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堿金屬（英文名：Alkali Metal）包括IA族除氫以外的所有元素，即鋰（Li）、鈉（Na）、鉀（K）、銣（Rb）、銫（Cs）、鈁（Fr）六種金屬。堿金屬都是具有金屬光澤的銀白色金屬（除會帶有一點金色光澤外），但表面很容易被氧化而失去金屬光澤。它們熔點和沸點都較低，密度小質量輕，質地柔軟，利用小刀就可以切開。堿金屬具有良好的延展性導電性和導熱性，可以發生焰色反應。堿金屬具有十分活潑的化學性質，從Li、Na、K、Rb、Cs的順序活潑性依次增強，它們能與電負性較大的非金屬元素形成相應的化合物。

堿金屬具有多種用途，鋰、鈉、鉀、、銫在醫學、電子、催化等領域均有應用，而由于其最長壽同位素的半衰期只有22分鐘，因此基本不穩定存在于自然界中。

發現歷史

早在幾個世紀以前，人們就知道并利用了多種形式的鉀鹽，如硝石（KNO?）、明礬（KAl(SO?)?）、碳酸鉀（K?CO?），它們被用于染色、制備發射藥、肥皂等。1807年，漢弗里·戴維（Humphry Davy）利用電解法電解氫氧化鉀（KOH）得到了鉀的金屬單質，這是堿金屬中第一個被分離得到的金屬單質。同年，戴維用相同的方法電解氫氧化鈉（NaOH）得到鈉。

1817年，瑞典化學家約翰·奧古斯特·阿韋德松（Johan August Arfwedson）在透鋰長石礦石中發現了新元素鋰，并將其命名為鋰，它來源于希臘文Lithos（釋義：巖石）。1818年，英國的化學家威廉·托馬斯·布蘭德（William Thomas Brande）和戴維兩人利用電解的方法從氯化鋰中制得了少量的金屬鋰。

銣和銫在地殼中的含量極少，化學性質又十分活潑，因此發現時間較鋰、鈉、鉀晚一些。1860年，德國化學家羅伯特·本生（Robert Wilhelm Bunsen）和德國物理學家古斯塔夫·基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）在德國巴德迪爾克海姆研究當地的礦泉水時，使用分光鏡發現了一些藍色亮線（即來自銫的發射光譜中的藍色譜線），他們認為這是一種新的元素，并將其命名為銫，源自于拉丁語Caesius（釋義：天藍色）。隨后在1861年，他們用同樣的方法在觀察鋰云母礦石時又發現了一種新元素，并將此命名為銣，源自于拉丁語Rubidus（釋義：栗色）。

1939年，法國化學家瑪格麗特·佩里（Marguerite Catherine Perey）在研究同位素22?Ac時發現，22?Ac主要進行β-衰變，但也有少量進行α-衰變，產物為223Fr。

自此，堿金屬中所包含的所有元素被確定下來。由于這些金屬的氫氧化物均為強堿或中強堿，故這些元素被稱為堿金屬。

分布情況

堿金屬在自然界中含量具有差異，如鈉、鉀在地殼中含量豐富，而鋰、銣、銫在地殼中含量較低，鈁在地殼中含量極微，屬于稀有金屬。

鋰元素在地殼中分布較為集中但不易提取，在地殼中的豐度為6.5×10?3 wt%。鋰礦床主要有硬巖型鋰礦床、鹵水型鋰礦床等。鋰資源主要分布在智利、阿根廷、美國、津巴布韋、葡萄牙、澳大利亞、中國等國家。

鈉元素在地殼中的豐度為2.64 w/％，在地殼元素豐度中排第六，鈉的礦物主要有鈉長石（主要為NaAl?SiO?）、石鹽（主要為NaCl）、硝石（主要為NaNO?）等。鈉元素也大量存在于海水中，不同海水中的氯化鈉（NaCl）含量不同，且內陸湖死海的含鹽量遠遠高于地中海、北海等。鈉也是人體內的常量元素，在人體內的含量約為0.15 w/％。

鉀在地殼中的豐度為2.60 w/％，在地殼元素豐度中排第七，鉀的礦物主要有光鹵石（主要為KCl·MgCl?·6H?O）、天然氯化鉀（KCl）、正長石（主要為KAl?SiO?）等。海水中也含有鉀元素，但氯化鉀（KCl）含量遠遠低于氯化鈉（NaCl）。鉀是人體和植物中必需元素，在人體內的含量約為0.35 w/％。

銣和銫在地殼中的含量都較少，在地殼中的豐度分別為9.0×10?3 wt%和3.0×10?? wt%。銣資源存在于偉晶巖、地下光鹵石礦、鹽湖鹵水等中，主要分布在津巴布韋、納米比亞、加拿大、德國、中國等國家。銫一般成為伴生元素礦產產出，如偉晶巖型銫榴石礦、銫鋰云母、銫沸石含銫鹵水等。

鈁由于其最長壽同位素的半衰期只有22分鐘，因此基本無法穩定存在于自然界中。

物質結構

電子結構

堿金屬的價層電子構型為ns1，最外層電子均只有一個s電子，次外層是8電子結構（鋰的次外層為2電子結構）。由于內層電子的屏蔽作用顯著，堿性非常容易失去最外層的s電子，形成穩定的+1氧化數。

表1：堿金屬的電子構型

晶體結構

堿金屬晶體構型均為鋰（Li）、鈉（Na）、鉀（K）、銣（Rb）、銫（Cs）、鈁（Fr）這六種金屬均為立方晶系結構，所以晶胞參數均為a=b=c，α=β=γ=90°。

理化性質

物理性質

堿金屬都是具有金屬光澤的銀白色金屬（除銫會帶有一點金色光澤外），但表面很容易被氧化而失去金屬光澤。它們熔點和沸點都較低，密度小質量輕。堿金屬具有良好的延展性，它們質地柔軟，硬度都小于2，利用小刀就可以切開。堿金屬的晶體中有活動較強的自由電子，因此具有良好的導電性和導熱性。鈉甚至比銅、鋁具有更優越的導電性能。

熔沸點

由于堿金屬原子半徑較大，最外層又只有一個電子，因此所形成的金屬鍵較弱，從而熔沸點都較低，且同一主族金屬自上而下，熔沸點降低。除金屬鋰以外的堿金屬熔點都在100 ℃以下，銫的熔點甚至低于人體溫度，放在手中就能夠熔化。堿金屬的熔點和沸點之間相差也較大。

密度

堿金屬為輕金屬，密度都小于2 g/cm3，其中鋰、鈉、鉀密度均小于1 g/cm3，能夠浮在水面上。鋰是已知最輕的金屬，密度大約是水的一半。同一主族的堿金屬自上而下，密度升高。堿金屬由于在其同一周期中擁有最小的原子量和最大的原子半徑等因素，為同周期中密度最低的金屬。

焰色反應

堿金屬在無色火焰灼燒時，會使火焰呈現出特殊的顏色，即焰色反應。焰色反應并不是堿金屬本身燃燒而產生各種顏色火焰，它是因為堿金屬原子或離子受熱時，最外層電子容易被激發，從較高能級躍遷到較低能級，之間相應的能量會以光的形式釋放出來，產生線狀光譜。

表2：堿金屬焰色反應火焰的顏色

化學性質

堿金屬核外電子排布具有相似性，它們的化學性質呈規律性變化。堿金屬隨著核電荷數的增加，原子半徑、離子半徑逐漸增大，電離能和電負性逐漸減小，金屬性以及還原性逐漸增強。其中，鋰及其化合物有時表現與其他堿金屬較為不同的化學性質。因鈁（Fr）不穩定，因此其化合物研究較少。

堿金屬具有非常強的反應活性，從Li、Na、K、Rb、Cs的順序活潑性依次增強，它們能與電負性較大的非金屬元素形成相應的化合物。除此之外，堿金屬還能與水、酸等溶液產生劇烈反應。由于鋰的密度較小且易氧化，通常保存在液體石蠟中，而其他堿金屬一般保存在煤油中。

和水的反應

除鋰以外的堿金屬都能與水劇烈反應，產生相應的強堿并釋放出氫氣。由于鋰的熔點較高，不易熔化，因此和水的反應并不激烈。其他堿金屬在和水的反應過程中放出的熱量會使金屬熔化成液態，并有可能會點燃產生的氫氣，使其在空氣中爆炸性燃燒。

與非金屬單質的反應

堿金屬的化學性質活潑，能與多種非金屬單質形成相應的化合物，如氫氣（H?）、氧氣（O?）、單質硫（S）、鹵素單質等。

堿金屬可以與氧氣反應形成多種氧化物，如和Na反應可生成Na?O?、Na?O。

堿金屬和硫、鹵素也可以劇烈反應，其中堿金屬都可在氯氣中燃燒。

堿金屬在高溫下可與H?反應生成氫化物，其中LiH最穩定，是唯一能生成穩定得足以熔融而不分解的氫化物的堿金屬。

堿金屬在加熱條件下，可以與氮族元素P、As、Sb、Bi反應生成相應的化合物。鋰較為特殊，在室溫下可與N?反應，其他堿金屬不能與N?反應。

與金屬鹵化物的反應

堿金屬具有較強的還原性，可以用于還原難溶金屬氯化物，生成相應難熔金屬單質，如鈦、鋯金屬等。

與液氨的反應

和大多數金屬不同，堿金屬能在液氨中緩慢溶解，生成藍色的導電溶液。溶液中含有金屬離子和溶劑化的自由電子，性質十分活潑，所以堿金屬的氨溶液是一種在低溫中能夠使用的強還原劑。當加熱堿金屬的氨溶液或往溶液中加入合適催化劑時，二者可以反應生成氫氣和堿金屬堿金屬氨基化合物。

與有機化合物的反應

由于堿金屬是很強的還原劑，能與醇、炔等有機化合物反應。除鋰以外的的堿金屬可與醇反應并釋放出氫氣。醇的種類對反應具有不同的影響，如醇的酸性越大則反應速率也快，仲醇、叔醇和有機高分子化合物量的伯醇則與堿金屬反應較慢。堿金屬還能取代乙炔、環戊二烯等化合物中的酸性氫原子，同樣會釋放出氫氣。鋰也能同有機化合物及其鹵族元素衍生物反應，生成相應的鋰的有機化合物。

化合物

氫化物

在加熱或高溫條件下，堿金屬可以與氫氣反應生成離子型的氫化物，氫化鋰（LiH）是最穩定的堿金屬氫化物。堿金屬氫化物在常溫常壓下為白色粉末狀結晶，均具有NaCl型晶格結構，它們的熔點、沸點都較高，熔融時還能導電。且堿金屬氫化物的還原性較強，能夠將許多金屬鹵化物還原成相應的金屬或相應的鹵化物。

氧化物

堿金屬與氧能形成二元化合物，可分為正常氧化物、過氧化物、超氧化物及臭氧化物，其中分別含有O2?、O?2?、O??、O??。正常氧化物和過氧化物是反磁性物質，而超氧化物及臭氧化物是順磁性物質。

正常氧化物

堿金屬中只有鋰金屬在空氣中燃燒時能生成正常氧化物Li?O，在含氧量不足的空氣中能夠制得其余堿金屬的正常氧化物，但條件不易控制，極易生成相應的過氧化物或超氧化物。一般情況下，鋰以外的堿金屬正常氧化物可以用金屬與自身的過氧化物或硝酸鹽反應制得。堿金屬正常氧化物顏色不相同，Li?O和Na?O為白色，K?O為淡黃色，Rb?O為亮黃色，Cs?O為橙紅色。Li?O、Na?O的熔點較高，其余堿金屬氧化物未達到熔點就開始分解。堿金屬氧化物可與水反應，但反應速率不同，Li?O與水反應很慢，而Rb?O和Cs?O與水能夠劇烈反應，甚至爆炸。

過氧化物

所有的堿金屬都能形成相應的化合物M?O?，但只有過氧化鈉可以由Na在空氣中燃燒得到，其他過氧化物都是利用間接法制得，如Li?O?是先由氫氧化鋰H?O與H?O?反應生成LiOOH·H?O，然后在減壓病加熱條件下脫水得到的。堿金屬過氧化物為粉末狀固體，易吸潮，可與水、稀酸反應生成H?O?，H?O?不穩定會立即分解放出氫氣。堿金屬過氧化物還可以與二氧化碳反應生成氧氣。堿金屬過氧化物可以作為氧化劑、漂白劑以及氧氣發生劑。

超氧化物

除鋰金屬以外的堿金屬都可以形成超氧化物MO?，其中，K、Rb、Cs在空氣燃燒可直接生成超氧化物。超氧化物都有顏色，NaO?為黃色固體，KO?為橙黃色固體，RbO?為深棕色固體、CsO?為深黃色固體。只有陽離子半徑較大的超氧化物穩定性能較好，如KO?、RbO?、CsO?，而NaO?的穩定性較差。超氧化物是一種強氧化劑，可以與水反應立即生成O?和H?O?。超氧化物在高溫下會分解為氧化物和氧氣，與CO?反應也會生成氧氣。

臭氧化物

除鋰金屬以外的堿金屬都可以形成超氧化物MO?，干燥的NaOH、KOH、RbOH、CsOH固體與臭氧反應可制得臭氧化物。堿金屬的臭氧化物在室溫下會緩慢分解為超氧化物和氧氣，遇水也會激烈反應生成氧氣和堿金屬的氫氧化物。

氫氧化物

除氫氧化鋰（氫氧化鋰）為中強堿外，其余堿金屬的氫氧化物都是強堿，在常溫常壓下均為白色的固體，在空氣中易潮解。堿金屬的氫氧化物易溶于水，在溶解過程過中會釋放大量的熱，堿金屬的氫氧化物溶解度隨同主族自上而下增加，因此氫氧化鋰的溶解度稍小一些。

堿金屬氫氧化物的堿性大小排序：

LiOH

鹽類化合物

堿金屬常見的鹽有鹵化物氯化鈉（NaCl）、氯化鉀（KCl），硝酸鹽硝酸鉀（KNO?）、硝酸鈉（NaNO?）、硫酸鹽十水硫酸鈉（Na?SO?·10H?O，俗稱芒硝），碳酸根碳酸鋰（Li?CO?）、碳酸鈉（Na?CO?）等。除鋰鹽外，堿金屬鹽都是離子型化合物，大部分都能溶于水，少部分難溶于水，如K?Na[CO(NO?)?]、Na[Sb(OH)?]等。鋰的強酸鹽易溶于水，但鋰的弱酸鹽難溶于水，如LiF、Li?CO?、Li?PO?等。堿金屬鹽一般具有較強的熱穩定性，如堿金屬硫酸鹽在高溫下既不會揮發也不分解，但硝酸鹽熱穩定性能較差，加熱易分解。

有機化合物

Na、K、Fr、Cs可以與酸性有機物生成相應的鹽，即使是很弱的酸如醇、炔，都可以與其反應。常見的堿金屬有機酸鹽有甲酸鈉（HCOONa）、甲酸銫（HCOOCs）、乙酸鈉（CH?COONa）、乙酸銣（CH?COORb）、月桂酸鈉（CH?(CH?)??COONa）等。

Li也能生成很多種有機鋰化合物，主要有烷基鋰、芳基鋰、胺基鋰等，例如丁基鋰（C?H?Li）、甲基鋰（CH?Li）、乙基鋰（CH?CH?Li）、乙烯基鋰（CH?CHLi）、苯基鋰（C?H?Li）等。

制備方法

堿金屬提取

由于鋰、銣、銫在地殼中含量較少，需先從礦物中提取分離金屬再進行提純。

鋰金屬提取

天然可開采的鋰資源較豐富，主要有含鋰礦物（如鋰云母、鋰輝石、透鋰長石）、天然鹵水等。可利用硫酸法從含鋰礦物中提取鋰，具體步驟為先將含鋰礦石高溫焙燒后進行硫酸化焙燒和濃硫酸常溫浸泡，在加入純堿液除去鐵、鋁、鈣、鎂等雜質。剩余溶液再經過沉鋰、蒸發濃縮等步驟后可得到碳酸鋰（Li?CO?），最后從碳酸鋰中提取鋰。

從天然鹵水中提取鋰的方法有溶劑萃取法、吸附法等，溶劑萃取法是利用離子在不同溶劑中的溶解度不同，鋰離子將會從溶解度較小的鹵水相擴散到溶解度較大的有機相，最后濃縮得到鋰。吸附法是利用合適的吸附劑選擇吸附溶液中的鋰離子，再將鋰離子洗脫下來。

銣、銫金屬提取

銣、銫在地殼中豐度較低，常常是以伴生元素礦產產出，如可從天然光鹵石、鋰云母中提取。鋰云母中含有少量的銣和銫，在經過濃硫酸法處理鋰云母過程后，再加入鹽酸和三氯化銻鹽酸，可得到Cs?Sb?Cl?，銣留在母液中。

還可以從銫榴石中提取銫，常用的方法有直接還原法、氯化焙燒法。直接還原法是利用鈣、鎂還原劑從銫榴石直接還原得到銫。氯化焙燒法是將銫榴石與Ca）、CaCl?一起高溫燒結得到CsCl。

堿金屬純化

堿金屬只能用電解類的高能量方法分離，鋰和鈉通常用電解熔融氯化物的方法獲得，鉀、銣、銫則一般用金屬熱還原的方法制備。

熔鹽電解法

熔鹽電解法是電解熔融鹽，一段時間后，陰極析出金屬，陽極析出氯氣的方法。早在19世紀，就有科學家利用電解LiCl的方法制出了大量的鋰。科學家已改進為電解LiCl-氯化鉀混合物。鈉的制備主要采用點解NaCl。

金屬熱還原法

金屬熱還原法就是以鈉、鈣、鎂等金屬為還原劑還原金屬的鹵化物或氧化物得到所需金屬。金屬熱還原法是制備金屬銣和金屬銫常用的方法。由于鉀極易溶于熔融的氯化物中，比較難分離，所以一般用金屬熱還原法制備金屬鉀。

應用領域

在醫學方面的應用

鋰鹽（如碳酸鋰）能夠降低體內的氧化應激水平，有效治療雙相情感障礙抑郁癥等心理疾病，同時鋰鹽還具有神經保護作用，防止谷氨酸興奮性中毒。13?銫可以作為放射原治療乳癌、肺癌、食管癌、皮膚癌、宮頸癌等癌癥。一些銣鹽（如氯化銣）可以作為密度梯度介質，用于超速離心分離脫氧核糖核酸和核糖核酸。還有一些銣鹽可以作為鎮靜劑和治療甲狀腺腫大、癲癇病等疾病。鉀和鈉是人體內必可不缺的元素，已上市多種含鈉和含鉀的藥物，如抗癲癇藥苯妥英、丙戊酸鈉，解熱鎮痛藥雙氯芬酸鈉，酸堿平衡調節藥碳酸氫鈉，電解質平衡調節藥氯化鉀，青霉素類藥物阿莫西林克拉維酸鉀。

在電子方面的應用

鋰及其化合物能夠作為關鍵材料生產高性能、無污染的新型綠色環保電池，如鋰離子電池。鋰離子電池可用于攝像機、照相機、手機、筆記本電腦等中。而且往鋰離子電池中添加銣、銫陽離子，能夠提高鋰電池的電化學性能。除了人們所熟知的鋰離子電池，科學家們已經成功研發了鈉離子電池和鋰離子電池。相比于鋰離子電子，鈉離子電池和鋰離子電池具有資源豐富、價格低廉等特點。

銣具有良好光電特性、導電性和化學活性，可用于制造太陽能板、光電發射管、電視攝像管等。銣和銫金屬還能用于制備精準的原子鐘，銫的微波原子鐘是現有的測量最高標準精確度的原子鐘之一。

在農業方面的應用

鉀是植物維持生命的一種重要元素，因此常常需要對植物施加鉀肥，鉀肥具有提高植物根系活力、提高植物光合速率、促進植物對N、P的吸收等功能。鈉聚合物（如聚丙烯酸鈉）常常在農業中作為土壤保水劑，增強土壤持水能力。

在能源方面的應用

由于銣、銫具有易離子化等特征，在新的能量轉換方式中的應用起到了重要作用，如離子推進火箭、磁流體發電、熱離子轉換發電等方面。

核能源作為一種新能源，用少量的染料可以獲得巨大的能力。鋰可以作為核聚變反應堆中的再殖源和反應堆的冷卻介質。鈉和鈉鉀合可以作為增值反應堆中的熱交換液。

在其他方面的應用

堿金屬在其他許多方面還有應用，如堿金屬可以作為多種反應的催化劑。銣、銫金屬及其化合物（如碳酸銣）可以添加至玻璃中成為特種玻璃，銣、銫的加入會提高玻璃穩定性、耐腐蝕性等性能，含銣特種玻璃已經應用于通訊光纖、夜視鏡等領域。超氧化鉀可以作為呼吸面罩供氧劑，應用于潛水艇、醫院等地方。碳酸鉀可以用于制造陶瓷和玻璃。鋰鋁合金因低密度、高比強度、高溫性能好等優點，可用于制作火箭和飛機的燃料貯箱等。

安全事宜

堿金屬的GHS分類

鋰/鈉/鉀/銣：

H260：與水接觸釋放易燃氣體，可能自燃

H314：導致嚴重皮膚燒傷和眼睛損傷

銫