探究碱金属单质密度递变与反常

探究碱金属单质密度递变与反常

周异虎

周异虎甘肃省临洮二中730500

摘要：碱金属单质的密度与其原子密度呈正比例关系，所以分析碱金属原子密度的变化特点就可以间接了解其单质密度的变化情况。从原子、分子和离子结构的层面上去分析和探究物质宏观性质的根源，运用好宏观和微观两个视角是学好、用好化学的诀窍。

关键词：碱金属单质密度递变规律与反常空间利用率原子密度

在学习、工作和生活中，化学对我们很重要，学习掌握必要的化学知识、培养化学基本能力和形成化学基本方法，也是21世纪合格公民应该具备的素质。元素化合物知识是化学学科学习中十分重要的一项内容。

碱金属就是一类化学性质非常活泼的典型金属元素，在学习碱金属的物理性质时，我们发现碱金属的密度随核电荷数的增大而增大，但是钾的密度反常的小于钠的密度，它们的密度为什么有如此的递变和反常呢？让我们一起走进碱金属的微观世界，探寻问题的答案吧。

在通过X射线对金属与合金[两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成的具有金属特征的物质]的晶体进行研究时人们发现，金属原子好像许多硬球一层一层紧密地堆积着，每一个金属原子周围有许多相同的金属原子围绕着。金属晶体中原子的堆积方式常见的有如下三种。

碱金属的晶体中，金属原子是按照体心立方的形式紧密堆积的，从碱金属晶体中划分出的最小结构单元，如右图所示：

图中正立方体的顶点和中心都被一金属原子占据，如果将金属原子视为球体，这些球体之间尽可能地相互靠近或接触。但原子之间仍有空隙存在，晶体中原子体积占有晶体体积的百分数称为原子的空间利用率。

一、计算碱金属晶体中金属原子的空间利用率

解析：设立方体的边长为a，则其体积为a3，另设金属原子半径为r。

分析题目所给条件发挥空间想象力，得出结论：处于立方体顶点的球并不相切，但含在立方体中心的球都与各顶点的球相切。画出AHFC的剖面如右上图所示：

三、数据分析和结论

将上面数据绘成柱状关系图(见下图)可以很直观地反映数据特点。

显然，以上计算得到的碱金属单质的密度与实际测定密度相比误差较小（最大为钾单质的4.8%），说明计算结果有较高的参考价值。由以上计算过程，尤其是第二个计算方法可以很清楚的看出：碱金属单质的密度与其原子密度呈正比例关系。所以分析碱金属原子密度的变化特点就可以间接了解其单质密度的变化情况。

根据密度公式可知，密度是质量与体积的比值。现在我们将相邻两种碱金属原子的质量、原子体积和原子密度求一比值，来看看变化情况：

从Li到Na原子质量增加了

由表（2）及相应柱状图可看出原子质量在整体增大，体积也在增大，但是增大的幅度有所不同。

由表（1）可知，晶体Na的密度比Li的密度大，表（2）及相应柱状图可看出从Li到Na晶体原子质量增加倍数幅度要大，从而可得知，当质量的增加幅度比体积增加的幅度更大时，它的密度也会随之而增大。同理，其它金属密度随原子序数增大而增大的递变特点可从表中看出。但是从Na到K可以明显地看出原子质量增加的倍数幅度比它体积增加倍数要小，从而导致密度反常的小了。

通过对以上问题的探究，可以引导学生对碱金属元素随着核电荷数的增大，其单质密度的递变和反常有了更深入的认识。更使学生从中认识到学习化学不仅要学习物质的宏观性质，更重要的是深入到微观世界，从原子、分子和离子结构的层面上去分析和探究物质宏观性质的根源。运用宏观和微观两个视角去看待学习和生活中的化学问题是学好、用好化学的诀窍。衷心希望每个同学都能够在学习中积极去思考、去探索、去实践，你就会得到意想不到的收获。