同一族，像一个家族
门捷列夫排周期表时，最有力的依据就是同族元素性质相似：锂、钠、钾都是软得能用小刀切开的活泼金属；氯、溴、碘都能和金属生成盐。学了 2.3.1～2.3.5 节的电子排布和周期趋势，现在可以回答两个问题：同族元素为什么相似？又为什么从上到下一个比一个更活泼，或者一个比一个更不活泼？
碱金属
ⅠA 族中除氢以外的锂、钠、钾、铷、铯（还有放射性的钫）叫做碱金属alkali metals。它们的价层电子排布都是 ns¹，第一电离能很小，容易失去这 1 个电子，形成 +1 价的阳离子。
- 物理性质： 都是银白色（铯略带金色）、质软的金属，密度小，熔点低。从锂到铯，熔点逐渐降低；密度总体增大，但钾比钠小。钠、钾保存在煤油中；锂的密度比煤油还小，保存在石蜡中。
- 和水反应： 都生成氢氧化物和氢气，以钠为例：
把一小块钠放进滴有酚酞溶液的水里，可以看到它“浮、熔、游、响、红”：浮在水面上（密度比水小），熔成闪亮的小球（反应放热，钠的熔点低），四处游动（生成的氢气推动小球），发出嘶嘶的响声，溶液变红（生成了碱）。锂的反应比较平缓；钾更剧烈，放出的热使氢气燃烧，发出紫色火焰；铷、铯遇水会爆炸。
- 和氧气反应： 越往下越剧烈，产物也越复杂。锂和氧气反应只生成 Li₂O；钠在空气中燃烧生成淡黄色的 Na₂O₂；钾、铷、铯燃烧生成比过氧化物更复杂的氧化物。
- 原因： 从上到下，电子层数增加，原子半径增大，第一电离能减小（Li 520 → Cs 376 kJ/mol），最外层的 1 个电子越来越容易失去，金属性越来越强。1.8.3 节的金属活动性顺序里，钾排在钠前面，也是这个原因。
卤素
ⅦA 族的氟、氯、溴、碘（还有放射性的砹）叫做卤族元素halogens，简称卤素。它们的价层电子排布都是 ns²np⁵，容易得到 1 个电子，形成 −1 价的阴离子。
- 物理性质： 从氟到碘，单质的颜色逐渐加深，状态由气态变到液态再到固态，熔点、沸点逐渐升高。溴是唯一在常温下呈液态的非金属单质；碘受热容易升华。熔点、沸点升高，是因为分子越来越大，分子之间的作用力越来越强（2.4.8 节）。
- 和氢气反应： 都能生成卤化氢，但越往下越难。F₂ 在暗处就能和 H₂ 剧烈化合并发生爆炸；Cl₂ 和 H₂ 要在光照或点燃时才反应；Br₂ 要加热到一定温度；I₂ 要不断加热才能缓慢反应，而且生成的 HI 同时分解，是可逆反应。生成的卤化氢的稳定性：HF > HCl > HBr > HI。
- 置换反应： 活泼的卤素单质，能把不活泼的卤素从它的盐溶液中置换出来，就像活泼金属置换不活泼金属一样：
所以卤素单质的氧化性（得电子能力）：F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂。氟太活泼，遇水就和水剧烈反应，不能用来在溶液中做置换实验。
- 原因： 从上到下，电子层数增加，原子半径增大，原子核对外来电子的吸引减弱，得电子能力减弱，非金属性减弱。碱金属靠失去电子反应，越往下越活泼；卤素靠得到电子反应，越往下越不活泼。
稀有气体
0 族的氦、氖、氩、氪、氙、氡叫做稀有气体noble gases。它们的最外层是 ns²np⁶（氦是 1s²），已经排满，第一电离能是各周期中最大的，很难和其他物质反应。它们都以单个原子的形式存在，从氦到氡，原子越来越大，沸点逐渐升高。
稀有气体曾被叫做“惰性气体”，以为它们完全不反应。1962 年，化学家合成了第一种稀有气体化合物，此后又制得了 XeF₂、XeF₄ 等氙的化合物，所以现在改叫“稀有气体”。
先把几种碱金属依次放进水里比较现象，再看物理性质的变化；然后切换到“卤素”，在表格里混合卤素水和卤化钾溶液；最后看稀有气体的沸点和用途：
把一小块碱金属放进滴有酚酞溶液的水里：
选一种碱金属。铷和铯遇水会爆炸，实验室里不做，这里只是模拟。
比较碱金属的物理性质：
把卤素单质的水溶液加到卤化钾溶液里，点格子看结果：
| KCl | KBr | KI | |
|---|---|---|---|
| 氯水 | |||
| 溴水 | |||
| 碘水 |
点表格里的一个格子。
卤素单质的物理性质（熔点、沸点的单位是 °C）：
| 单质 | 常温下的颜色和状态 | 熔点 | 沸点 |
|---|---|---|---|
| 氟气（F₂） | 淡黄绿色气体 | −219.6 | −188.1 |
| 氯气（Cl₂） | 黄绿色气体 | −101.5 | −34.0 |
| 溴（Br₂） | 深红棕色液体 | −7.2 | 58.8 |
| 碘（I₂） | 紫黑色固体 | 113.7 | 184.3 |
稀有气体的沸点（从氦到氡逐渐升高；条形的长度按从绝对零度算起的温度画）：
- 氦：密度小、不能燃烧，填充气球和飞艇；液氦的温度极低（−269 °C），用来冷却医院磁共振成像仪里的超导磁体。
- 氖：通电时发出红光，用于霓虹灯。
- 氩：焊接金属时作保护气，也充在灯泡里。
- 氙：能和氟反应生成 XeF₂、XeF₄ 等化合物，可见稀有气体并不是绝对不反应。
例题 1：预测铷的性质
铷（Rb）位于第 5 周期 ⅠA 族。预测它和钾相比，与水反应的剧烈程度，写出化学方程式，并说出它的氯化物的化学式。
-
结构。 铷的价层电子排布是 5s¹，有 5 个电子层，比钾多一层。
-
由结构推性质。 原子更大，最外层电子离核更远，第一电离能更小（K 419、Rb 403 kJ/mol），更容易失去电子，所以和水反应比钾更剧烈，甚至爆炸。
-
写化学方程式。 碱金属和水反应都生成强碱和氢气：
-
化合物。 铷只有 1 个价电子，形成 Rb⁺，和 Cl⁻ 按 1∶1 组成 RbCl；RbOH 的碱性比 KOH 还强。
例题 2：溴水能置换出谁？
把溴水分别滴入 KCl 溶液和 KI 溶液中，各有什么现象？写出能发生的反应的化学方程式。
-
活泼性顺序。 卤素单质的氧化性：Cl₂ > Br₂ > I₂。活泼的卤素能把不活泼的卤素从它的盐溶液中置换出来，反过来不行。
-
滴入 KCl 溶液。 溴不如氯活泼，不能把氯置换出来，不发生反应，溶液只显出溴水本身的橙黄色。
-
滴入 KI 溶液。 溴比碘活泼，能把碘置换出来，溶液变成棕黄色：
-
怎样证明生成了碘？ 再滴加淀粉溶液，溶液变蓝，说明有碘单质生成。
- Na 和 K：谁和水反应更剧烈？
钾比钠多一个电子层，最外层电子更容易失去。
- Li 和 Na：谁的熔点更高？
碱金属从上到下熔点降低：Li 180.5 °C，Na 97.8 °C。
- F₂ 和 Cl₂：谁和氢气化合更容易？
F₂ 在暗处就和氢气爆炸化合，Cl₂ 要光照或点燃。
- I₂ 和 Br₂：谁和氢气化合更容易？
卤素从上到下和氢气化合越来越难，溴在碘的上面。
- HCl 和 HBr：谁更稳定？
卤化氢的稳定性 HF > HCl > HBr > HI。
- KOH 和 NaOH：谁的碱性更强？
钾的金属性比钠强，KOH 的碱性也更强。
- Ar 和 Kr：谁的沸点更高？
稀有气体从上到下沸点升高：Ar −185.8 °C，Kr −153.4 °C。
- Na 和 K：谁的密度更大？
碱金属的密度总体增大，但钾是例外：Na 0.968 g/cm³，K 0.862 g/cm³。
- Br₂ 和 Cl₂：谁的氧化性更强？
Cl₂ 能把溴从 KBr 溶液中置换出来，氧化性 Cl₂ > Br₂。
常见误区
误区 1：“碱金属从上到下，密度一直增大。” 总体增大，但钾（0.862 g/cm³）比钠（0.968 g/cm³）小。锂、钠、钾的密度都比水小，所以能浮在水面上。
误区 2：“同一族从上到下，元素都越来越活泼。” 碱金属是这样，卤素正好相反。碱金属靠失去电子反应，原子越大越容易失去；卤素靠得到电子反应，原子越大，原子核对外来电子的吸引越弱，越不活泼。
误区 3：“稀有气体是惰性气体，绝对不和任何物质反应。” 稀有气体很难反应，但不是绝对不反应。从 1962 年起，化学家已经合成了 XeF₂、XeF₄ 等氙的化合物。
即时小测
关于碱金属，下列说法正确的是？
从锂到铯，第一电离能减小，越来越容易失去电子，和水反应越来越剧烈。熔点逐渐降低；钾的密度比钠小；碱金属都能和水反应，钠、钾保存在煤油中。
将氯水滴入 KI 溶液中，溶液变为棕黄色。由此可以得出？
发生的反应是 Cl₂ + 2KI → 2KCl + I₂，氯把碘置换了出来，说明氯的得电子能力比碘强。I⁻ 失去电子变成 I₂。
小结
- 碱金属：价层 ns¹，易失去 1 个电子成 +1 价。从锂到铯，熔点降低，密度总体增大（钾例外），和水、氧气的反应越来越剧烈，金属性增强。
- 卤素：价层 ns²np⁵，易得到 1 个电子成 −1 价。从氟到碘，颜色加深，熔沸点升高，和氢气化合越来越难，氢化物越来越不稳定，单质的氧化性 F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂。
- 稀有气体：最外层排满，很难反应，单原子分子；从氦到氡沸点升高。氙能形成 XeF₂ 等化合物。
通往 AP（以后再看）
AP 不要求背各族的反应现象，但会用这些反应考别的知识：碱金属和水的反应、卤素的置换反应都是氧化还原反应（U4.9）；卤素和稀有气体的沸点随原子、分子增大而升高，是伦敦色散力增强的结果（U3.1）。