碱金属

碱金属（英文名：Alkali Metal）包括IA族除氢元素以外的所有元素，即锂（Li）、钠（Na）、钾（K）、铷（Rb）、铯（Cs）、钫（Fr）六种金属。碱金属都是具有金属光泽的银白色金属（除铯[sè]会带有一点金色光泽外），但表面很容易被氧化而失去金属光泽。它们熔点和沸点都较低，密度小质量轻，质地柔软，利用小刀就可以切开。碱金属具有良好的延展性导电性和导热性，可以发生焰色反应。碱金属具有十分活泼的化学性质，从Li、Na、K、Rb、Cs的顺序活泼性依次增强，它们能与电负性较大的非金属元素形成相应的化合物。

早在几个世纪以前，人们就知道并利用了多种形式的钾盐，如硝石（KNO₃）、明矾（KAl(SO₄)₂）、碳酸钾（K₂CO₃），它们被用于染色、制备火药、肥皂等。1807年，汉弗莱·戴维（Humphry Davy）利用电解法电解苛性钾（KOH）得到了钾的金属单质，这是碱金属中第一个被分离得到的金属单质。同年，戴维用相同的方法电解苛性钠（NaOH）得到金属钠。1817年，瑞典化学家约翰·奥古斯特·阿韦德松（Johan August Arfwedson）在透锂长石矿石中发现了新元素锂，并将其命名为Lithium，它来源于希腊文Lithos（释义：岩石）。1818年，英国的化学家威廉·托马斯·布兰德（William Thomas Brande）和戴维两人利用电解的方法从氯化锂中制得了少量的金属锂。铷和铯在地壳中的含量极少，化学性质又十分活泼，因此发现时间较锂、钠、钾晚一些。1860年，德国化学家罗伯特·威廉·本生（Robert Wilhelm Bunsen）和德国物理学家古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）在德国巴德迪尔克海姆研究当地的矿泉水时，使用分光镜发现了一些蓝色亮线（即来自铯的发射光谱中的蓝色谱线），他们认为这是一种新的元素，并将其命名为Cesium，源自于拉丁语Caesius（释义：天蓝色）。随后在1861年，他们用同样的方法在观察鳞云母矿石时又发现了一种新元素，并将此命名为Rubidium，源自于拉丁语Rubidus（释义：暗红色）。1939年，法国化学家玛格丽特·佩里（Marguerite Catherine Perey）在研究锕[ā]同位素²²⁷Ac时发现，²²⁷Ac主要进行β-衰变，但也有少量进行α-衰变，产物为²²³Fr。自此，碱金属中所包含的所有元素被确定下来。由于这些金属的氢氧化物均为强碱或中强碱，故这些元素被称为碱金属。

碱金属在自然界中含量具有差异，如钠、钾在地壳中含量丰富，而锂、铷、铯在地壳中含量较低，钒在地壳中含量极微，属于稀有金属。锂元素在地壳中分布较为集中但不易提取，在地壳中的丰度为6.5×10⁻³ wt%。锂矿床主要有硬岩型锂矿床、卤水型锂矿床等。锂资源主要分布在智利、阿根廷、美国、津巴布韦、葡萄牙、澳大利亚、中国等国家。钠元素在地壳中的丰度为2.64 w/％，在地壳元素丰度中排第六，钠的矿物主要有钠长石（主要为NaAl₃SiO₈）、岩盐（主要为NaCl）、硝石（主要为NaNO₃）等。钠元素也大量存在于海水中，不同海水中的氯化钠（NaCl）含量不同，且内陆湖死海的含盐量远远高于地中海、北海等。钠也是人体内的常量元素，在人体内的含量约为0.15 w/％。钾元素在地壳中的丰度为2.60 w/％，在地壳元素丰度中排第七，钾的矿物主要有光卤石（主要为KCl·MgCl₂·6H₂O）、天然氯化钾（KCl）、钾长石（主要为KAl₃SiO₈）等。海水中也含有钾元素，但氯化钾（KCl）含量远远低于氯化钠（NaCl）。钾是人体和植物中必需元素，在人体内的含量约为0.35 w/％。铷和铯在地壳中的含量都较少，在地壳中的丰度分别为9.0×10⁻³ wt%和3.0×10⁻⁴ wt%。铷资源存在于伟晶岩、地下光卤石矿、盐湖卤水等中，主要分布在津巴布韦、纳米比亚、加拿大、德国、中国等国家。铯一般成为伴生元素矿产产出，如伟晶岩型铯榴石矿、铯锂云母、铯沸石含铯卤水等。钫由于其最长寿同位素的半衰期只有22分钟，因此基本无法稳定存在于自然界中。

碱金属的价层电子构型为ns¹，最外层电子均只有一个s电子，次外层是8电子结构（锂的次外层为2电子结构）。由于内层电子的屏蔽作用显著，碱性非常容易失去最外层的s电子，形成稳定的+1氧化态。表1：碱金属的电子构型

碱金属晶体构型均为锂（Li）、钠（Na）、钾（K）、铷（Rb）、铯（Cs）、钫（Fr）这六种金属均为体心立方结构，所以晶胞参数均为a=b=c，α=β=γ=90°。

体心立方结构图

碱金属都是具有金属光泽的银白色金属（除铯会带有一点金色光泽外），但表面很容易被氧化而失去金属光泽。它们熔点和沸点都较低，密度小质量轻。碱金属具有良好的延展性，它们质地柔软，硬度都小于2，利用小刀就可以切开。碱金属的晶体中有活动较强的自由电子，因此具有良好的导电性和导热性。钠甚至比铜、铝具有更优越的导电性能。

由于碱金属原子半径较大，最外层又只有一个电子，因此所形成的金属键较弱，从而熔沸点都较低，且同一主族金属自上而下，熔沸点降低。除金属锂以外的碱金属熔点都在100 ℃以下，铯的熔点甚至低于人体温度，放在手中就能够熔化。碱金属的熔点和沸点之间相差也较大。

碱金属为轻金属，密度都小于2 g/cm³，其中锂、钠、钾密度均小于1 g/cm³，能够浮在水面上。锂是已知最轻的金属，密度大约是水的一半。同一主族的碱金属自上而下，密度升高。碱金属由于在其同一周期中拥有最小的原子量和最大的原子半径等因素，为同周期中密度最低的金属。

碱金属在无色火焰灼烧时，会使火焰呈现出特殊的颜色，即焰色反应。焰色反应并不是碱金属本身燃烧而产生各种颜色火焰，它是因为碱金属原子或离子受热时，最外层电子容易被激发，从较高能级跃迁到较低能级，之间相应的能量会以光的形式释放出来，产生线状光谱。表2：碱金属焰色反应火焰的颜色

碱金属核外电子排布具有相似性，它们的化学性质呈规律性变化。碱金属随着核电荷数的增加，原子半径、离子半径逐渐增大，电离能和电负性逐渐减小，金属性以及还原性逐渐增强。其中，锂及其化合物有时表现与其他碱金属较为不同的化学性质。因钫（Fr）不稳定，因此其化合物研究较少。碱金属具有非常强的反应活性，从Li、Na、K、Rb、Cs的顺序活泼性依次增强，它们能与电负性较大的非金属元素形成相应的化合物。除此之外，碱金属还能与水、酸等溶液产生剧烈反应。因此为防止碱金属与空气中的氧气和水反应，除锂以外的碱金属可以保存在煤油中，锂的密度较小，可以保存在液体石蜡中。

除锂以外的碱金属都能与水剧烈反应，产生相应的强碱并释放出氢气。由于锂的熔点较高，不易熔化，因此和水的反应并不激烈。其他碱金属在和水的反应过程中放出的热量会使金属熔化成液态，并有可能会点燃产生的氢气，使其在空气中爆炸性燃烧。

碱金属的化学性质活泼，能与多种非金属单质形成相应的化合物，如氢气（H₂）、氧气（O₂）、单质硫（S）、卤素单质等。碱金属可以与氧气反应形成多种氧化物，如和Na反应可生成Na₂O₂、Na₂O。

碱金属和硫单质、卤素也可以剧烈反应。

碱金属在高温下可与H₂反应生成氢化物，其中LiH最稳定。

碱金属在加热条件下，可以与氮族元素P、As、Sb、Bi反应生成相应的化合物。锂较为特殊，在室温下可与N₂反应，其他碱金属不能与N₂反应。

碱金属具有较强的还原性，可以用于还原难溶金属氯化物，生成相应难熔金属单质，如钛、锆金属等。

和大多数金属不同，碱金属能在液氨中缓慢溶解，生成蓝色的导电溶液。溶液中含有金属离子和溶剂化的自由电子，性质十分活泼，所以碱金属的氨溶液是一种在低温中能够使用的强还原剂。当加热碱金属的氨溶液或往溶液中加入合适催化剂时，二者可以反应生成氢气和碱金属碱金属氨基化合物。

由于碱金属是很强的还原剂，能与醇、炔等有机化合物反应。除锂以外的的碱金属可与醇反应并释放出氢气。醇的种类对反应具有不同的影响，如醇的酸性越大则反应速率也快，仲醇、叔醇和高分子量的伯醇则与碱金属反应较慢。碱金属还能取代乙炔、环戊二烯等化合物中的酸性氢原子，同样会释放出氢气。锂也能同有机化合物及其卤素衍生物反应，生成相应的锂的有机化合物。

在加热或高温条件下，碱金属可以与氢气反应生成离子型的氢化物，氢化锂（LiH）是最稳定的碱金属氢化物。碱金属氢化物在常温常压下为白色粉末状结晶，均具有NaCl型晶格结构，它们的熔点、沸点都较高，熔融时还能导电。且碱金属氢化物的还原性较强，能够将许多金属卤化物还原成相应的金属或相应的卤化物。

碱金属与氧能形成二元化合物，可分为正常氧化物、过氧化物、超氧化物及臭氧化物，其中分别含有O²⁻、O₂²⁻、O₂⁻、O₃⁻。正常氧化物和过氧化物是反磁性物质，而超氧化物及臭氧化物是顺磁性物质。

碱金属中只有锂金属在空气中燃烧时能生成正常氧化物Li₂O，在含氧量不足的空气中能够制得其余碱金属的正常氧化物，但条件不易控制，极易生成相应的过氧化物或超氧化物。一般情况下，锂以外的碱金属正常氧化物可以用金属与自身的过氧化物或硝酸盐反应制得。碱金属正常氧化物颜色不相同，Li₂O和Na₂O为白色，K₂O为淡黄色，Rb₂O为亮黄色，Cs₂O为橙红色。Li₂O、Na₂O的熔点较高，其余碱金属氧化物未达到熔点就开始分解。碱金属氧化物可与水反应，但反应速率不同，Li₂O与水反应很慢，而Rb₂O和Cs₂O与水能够剧烈反应，甚至爆炸。

所有的碱金属都能形成相应的化合物M₂O₂，但只有过氧化钠可以由Na在空气中燃烧得到，其他过氧化物都是利用间接法制得，如Li₂O₂是先由LiOH·H₂O与H₂O₂反应生成LiOOH·H₂O，然后在减压加热条件下脱水得到的。碱金属过氧化物为粉末状固体，易吸潮，可与水、稀酸反应生成H₂O₂，H₂O₂不稳定会立即分解放出氢气。碱金属过氧化物还可以与二氧化碳反应生成氧气。碱金属过氧化物可以作为氧化剂、漂白剂以及氧气发生剂。

除锂金属以外的碱金属都可以形成超氧化物MO₂，其中，K、Rb、Cs在空气燃烧可直接生成超氧化物。超氧化物都有颜色，NaO₂为黄色固体，KO₂为橙黄色固体，RbO₂为深棕色固体、CsO₂为深黄色固体。只有阳离子半径较大的超氧化物稳定性能较好，如KO₂、RbO₂、CsO₂，而NaO₂的稳定性较差。超氧化物是一种强氧化剂，可以与水反应立即生成O₂和H₂O₂。超氧化物在高温下会分解为氧化物和氧气，与CO₂反应也会生成氧气。

除锂金属以外的碱金属都可以形成超氧化物MO₃，干燥的NaOH、KOH、RbOH、CsOH固体与臭氧反应可制得臭氧化物。碱金属的臭氧化物在室温下会缓慢分解为超氧化物和氧气，遇水也会激烈反应生成氧气和碱金属的氢氧化物。

除氢氧化锂（LiOH）为中强碱外，其余碱金属的氢氧化物都是强碱，在常温常压下均为白色的固体，在空气中易潮解。碱金属的氢氧化物易溶于水，在溶解过程过中会释放大量的热，碱金属的氢氧化物溶解度随同主族自上而下增加，因此氢氧化锂的溶解度稍小一些。碱金属氢氧化物的碱性大小排序：LiOH<NaOH<KOH<RbOH<CsOH

碱金属常见的盐有卤化物氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl），硝酸盐硝酸钾（KNO₃）、硝酸钠（NaNO₃）、硫酸盐十水硫酸钠（Na₂SO₄·10H₂O，俗称芒硝），碳酸盐碳酸锂（Li₂CO₃）、碳酸钠（Na₂CO₃）等。除锂盐外，碱金属盐都是离子型化合物，大部分都能溶于水，少部分难溶于水，如K₂Na[CO(NO₂)₆]、Na[Sb(OH)₆]等。锂的强酸盐易溶于水，但锂的弱酸盐难溶于水，如LiF、Li₂CO₃、Li₃PO₄等。碱金属盐一般具有较强的热稳定性，如碱金属硫酸盐在高温下既不会挥发也不分解，但硝酸盐热稳定性能较差，加热易分解。

Na、K、Fr、Cs可以与酸性有机物生成相应的盐，即使是很弱的酸如醇、炔，都可以与其反应。常见的碱金属有机酸盐有甲酸钠（HCOONa）、甲酸铯（HCOOCs）、乙酸钠（CH₃COONa）、乙酸铷（CH₃COORb）、月桂酸钠（CH₃(CH₂)₁₀COONa）等。Li也能生成很多种有机锂化合物，主要有烷基锂、芳基锂、胺基锂等，例如丁基锂（C₄H₉Li）、甲基锂（CH₃Li）、乙基锂（CH₃CH₂Li）、乙烯基锂（CH₂CHLi）、苯基锂（C₆H₅Li）等。

由于锂、铷、铯在地壳中含量较少，需先从矿物中提取分离金属再进行提纯。

天然可开采的锂资源较丰富，主要有含锂矿物（如锂云母、锂辉石、透锂长石）、天然卤水等。可利用硫酸法从含锂矿物中提取锂，具体步骤为先将含锂矿石高温焙烧后进行硫酸化焙烧和浓硫酸常温浸泡，在加入纯碱液除去铁、铝、钙、镁等杂质。剩余溶液再经过沉锂、蒸发浓缩等步骤后可得到碳酸锂（Li₂CO₃），最后从碳酸锂中提取锂。从天然卤水中提取锂的方法有溶剂萃取法、吸附法等，溶剂萃取法是利用离子在不同溶剂中的溶解度不同，锂离子将会从溶解度较小的卤水相扩散到溶解度较大的有机相，最后浓缩得到锂。吸附法是利用合适的吸附剂选择吸附溶液中的锂离子，再将锂离子洗脱下来。

铷、铯在地壳中丰度较低，常常是以伴生元素矿产产出，如可从天然光卤石、锂云母中提取。锂云母中含有少量的铷和铯，在经过浓硫酸法处理锂云母过程后，再加入盐酸和三氯化锑盐酸，可得到Cs₃Sb₂Cl₉，铷留在母液中。还可以从铯榴石中提取铯，常用的方法有直接还原法、氯化焙烧法。直接还原法是利用钙、镁还原剂从铯榴石直接还原得到铯。氯化焙烧法是将铯榴石与Ca）、CaCl₂一起高温烧结得到CsCl。

碱金属只能用电解类的高能量方法分离，锂和钠通常用电解熔融氯化物的方法获得，钾、铷、铯则一般用金属热还原的方法制备。

熔盐电解法是电解熔融盐，一段时间后，阴极析出金属，阳极析出氯气的方法。早在19世纪，就有科学家利用电解LiCl的方法制出了大量的金属锂。科学家已改进为电解LiCl-KCl混合物。金属钠的制备主要采用点解NaCl。

金属热还原法就是以钠、钙、镁等金属为还原剂还原金属的卤化物或氧化物得到所需金属。金属热还原法是制备金属铷和金属铯常用的方法。由于金属钾极易溶于熔融的氯化物中，比较难分离，所以一般用金属热还原法制备金属钾。

锂盐（如碳酸锂）能够降低体内的氧化应激水平，有效治疗双相障碍抑郁症等心理疾病，同时锂盐还具有神经保护作用，防止谷氨酸兴奋性中毒。¹³⁷铯可以作为放射原治疗乳癌、肺癌、食管癌、皮肤癌、宫颈癌等癌症。一些铷盐（如氯化铷）可以作为密度梯度介质，用于超速离心分离DNA和RNA。还有一些铷盐可以作为镇静剂和治疗甲状腺肿大、癫痫病等疾病。钾和钠是人体内必可不缺的元素，已上市多种含钠和含钾的药物，如抗癫痫药苯妥英钠、丙戊酸钠，解热镇痛药双氯芬酸钠，酸碱平衡调节药碳酸氢钠，电解质平衡调节药氯化钾，青霉素类药物阿莫西林克拉维酸钾。

锂及其化合物能够作为关键材料生产高性能、无污染的新型绿色环保电池，如锂离子电池。锂离子电池可用于摄像机、照相机、手机、笔记本电脑等中。而且往锂离子电池中添加铷、铯阳离子，能够提高锂电池的电化学性能。除了人们所熟知的锂离子电池，科学家们已经成功研发了钠离子电池和锂离子电池。相比于锂离子电子，钠离子电池和锂离子电池具有资源丰富、价格低廉等特点。铷具有良好光电特性、导电性和化学活性，可用于制造光电池、光电发射管、电视摄像管等。铷和铯金属还能用于制备精准的原子钟，铯的微波原子钟是现有的测量最高标准精确度的原子钟之一。

钾是植物维持生命的一种重要元素，因此常常需要对植物施加钾肥，钾肥具有提高植物根系活力、提高植物光合速率、促进植物对N、P的吸收等功能。钠聚合物（如聚丙烯酸钠）常常在农业中作为土壤保水剂，增强土壤持水能力。

由于铷、铯具有易离子化等特征，在新的能量转换方式中的应用起到了重要作用，如离子推进火箭、磁流体发电、热离子转换发电等方面。核能源作为一种新能源，用少量的染料可以获得巨大的能力。锂可以作为核聚变反应堆中氚[chuān]的再殖源和反应堆的冷却介质。钠和钠钾合可以作为增值反应堆中的热交换液。

碱金属在其他许多方面还有应用，如碱金属可以作为多种反应的催化剂。铷、铯金属及其化合物（如碳酸铷）可以添加至玻璃中成为特种玻璃，铷、铯的加入会提高玻璃稳定性、耐腐蚀性等性能，含铷特种玻璃已经应用于通讯光纤、夜视镜等领域。超氧化钾可以作为呼吸面罩供氧剂，应用于潜水艇、医院等地方。碳酸钾可以用于制造陶瓷和玻璃。锂铝合金因低密度、高比强度、高温性能好等优点，可用于制作火箭和飞机的燃料贮箱等。

锂/钠/钾/铷：H260：与水接触释放易燃气体，可能自燃H314：导致严重皮肤烧伤和眼睛损伤铯H260：与水接触释放易燃气体，可能自燃H314：导致严重皮肤烧伤和眼睛损伤H318（14%）：导致严重眼部损伤

如果不小心吸入碱金属粉末，请立即将患者转移至新鲜空气处，保持呼吸道通畅；若皮肤接触到碱金属，请立即脱去污染的衣着，并用流动清水冲洗，若接触部分仍有不适感，请立即前往医院就医；若眼睛中不小心进入了碱金属，请立即分开眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗，冲洗结束后立即前往医院就医。若不小心误食碱金属，请立即漱口并饮用牛奶或蛋清，不要使用催吐剂，然后前往医院就医。

若由碱金属引发的火灾，请不要用水或泡沫灭火器灭火。若引发小火，可使用干粉灭火器、苏打灰、石灰或沙子灭火。若引发大火，可使用干燥的沙子、干燥的化学物质、苏打灰或石灰灭火。或者从该区域撤离，让火燃烧。如果可以安全进行，将未损坏的容器移离火灾周围区域。