碱金属

3 Li
Li,3.jpg
11 Na
Na,11.jpg
19 K
K,19.jpg
37 Rb
Rb,37.jpg
55 Cs
Cs,55.jpg
87 Fr

碱金属是指在元素周期表中同属一的六个金属元素:[1]。根據IUPAC最新的規定,碱金属属于元素周期表中的第1族元素[注解 1] 碱金属均有一个属于s轨道的最外层电子,[3][4][5],因此这一族属于元素周期表的s区[6]碱金属的化学性质显示出十分明显的同族元素相似性,是化学元素周期性英语periodic trends的例证之一。[3]尽管也同属于第1族[1][7],但其显现的化学性质和碱金属相差甚远,[8]因此通常不被认为是碱金属。[9][10]

碱金属有很多相似的性质;都是银白色的金属密度小、熔点沸点都比较低、标准状况下有很高的反应活性英语reactivity (chemistry)[3]它们易失去价电子形成带一个单位正电荷的阳离子[11]:28 它们一般质地较为柔软,可以用刀切开,露出银白色的剖面;由于能和空气中的氧气反应,剖面暴露于空气中将很快失去光泽。[3]由于碱金属化学性质都很活泼,贮存时一般将它们放在礦物油中,或封于稀有气体中保存,以防止其与空气或水发生反应。[12]在自然界中,碱金属元素只有化合态,不能以稳定单质形式存在。[12] 碱金属都能和水发生激烈的反应,生成碱性的氢氧化物,其反应能力与剧烈程度随着原子序数的增大而越强。 [3][13]

所有已发现的碱金属均天然存在于自然界中。按照化學元素豐度顺序,自然界化学丰度最高的是钠,其次是钾,接下来是锂、铷、铯,最后是钫。钫的放射性很强,因此只能作为天然衰變鏈的产物,在自然界中痕量存在。[14][15]已有实验试图合成可能的第七个碱金属Uue,但截至目前均以失败告终。[16]此外,由于相对论效应会极大影响包括Uue在内的超重元素的性质,因此Uue可能不是碱金属;[17]即使它真的是碱金属,它的物理性质和化学性质也可能会和其它六个碱金属有较大差异。[18]:1729–1733

碱金属有多种用途。铷或铯的原子钟是游离态碱金属元素最著名的应用实例之一,[19]其中以铯原子钟最为精准。[20][21]钠化合物较为常见的一种用途是制作钠灯,一种高效光源。[22][23] 人类对食盐(氯化钠)的使用可追溯到古代。钠和钾是生物体中的电解质,具有重要的生物学功能,属于膳食矿物质[24][25]尽管其它碱金属并非膳食矿物质,它们同样会对身体产生或有益或有害的影响。[26][27][28][29]

性质

化学性质

碱金属元素的样品,保存在矿物油中以防氧化。从左至右:锂、钠、钾、铷、铯

这一族的核外电子结构(特别是最外层电子)模式特殊,因此它们的化学性质呈规律性变化:

Z 元素 核外电子构型 电子排布[注解 2]
3 2, 1 [He] 2s1
11 2, 8, 1 [Ne] 3s1
19 2, 8, 8, 1 [Ar] 4s1
37 2, 8, 18, 8, 1 [Kr] 5s1
55 2, 8, 18, 18, 8, 1 [Xe] 6s1
87 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1 [Rn] 7s1

由于具有强烈的放射性,钫可展现的的化学性质十分有限,因此它的化学性质并未得到深入研究。[3]对碱金属元素的化学性质研究主要针对这一族的前五个元素。

即使在低温下,铯和水反应也会导致爆炸

已知的碱金属元素均为活泼金属,至今尚未发现碱金属的天然单质。[30] 因此,碱金属通常泡在矿物油煤油中保存。 [12] 碱金属和卤素剧烈反应生成卤化物,为白色的离子晶体,除氟化锂外均可溶于水。[3] 碱金属和水反应生成强碱性氢氧化物溶液,因此应当妥善保存。原子量越大(越“重”)的碱金属,反应越为剧烈:比如铯加入水中引发的爆炸比钾更剧烈,就是一个例子。[3][13] [20]

由于拥有较低的有效核电荷,且只需失去一个电子就能达到稀有气体电子结构,[3]碱金属元素的 第一电离能是同周期元素中最低的。[5]与之相对的是,碱金属的第二电离能普遍很高,因为失去一个电子的碱金属离子为稀有气体电子结构,而且电子和原子核的距离下降了。这一能量差异导致碱金属在反应中通常失去一个电子,形成一价正离子。[11]:28

化学家起初认为碱金属不会形成负离子,但后来的研究发现了一类含负一价碱金属离子的不稳定化合物,称作碱化物。碱化物中的碱金属负离子有充满的s亚层,这使得它更加稳定。“反氢化钠”,H+Na-,是这类化合物中一个引入注目的例子。通常的氢化钠应当是Na+H-[31]反氢化钠具有与之相反的电荷分布。因此,反氢化钠的能量高,纯净物很不稳定,但它的几种衍生物已被预测为稳定或 介稳定英语Metastability的。[31][32]根据目前已知的信息,除锂之外的碱金属都能形成碱化物。[33][34][35]碱化物的化学性质和电子盐(一种以束缚电子为负离子的盐)类似。[36]由于拥有不同寻常的化学计量和低电离电位,碱化物有很高的理论研究价值。

锂离子(Li+)的半径很小,会极化化合物中的阴离子,使化合物具有一定共价性;[3] 因此,锂的化学性质和这一族中的其他元素有一些差异。例如,氟化锂是唯一不溶于水的碱金属卤化物;[3]氢氧化锂是唯一不潮解的碱金属氢氧化物。[3]锂和存在对角线规则[3]锂的某些化学性质和镁相近。比如说,锂可以形成稳定的氮化物,这一性质在镁所在的碱土金属中很普遍,但在碱金属中则显得独特。[37]此外,在各自所在的族中,只有锂和镁可以形成共价有机金属化合物[38]根据推测,钫和其它碱金属也会有一些性质差异。钫的原子量很高,它的电子运动较快,会引发更明显的相对论效应,钫具有的7s电子因而会更稳定。根据推测,钫的电负性、电离能会比铯更高,这和碱金属从上到下电负性和电离能的变化趋势相反。此外,钫的原子半径可能会反常地低。[18]:1729[39]

化合物及反应

碱金属與氧氣和水的反應
和水的反应(碱金属氢氧化物)
大规模的橙黄色爆炸
3 (≈ 1.4 kg)钠和水的反应

所有的碱金属都可和冷水剧烈反应——乃至产生爆炸——生成强碱性的碱金属氢氧化物水溶液,释放氢气[40]沿这一族从上到下,反应逐渐加剧:锂和水反应平缓进行,伴有冒泡现象;钠和钾与水反应可产生燃烧;铷和铯沉入水中,迅速产生大量氢气并产生冲击波,足以将玻璃容器击碎。[3]碱金属放入水中时产生的爆炸分为两个独立阶段:首先,金属和水反应,产生氢气。这一步中,反应性更强的重碱金属元素能更快地产生氢气。接下来,反应第一阶段产生的热量通常会点燃新产生的氢气,使其在空气中爆炸性燃烧。这一氢气爆炸可在水面上产生可见的火焰,而刚开始的金属和水的反应主要在水下进行,因此不产生火焰。[13]

但是碱金属在水中发生爆炸原因仍存在争议。2015年国外的一份文献中称,碱金属与水反应在其接触水的一瞬间就被决定了,碱金属与水反应中碱金属会瞬间释放自己的电子,使之无法束缚自己内部的正电荷继而引发爆炸。[41]

和第14族(第IVA族,碳族)元素的反应
从侧面 (左图) 和上方 (右图) 看去的 石墨层间化合物 KC8结构。

锂和钠可与反应生成 乙炔化合物英语Acetylide(Li2C2和Na2C2),这类化合物也可由金属与乙炔反应制得。钾、钠、铷和铯可与石墨反应,碱金属原子嵌入到六边形的石墨层中,形成石墨层间化合物MC60(深灰色、近乎黑色)、MC48(深灰色、近乎黑色)、MC36(蓝色)、MC24(钢蓝色)、MC8(铜黄色)。它们的导电性比纯石墨强200倍,说明碱金属的价电子转移到石墨层中,形成M+Cx-的化合物。[42]加热KC8时,钾原子发生脱嵌。随着加热时间的增长,逐渐形成KC24、KC36、KC48直到KC60.KC8是强还原剂,可自燃,接触水则爆炸。[43][44]和石墨反应时,较大的碱金属原子(钾、铷、铯)开始时形成KC8,而小的碱金属原子开始时形成形成KC6.[45]

碱金属和碳族其它的元素反应时,生成含笼状结构的离子化合物。例如硅化物M4Si4(M=K,Rb,Cs),含有M+和四面体Si44-离子。[42]碱金属锗化物中含有简单的Ge4-离子,以及其它的簇合(津特耳相)离子,Ge42-, Ge94-, Ge92-, 以及 [(Ge9)2]6−. 其化学性质和相应的硅化物相近。[11]碱金属锡化物主要为离子化合物。阴离子有Sn4-离子,[46]有时有更复杂的簇合离子,例如K4Sn9 中的 Sn94-. [47]简单的铅阴离子(Pb4-)尚未发现;碱金属铅化物均含有复杂的簇合离子。[11]

和第15族(第VA族,氮族)元素的反应

锂是唯一在标准状况下和氮气反应的碱金属,它的氮化物也是唯一稳定的碱金属氮化物。破坏N2分子中的N-N三键需要很高的能量,因而N2显惰性。形成碱金属氮化物需要消耗能量,从而将碱金属电离生成M+离子,破坏N2分子的三键并形成N3-离子;这些能量由形成碱金属氮化物释放的晶格能进行补偿。离子半径越小,电荷越高,晶格能越大;而碱金属无法形成高电荷离子,因而碱金属氮化物的晶格能只取决于金属离子的半径。所以,只有半径最小的锂能够释放足够的晶格能,让形成氮化物的反应成为一个放热反应,形成Li3N.而其它的碱金属无法释放足够的晶格能,形成氮化物的反应是吸热的,因而在标准条件下不生成氮化物。[37] Na3N和K3N极不稳定,容易分解为原来的组成元素(氮气和碱金属)。[49][50]

碱金属均易于和反应,生成M3P/M3As. P3- 和As3-的半径更大,形成化合物需要提供的能量更低,因而不需要很高的晶格能。[42] M3P/M3As不是仅有的碱金属磷化物或砷化物。钾有9种不同的已知磷化物:K3P, K4P3, K5P4, KP, K4P6, K3P7, K3P11, KP10.3, 以及 KP15. [51]大多数金属可生成砷化物,而只有碱金属、碱土金属可生成离子型砷化物。Na3As的结构很复杂:其中的Na-Na距离为328-330pm,比金属钠单质中的Na-Na距离更短。这说明即使和低电负性的碱金属形成的化学键也不是纯粹的离子键。[11]已发现M3As以外的碱金属砷化物。比如LiAs,它带有金属光泽和强导电性,说明其中可能存在金属键[11]碱金属碱金属化物中的Sb3-离子是强还原剂,因此碱金属锑化物不稳定,易发生反应。碱金属锑化物和酸反应形成不稳定的剧毒气体SbH3.[52]铋化物不完全为离子性,而是含有部分离子键和部分金属键的金属互化物[53]

和第16族(VIA族,氧族)元素的反应
两个共面的正八面体的球棍模型。这一结构的9个顶点上的紫色球代表铷,两个八面体中心的小红球代表氧。
Rb9O2 簇合物, 由两个共面的 正八面体 组成
三个两两共面的正八面体的球棍模型。三个正八面体有一条共用棱。这一结构的11个顶点上的紫色球代表铯,每个八面体中心的小红球代表氧。
Cs11O3 簇合物, 由三个八面体构成。三个八面体两两共面,有一条共用棱。

标准状况下,碱金属均可和氧气剧烈反应,形成多种多样的氧化物。比如简单氧化物(含O2-离子),过氧化物(含O2−
2
离子,氧原子间存在单键),超氧化物(含O
2
离子)等。锂在空气中燃烧生成氧化锂;钠和氧气反应生成氧化钠过氧化钠的混合物;钾则形成过氧化钾超氧化钾的混合物;铷和铯只形成超氧化物。锂、钠和钾在空气中仅仅是燃烧,而铷和铯可在空气中自燃,这也说明碱金属从上到下反应性增强。[37] 半径小的碱金属离子趋向于极化复杂的负离子(过氧化物和超氧化物),将复杂离子中的电子吸引到其中的一个氧原子中,形成一个O2-离子和一个氧原子。因此,锂在室温下和氧气反应只生成简单氧化物;而钠和钾的半径更大,极化效应更弱,因而可以形成较不稳定的过氧化物。这一族中最下方的铷和铯半径很大,可以形成最不稳定的超氧化物。形成超氧化物释放的能量最多,因此较大的碱金属原子和氧气反应更趋向于生成超氧化物。铷和铯的简单氧化物和过氧化物确实存在,但是无法在标准状况下由碱金属和氧气反应制得。[37]不过如果控制反应条件,除钫之外的所有碱金属都能形成简单氧化物,过氧化物和超氧化物。碱金属过氧化物和超氧化物是强氧化剂过氧化钠超氧化钾可与二氧化碳反应,形成碱金属碳酸盐和氧气,因而在潜艇的空气净化器中被使用。呼出气体中的水蒸气可使超氧化钾除去二氧化碳的反应更加高效。[42][54]

铷和铯可形成比超氧化物更复杂的氧化物。铷在空气中被氧化可生成Rb6O和Rb9O2.铯生成的氧化物种类丰富得多,比如臭氧化物CsO3, [55][56]以及几种色彩鲜明的低氧化物,如Cs7O, Cs4O, Cs11O3, Cs3O (深绿色[57]), CsO, Cs3O2,[58]以及Cs7O2.[59][60]真空下加热Cs7O2可生成Cs2O.[61]

碱金属可和较重的氧族元素)发生类似反应。除钫之外,所有的M2Ch(M为碱金属,Ch=S、Se、Te、Po)都是已知的。碱金属和过量的氧族元素反应生成M2Chx,其中的氧族元素原子连接成链状。比如,钠可和硫反应生成硫化钠(Na2S)以及各种多硫化钠(Na2Sx, x=2~6),其中含有S2−
x
离子。[42] Se2-和Te2-的碱性使得碱金属硒化物水溶液和碲化物水溶液呈碱性。碱金属和硒、碲直接反应时,除生成M2Se或M2Te之外,还生成多硒化物和多碲化物。[62]碱金属在300-400  °C下和钋直接反应,形成含Po2-离子的碱金属钋化物,后者化学上十分稳定。[11][63][64]

和第17族(VIIA族,卤素)元素,以及氢气的反应

碱金属是元素周期表中电负性最低的元素,因而趋向于和电负性最高的鹵素形成离子键,产物为碱金属卤化物。氯化钠,也就是通常所说的食盐,就是其中之一。碱金属和卤素的反应性呈规律性变化:从锂到铯,反应性越来越强;从,反应性越来越弱。碱金属卤化物化学式均为MX(M为碱金属,X为卤素),均为白色离子晶体,常温下为固态。[3][37]氟化锂之外,碱金属卤化物均可溶于水。氟化锂中的Li+和F-的半径都很小,二者间静电相互作用很强,因而氟化锂的晶格能很高,因此不溶于水。[3]

碱金属也可和氢气进行类似反应,生成离子化合物——碱金属氢化物。[42]

配位化合物
和钾离子配合的18-冠-6,
捕获了钾离子(紫球)的[2.2.2]穴醚的结构,由X-射线衍射测得。[65]

碱金属的半径很大,而电荷仅有+1,所以碱金属通常不和简单的路易斯碱生成配合物。半径最小的Li+有最多的配合物,随着离子半径增大,形成的配合物越来越少。水溶液中,碱金属离子以八面体的六水合离子([M(H2O)6]+)存在;由于锂离子半径小,因而形成的是正四面体的四水合离子[Li(H2O)4]+.由于水分子的极性,二者由静电力相互吸引,形成水合离子。因此,含碱金属离子的无水盐常被用做干燥剂[42]同样由于静电相互作用的原因,碱金属易于和冠醚穴醚形成配合物。比如,Li+可和12-冠-4形成配合物,Na+15-冠-5形成配合物,K+18-冠-6形成配合物。[42]

氨溶液

和大多数金属不同,碱金属在液氨中缓慢溶解,生成氢气和碱金属 氨基化合物英语Metal amides(MNH2).使用催化剂可加速这一过程。形成的氨基化合物不溶于液氨,从体系中析出;剩余的液体是有明显颜色的碱金属液氨溶液。这类溶液中含有 溶剂化电子英语Solvated electron,因而颜色明显,具有强导电性。浓度小于3mol/L时,溶液呈深蓝色,导电性是氯化钠水溶液的10倍;浓度大于3mol/L时,溶液显铜黄色,导电性能和液态金属(如)相近。[11][42][66]除了氨基化合物与溶剂化电子,溶液中还有碱金属离子(M+),碱金属原子(M),碱金属双原子分子(M2)和碱金属负离子(M-)。后三种粒子均不稳定,最终生成热力学稳定的碱金属氨基化合物和氢气。氨合电子为强还原剂,常在化学合成中使用。[42]

金属有机化学
甲基锂四聚体(CH3Li)4的结构

锂形成的有机金属化合物种类最多,相对最为稳定,成键为共价键。有机锂试剂为不导电的固体或液体,熔点低,易挥发,趋向于生成化学式为(RLi)x的多聚物(R为有机基团)。以甲基锂为例,其化学式为(CH3Li)x,x=4或6,结构分别为正四面体型和正八面体型。[42][67]有机钠化物和有机钾化物也是多聚的。[68]锂的电负性低,因而锂-碳键的电荷密度主要集中在碳原子上,可有效形成碳负离子;因此,有机锂化合物是非常强力的,也是强力的亲核试剂丁基锂常被用做强碱,已经投入商业化生产。

有机钠试剂在化学中的应用较为有限。相比较而言,有机锂试剂已投入商业化生产,且反应性能更易于使用。有些有机钠试剂具有商业意义,其中最主要的是环戊二烯基钠四苯硼钠也可归类为有机钠化物,因为在固态下这一化合物中的钠和芳基形成化学键。更重的碱金属形成的有机金属化合物反应性更强,应用更为受限。施洛瑟碱是这类化合物中的一种重要试剂。它是正丁基锂叔丁醇钾的混合物,可和丙烯反应,生成丙烯钾(KCH2CHCH2)。 顺-2-丁烯和反-2-丁烯在和碱金属接触时实现化学平衡。所用的碱金属为锂和钠时,这一异构化反应进行得较快;而使用钾、铷、铯时进行得较慢。钾、铷、铯更倾向高位阻的构象。[69]有机钠、有机钾、有机铷和有机铯化合物成键以离子性为主,在非极性溶剂中几乎不可溶。[42]

物理性质

铯有金色光泽,其它的碱金属均为银白色。[70]碱金属都很软,具有较低的密度熔点以及沸点[3]

下表总结了碱金属的物理性质和原子性质。标有问号的数据尚未确定,或者是由元素周期律推断所得,并非实际测量结果。

碱金属 标准原子量
u[注解 3][72][73]
熔点 沸点[5] 密度
(g/cm3
电负性
(鲍林标度)
第一电离能
(kJ•mol−1
原子半径
pm
焰色反应
6.94(1)[注解 4] 453.69 K,
180.54 °C,
356.97 °F
1615 K,
1342 °C,
2448 °F
0.534 0.98 520.2 152 红色[3][74] FlammenfärbungLi.png
370.87 K,
97.72 °C,
207.9 °F
1156 K,
883 °C,
1621 °F
0.968 0.93 495.8 186 橙黄色[3][74] Flametest--Na.swn.jpg
39.0983(1) 336.53 K,
63.38 °C,
146.08 °F
1032 K,
759 °C,
1398 °F
0.89 0.82 418.8 227 紫丁香色 或粉色[3][74] FlammenfärbungK.png
85.4678(3) 312.467 K,
39.31 °C,
102.76 °F
961 K,
688 °C,
1270 °F
1.532 0.82 403.0 248 红色或紫红色[3][74]  
132.9054519(2) 301.59 K,
28.44 °C,
83.19 °F
944 K,
671 °C,
1240 °F
1.93 0.79 375.7 265 蓝色或紫色[3][74] Flame test of CsCl (B).jpg
[223][注解 5] ? 300 K,
? 27 °C,
? 80 °F
? 950 K,
? 677 °C,
? 1250 °F[75]
? 1.87 ? 0.7 380 ? ?  

元素周期律

元素周期表中,碱金属族是族内元素性质最为相近的一族。[3]沿着周期表从上到下,碱金属元素的原子半径逐渐升高,[76] 电负性逐渐降低,[76] 反应性英语Reactivity (chemistry)逐渐升高,[3]熔沸点逐渐降低。[76]总体而言,碱金属的密度从上到下逐渐升高;钾是一个例外,它的密度比上面的钠略低。[76]

原子半径和离子半径
作用于原子电子的有效核电荷
碱金属的原子半径离子半径 [3][注解 6]
碱金属 原子半径
pm
离子半径
pm
152
60
186
95
227
133
248
148
265
167

沿周期表从上到下,已知的碱金属原子半径逐渐升高。[76]由于屏蔽效应,当一个原子有多于一个电子层时,每个电子被原子核吸引的同时都受到其他电子的排斥。[77]碱金属价电子只受到一个+1的净电荷的作用,因为部分有效核电荷被内层电子(除去最外层的所有电子)所抵消,而碱金属内层电子的数量永远比核电荷数少一个。因此,碱金属原子半径只和电子层数有关;电子层数随周期数增加而增加,因此碱金属原子半径从上到下逐渐增大。[76]

碱金属的离子半径比原子半径小得多。失去最外层电子后,碱金属离子比碱金属少一层电子,因而半径更小。此外,碱金属离子的有效核电荷升高了,原子核对核外电子的吸引更强烈,导致半径减小。[3]

第一电离能
第一电离能的周期性变化。每一周期以电离能最低的碱金属开始,以电离能最高的稀有气体结束。
碱金属的第一电离能[78][79][注解 7]
碱金属 第一电离能(kJ/mol)
520.2
495.8
418.8
403.0
375.7
380[注解 8]

元素分子的第一电离能指将最容易解离的电子从气态原子/分子中解离出来,形成带+1电荷的气态离子所需的能量。第一电离能受有效核电荷数、内层电子的屏蔽效应、最易解离的电子(对主族元素而言,通常是最外层电子)到原子核距离的影响。核电荷数与屏蔽效应影响作用于易解离电子的有效电荷。作用于碱金属最外层电子的有效电荷相同(均为+1),因此影响第一电离能的只有最外层电子到原子核的距离。沿这一族从上到下,外层电子到原子核的距离逐渐升高,核对最外层电子的吸引逐渐减弱, 第一电离能因而逐渐降低。[76]钫是这一趋势的特例。由于相对论效应的作用和7s轨道的收缩,钫的价层电子比非相对论模型的预测值更为接近原子核,价电子受到更多的吸引力,因此钫的第一电离能比铯略高。[18]:1729由于碱金属原子的最外层电子只受到一个有效电荷作用,且失去一个电子后能形成稳定的稀有气体电子构型,因此碱金属的第一电离能是同周期元素中最低的。

碱金属元素的第二电离能远高于第一电离能,因为第二易解离的电子位于一个全充满的电子轨道中,因此难以解离。[3]

反应活性

沿周期表从上到下,碱金属反应性逐渐升高,这是碱金属的第一电离能和 原子化能英语Enthalpy of atomization共同作用的结果。由于碱金属的第一电离能从上到下逐渐降低,外层电子逐渐易于在反应中解离,反应性逐渐升高。 原子化能被用来衡量元素的金属键强度,随着碱金属从上到下原子半径上升,金属原子核间距上升,金属键的离域电子到原子核的距离上升,原子化能下降。将原子化能与第一电离能相加,可以得到一个数值,它和碱金属参与反应所需的活化能密切相关(但不相等)。从上到下,这个数值逐渐降低,碱金属的反应活化能也逐渐降低。因此,化学反应可以更快进行,反应性因而从上到下逐渐增加。[40]

电负性
元素周期表上的主族元素第二周期第六周期的鲍林电负性(y轴)变化示意图
碱金属电负性 [5][注解 9]
碱金属 电负性
0.98
0.93
0.82
0.82
0.79
? 0.7[注解 10]

电负性描述原子官能团吸引电子的能力。[82]假如氯化钠之间形成的是共价键,由于氯的电负性更高,两个原子间的共用电子对会被吸引到靠近氯的一侧。由于氯和钠的电负性相差实在太大,共用电子对过于靠近氯,实际上已经可以看做钠上的电子被氯夺走,因此在氯化钠固体中实际形成的是离子键。如果将钠换成锂的话,电子对就不会离氯这么近。由于锂原子半径小,电子对与锂的有效核电荷的距离更近,碱金属原子和共用电子对之间的吸引力增强了。由此得出,半径较大的碱金属原子吸引共用电子对的能力更差,电负性越低。[76]

由于锂的电负性较高,锂的某些化合物显共价性。比如,碘化锂可溶于有机溶剂中,大多数共价化合物拥有这一性质;[76] 氟化锂是唯一不溶于水的碱金属卤化物;[3] 以及氢氧化锂是唯一不潮解的碱金属氢氧化物。[3]

熔沸点
碱金属的熔点和沸点[5][注解 11]
碱金属 熔点 沸点[5]
453.69 K (180.54 °C)
1615 K (1342 °C)
370.87 K (97.72 °C)
1156 K (883 °C)
336.53 K (63.38 °C)
1032 K (759 °C)
312.46 K (39.31 °C)
961 K (688 °C)
301.59 K (28.44 °C)
944 K (671 °C)
? 300 K (? 27 °C)[注解 12]
? 950 K (? 677 °C)[75][注解 12]


加热金属至其熔点时,原本将金属原子束缚在一起的金属键变弱,原子因而可以自由移动;加热至沸点时,金属键完全断裂。[76][84]因此,碱金属熔沸点的变化规律说明碱金属的金属键强度从上到下逐渐变弱。[76]金属原子由原子核与离域电子之间的静电引力束缚在一起。[76][84]从上到下碱金属的原子半径升高,离域电子和原子核的距离增大,金属键因而变弱,导致熔沸点降低。[76]由于内层电子的屏蔽效应,核电荷的变化可忽略。[76]

密度
碱金属的密度[5][注解 13]
碱金属 密度 (g/cm3
0.534
0.968
0.89
1.532
1.93
? 1.87

碱金属晶体均为体心立方结构。[11],因此影响密度的只有两个因素:单位体积可容纳的原子数,以及单一原子的质量。单位体积可容纳的原子数由原子半径决定,因此如果知道碱金属的原子半径和原子量数值,就可计算碱金属的密度。由结果来看,碱金属的密度从上到下依次增高,钾是一个例外。由于拥有同一周期中最小的原子量和最大的原子半径,碱金属是同一周期中密度最低的金属。[76]锂、钠、钾是仅有的三个密度小于水的金属元素。[3]

原子核稳定性

碱金属的主要同位素
Z
碱金属
稳定同位素
原生核素英语primordial element
斜体字表示不稳定核素
奇数-奇数同位素以粉色表示
3 2 7
Li
6
Li
 
11 1 23
Na
   
19 2 1 39
K
41
K
40
K
37 1 1 85
Rb
87
Rb
 
55 1 133
Cs
   
87 无原生核素

碱金属的原子序数均为奇数,因此它们的同位素只可能为 奇数-奇数核素英语odd-odd nuclei(质子数和中子数均为奇数,质量数为偶数)或 奇数-偶数核素英语odd-even nuclei(质子数为奇数,中子数为偶数,质量数为奇数)。奇数-奇数 原生核素英语primordial nuclide较为罕见——这类核素通常会发生β衰变,衰变产物为偶数-偶数核素,后者拥有更高的束缚能,因而更加稳定。 [85]

由于奇数-奇数核素十分罕见,碱金属几乎所有的主要同位素均是奇数-偶数核素。碱金属奇数-奇数同位素中,锂-6是稳定的,钾的放射性同位素钾-40也有较长的寿命。对一个给定的奇数质量数,只能有一种 β衰变稳定同位素英语beta-decay stable isobars(不产生β衰变的同位素)。和偶数-偶数核素与奇数-奇数核素间的束缚能差距相比,奇数-偶数核素与偶数-奇数核素的束缚能几乎没有差距,因此和β衰变稳定同位素质量相等的其它核素(同量素)会产生β衰变,生成能量最低的核素。总之,质子数和/或中子数为奇数的核素相对不稳定,这就导致拥有奇数原子序数的元素——例如碱金属—— 拥有的稳定同位素数量比原子序数为偶数的元素少。26种单一同位素元素中,除之外的所有成员的质子数均为奇数,中子数均为偶数。(铍的质子数为偶数,中子数为奇数)[85]

钠、钾、铷、钫拥有天然存在的放射性同位素: 钠-22和钠-24为 宇生英语cosmogenic痕量放射同位素 [86],钾-40和铷-87有很长的 半衰期,得以在自然界中存在,[87]钫的所有同位素均具有放射性[87] 20世纪初,人们认为铯是放射性的,[88][89]尽管它没有天然放射性同位素。[87][注解 14]钾的天然放射性同位素K-40约占自然界中的钾的0.012%,因此自然界的钾存在微弱的放射性。[90]正是钾产生的这一微弱辐射,导致1925年有人错误地声称发现了87号元素。[91][92]

铯-137是一种β放射源,也是一种强γ放射源。它的半衰期为30.17 年,是两种主要的中等寿命裂变产物之一(另一种为锶-90)。这两种裂变产物是核燃料棒使用完毕后数年到数百年产生的辐射的主要来源。137
Cs
经过高能β衰变,最终生成稳定的钡-137137
Cs
捕获中子的速度很慢,因而不能通过中子照射的方法进行处理,只能任其衰变。[93]在水文学研究中,137
Cs
被用做 示踪物英语Flow tracer,和在这方面的应用类似。[94]几乎所有的核试验都会向环境中释放少量的铯-134与铯-137。某些核事故也会释放这两种同位素,比如切尔诺贝利核事故福岛第一核电站事故。截至2005年,铯-137仍是切尔诺贝利核电厂附近 隔离区英语Chernobyl Exclusion Zone的主要辐射源。[95]

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