一、金属钠

1.1 钠的组成

  1. 钠元素性质极其活泼，在自然界中没有游离态，而是都以化合物形式存在。
  2. 钠金属是由钠元素组成，由钠原子构成

1.2 钠的性质

  1. 钠的物理性质：银白色固体；密度比水小，比煤油大；硬度较小，可以用小刀切割；熔点较低，97.8℃
  2. 钠的化学性质：钠的反应都是基于其具有强还原性

1.3 钠的转化规律

1. 钠与氧气

  1. \(\ce{4Na + O2 \xlongequal[]{} 2Na2O}\)
    • 实验现象：生成白色固体
  2. \(\ce{2Na + O2 \xlongequal[]{\Delta} Na2O2}\)
    • 实验现象：熔化成小球，剧烈燃烧，淡黄色火焰，产生淡黄色固体

2. 钠与水

  1. \(\ce{2Na + 2H2O \xlongequal[]{} 2NaOH + H2 ^}\)
    • 实验现象：浮、熔、游、响、红
    • \(\rm Na\)在与有\(\rm H\)元素的反应中，都会将\(\rm H\)还原成0价的 \(\rm H_2\)，所以计量数比总是2：1

3. 钠与酸

  1. \(\ce{Na + H+ \xlongequal[]{} 2Na+ + H2 ^}\)
    • 实验现象：比钠与水反应更剧烈（因为酸中\(\ce{H+}\)浓度比水中强 ）。在反应是，钠优先与酸反应，如果钠过量，酸完全反应之后，再与水反应

4. 钠与盐

  1. \(\ce{2Na + 2NH4Cl \xlongequal[]{} 2NaCl + 2NH3 ^ + H2 ^}\)
    • 这是钠与\(\ce{NH4Cl}\) 溶液反应，依旧是Na作还原剂，+1 价的\(\ce{H}\) 作氧化剂
  2. \(\ce{2Na +2H2O +Cu^2+ \xlongequal[]{} 2Na+ + Cu(OH)2 v +H2 ^}\)
    • 这是钠与铜盐溶液反应，钠作还原剂，+1 价的\(\ce{H}\) 作氧化剂。其实本质上是钠先与水反应生成碱，碱再与铜盐反应
  3. \(\ce{2Na(少量) + Al^3+ +2H2O +OH- \xlongequal[]{} Al(OH)3 v +2Na+ +H2 ^}\)
    • 这是钠与 \(\ce{AlCl3}\) 稀溶液的反应，且是钠不过量的条件下

\(\ce{2Na + Al^3+ +2H2O +2OH- \xlongequal[]{} [Al(OH)4]- +2Na+ +H2 ^}\)

  • \(\ce{Al(OH)3 + OH- \xlongequal[]{} [Al(OH)4]-}\) ;如果钠过量，现象就是先生成沉淀，然后沉淀溶解

1.4 钠的制取和保存

  1. 钠的制取： \(\ce{2NaCl（熔融） \xlongequal[]{电解} 2Na + Cl2 ^}\)
  2. 保存：保存在石蜡油或煤油中（着火时），不能用水，也不能用泡沫灭火器，应该用干燥的沙土盖灭

1.5 钠的用途

  1. 钠钾合金（液态）可用作原子反应堆的导热剂
  2. 用作电光源，制作高压钠灯
  3. 冶炼某些金属，eg：熔融状态下制取钛 \(\ce{4Na + TiCl4 \xlongequal[]{高温} 4NaCl +Ti}\)

二、钠的氧化物：氧化钠与过氧化钠

2.1 组成

  1. 氧化钠：\(\ce{Na2O}\) 是由钠元素和氧元素组成；\(\ce{Na2O}\) 是由\(\ce{Na^+}\) 和\(\ce{O^2-}\) 构成
  2. 过氧化钠：\(\ce{Na2O2}\) 是由钠元素和氧元素组成；\(\ce{Na2O2}\) 是由\(\ce{Na^+}\) 和\(\ce{O2^2-}\) 构成

2.2 性质

1. 物理性质

  1. \(\ce{Na2O }\) 是白色固体， \(\ce{ Na2O2 }\) 是淡黄色固体

2. 化学性质

  1. \(\ce{Na2O }\) 其中氧元素的化合价是 -2，处于比较稳定的状态，没有氧化性。其化学性质都是基于其是 碱性氧化物。阴阳离子 \(\ce{Na+ }\) : \(\ce{O^2- }\) =2:1
  2. \(\ce{ Na2O2 }\) 其中氧元素化合价是 -1，属于既有氧化性，又有还原性。在化学反应中，她的氧化产物通常是 \(\ce{ O2 }\) ，且与\(\ce{ O2 }\) 的计量数之比是 1:2 , 而其还原产物是化合价为-2的含氧化合物 ，其本身属于过氧化物。阴阳离子 \(\ce{Na+ }\) : \(\ce{O2^2- }\) =2:1

2.3 转化规律

1. 两者与水分别反应

  1. \(\ce{Na2O +H2O \xlongequal[]{} 2NaOH}\)
  2. \(\ce{2Na2O2 + 2H2O \xlongequal[]{} 4NaOH + O2 ^}\)
    • \(\ce{Na2O2}\) 与\(\ce{H2O}\) 反应的现象，如果在刚开始溶液中加入无色酚酞试液，会发现溶液先变红后褪色
    • 第一步：\(\ce{Na2O2 + 2H2O \xlongequal[]{} 2NaOH + H2O2}\) (这一步中\(\ce{NaOH}\) 会使无色酚酞变红)
    • 第二步：\(\ce{2H2O2 \xlongequal[]{} 2H2O + O2 ^}\) (\(\ce{H2O2}\) 具有强氧化性，能使得溶液褪色)

2. 两者与盐酸分别反应

  1. \(\ce{Na2O + 2HCl \xlongequal[]{} 2NaCl +H2O}\) (复分解反应)
  2. \(\ce{2Na2O2 + 4HCl \xlongequal[]{} 4NaCl + 2H2O +O2 ^}\) (氧化还原反应)

3. 与 \(\ce{ CO2 }\) 分别 反应

  1. \(\ce{ Na2O + CO2 \xlongequal[]{} Na2CO3}\)
  2. \(\ce{ 2Na2O2 +2CO2 \xlongequal[]{} 2Na2CO3 + O2 }\) (氧化还原反应)

4. 两者的转化

  1. \(\ce{2Na2O + O2 \xlongequal[]{\Delta} 2Na2O2}\)

5. 过氧化钠遇到还原剂，则只做氧化剂

  1. \(\ce{Na2O2 + 2NO \xlongequal[]{} 2NaNO2 }\)
  2. \(\ce{ 3Na2O2 +Fe2O3 \xlongequal[]{高温} 2Na2FeO4}\) (高铁酸钠)

2.4 用途

  1. \(\ce{Na2O }\) 可作烧碱
  2. \(\ce{Na2O2 }\) 可作漂白剂、消毒剂、供养剂（呼吸面具或者潜水艇）

三、钠相关的盐 ：碳酸钠与碳酸氢钠

3.1 组成

  1. 碳酸钠：\(\ce{Na2CO3}\) 由 \(\ce{Na}\) 元素\(\ce{C}\) 元素\(\ce{O}\) 元素组成，\(\ce{Na2CO3}\) 由\(\ce{Na^+}\) 和\(\ce{CO3^2-}\) 构成
  2. 碳酸氢钠：\(\ce{NaHCO3}\) 由 \(\ce{Na}\) 元素\(\ce{H}\) 元素\(\ce{C}\) 元素\(\ce{O}\) 元素组成，\(\ce{NaHCO3}\) 由\(\ce{Na^+}\) 和\(\ce{HCO3^-}\) 构成

3.2 性质

1.物理性质

  1. \(\ce{Na2CO3 }\) 俗名纯碱或者苏打 ，白色固体，易溶于水，溶于水放热 且溶液呈碱性。
  2. \(\ce{NaHCO3}\) 俗名小苏打，白色晶体；溶解度比 \(\ce{ Na2CO3 }\) 小，溶于水吸热 ，溶液呈碱性

2.化学性质

  1. 两者都是盐，但碳酸钠是强碱弱酸盐，具有普通的盐的通性；碳酸氢钠是弱酸的酸式盐，与碱反应的时候，量不同则产物不同

3.3 转化规律

1. 两者的热稳定性

  1. 无水化合物热稳定性较强，

\(\ce{Na2CO3·10H2O \xlongequal[]{} Na2CO3 + 10H2O}\) 但结晶水合物会在干燥空气中风化失去结晶水。同时碳酸钠粉末遇水会生成碳酸钠水合物（ \(\ce{Na2CO3·xH2O }\) ), 属于结晶

  1. \(\ce{ 2NaHCO3 \xlongequal[]{\Delta} Na2CO3 +H2O +CO2 ^}\)

2. 两者与酸分别反应

  1. \(\ce{Na2CO3 + HCl(少量) \xlongequal[]{} NaHCO3 +NaCl}\) （盐酸少量或碳酸钠过量）

\(\ce{Na2CO3（少量） + 2HCl \xlongequal[]{} 2NaCl + H2O +CO2 ^ }\) (碳酸钠少量或盐酸过量)

  • 该反应，刚开始不会立即有气泡冒出，因为碳酸根的水解先生成 \(\ce{ HCO3-}\) ，宏观可以简单理解为全部碳酸根都反应完之后，才会产生二氧化碳气体。

（ \(\ce{ CO3 ^2- + H+ \xlongequal[]{} HCO3-}\) ; \(\ce{HCO3- + H+ \xlongequal[]{} CO2 ^ +H2O }\) )

  1. \(\ce{NaHCO3 + HCl \xlongequal[]{} NaCl + H2O +CO2 ^}\)
    • 该反应会立即产生气泡

3. 两者分别与碱反应

  1. 碳酸钠与氢氧化钠不反应

\(\ce{Na2CO3 + Ca(OH)2 \xlongequal[]{} CaCO3 v + 2NaOH}\)

  1. \(\ce{ NaHCO3 + NaOH \xlongequal[]{} Na2CO3 +H2O}\)

\(\ce{2NaHCO3 + Ca(OH)2(少量) \xlongequal[]{} CaCO3 v + Na2CO3 +H2O}\) （氢氧化钙少或碳酸氢钠过量） \(\ce{NaHCO3(少量) + Ca(OH)2 \xlongequal[]{} CaCO3 v +NaOH +H2O}\) （碳酸氢钠少量或氢氧化钙过量）

4. 两者与可溶性钙盐、钡盐反应

  1. \(\ce{Na2CO3 + CaCl2 \xlongequal[]{} CaCO3 v + 2NaCl}\)

\(\ce{Na2CO3 + BaCl2 \xlongequal[]{} BaCO3 v + 2NaCl}\)

  1. \(\ce{NaHCO3 }\) 不与可溶性钙盐、钡盐反应

5. 两者的转化

  1. \(\ce{Na2CO3 + CO2 + H2O \xlongequal[]{} 2NaHCO3}\)
  2. \(\ce{2NaHCO3 \xlongequal[]{\Delta} Na2CO3 + H2O +CO2}\)
  3. \(\ce{NaHCO3 + NaOH \xlongequal[]{} Na2CO3 + H2O}\)

3.4 用途

  1. 碳酸钠可以造玻璃、造纸、合成洗涤剂等
  2. 碳酸氢钠可以作发酵粉、灭火剂、医疗上用于治疗胃酸过多

四、焰色反应（物理变化）

  1. 定义：很多金属或它们的化合物在灼烧的时都会使火焰呈现特征颜色，根据火焰的特征颜色，可以判断试样所含有的金属元素。这样的定性分析叫做焰色试验
  2. 实验过程：
焰色反应的过程.png
焰色反应的过程
  1. 注意事项
    • 铂丝可以用光洁无锈的铁丝替代，因为这两种金属在灼烧时不能产生特定颜色
    • 进行颜色实验时，火源的颜色尽量呈现无色，最好使用煤气灯
    • 用盐酸清洗的目的：将高沸点的金属氧化物转化为低沸点的氯化物，以便在之后灼烧时去掉。所以清洗时不饿能选择硫酸，因为转化成的硫酸盐熔沸点较高，难以挥发。会对后续造成干扰
    • 焰色实验的物质，可以是单质，也可以是化合物。因为焰色是元素的性质，不是某种物质的性质
  2. 常见金属元素的焰色
常见金属颜色的焰色.png
常见金属颜色的焰色

五、钠露置在空气中的变化过程

5.1 变化过程

钠露置在空气中的变化过程.png
钠露置在空气中的变化过程

5.2 发生的具体反应

  1. \(\ce{4Na + O2 \xlongequal[]{} 2Na2O}\)
  2. \(\ce{Na2O + H2O \xlongequal[]{} 2NaOH}\)
  3. \(\ce{2NaOH + CO2 \xlongequal[]{} Na2CO3 + H2O}\)
  4. \(\ce{Na2CO3 + 10H2O \xlongequal[]{} Na2CO3·10H2O}\)
  5. \(\ce{Na2CO3·10H2O \xlongequal[]{} Na2CO3 + 10H2O}\)

六、各种制碱法

6.1 路布兰制碱法（已被淘汰）

  1. 用硫酸将食盐转化为硫酸钠：\(\ce{2NaCl + H2SO4 \xlongequal[]{\Delta} Na2SO4 + 2HCl ^}\)
  2. 用焦炭还原硫酸钠得硫化钠：\(\ce{Na2SO4 + 4C \xlongequal[]{高温} Na2S + 4CO ^}\)
  3. 利用硫化钠与石灰石的反应制备纯碱：\(\ce{Na2S + CaCO3 \xlongequal[]{高温} Na2CO3 + CaS}\)
  4. 缺点：在固相中进行，难以连续生产；硫酸为原料，设备腐蚀严重；产品质量不纯，原料利用率不高

6.2 索尔维制碱法（氨碱法）

1.实验原理

  1. 在饱和食盐水中先通氨气，再通二氧化碳：\(\ce{NaCl + NH3 + CO2 + H2O \xlongequal[]{} NaHCO3 v + NH4Cl}\)
  2. 高温煅烧石灰石，生成的二氧化碳通入氨盐水，\(\ce{CaO}\) 用来制备石灰乳

\(\ce{CaCO3 \xlongequal[]{高温} CaO + CO2 ^}\) ; \(\ce{CaO + H2O \xlongequal[]{} Ca(OH)2}\)

  1. 含氯化铵的的滤液与石灰乳混合加热： \(\ce{2NH4Cl + Ca(OH)2 \xlongequal[]{\Delta} CaCl2 + 2NH3 ^ H2O }\) ;产生的\(\ce{NH3}\) 循环利用
  2. 煅烧碳酸氢钠晶体，得到纯碱产品：\(\ce{2NaHCO3 \xlongequal[]{\Delta} Na2CO3 + CO2 ^ + H2O}\)

2.制取方法评价

  1. 优点：原料易得，\(\ce{NH3、CO2}\) 都循环使用，产品较纯净，成本低
  2. 缺点：有大量\(\ce{Na^+ 、Cl^-}\) 随废液排放，食盐利用率低

6.3 侯氏联合制碱法

1.实验原理

  1. 产生\(\ce{NaHCO3}\) 的反应： \(\ce{NH3 + CO2 + NaCl + H2O \xlongequal[]{} NaHCO3 v + NH4Cl}\)
  2. 产生\(\ce{Na2CO3}\) 的反应：\(\ce{2NaHCO3 \xlongequal[]{} Na2CO3 + CO2 ^ + H2O}\)

2. 工艺流程

侯氏联合制碱法工业流程.png
侯氏联合制碱法工业流程

3. 注意事项

  1. 为什么反应后混合物中有\(\ce{NH4HCO3}\) 但最后处理却没有
    • \(\ce{NH4HCO3}\) 是反应的中间产物，实验中产生碳酸氢钠的反应其实是分两步进行的

\(\ce{NH3 + CO2 + H2O \xlongequal[]{} NH4HCO3}\) ； \(\ce{NH4HCO3 + NaCl \xlongequal[]{} NaHCO3 v + NH4Cl}\) 所以该物质只会在反应未完全时短暂出现，随后又继续反应

  1. 在滤液中如何回收\(\ce{NH4Cl}\) 固体
    • 降温结晶：\(\ce{NH4Cl}\) 相对于\(\ce{NaCl}\) 来说，温度对其溶解度影响很大，所以可以靠降温结晶析出
    • 盐析结晶：利用同离子效应，向其中继续加入磨细的固体 \(\ce{NaCl}\) ,也可以使 \(\ce{NH4Cl}\) 析出
      • 同离子效应：在已经含有某种离子的溶液中，加入含有相同离子的强电解质，会降低原电解质溶解度的现象
  2. 为什么要在最后的滤液中加入氨气
    • 答：除去母液中残留的碳酸氢根离子，防止其在冷却时与铵离子结合形成碳酸氢铵结晶混入氯化铵产品中，同时调节母液成分以有效循环利用
      • 在滤液中除了主要的 \(\ce{NaCl 、NH4Cl}\) 还会存在未完全析出的\(\ce{HCO3^- 、CO3^2-}\) ，如果不进行处理后续可能会形成 \(\ce{NH4HCO3 、Na2CO3}\) 析出干扰 \(\ce{NH4Cl}\) 产品的纯度，而且后续继续残留会影响溶液的继续循环利用
      • \(\ce{NH3 + H2O \xlongequal[]{} NH3·H2O}\) 会使溶液偏碱性，使得 \(\ce{HCO3^- + OH^- \xlongequal[]{} H2O + CO3^2-}\) ,\(\ce{HCO3^-}\) 全都转化成 \(\ce{CO3^2-}\) ，然后大量的\(\ce{NH4^+}\) 会迅速俘获\(\ce{CO3^2-}\) 形成\(\ce{(NH4)2CO3}\) ,该物质易溶，且不会在后续步骤中形成结晶，将杂质离子固定在溶液中，保证了\(\ce{NH4Cl}\) 晶体的纯度。并且在后续进入循环母液中， \(\ce{(NH4)2CO3 + H2O +CO2 \xlongequal[]{} 2NH4HCO3}\) 从而继续进入循环，参与反应

4.制取方法评价

  1. 与合成氨工业联合生产，充分利用氨气、二氧化碳的原料。
  2. 联产有价值的副产物氯化铵（化肥）
  3. 食盐利用率很高，基本都再循环使用，充分体现了绿色化学的思想

七、常见供氧剂、生活中的应用

  1. 常见的供氧剂：防毒面具中的供氧剂 \(\ce{Na2O2、KClO3、KMnO4、H2O2、CaO2、KO2}\)
  2. \(\ce{CaO2}\) ：稳定性好，无毒，是一种在水产养殖和鱼苗长途运输过程中广泛使用的供氧剂
    • \(\ce{2CaO2 + 2H2O \xlongequal[]{} 2Ca(OH)2 + O2 ^}\)
  3. \(\ce{KO2}\) ：强氧化剂，相同质量的\(\ce{KO2、Na2O2}\) 相比，前者供氧能力更强。所以 \(\ce{KO2}\) 可以作为海军潜艇、宇宙飞船的氧源或用于高空飞行及其他需要人工氧源的地方。
    • \(\ce{4KO2 + 2H2O \xlongequal[]{} 3O2 ^ + 4KOH }\) ; \(\ce{4KO2 + 2CO2 \xlongequal[]{} 2K2CO3 + 3O2}\)

八、镁及其化合物

8.1 镁的组成

  1. 镁单质由镁元素组成，镁单质由镁原子直接构成

8.2 镁的性质

  1. 物理性质：镁单质是银白色有金属光泽的固体，密度较小，硬度较低，有延展性，是电和热的良好导体。
  2. 化学性质：镁属于活泼金属，表现出强还原性

8.3 镁的转化规律

镁的相关转化规律.png
镁的相关转化规律
  1. ①：\(\ce{Mg + 2HCl \xlongequal[]{} MgCl2 + H2 ^}\)
  2. ②：\(\ce{Mg + Cl2 \xlongequal[]{\Delta} MgCl2}\)
  3. ③：\(\ce{2Mg + O2 \xlongequal[]{点燃} 2MgO}\)
  4. ④：\(\ce{Mg + 2H2O \xlongequal[]{\Delta} Mg(OH)2 + H2 ^}\)
  5. ⑤：\(\ce{3Mg + N2 \xlongequal[]{点燃} Mg3N2}\)
  6. ⑥：\(\ce{Mg3N2 + 6H2O \xlongequal[]{} 3Mg(OH)2 v + 2NH3 ^ }\)
  7. ⑦：\(\ce{Mg3N2 + 8HNO3 \xlongequal[]{} 3Mg(NO3)2 + 2NH4NO3}\)
  8. ⑧：\(\ce{MgCl2(熔融) \xlongequal[]{通电} Mg + Cl2 ^}\)
  9. ⑨：\(\ce{MgCl2 + Na2CO3 \xlongequal[]{} MgCO3 v + 2NaCl}\) (碳酸镁微溶但是会达到溶度积)
  10. ⑩：\(\ce{MgCO3 + H2O \xlongequal[]{\Delta} Mg(OH)2 v + CO2 ^}\) (特定情况下会产生，氢氧化镁继续加热会分解)
  11. ⑪：\(\ce{MgCO3 + 2HCl \xlongequal[]{} MgCl2 + CO2 ^ + H2O}\)
  12. ⑫：\(\ce{MgCO3 + CO2 + H2O \xlongequal[]{} Mg(HCO3)2}\)
  13. ⑬：\(\ce{Mg(HCO3)2 \xlongequal[]{\Delta} MgCO3 + CO2 + H2O}\)
  14. ⑭：\(\ce{Mg(HCO3)2 + 2NaOH \xlongequal[]{} 2NaHCO3 + Mg(OH)2 v }\)
  15. ⑮：\(\ce{MgSO4 + Na2CO3 + CO2 + H2O \xlongequal[]{} Na2SO4 + Mg(HCO3)2}\)
  16. ⑯：\(\ce{MgSO4 + Ba(NO3)2 \xlongequal[]{} BaSO4 v + Mg(NO3)2}\)
  17. ⑰：\(\ce{MgSO4 + 2NaOH \xlongequal[]{} Mg(OH)2 v + Na2SO4}\)
  18. ⑱：\(\ce{MgO + 2HCl \xlongequal[]{} MgCl2 + H2O}\)
  19. ⑲：\(\ce{Mg(OH)2 + 2HCl \xlongequal[]{} MgCl2 + 2H2O}\)
  20. ⑳：\(\ce{Mg(OH)2 + H2SO4 \xlongequal[]{} MgSO4 + 2H2O}\)
  21. ㉑：\(\ce{Mg(OH)2 + 2HNO3 \xlongequal[]{} Mg(NO3)2 + 2H2O}\)