碱金属和碱土金属：第1族和第2族指南

元素周期表最左边的两列，容纳着一些最活泼的金属。第1族的锂、钠、钾、铷、铯和钫是 碱金属；第2族的铍、镁、钙、锶、钡和镭是 碱土金属。它们都属于s区，而它们的原子最外层只有一个或两个电子，这个简单的事实解释了它们的大部分行为。

名称的由来

“碱”（alkali）一词来自阿拉伯语中表示植物灰的词。人们曾经用水浸泡燃烧木材或海藻得到的灰，用来制造肥皂和玻璃，而这些灰中富含碱性很强的碳酸钾和碳酸钠。后来从这类物质中提取出的金属，就成了碱金属。

“土”是化学中的一个旧术语，指经过强烈加热也不发生变化的氧化物。石灰（氧化钙）和苦土（氧化镁）是能溶于水、形成碱性溶液的“土”，因此称为碱土。这些金属本身于1808年首次被制得：英国的汉弗里·戴维用电解法分离出了钙、镁、锶和钡，就在他用同样方法分离出钠和钾的一年之后。

第1族：共同的性质

每个碱金属原子的外层s轨道中都只有一个电子。这个电子离原子核很远，又被内层电子屏蔽，所以很容易失去。因此，这些元素几乎总是以+1价离子的形式出现。

• 它们很软。 钠和钾可以像冷黄油一样用刀切开。新切开的表面呈银白色，但在空气中几秒钟之内就会失去光泽。
• 它们很轻。 锂的密度约为0.53 g/cm³，是所有金属中最小的，能浮在水面上。钠和钾的密度也比水小。
• 它们容易熔化。 锂的熔点约为180 °C，钠约为98 °C，钾约为63 °C，铯约为28 °C。铯放在温暖的手上就会熔化，但绝不能用手触摸，因为它会与皮肤上的水分剧烈反应。
• 它们保存在油中或惰性气体中，因为它们会与空气中的氧气和水蒸气反应。

反应活性自上而下增强

碱金属与水反应，生成氢气和氢氧化物。以钠为例：

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

越往族的下方，同样的反应就越剧烈。锂只是温和地冒着气泡，慢慢消失。钠熔成一颗小球，在水面上飞快地游动。钾会点燃它放出的氢气，燃烧时发出淡紫色的火焰。铷和铯则会发生爆炸性的反应。

这一规律与 电离能 相符。每往下一层都增加一个电子层，外层电子离原子核更远，更容易被移走。第一电离能从锂的约5.39 eV降到钠的5.14 eV、钾的4.34 eV和铯的3.89 eV。

与氧的反应显示出另一种差异。锂主要生成氧化物Li₂O，钠倾向于生成过氧化物Na₂O₂，而钾和更重的金属则生成KO₂之类的超氧化物。较大的阳离子与较大的阴离子能形成更稳定的晶格。

钫位于第1族的最下方，但它寿命最长的同位素半衰期只有约22分钟。人类从未收集到肉眼可见的量，所以它的大部分性质都是根据其邻居推测出来的。

第2族：共同的性质

碱土金属的外层s轨道中有两个电子，形成+2价离子。移走两个电子需要更多能量，所以它们不如同一周期的第1族金属活泼，而且更硬、密度更大、熔点更高。

族内的变化规律与第1族如出一辙。铍几乎不与水反应，镁与热水或水蒸气反应，而钙、锶和钡则能与冷水反应放出氢气。

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂

铍是其中的“异类”。它的原子太小，倾向于形成共价键而不是离子键，它的氧化物是两性的，既能与酸反应，也能与碱反应。以粉尘形式吸入铍化合物还可能导致严重的肺病，因此要小心处理。

焰色反应的颜色

把碱金属和部分碱土金属的化合物放在火焰中，每种元素都会呈现出特征颜色。高温把电子激发到更高的能级，电子落回时发出特定波长的光。烟花利用的也是这一效应。

钠的黄色非常强烈，可能掩盖其他颜色。化学家透过蓝色钴玻璃观察钾的淡紫色火焰，以滤掉钠的黄光。铍和镁没有特征焰色；镁条燃烧时发出的耀眼白光来自燃烧本身，而不是焰色反应的发射光。

日常与工业用途

• 锂：手机和电动汽车中的可充电锂离子电池、轻质铝锂合金，以及作为情绪稳定药物的碳酸锂。
• 钠：食盐（氯化钠）、小苏打（碳酸氢钠）、黄色的钠蒸气路灯，以及某些核反应堆中的冷却剂。
• 钾：植物三大主要养分之一，是化肥的关键成分。在人体中，它对神经信号和心律至关重要。
• 铷和铯：原子钟。国际单位制中的“秒”就是由铯-133原子的一个特定跃迁频率定义的。
• 镁：用于汽车零件和笔记本电脑外壳的轻合金，也是叶绿素的中心原子。
• 钙：骨骼和牙齿、石灰石、水泥和石膏。所谓“硬”自来水，就是富含钙离子和镁离子的水。
• 锶：烟花和信号弹中的红色。
• 钡：硫酸钡极难溶解，作为X射线造影剂吞服是安全的，尽管可溶性钡化合物是有毒的。

氢应该放在哪里？

氢只有一个电子，所以大多数周期表把它放在第1族的顶端。然而氢在室温下是非金属气体，行为与碱金属大不相同。

支持放在第1族的理由是它的电子排布1s¹，以及它能形成H⁺。另一方面，它能像卤素一样获得一个电子形成氢负离子H⁻，并以双原子分子H₂的形式存在，因此有人认为它应该放在第17族上方。还有人指出，它的外层恰好半满，与碳相同，主张把它放在第14族。

正因如此，有些周期表把氢放在第1族上方但把它涂成非金属的颜色，另一些则让它单独悬浮在表的中间上方。这场争论并没有唯一正确的答案，它恰恰说明氢是独一无二的，与任何一族都不完全匹配。理论学家还预言，在木星等行星内部深处的极端高压下，氢可能以金属态存在。

对角线关系

第2周期的元素常常与其右下方对角线位置上的第3周期元素相似，这称为 对角线关系。锂在若干方面更像镁而不是钠：它能形成氮化物，它的碳酸盐受热容易分解。铍与铝相似，最明显的是它们都有两性氧化物。通常的解释是，沿着对角线方向，电荷与半径之比变得相近。在掌握主族规律的同时了解这些例外，就能对第1族和第2族有更深入的认识。