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1、元素的“金属性”辨析 一、问题的提出 在互联网上有一个碱金属与水反应试验的视频：国外一组探讨人员在空旷的室外进行碱金属单质锂、钠、钾、铷、铯与水反应的试验。详细的现象是：锂与水平稳反应；钠与水猛烈反应，有黄光；钾与水猛烈反应并起火，稍微爆炸；铷与水快速反应，爆炸，将一只类似浴缸样的容器炸出一个窟窿；铯与水反应，猛烈爆炸，将类似浴缸样的容器炸得粉碎。因为中学化学试验室一般没有金属锂、铷和铯，因此这个视频被我引入课堂，也很快吸引了学生的眼球，他们兴奋异样，有的甚至尖叫起来。依据试验现象，很简单得出碱金属单质随原子序数的递增，金属性渐渐增加的结论。同时，元素周期律也表明，同主族元素，从上往下随核电荷
2、数的增加，金属性渐渐增加。这与试验现象特别吻合，是理论与实践完备统一的典范。 但查阅高校教材附录我们可以发觉，金属锂的标准电极电势却是碱金属元素中最小的。 表1 碱金属元素的标准电极电势1 由表1中数据发觉，标准电极电势随原子序数递增依次并非单调改变，且与元素周期律揭示的金属性依次不一样。缘由在哪里？要回答这个问题，我们首先要对中学化学中常见概念“金属性”进行辨析。 二、游离态原子的金属性与电离能 在苏教版化学2第9页：“同一主族元素的原子最外层电子数相同，随着核电荷数的增大，电子层数渐渐增加，原子半径渐渐增大，原子失去电子的实力渐渐增加，获得电子的实力渐渐减弱，元素的金属性渐渐增加，非金属性
3、渐渐减弱。”我们从表述中可以知道，这里“金属性”所描述的对象是“游离态的原子”，即气态原子。我们知道，气态氢原子的1s电子，若得到13.6eV的能量，将从基态跃迁到n=的激发态，成为自由电子，氢原子失去1个电子变为+1价的气态阳离子。就是氢的电离能为13.6eV。又如碱金属Na 的第一电离能可表示为：Na-e-=Na+ H=494kJmol-1。化学上常用电离能考察“游离态原子”的金属性强弱。 表2 碱金属元素的第一电离能1 元素原子的电离能越小，表示气态时越简单失去电子，即该元素在气态时的金属性越强。从上面表格的数据我们可以得出，游离态碱金属元素的金属性强弱依次：Li，即锌比铜金属性强。锌的
4、电极电势比铜的电极电势小得多，金属锌是较强的还原剂，锌离子能在溶液中较稳定地存在，是弱氧化剂。相反，Cu2+是比Zn2+更强的氧化剂，金属铜是比金属锌更弱的还原剂。因此，在水溶液中探讨元素金属性强弱就必需用到元素的电极电势概念。 对金属元素而言的电极电势，是处于基态的原子与水溶液中的水合离子的电势差。它的大小取决于金属原子离子化的倾向及其他因素。依据波恩哈伯循环，由金属晶体到水合离子有三个过程：1.金属原子克服金属键转变为气态金属原子；2.金属气态原子失去电子变成气态离子；3.金属气态离子变为水合离子。 可分为以下几步： 波恩哈伯循环图示 其中，s、I、h分别代表升华、电离、水合过程的能量改变
5、，H为电极反应的焓变。H=s+I+h。假设全部的焓变都用于做有用功，就有G=s+I+h。 表5 25、1.01105Pa时，碱金属在水中反应的能量2 从波恩哈伯循环图示可看出，电离能只是电极反应过程中能量的一部分。电极电势是综合的定量指标，不仅与电离能大小有关，还与金属升华能大小、水合能大小亲密相关。从上表数据我们还发觉，尽管金属锂的升华能和电离能较其他碱金属大，但锂离子的水合能比碱金属的其他阳离子要大得多。通过计算可以看到，这部分能量不仅补偿了前两者较其他碱金属多消耗的能量，而且最终环境所要供应的功是最小的。因此，金属锂的标准电极电势也是最小的。 四、动力学因素影响的金属性 那为何试验又没有
6、看到锂的猛烈反应呢？通常有以下三种说明。第一种是因为锂的金属键是全部碱金属中最强的，熔点也最高，不像其他碱金属那样在反应过程中熔化，故呈固态的锂与水接触的机会不如液态充分，反应速率小。其次种是因为LiOH在水中溶解度较小，它覆盖在金属锂的表面上阻碍了锂与水的接触，使反应速率减小。山东济宁师专的程桢臣、田春良老师通过对碱金属离子的扩散速度的比较分析，得出Li+在水中的扩散速度较其他碱金属阳离子慢是造成锂与水反应不猛烈的主要缘由。3可见，对金属性强弱的分析，不仅要考虑热力学的因素，还要考虑动力学的因素。因为热力学只能是推断反应趋势的大小，并不能提示真实反应的情景。 五、结论 1.在比较游离态原子金
7、属性强弱时，我们可以用电离能的相对大小来定量推断。当然，电离能大小受到多种因素的同时作用，规律性不强。 2.在比较水溶液中进行的反应的金属性强弱时，不仅要考虑热力学的因素，还要考虑动力学因素。 3.游离态碱金属元素的金属性强弱依次：LiNaKRbCs；碱金属在水溶液中的金属性强弱顺序：LiNaKRbCs。 参考文献： 1高成功，陈三平，谢钢.化学元素周期表M. 北京：科学出版社，2022. 2 严宣申，王长富.一般无机化学M. 北京：北京高校出版社，11019：11. 3 程桢臣，田春良. 金属锂与水反应新释J.中学化学教学参考，11019：56. 第5页 共5页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页