复习讲义:全面认识镁及碱土金属

就高考备考中,尤其关于镁的知识给同学们列出以下复习提纲:

1、概括为三大部分:镁的游离态——即镁单质、镁的化合态——即镁的化合物(包括含镁元素的碱、盐、氧化物)和碱土金属的周期性变化及特殊性

2、镁单质的六个方面:

(4)金属镁化学性质(金属性很强、失电子能力很强、还原性很强)

(5)金属镁的用途

(6)金属镁的制备

3、含镁元素的碱——氢氧化镁

4、含镁元素的盐——碳酸镁

5、含镁元素的氧化物——氧化镁

6、海水提镁

碱土金属指ⅡA族的所有元素,包括铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、镭(Ra)六种,其中镭为放射性元素,由玛丽·居里(M.Curie)和皮埃尔·居里(P.Curie)在沥青矿中发现。

碱土金属中除铍外都是典型的金属元素,氧化态为+2,其单质为灰色至银白色金属,硬度比碱金属略大,导电、导热能力好,容易同空气中的氧气和水蒸气作用,在表面形成氧化物和碳酸盐,失去光泽。碱土金属的氧化物熔点较高,溶于水显较强的碱性,其盐类中除铍外,皆为离子晶体,但溶解度较小。在自然界中,碱土金属都以化合物的形式存在,可用焰色反应鉴定。

1808年,英国化学家Dvy以汞为阴极电解汞和氧化镁的混合物,得到镁汞齐。1828年,法国化学家Bussy将无水氯化镁和金属钾同时溶解,首次分离出纯的金属镁。因为镁矿石产于希腊的美格尼西亚(Magnesia),故镁的英文名为Magnesium。

镁在空气中易于氧结合燃烧发出强光,利用这一点国防上制造照明弹、燃烧弹;摄影上用于闪光灯。

镁与钾、钙一样,是地壳中部分最广的元素之一。镁不是以单质状态存在,而是作为盐类或岩石在自然界大量分布,镁的主要矿物有白云石CaCO3·MgCO3,光卤石KCl·MgCl2·6H2O等。

海水中约含有0.13%的镁,镁也存在于植物中,是叶绿素的主要成分。镁还存在于人体细胞中。它对蛋白质、核酸、类脂化合物的酶合成的活化,软骨和骨的生长以及维持脑和甲状腺机能非常重要。镁以磷酸盐、碳酸盐形式分布于股和肌肉中,缺乏镁会引起肌肉的颤动、脉象的混乱。

今天我们就来好好认识一下镁和它所在的碱土金属。

第一部分:金属镁

一、镁原子结构、基态镁原子(镁离子)价电子排布、晶体镁结构(六方最密)

1、镁原子(及镁离子)结构

由此我们可以看出,钠的最外层电子数为2,极易失去最外层上的2个电子,化学性质极为活泼,常见化合价为+2价

2、镁原子(及镁离子)的(价)电子排布

基态Mg:1s22s22p63s2,简写为[Ne]3s2,价电子排布为3s2。

轨道表达式如图

3、金属镁晶体结构:六方最密堆积

二、镁在周期表中的位置、同位素

1、镁在周期表中的位置

第三周期ⅡA族,属s区元素,与Be、Ca、Sr、Ba、Ra称为碱土金属。

镁是碱土金属中最稳定的元素。

2、同位素

在天然存在的某种元素里,不论游离态还是化合态,各种同位素原子百分比称为该元素的自然丰度。

三、金属钠物理性质(色、态、密度、熔沸点、硬度、导热、导电)

银白色固体,有金属光泽,密度、硬度均很小,是一种重要的轻金属。熔点649℃,具有良好的导热、导电和延展性。

四、金属镁化学性质——强还原性

1、与大多数非金属单质(如O2、N2、S、X2)的反应

O2:2Mg+O22MgO(耀眼的白光)

N2:3Mg+N2Mg3N2(耀眼的白光)

Mg3N2能与水剧烈反应生成Mg(OH)2沉淀,放出氨气,所以只能在干态下制取。

Cl2:Mg+Cl2MgCl2

S:Mg+SMgS

2、与二氧化碳反应

CO2:2Mg(s)+CO2(g)2MgO(s)+C(s)

现象:镁剧烈燃烧,发生强烈的白光,同时生成白色固体和黑色颗粒状固体

3、与热水(或水蒸气)反应

由于镁易形成氧化膜,故镁与冷水几乎不反应,但镁能与热水反应

Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑

4、与大多数酸(HF、铬酸除外)反应

离子方程式:Mg+2H+===Mg2++H2↑

5、与卤代烃的醚溶液中形成格式试剂(在有机合成中应用广泛)

Mg+RX===RMgX

五、电解法制备镁

生产镁的最好方法是电解熔融卤化物混合物(如MgCl2+CaCl2+NaCl),镁沉积在阴极。

工业上一般不用电解氧化镁的方法制取镁,其主要原因有以下两点:

①MgO的资源低于MgCl2;②MgO的熔点(2200℃)高于氯化镁(714℃),浪费能源。

六、金属镁的用途

1、生产合金,特别是镁铝合金。

2、冶金工业上用作还原剂和脱氧剂。

3、利用镁牺牲阳极进行阴极保护:广泛应用于石油、天然气管道和锅炉设备等的腐蚀防护。

4、用于有机合成。

第二部分:镁及其化合物

一、氧化镁

二、氢氧化镁

氢氧化镁是白色固体,易吸水潮解,难溶于水,Ksp=1.2×10-11,易溶于酸、铵盐溶液,

属中强碱。具有层状结构,层与层之间通过范德华力相互联系。

1、与酸反应

Mg(OH)2+2H+===Mg2++H2O

2、与铵盐(NH4+)反应

Mg(OH)2+2NH4+===Mg2++2NH3·H2O

第三部分:碱土金属的焰色反应

钙Ca

锶Sr

钡Ba

砖红色

洋红色

绿色

左图从左至右分别为钙、锶钡、焰色反应。

第四部分:生活中的“镁”些物质

1、运动员——涂“镁粉”(碳酸镁):增大掌心与器械之间的摩擦力

2、魔术师——镁粉真奇妙

第五部分:海水提镁

海水中镁的含量较为丰富,含镁约0.13%,每年从海水中生产1亿吨金属镁,经过100万年海水中镁的浓度也不过减少0.01%。目前世界60%的镁是从海水中提取的。

工业上提镁的一种方式是将海水抽入反应槽,加入石灰乳,使镁转换为Mg(OH)2沉淀,再加入盐酸转换为MgCl2溶液,蒸发溶液后,得到MgCl2·6H2O晶体,随后在HCl气流中脱水,得无水MgCl2,最后电解MgCl2得到Mg和Cl2,氯气可用来制盐酸,再循环利用。

②因镁在高温下能与O2、N2、CO2等气体发生反应,故工业电解MgCl2得到的镁,应在H2氛围中冷却。

③氯化镁易潮解,普通食盐的潮解就是因含有氯化镁之故。

关于海水提镁,比较重要的是最后的电解过程,可能会考到,还有氯气的重复利用,体现了绿色化学的宗旨,也是一个考点。

第六部分:碱土金属

一、碱土金属的概述

碱土金属包括铍、镁、钙、锶、钡和镭六种元素,构成周期表Ⅱa族。由于钙、锶、钡的氧化物在性质上介于“碱性的”和“土性的”(既难溶于水又难熔融的Al2O3称为“土”)之间,所以这几种元素又称为碱土金属,现习惯上把铍、镁也包括在内。

在碱土金属中,铍是稀有元素,镁、钙、锶、钡是自然界中十分丰富的元素。镭是存在于铀矿石中的放射性元素。

二、碱土金属的结构特点

位于周期表的s区、ⅡA。价层电子结构:ns2;。

它们均很容易失去2e-→M2+

由于比相邻的ⅠA族元素的原子增加一个核电荷,因而原子核对最外层电子的引力增加了,结果他们的原子半径比同周期碱金属的小,失去一个电子也就比相应的碱金属困难(可以比较他们的第一电离能I1而得到证明。)

金属活泼性从上到下增强(因为原子半径从上到下增大,电离能,电负性从上到下减小)。

三、碱土金属的物理性质

3、碱土金属的导电性和导热性能较好。

四、碱金属的化学性质

1、碱土金属最外电子层上有两个价电子,易失去而呈现+2价,是化学活泼性较强的金属,能与大多数的非金属反应,所生成的盐多半很稳定,遇热不易分解,在室温下也不发生水解反应。

2、它们与其他元素化合时,一般生成离子型的化合物。但Be2+和Mg2+离子具有较小的离子半径,在一定程度上容易形成共价键的化合物。钙、锶、钡和镭及其化合物的化学性质,随着它们原子序数的递增而有规律地变化。

3、碱土金属的离子为无色的,其盐类大多是白色固体,和碱金属的盐不同,碱土金属的盐类(如硫酸盐、碳酸盐等)溶解度都比较小。

4、碱土金属在空气中加热时,发生燃烧,产生光耀夺目的火光,形成氧化物。

5、碱土金属在高温火焰中燃烧产生的特征颜色,可用于这些元素的鉴定。

6、碱土金属与水作用时,放出氢气,生成氢氧化物,碱性比碱金属的氢氧化物弱,但钙、锶、钡、镭的氢氧化物仍属强碱。铍表面生成致密的氧化膜,在空气个不易被氧化,跟水也不反应。镁跟热水反应,钙、锶和钡易与冷水反应。钙、锶和钡也能与氢气反应。在空气中,镁表面生成一薄层氧化膜,这层氧化物致密而坚硬,对内部的镁有保护作用,所以有抗腐蚀性能,可以保存在干燥的空气里。钙、锶、钡等更易被氧化,生成的氧化物疏松,内部的金属会继续被氧化,所以钙、锶、钡等金属要密封保存。

五、碱土金属的用途

1、镁

镁的密度约为铝的2/3,在实际应用的金属中是最轻的。镁合金的吸振能力强、切削性能好、金属镁铸造性能好,很适合铸造汽车零件。

镁在人体新陈代谢过程中的作用举足轻重,是人体一切生长过程,如骨骼、细胞、核糖核酸、脱氧核糖核酸、心脏及各种生物膜形成的重要物质。

镁是叶绿素分子的组成成份,存在于叶绿素分子红构的卟啉环中间,叶绿素A和叶绿素B含镁量约2.7%,供镁不足会致使叶绿素减少叶片发黄,直接影响光合作用的效率。

2、钙

(1)CaCl2·6H2O加热脱水形成白色多孔的CaCl2。无水CaCl2有很强的吸水性,常用作干燥剂,由于它能与气态NH3和乙醇形成加合物,所以不能用于干燥氨气和酒精;

(2)次氯酸钙Ca(ClO)2可用作漂白剂;

(4)CaSO4·2H2O俗称生石膏,加热至393K时,部分脱水形成熟石膏2CaSO4·H2O,该过程不可逆。熟石膏应用于模型、粉笔、石膏绷带、水泥等的生产。

3、钡

(1)Be盐和可溶性钡盐有毒;

(2)BaSO4俗称重晶石,可做白色涂料和添加剂。难溶于水,被用作“钡餐进行胃部X射线检查。

THE END
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