金屬元素的氫氧化物的溶解度較小，它們覆蓋在金屬固體表面，使金屬與水的反應速率降低。

鹼金屬元素和鹼土金屬元素化合物在高溫火焰中，可以發出特定的顏色，這種現象稱為焰色反應。金屬原子的外圍電子受高溫火焰的激發而躍遷到較高能階軌域上，當電子從高能階返回到低能階時，就會發射出特定波長（頻率）的光束，使火焰呈現出它們的特徵焰色：鋰為深紅色；鈉為黃色、鉀為紫色、銣為紫紅色、銫為藍色、鈣為磚紅色、鍶為紅色、鋇為綠色。

鹼金屬元素和鹼土金屬化合物大多數是離子型化合物。它們的離子易和水分子結合成穩定的水合離子：M⁺(aq)和M²⁺(aq)而且都是無色的。鹼金屬離子與同週期的鹼土金屬離子相比，有較大的離子半徑和較小的電荷，同時它們的離子最外電子層結構符合八隅體（Li⁺、Be²⁺除外）。所以鹼金屬的氫氧化物和鹽，大多易溶於水，氫氧化物和鹽的溶解度比鹼土金屬更大。

鹼金屬在空氣中燃燒時，金屬鋰主要生成LiO，而金屬鈉、鉀、銣和銫主要生成Na₂O₂、KO₂、RbO₂和CsO₂。鹼金屬氧化物和鹼土金屬氧化物的熱穩定性的大趨勢是從Li₂O到Cs₂O、從BeO到BaO逐漸降低。鹼金屬氫氧化物和鹼土金屬氫氧化物都是白色晶體，在空氣中易吸水潮解，所以NaOH和Ca(OH)₂晶體 皆可作為乾燥劑。鹼金屬氫氧化物易溶於水，而鹼土金屬氫氧化物在水中的溶解度較小。鹼金屬氫氧化物的溶解度從LiOH到CsOH依次增大；鹼土金屬氫氧化物的溶解度從Be (OH)₂到Ba(OH)₂也依次遞增，而Be(OH)₂和Mg(OH)₂則難溶於水。

參考資料：
1. Geoff Rayner-Canham, Tina Overton, 2006, Descriptive Inorganic Chemistry, 4th ed., Freeman.
2. 司學芝、劉捷、展海軍，2009年，無機化學，化學工業出版社。