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2012级第1章S区元素讲义要点_图文

2012级第1章S区元素讲义要点_图文

《元素化学》讲义要点
第 1 章 《S 区元素》
[教学要求] a. 掌握 I A、IIA 族元素通性和单质的结构、性质、存在及钠、钾、镁的制备; b. 掌握 I A、IIA 族元素的氢化物、氧化物、过氧化物的一般性质; c. 掌握 I A、IIA 族元素的氢氧化物的碱性及溶解性,重要盐类的溶解性、热稳定性等 性质的变化规律; d. 了解锂、铍的特性及 Li—Mg,Be—Al 相似性,进一步理解对角线规则; e. 全面认识离子晶体盐类的溶解性的规律及内在原因。 [重点与难点] 重点:碱金属和碱土金属单质及化合物的化学性质;碱金属和碱土金属氢氧化物、盐 的性质变化规律。 难点:R-O-H规则及用离子势判断氢氧化物的酸碱性。 [教学内容] 1.1 碱金属及碱土金属的通性(0.5学时) 1.2 碱金属及碱土金属单质(1学时) 1.3 化合物(1.5学时) 1.4 离子晶体盐类的溶解性 § 1.1 s 区元素概述 1. 碱金属和碱土金属的基本性质
碱金属元素的一些基本性质 性 质 锂 钠 钾 铷 铯

Li 符 号 3 原子序数 6.941 原子量 2s 1 价电子构型 +1 常见氧化态 123 原子半径 /pm 60 离子半径 /pm 第一电离能 /(kJ/mol) 520 第二电离能 /(kJ/mol) 7298 1.0 电负性 M + 水化能 /(kJ/mol) 519 -3.045 标准电势 φ θ / V

Na 11 22.99 3s 1 +1 154 95 496 4562 0.9 406 -2.710

K 19 39.10 4s 1 +1 203 133 419 3051 0.8 322 -2.931

Rb 37 85.47 5s 1 +1 216 148 403 2633 0.8 293 -2.925

Cs 55 132.9 6s 1 +1 235 169 376 2230 0.7 264 -2.923

1

碱土金属元素的一些基本性质 性 质 铍 Be 符 号 4 原子序数 9.012 原子量 2s 2 价电子构型 +2 常见氧化态 89 原子半径 /pm 31 离子半径 /pm 第一电离能 /(kJ/mol) 900 第二电离能 /(kJ/mol) 1757 第三电离能 /(kJ/mol) 14849 1.5 电负性 M + 水化能 /(kJ/mol) 2494 -1.85 标准电势 φ θ / V
2 存在

镁 Mg 12 24.31 3s 2 +2 136 65 738 1451 7733 1.2 1921 -2.372

钙 Ca 20 40.08 4s 2 +2 174 99 590 1145 4912 1.0 1577 -2.868

锶 Sr 38 87.62 5s 2 +2 191 113 550 1064 4320 1.0 1443 -2.89

钡 Ba 56 137.3 6s 2 +2 198 135 503 965 — 0.9 1305 -2.91

由于碱金属和碱土金属的化学活泼性很强,因此在自然界均以化合态形式存在。钠、钾在地 壳中分布很广,其丰度均为 2.5% 。锂、铷、铯在自然界中的储量很小且分散,被列为稀有金 属。碱土金属的重要矿物较多,铍为稀有金属。

Li 锂: 锂辉石 [LiAl(SiO3)2] Na 钠:(第 6 位)海水 NaCl, 矿物 NaCl, 钠长石 Na[AlSi3O8] 芒硝 Na2SO4· 10H2O K 钾:(第 7 位)海水中的 K+,钾长石 K[AlSi3O8] Rb 铷和 Cs 铯: 与 K 共生 Be 铍: 绿柱石 3BeO· Al2O3· 6SiO2 Mg 镁: (第 8 位)光卤石 KMgCl3· 6H2O 白云石 CaMg(CO3)2 菱镁矿 MgCO3 Ca 钙(第 5 位), Sr 锶, Ba 钡(第 17 位): 碳酸盐及硫酸盐矿物,石膏 CaSO4· 2H2O,重晶 石 BaSO4 § 1.2. s 区元素的单质 § 1.2.1 单质的物理性质和化学性质 1. 单质的物理性质 碱金属和碱土金属单质除铍为钢灰色外,其它均为银白色光泽。碱金属具有密度小、硬 度小、 熔点低的特点, 是典型的轻、软金属。 碱金属还具有良好的导电性。 碱土金属的熔点、 沸点比碱金属高,硬度较大,导电性低于碱金属,规律性不及碱金属强。 3. 生成合金 液体合金: 一定比例的 Na 和 K( K 77.2%, Na 22.8%)可得常温下的液体合金 , (m.p. 260.7K). (合金的凝固点低!) 钠汞齐: 钠溶于汞中得到, 也是液体合金, Na 还原性强, 反应猛烈, 但 Na· nHg 钠汞齐却 是平和的还原剂, 反应不剧烈, 可以控制: 2(Na· nHg) + 2H2O= 2NaOH + H2 + 2nHg (汞齐, 是金属溶解于汞中形成的溶液, 经常做还原剂使用) 3. 化学反应 由于碱金属和碱土金属的核外电子数较少,原子半径较大,核对价电子的吸引力较小, 因此碱金属和碱土金属的化学活泼性很活泼,表现在:① 易与水的反应,碱金属与水反应
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更剧烈,产生的氢气着火燃烧。 和 H2 反应剧烈(除 Be、Mg 之外): Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2 ② 易氧化,生成氧化物、过氧化物、超氧化物等。 ③ 与氢的反应,活泼的碱金属均能与氢在高温下直接化合,生成离子型氢化物,由于 氢负离子有较大的半径( 2.08 ),容易变形,所以它仅能存在于干态的离子型氢化物晶体 中,而不能成为水溶液中的水合离子。 和 H2 的反应(除 Be、Mg 之外): 2Na + H2 = 2NaH NaH: 白色晶体, H 显负价, 是强还原剂. LiH, NaH, KH, RbH 中, LiH 最稳定. 原因: Li+半径最小, 极化能力强, 与 H 形成的离子 键趋向共价键, 所以最稳定。 使用氢化碱金属的还原反应: TiCl4 + 4NaH = Ti + 2H2 + 4NaCl 2KH + 2H2O = 2KOH + 2H2 ④ 钠能溶于液氨中生成蓝色溶液,该溶液具有导电性和顺磁性。在溶液中钠离解生成钠 正离子和溶剂合电子: Na (S) + (x+y)NH 3(l) → Na(NH 3 ) x + + e (NH 3 ) y – 其中的溶剂合电子是一种很强的还原剂。 4、铍的反常性质 Be 原子的价电子层结构为 2s 2 ,它的原子半径为 89pm , Be 离子半径为 31pm , Be 的电负性为 1.57 。铍由于原子半径和离子半径特别小(不仅小于同族的其它元素,还 小于碱金属元素),电负性又相对较高(不仅高于碱金属元素,也高于同族其它各元素), 所以铍形成共价键的倾向比较显著, 不像同族其它元素主要形成离子型化合物。 因此铍常表 现出不同于同族其它元素的反常性质。 ( 1 )铍由于表面易形成致密的保护膜而不与水作用,而同族其它金属镁、钙、锶、 钡均易与水反应。 ( 2 )氢氧化铍是两性的,而同族其它元素的氢氧化物均是中强碱或强碱性的。 ( 3 ) 铍盐强烈地水解生成四面体型的离子 [Be(H 2 O) 4 ] , 键很强, 这就削弱了 O ── H 键,因此水合铍离子有失去质子的倾向: [Be(H 2 O) 4 ] 2+ ── [Be(OH) (H 2 O) 3 ] + + H + 因此铍盐在纯水中是酸性的。而同族其它元素(镁除外)的盐均没有水解作用。 § 1.2.2 s 区元素单质制备 1. 电解法

以石墨为阳极, 以铁为阴极, 电解 NaCl 熔盐 Na 的沸点(b.p.)与 NaCl 的熔点(m.p.)相近, 易挥发失掉 Na, 要加助熔剂, 如 CaCl2, 这样, 在比 Na 的 b.p.低的温度下即可熔化. Na 液态, 密度小, 浮在熔盐上面, 易于收集. 但产物中 总有少许 Ca. 2. 化学还原法 MgO + C = CO + Mg (高温) 反应常温下△ rG° m > 0,但△ rS° m > 0, 高温下可能反应. KCl(l) + Na = NaCl + K(g) 2RbCl(l) + Ca= CaCl2 + 2Rb(g) 问题: Na 本不比钾活泼,但为何可以反应? 原因: K 的沸点低, 汽化后, 平衡右移. § 1.3 s 区元素的化合物 § 1.3.1 氢化物 (1) 制备及物理性质
3

制备

1 θ H 2 ? e ? ? H ? (g), ? f H H ? 150 kJ ? mol ?1 ? (g) 2
? 2Li ? H 2 ? ?? 2LiH K 2 Na ? H 2 ?623 ? ? ? 2 NaH 573 K Ca ? H 2 ?423 ??? ?? CaH 2

(2) 物理性质
盐 LiH NaH KH RbH CsH CaH 生成焓 △
fH/kJ?mol -1

MH 核间距 /pm 204 244 285 302 319

H- 实测半径 /pm 137 146 152 154 152 138 138 138

晶格焓/(kJ?mol-1)(实验 值) 911.3 806.2 711.7 646.0 695 2 426.7 2 259.4 2 167.3

-91.2 -56.5 -57.7 ~ -54.4 -49.8

-174.3 MH 键距和232 ~ 285* 2 * 斜方晶格中有七个短 2 个长 MH 键 -177 SrH2 249 ~ 306* 距 (3) 化学性质 BaH -189.9

● 还原性强 E (H2 /H ) ? ?2.23V 2 ● 应用 a.在有机合成中作强还原剂ψLi+/Li?=-2.25V b.钛的冶炼

?

267 ~ 328*

2 LiH ? T iO2 ? ?? T i? 2 LiOH 4 NaH ? TiCl4 ? ?? Ti? 4 NaCl ? 2 H2
● 剧烈水解性

MH ? H2O ? ?? MOH ? H2 (g) CaH2 ? 2H2O ? ?? Ca(OH)2 ? 2H2 (g)
● 形成配位氢化物

4LiH? AlCl3 ?无水乙醚 ?? ??Li[AlH4 ] ? 3LiCl
受潮时强烈水解

LiAlH4 ? 4H2O ? ?? LiOH? Al(OH) 3? 4H2
思考题 ? 1.如何证明其为离子型氢化物,并含有 H- ? ①电解熔融盐,阳极放出 H2; ? ②与水作用产生氢气 ? NaH + H2O = NaOH + H2↑ ? CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + H2↑
4

(4)氢化物类型 ? 离子型氢化物、共价型氢化物、过渡型氢化物(金属型氢化物) 过渡型氢化物(金属型氢化物) 特点: ①没有确定的化学式;②保持金属晶体的晶格 性质: 吸收氢气用作贮氢材料,1 体积钯室温下可吸收 700 体积以上的氢气, (化学式 为 PdH0.6)温度越高,吸收氢气量越小。373K 真空下,溶解的氢全部放出。 成键理论:①无明显电荷分离的类合金模型; ②氢原子失去电子成为 H+, 而电子则进入 金属导带的质子模型;③氢化物导带电子不足模型:氢原子从金属导带得电子,导带中 电子因此不足,但并未全部夺去,所以仍能显示金属性质。 § 1.3.2 氧化物 1 、普通氧化物 碱金属在空气中燃烧时,只有锂生成普通氧化物 Li 2 O ,钠生成过氧化物 Na 2 O 2 , 钾、铷、铯生成超氧化物 MO 2 ( M=K 、 Rb 、 Cs )。要制备除锂以外的其它碱金属 的普通氧化物,必须用其它方法。 碱土金属在室温或加热时与氧化合,一般只生成普通氧化物 MO 。但实际生产中常从 它们的碳酸盐或硝酸盐加热分解制备。 2 、过氧化物 过氧化物是含有过氧基( -O-O- )的化合物,除铍外,碱金属、碱土金属在一定条件 下都能形成过氧化物。常见的是过氧化钠。 过氧化钠 Na 2 O 2 呈强碱性,含有过氧离子,在碱性介质中过氧化钠是一种强氧化剂, 常用作氧化分解矿石的熔剂。例如: Cr 2 O 3 + 3Na 2 O 2 = 2Na 2 CrO 4 + Na 2 O MnO 2 + Na 2 O 2 = Na 2 MnO 4 Na 2 O 2 与水作用产生 H 2 O 2 , H 2 O 2 立即分解放出氧气。 所以过氧化钠常用作纺织品、麦杆、羽毛等的漂白剂和氧气发生剂。 在潮湿的空气中,过氧化钠能吸收二氧化碳气并放出氧气: 2Na2O 2 + 2CO 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2 ↑ 因此过氧化钠广泛用于防毒面具、 高空飞行和潜水艇里, 吸收人们放出的二氧化碳气并 供给氧气。 在酸性介质中,当遇到像高锰酸钾这样的强氧化剂时,过氧化钠就显还原性了,过氧离 子被氧化成氧气单质: 5O22 - + 2MnO 4 - + 16H + → 2Mn 2+ + 5O 2 ↑ + 8H 2 O 3 、超氧化物 超氧化钾 KO 2 、超氧化铷 RbO 2 和超氧化铯 CsO 2 中都含有超氧离子,因为超氧离 子中有一个未成对的电子,所以超氧化物有顺磁性并呈现出颜色。超氧化钾是橙黄色,超氧 化铷是深棕色,超氧化铯是深黄色。 超氧化物都是强氧化剂,与水剧烈地反应放出氧气和过氧化氢 : 2MO 2 + 2H 2 O == O 2 ↑+ H 2 O 2 + 2MOH (M = K 、 Rb 、 Cs) 超氧化物还能除去二氧化碳气并再生出氧气,可以用于急救器、潜水和登山等方面。 4MO 2 + 2CO 2 == 2M 2 CO 3 + 3O 2 (M = K 、 Rb 、 Cs) 4 、臭氧化物 钾、铷、铯的氢氧化物与臭氧反应,可得臭氧化物 3KOH (S) + 2O 3(g) → 2KO 3(S) + KOH + H 2 O (S) + 1/3O 2 § 1.3.3 氢氧化物
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§ 1.3.2 氢氧化物 碱金属溶于水生成相应的氢氧化物, 它们最突出的化学性质是强碱性, 对纤维和皮肤有 强烈的腐蚀作用, 所以称它们为苛性碱。 它们都是白色晶状固体, 具有较低的熔点。 除 LiOH 在水中的溶解度( 13g/100g 水)较小外,其余碱金属的氢氧化物都易溶于水,并放出大量 的热。在空气中易吸湿潮解,所以固体 NaOH 是常用的干燥剂。它们还容易与空气中的二 氧化碳作用生成碳酸盐,所以要密封保存。碱土金属(除 BeO 和 MgO 外)溶于水生成相 应的氢氧化物, Be(OH)2 为两性,Mg(OH)2 为中强碱,其它为强碱。 表 1 碱金属氢氧化物的某些性质
物质性质 水中溶解度 (mol/dm ) (293K) 酸碱性
3

LiOH 5.3 中强碱

NaOH 26.4 强碱

KOH 19.1 强碱

RbOH 17.9 强碱

CsOH 25.8 强碱

表 2 碱土金属氢氧化物的某些性质 Be(OH) 2 Mg(OH) 2 Ca(OH) 2 物质性质 3 5 × 10 -4 1.8 ×10 -2 水中溶解度 (mol/dm ) (293K) 8 × 10 -6 酸碱性 两性 中强碱 强碱 只有 Be(OH)2 显两性, 其余均为碱性

Sr(OH) 2 6.7 ×10 -2 强碱

Ba(OH) 2 2 × 10 -1 强碱

M-O-是一般氧化物的水化物的键联形式, 究竟是酸式还是碱式解离, 取决于 M 的电场. M 的电场强, 吸引氧的负电荷 , 从而加强 M-O 键, 同时削弱了 O-H 键, 易酸式电离: M——O—|—HM 的电场弱 , 吸引氧的负电荷能力差 , 而相对而言 , O 对 H 的吸引增强 , 结果是碱式电离: M—|—O——H 可用离子式 φ 来表征 M 的电场强弱:

§ 1.3.4 盐类 1、键型和晶型:绝大多数是离子型晶体,但锂和铍的某些盐有一定的共价性.由于 Be2+ 极化力强, BeCl2 的共价性非常明显. BeCl2 MgCl2 CaCl2 SrCl2 BaCl2 熔点 / ℃ 405 714 782 876 962

离子性增强
2 、颜色:一般无色或白色

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3、盐类的溶解性 (1)碱金属盐最显著的特征易溶于水。 例外: 难溶钠盐有: ※白色粒状的六羟基锑酸钠 Na[Sb(OH)6] ※黄绿色结晶醋酸双氧铀酰锌钠 NaAc· Zn(Ac)2· 3UO2(Ac)2· 9H2O 难溶的钾盐稍多,有: ※高氯酸钾 KClO4(白色) ※酒石酸氢钾 KHC4H4O6(白色) ※六氯合铂(+2)酸钾 K4[PtCl6](淡黄色) ※六亚硝酸合钴(+3)酸钠钾 K2Na[Co(NO2)6](亮黄色) ※四苯硼酸钾 K[B(C6H5)4](白色) 它们的难溶盐一般都是由大的阴离子组成, 而且碱金属离子越大, 难溶盐的数目也越多。 (2)碱土金属盐类的重要特征便是其难溶性。 一般来讲,它们与一价大阴离子形成的盐是易溶的。如碱土金属的硝酸盐、氯酸盐、高 氯酸易溶。碱土金属的硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、草酸盐;还有:CaF2 萤石(无色透明), SrCrO4 (黄), BaCrO4 (黄). 草酸钙的溶解度是所有钙盐中最小的,因此,在重量分析中可用它来测定钙。 思考题: 一般的钠盐或钾盐是易溶的,一般的高氯酸盐也是易溶的,但为什么 NaClO4 的溶解度 不大,而 NaClO4 更难溶? Na+、K+、ClO4–都是电荷少、半径大的离子,溶于水后离子水合程度不大. 故这些盐类 的溶解一般都是熵增过程,有利于溶解. 溶解过程的焓变主要来自晶格能和水合能. Na+、K+、ClO4–电荷少、半径大,因而它们 的晶格能小. NaClO4 、NaClO4 虽然晶格能比前者更小些,但净减小值不会很大,因为前者 的晶格能本来就不大,但后者的水合能比前者却有较大的减小. 因此,对由大阳离子和大阴 离子组成的化合物来说, 它们的晶格能虽然很小, 但水合能更小, 它们在水中就变得难溶了. 影响碱金属高氯酸盐溶解度的另一个因素是大阴离子与小阳离子不 “匹配”. 4、盐类带结晶水的能力 一般来说,离子愈小,它所带的电荷愈多,则作用于水分子的电场愈强,其盐愈易带结 晶水。显然,碱金属离子从 Li+到 Cs+其水合能力是降低的。 钠盐的吸湿性比钾盐强。化学分析工作中常用的标准试剂许多是钾盐而不是钠盐。 5、热稳定性 卤化物在高温时挥发而难分解。硫酸盐在高温下既难挥发,又难分解。硝酸盐热稳定性 较差,在一定温度可分解。 碱金属碳酸盐除 Li2CO3 在 1543K 以上分解为 Li2O 和 CO2 外,其余难分解。 碱土金属的碳酸盐热稳定性较碱金属碳酸盐要差。是由于它们电荷高,极化作用强。 碳酸盐热分解有规律: 含有大阴离子(如 CO32- )的热不稳定性化合物的分解温度随阳离 子半径的增大而而增高。 6、形成复盐的能力 碱金属盐常易与其它高氧化态金属盐形成复盐,复盐的溶解度比单盐低,故形成是有利 的。 (1)光卤石类,通式为 MICl· MgCl2· 6H2O I + + + 其中 M =K 、Rb 、Cs 。 如:光卤石 KCl· MgCl2· 6H2O;
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(2)通式为 M2ISO4· MgSO4· 6H2O 的矾类, 其中 MI=K+、Rb+、Cs+ 如:软钾镁矾 K2SO4· MgSO4· 6H2O; I III (3)通式为 M M (SO4)2· 12H2O 的矾类 I + + + 其中 M =Na 、K +、Rb 、Cs+, MIII=Al3+、Cr3+、Fe3+、Co3+、Ga3+、V3+等离子。 如:明矾 KAl(SO4)2· 12H2O 的。复盐的溶解度一般比相应简单碱金属盐小得多。 § 1.3.5 焰色反应 分子或原子以一定的频率振动, 在可见光谱范围内呈现一定波长的谱带或谱线, 从而使 火焰着色成为有色火焰,这种现象称为―焰色效应‖。 碱金属和碱土金属的化合物在无色火焰中燃烧时, 会呈现出一定的颜色,. 可以用来鉴定 化合物中某元素的存在,特别是在野外.

元素 颜色 波长/nm

Li 深红 670.8

Na 黄 589.2

K 紫 766.5

Rb 红紫 780.0

Cs 蓝 455.5

Ca 橙红 714.9

Sr 深红 687.8

Ba 绿 553.5

阅读材料
一、发光效果 发光效应是烟花药剂的一种主要效应。 无论是能起照明作用的照明剂, 还是能产生亮星 的药剂,能产生一闪一熄的效果药剂,它们所产生的烟花效果都离不开发光效应。 利用烟花药品剂燃烧后产生的发光效应,在药剂中如增加金属粉(如铝粉、镁铝合金粉 等)在药剂燃烧时即可生成固体和液体生成物,则离解出大量的光能和热辐射,发光强度有 数十万国际烛光,温度可达数千度。烟花药剂就是利用这种发光效应而起到照明作用的。再 利用这种发光作用,可制造出大小不一和形状不同的各种照明灯(弹) 。 有的药剂被点燃后除了能产生一定光色外, 还能在光截体中喷出许多金黄色或钢色, 或 是白色的亮星,把这种现象称为―喷波‖(或拉波) 。这种现象的产生也是利用发光效应。当 将硬木炭粉或铝粉、铁粉加入药剂中,燃烧后有一些颗粒在光截体中没有完全燃尽被喷出, 这些被喷出的颗粒再遇见空气中的氧, 就会发生第二次燃烧反应, 从而产生不同颜色和一定 亮度。硬木炭粉可产生金黄色小星;铁粉可产生钢兰小星;铝粉可产生白色小亮星,利用喷 波的作用,即可制造出各种烟花形象,如可制成金黄色、白色、钢兰色的各种喷花;或能产 生乱窜的蝌蚪游水般的零部件(称为曲率)以及翻跟头的部件(称为绣球)等等。 有的药剂被点燃后能强烈地燃烧产生一定亮变和光色, 并产生一亮一熄的脉冲现象。 这 种效果我们称为闪烁,也是利用发光效应的一种。在药剂中除了加入金属粉外,还要加入易 产生大量的固体和液体生成物的材料。 这样即可使药剂燃烧后, 由于有金属粉存在则会产生 较高的温度和较大的亮度, 当固体和液体的残渣覆盖下一层等待燃烧的药剂时, 即会出现低 温辐射给人一种熄灭的感觉。当下一层药剂被点燃后,又会产生高温和较大的亮度。紧接着 又用固体和液体残渣覆盖再下一层的药剂,以此推类,则会出现一亮一灭的现象。我们利用 这种一亮一熄的脉动现象,可制造出有如雪花飘飘、红星闪耀等烟花成品和各种零部件。

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大型烟花和空中礼花产生烟花效果时, 同观众的眼睛直线距离一般都不少于数十米, 甚 至数百米,如果它们产生的光色暗淡,则不会收到较好的效果。这就要求这二类烟花除了光 色正确外,还要有一定的亮度。这也即是说除了要求获得色纯度比较高的火焰外,同时也要 利用药剂的发光效应使火焰具有鲜艳的效果, 要想获得美丽鲜艳的火焰, 也必须加入一定量 的金属粉。 二、焰色效应 烟花药剂燃烧时除了能发光外, 还要产生不同颜色的火焰。 火焰颜色是由于烟花药品剂 燃烧时, 它的各组成成分间起了某种化学反应生成了某些原子或分子, 这些分子或原子以一 定的频率振动, 在可见光谱范围内呈现一定波长的谱带或谱线, 从而使火焰着色成为有色火 焰,这种现象称为―焰色效应‖。 根据产生焰色效应的原理,可以制成各种颜色的火焰,其办法即是在烟花药品剂中,加 入一些能使药剂燃烧时火焰能染成需要颜色的物质。 例如: 红色火焰是利用氯化锶的分子辐 射光谱;绿色火焰是利用氯化钡、氧化钡的分子辐射光谱;兰色火焰是利用氯化铜分子辐射 光谱。 橙色和紫色火焰则是利用光谱色混合规律而创造出来的, 用红色光和黄色光可配成橙 色光;用红色光和兰色光可配制成紫色光。采用这些燃烧后能产生有火焰的药剂,可制成各 种色彩鲜艳的发光体(如药柱、药球、药粒) ,可制成一面旋转一面喷花的转花;可制成被 点燃后连续射出各种色彩球的魔术棍; 可制成在空中构成非常鲜艳无比、 变化无穷的各式各 样的花形图案等等。 三、声响效应 某些烟花药剂在某种容器中, 被点燃后有的由燃烧转为爆燃而发出闪光的雷声; 有的由 于产生的气体从喷孔中能发出悦耳的哨声或笛声; 有的能产生类似鸟叫或嗡子声音, 我们管 这种现象称之为―声响效应‖。 利用烟花药剂燃烧时能产生声响效应,可制造和设计出许多种烟花零部件和成品。 如将黑火药系列的药剂装在纸筒中, 两头压上泥塞的纸筒中, 在药剂上边再扦上一根引 线,引燃后会产生悦耳的哨子声或笛子声。 如将高氯酸钾和铝粉等混合后装在纸筒中并封闭严实或用几层纸条缠紧成包状, 用导火 索点燃会产生爆炸声和耀眼的闪光。 利用这些―声响效应‖可制成如称为筒雷、包雷、嗡子、小鸟、哨子、笛子等部件,再采 用这些部件又可以配成许多种大小烟花和空中礼花,如:小火箭的―响弹‖,大型烟花的―百 鸟齐鸣‖,空中礼花的―雷鸣花开‖等等。 四、气动效应 某些药剂燃烧后能产生大量的气体,能使纸制品旋转或升到空中,或连续喷出彩星,或 连续射出烟花部件(如彩星、哨子等) ,或将壳体炸开,这些现象的产生,就是由某些烟花 鞭炮药剂燃烧后产生的气动效应造成的。 利用烟花药剂燃烧后能产生的 ―气动效应‖在药剂中加入能燃烧反应剧烈和产生大量气 体及有一定燃烧速度的成分,可制成能产生不同烟花效果的喷花、射珠、旋转、火箭、升空 等类型的烟花,以及构成各种花形图案的空中礼花。 利用烟花药剂燃烧时产生的气体, 由纸管孔中间向外喷射产生的反作用力, 可使烟花围 绕一个轴心旋转,并喷出彩色的火焰,可制成手持、悬吊、地面等类型的各种小型烟花,也 可制成大型的悬挂烟花, 可制成用于空中礼花的大小型旋转的部件, 并以它们为主体可配制 成如―钢花四射‖,―彩轮飞舞‖等品种的礼花。 利用属于黑火药系列的药剂作喷射药, 将它们和许多小药粒混合均匀装入纸管中, 药剂 被点燃后会产生大量气体,点燃药粒将它们从纸管喷出。可配制成各种手持类、地面类小型 烟花(如―春花怒放‖、―凤尾花‖等)也可配制成各种大型地面烟花。利用小粒黑火药或类似
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的粒状药作发射药, 在药剂上边再放上药块或曲率等部件。 当发射药被点燃后会产生大量气 体,能将零部件引燃并抛到空中。有的连续射出单色或多色的彩星;有的一声哨子叫并在空 中开一朵小花。 在大小烟花和空中均可采用, 例如应用在低空抛射式小型烟花中抛出烟火零 部件和手持小型烟花的夜明珠中连续射出彩星。 利用黑火药系列药剂,压装在火箭纸管中,被点燃后会产生大量气体由喷孔中喷出,受 空气摩擦产生声响,并使火箭的发射载体飞到空中。在火箭载体上边再装上药块和喷射药, 会在空中呈现一朵小鲜花,如装入一些小炮,会在空中产生炮竹数响。 利用燃烧速度比较快又能喷出小亮星(称为―波‖)的有光色的药剂,装在有喷孔的纸管 中,被点燃后可喷出一定光色的火花和许多―波‖,会在空中形成独特美丽的图案。应用在制 造烟花零部件中可设计成―波曲率‖、―绣球‖。并可应用在大小型烟花和大型烟花―红太阳‖中 的喷花管和小型烟花―金盘玉盏‖。 烟花制品有时需要用某些类似猛炸药的专用爆炸药(如稻壳炸药、谷糠炸药、棉籽炸药 等) 。这些类似猛爆药性质的专用炸药管,被点燃后能产生大量气体,会炸开制药的外壳, 并将在制药中的零部件抛出或点燃, 这也是利用烟花药剂燃烧产生气动效应的一种现象, 这 种烟花的专用炸药广泛应用在空中礼花中,也可用在大小型烟花中。 五、发烟效应 烟花药剂燃烧时能产生发光、焰色、声响和气动效应外,还能产生发烟效应。在含有氧 化剂、可燃剂和有机染料的烟花药剂中,由于燃烧时氧化剂和可燃剂反应放出热量,使有机 染料直接升华成蒸气,并在大气中冷凝成为有色烟,这种现象我们称为―发烟效应‖。 根据上述产生有色烟的原理,可制成各种颜色的烟云。加入酞青兰可获得兰色烟;加入 碱性嫩黄 O 可获得黄色烟;加入烟雾红可获得红色烟;加入槐黄和次甲兰可获得绿色烟。 为了获得有色烟, 在药剂中只能应用有机染料, 不能使用金属可燃标准的镁铝合金中镁、 铝的含量各约为 50%。活性铝含量的多少对烟花的安全生产和产品的质量有很大的影响。 但是现在生产镁铝合金的企业多为私营企业,近几年来铝锭比镁锭贵,受利益的驱动,大多 未按国标生产。现在镁铝合金粉中铝的含量普遍低于 50%,有的铝含量低到了 40%。镁含 量的增加使得镁铝合金的性质接近镁粉的性质,使得烟火药的撞击感度、摩擦感度增加,烟 火剂更加敏感,从而增加隐患。

轻微烟花的制作的过程原理
春节燃放爆竹的同时,民间还喜欢放烟花。烟花又称―焰火‖或―礼花‖,由爆竹演变发展 而成。它由引信、发射药和炮药三部分组成。引信为导火线,点燃导火线,发射药燃烧,将 炮药射向空中。炮药中有混杂的盐类,爆炸后,在高温下与氧气发生化学反应,便会产生五 颜六色的火花,不能燃烧的物质便产生烟雾。烟花没有爆竹清脆的声响,但却有变幻无穷、 色彩纷呈的图案。 相传烟花始于隋唐, 盛于宋代。 北宋时烟花制作已很精致, 有了显现戏曲人物形象的―药 发傀儡‖。南宋时节日盛行放烟花,当时的景象从《武林旧事》中可窥一斑:―宫漏既深,始 宣放烟花百余架。于是乐声四起,烛影纵横,而驾始还矣。‖现代烟花可分为低空烟花、高 空烟花、地面烟花、水面烟花、手持烟花、吊线烟花、造型烟花等八大类,令人眼花缭乱。 绚丽多彩的烟花与声声爆竹相辉映,将节日的夜空装点得热闹非凡。 烟花是由筒壳体(纸、塑料、薄金属片等材料制成) ,烟火剂,封口物质,附件(如尾 翼底座、横担、轴、杆) ,点火装臵(如引线、擦火板、电点火头等)组成。它利用烟火剂 燃烧或爆炸时产生的光、色、音响、气动、发烟等效应,使烟花成为一种供观赏品。 烟花为什么会有五彩缤纷的颜色 烟花含有各种不同的化学药品,在燃烧时可以给火焰染色。

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铜燃烧时,火焰会变成绿色; 硝酸锶、碳酸锶燃烧时,能使火焰变成红色; 硝酸钠、草酸钠燃烧时火焰是黄色; 将硝酸锶和硝酸钠按一定比例混合,燃烧时火焰是桔红色。 只要把这些药品按不同的比例和次序放在烟花里,在燃烧时便能发出五彩缤纷的光。 鞭炮、烟花 主要成分为硝化纤维,已经加入稳定剂,是传统黑火药 3 倍的效率。高效、 无烟。 爆竹的主要成分是黑火药,含有硫磺、木炭粉、硝酸钾,有的还含有氯酸钾。制作闪光 雷、电光炮、烟花炮、彩色焰火时,还要加入镁粉、铁粉、铝粉、锑粉及无机盐。当烟花爆 竹点燃后,木炭粉、硫磺粉、金属粉末等在氧化剂的作用下,迅速燃烧,产生二氧化碳、一 氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮等气体及金属氧化物的粉尘,同时产生大量光和热 而引起鞭炮爆炸。纸屑、烟尘及有害气体伴随着响声及火光,四处飞扬,使燃放现场硝烟弥 漫,硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物等严重污染空气。这些气体对人的呼吸道及眼睛都有刺 激作用。 按燃烧效果不同,可将烟花产品分为以下十类(大礼花弹不在此类) : (1)喷花类:燃放时以喷射火苗、火花为主的产品; (2)旋转类:燃放时烟花主体自身旋转的产品(旋转升空的产品不列入此类); (3)升空类:燃放时,由定向器定向升空的产品; (4)吐珠类:从同一筒体有规律地发射多珠的产品; (5)线香类:用装饰纸或薄纸筒裹装烟火药或在铁丝、竹杆、纸片上涂敷烟火药形成 的线香状产品; (6)地面礼花类:放臵在地面,从筒体内发射并在空中爆发出焰药效果的产品; (7)烟雾类:产生烟雾效果为主的产品; (8)造型玩具类:产品外壳制成多种形状,燃烧时或燃烧后能模仿所造形象或动作的 产品; (9)小礼花弹类(直径不大于 38mm) :弹体从发射管中发射到空中后,能爆发出各种 花型图案或其他效果的产品; (10)其他。 烟花中烟火剂的主要原材料是: (1)硝酸钾:硝酸钾是强氧化剂。在配制烟火药时,不宜将硝酸钾与高氯酸铵混合使 用。因为硝酸钾会与高氯酸铵发生瓜,生吸湿性很强的硝酸铵,如果这些药剂中含有轻金属 粉末时, 些金属粉末就可能受潮发热,甚至自燃、自爆。 (2)氯酸钾:氯酸钾特别敏感,它与有机物、硫磺、硫化物、酸类或其他易氧化的和物质 混合后, 受热或受到撞击和磨擦, 均能产生强烈的燃烧和爆炸。 氯酸钾受日光照射容易分解, 生成极不稳定的亚氯酸钾和吸湿性很强的氧化钾,亚氯酸钾极不稳定,如果与酸类、硫化物 和有机物等混合,极易自燃或自爆。 (3)硝酸钡:常温下硝酸钡的化学稳定性较好,机械感度不高,但与氯酸钾混合,容 易生成敏感性较强的氯酸钡,配合制成烟火药时,有可能产生自燃、自爆。 (4)高氯酸钾:高氯酸钾的化学稳定性较氯酸钾好,与硫化氰酸盐混合产生自爆,与 有机物混合具有强烈的爆炸性能。 (5)硫磺:硫和氯酸钾的混合物可形成爆炸性物质,感度很高,销经撞击或磨擦就会 爆炸,硫为热和电的不良导体,在粉碎、碾磨时会产生静电,引起自燃和爆炸。硫磺粉尘在 人气中会与氧形成爆炸性混合物,当每公升空气中含硫 7 毫克以上时,遇到火源就会爆炸。 (6)铝粉:铝粉易溶于稀酸,遇水或受潮会与水产生化学反应,产生高温,如果不及
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时扩散,会产生自燃、自爆。当每公升空气中含铝粉 40 毫克以上时,遇到火源就会爆炸。 (7)镁粉:镁粉与铝粉一样,受潮会产生自燃、自爆。当每公升空气中含镁粉 10-25 毫克,遇到火源就会爆炸。 (8)镁铝合金粉:一般由镁、铝各 50%左右组成的金属互化的,化学稳定性比单独的 镁粉或铝粉要好。当每公升空气中含有合金粉 32.5 毫克时,遇火源就会爆炸,受潮与水作 用后生成氧化物,并放出氢气,同时产生大量热,如果不及时散热,会自燃或自爆。 (9)硫化锑:硫化锑在烟火药中用作还原剂、助燃剂,它与氯酸钾、高氯酸钾的混合 物敏感度很高,比硫与氯酸钾、高氯酸钾的混合物稍稳定,但由于它不可避免地带有一些二 氧化硅(沙子) ,从而大大提高了烟火药的机械感度。另外还有一种五硫化二锑,它是一种 强还原剂,比三硫化二硫的感度更高。 (10)赤磷(又名红磷) :赤磷是一种强还源剂,在空气中容易被氧化,并产生自燃, 赤磷与氯酸钾的混合物,在含水分 20%的情况下,稍经撞击或摩擦就会自燃与爆炸。赤磷 燃烧时,产生有毒的五氧化二磷白色烟雾。用作烟火剂的赤磷,不允许有黄磷(白磷)痕迹, 因为黄磷的燃点很低(仅 30 摄氏度) ,与其他药物混合制成产品时,很容易自燃。 (11)硝化棉:硝化棉具有高度可燃性和爆炸性,其危险程度根据硝化程度而定,含氮 量在 12.5%以上的硝化棉危险性极大, 遇火即燃烧。 在温度超过 40℃ 时能加速其分解而自燃。 含氮量不足 12.5%的硝化棉虽然比较稳定,但受热或储存日久,逐渐分解而放出酸,降低着 火点,亦有自燃自爆的可能。失火时,严禁用砂土等物压盖,以免发生爆炸 烟花是在火药(主要成分为硫黄、炭粉、硝酸钾等)中按一定配比加入镁、铝、锑等金属 粉末和锶、钡、钠等金属化合物制成的。由于不同的金属和金属离子在燃烧时会呈现出不同 的颜色(即―焰色反应‖),所以烟花在空中爆炸时,便会绽放出五彩缤纷的火花。例如,铝镁 合金燃烧时会发出耀眼的白色光; 硝酸锶和锂燃烧时会发出红色光; 硝酸钠燃烧时会发出黄 色光;硝酸钡燃烧时则会发出绿色光。 除了金属和金属化合物外, 人们还会在烟花里加入不同剂量的氧化剂、 助光剂和黏合剂。 氧化剂在燃烧时会产生大量氧气, 起到助燃和使烟花颜色更加鲜艳的作用; 助光剂能大大提 高烟花的亮度; 黏合剂则用来将粉末状的化合物组成大小不一的光剂颗粒。 如果把这些颗粒 按一定的规则排列, 就可以制成不同图案的烟花。 如―向阳花‖中间一圈放上发黄色光的颗粒, 周围放上发绿色光的颗粒,到天空爆炸后,就会形成一朵绿叶扶衬的向日葵,美丽极了。 烟花的颜色是由于不同金属灼烧, 发生焰色反应颜色不同造成的。 烟花是利用各种金属 粉末在高热中燃烧而构成各种夺目的色彩的。 使用不同金属就能产生不同效果, 发出不同颜 色的光芒 焰色反应: 钠(Na) :黄 锂(Li) :紫红 钾(K) :浅紫 铷(Rb) :紫 铯(Cs) :紫红 钙(Ca) :砖红色 锶(Sr) :洋红 铜(Cu) :绿 钡(Ba) :黄绿 反应原理 焰火剂燃烧时所发出的焰和火称为焰火, 它是利用金属离子在高温灼烧时能产生固有 颜色的焰色反应制造的。

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各种颜色火焰的药剂,其主要成分是:氧化剂、可燃物、发色剂和粘合剂。所用的氧化 剂有:氯酸钾、硝酸钾、过氯酸钾、硝酸钠、氯酸钠等。可燃物和粘合剂有:木炭、淀粉、 蔗糖、明胶、沥青等。各种颜色的焰火发色剂通常由下列各种金属盐组成。猩红色:锶;红 色:锂、铷;橙红色:钙;黄色:钠;黄绿色:钡;绿色:铜(除卤化物外) ;亮蓝色:铅 或铜;深蓝色:卤化物;蓝色:锑;紫红色:锶和铜;白色:铝粉(锌或镁等) 。 氧化剂在可燃物的作用下受热分解出氧气供可燃物燃烧产生高温, 以促使金属盐类物质 发生焰色反应。

烟花工作原理
从牡丹到菊花再到大丽花, 之所以有如此多的烟花以开花植物命名就是因为它们在绽放 时呈现出这些花的图案。烟花壳中装有―空中开花‖需要的一切配料。从地面发射台发射到空 中炸开并最终绽放出诱人的颜色和绚丽的图案, 在整个过程中, 烟花壳的结构必须保持完整。 以下 19 幅图片向我们讲述了烟花的工作原理。

一个长 6 英寸(约合 15.24 厘米)的柱形壳。位于最左边的是延时引信,左边隔间装的 是方形星体,爆裂药一直从引信延伸到右侧起到推进作用的黑火药。

星形图案烟花。 空中绽放时呈现的图案基本上就是小球排列的星形图案。 烟花壳的每一 半所装的东西一模一样,扣在一起后,彼此成为对方的―镜子‖。
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笑脸烟花壳。在空中绽放时会出现一个笑脸。

球壳的体积有大有小,小的有如网球和垒球,大的与篮球差不多。通常情况下,烟花壳 的直径最大也就 4 英尺(约合 1.21 米) ,超过这一尺寸的壳在烟花秀中非常罕见。由于距离 爆裂药最近,中部的球形银色星体率先爆炸。不久之后,体积更大的金色星体也发生爆炸, 在烟花周围形成长度更长、 面积更大的须状图案。 底部起到推进作用的黑火药负责将烟花壳 送入空中。

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孔雀羽毛/蜻蜓。烟花制造者认为制造这种孔雀羽毛图案的蓝紫色效果最富有挑战性。 用于制造蓝紫色效果所需化学物质的浓度不稳定并且极度危险。 图片中呈现的效果通过使用 氧化铜和碳酸锶实现。小金球被放臵在烟花壳―赤道‖周围,形成一个金色―土星环‖。

Zambelli 烟花的彩色菊花图案由各种颜色的星体形成。在烟花壳内处于什么位臵,星体 在空中绽放时便会占据与这个位臵对应的空间。

7 月 4 日,Zambelli Fireworks Internationale(直译为 Zambelli 烟花国际歌)公司为公众
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奉献了 800 多场精彩的烟花秀并且经常在音乐的伴奏下登场, 例如在宾夕法尼亚州匹兹堡上 演的烟花秀。Zambelli 表示他们只需要两个小时便可敲定音乐伴奏烟花秀的每一个环节。

麦穗。Zambelli 将其称之为―尖叫的涡轮蜡烛‖。这种烟花的小柱形壳内装有能够形成上 升扭动效果的混合料。为了实现这种效果,纸管上需要钻一个洞,燃烧时产生的气体钻出小 洞同时发出尖锐的声音。木炭经常被用于制造金色效果。

绿蜂。 任何制造这种星体的人都必须熟练掌握氯酸钡的调制和使用, 这种化合物负责制 造与《魔鬼克星》中斯利默一样的绿光效果。绿蜂的轨迹是球壳内长 3 英寸(约合 7.62 厘
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米) ,直径不等的小管内星体随机喷出后形成。随着温度升高,管内压力将星体喷出并在空 中任意移动。加拿大利亚尔托 Pyro Spectaculars 的吉姆· 苏扎说:―控制管内星体构成难度极 高,几乎就和弄火箭火药差不多。‖

棕榈树。苏扎说金色棕榈树图案由体积较大的加压小球(被称之为―彗形星体‖)形成, 这种星体起到的作用与 Energizer C 电池相似。彗形星体拥有更多物质,可燃烧更长时间, 进而产生更粗的线条。

橙色牡丹。这种橙色牡丹是较为简单的烟花图案之一,每一个花瓣由一个很小的星体形成。

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纽约上空的太阳。苏扎用―高清晰‖形容这种复杂的全景效果。

红蓝土星。形成尾巴图案的星体延时引信较短,导致其在起飞时与推进药同时点燃。抵 达最高点后,烟花壳在爆裂药的作用下裂开,―土星‖就此在空中出现。
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蜘蛛侠。 苏扎说这个烟花的星体必须小心翼翼地放入桂格燕麦罐大小的柱形壳内。 位于 壳中部的是球形绿色星体, 绽放时在烟花中部形成凫蓝色牡丹图案。 体积较大的金色彗形星 体毗邻凫蓝色小球,点燃时向外张开,最终远离凫蓝色小球并形成猩红色翮羽图案。这种效 果可以通过将猩红色星体装入柱形壳外缘的特殊隔间这种方式加以改变。

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红绿太阳。 每一根红色卷须和凫蓝色羽毛所对应的是烟花壳内的一个小焦酚球。 凫蓝色 小球由硝酸钡混合制成,红色小球则由锶盐混合制成。

旧金山美国烟花协会打造的一场烟花秀的压轴戏。

金色是这个烟花的主打色,尖端的蓝色―小爪子‖让整个图案更引人注目。

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烟花中的―高清晰版‖,橙色和绿色交织在一起,煞是好看。

烟花工作原理图解。

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§ 1.4 锂、铍的特殊性 一.锂的特性 IA 族中, 锂半径 r 最小,极化能力强,表现出与 Na 和 K 等的不同性质,它与 IIA 族里的 Mg 相似. *LiOH, Li2CO3, LiNO3 都不稳定, 极化作用大, 而 LiHCO3 更难于存在; *在氧气中燃烧,只生成 Li2O, 和 Mg 相似; *Li, Mg 都可以和 N2 直接化合, 其余碱金属不能; *Li, Mg 的氟化物、碳酸盐、硫酸盐难溶, 而其它碱金属无此性质; *Li, Mg 结晶水合氯化物,受热分解时水解. 问题: LiH 的稳定和 LiOH, Li2CO3, LiNO3 等的不稳定原因, 都是因为 Li 的半径小, 极化 作用大. 差别是什么? 极化使 Li-H 键增强, 所以 LiH 稳定, 而含氧酸盐中, 极化加强了 Li-O 键, 削弱了 O 和 其它原子间的键强, 因而易分解: Li2CO3 = Li2O + CO2 (1000K 以上, 部分分解) 4LiNO3 = 2Li2O + 2N2O4 + O2 (773K) 与其它碱金属硝酸盐分解成亚硝酸盐和 NO2, 不同于此反应. 二 锂与镁的相似性: 单质与氧作用生成正常氧化物; 氢氧化物均为中强碱,且水中溶解度不大; 氟化物、碳酸盐、磷酸盐均难溶; 氯化物均能溶于有机溶剂中; 碳酸盐受热分解,产物为相应氧化物。 Be, Al 和冷浓 HNO3 接触时, 钝化, 其余 IIA 族金属易于和 HNO3 反应. Li 和 Mg、Be 和 Al,连同上一章的 B 和 Si 的相似性体现着斜线(对角线)规律.

对角线规则:向下金属性加强,向右非金属性加强,向右向下金属性非金属性相近. 产生原因:实质是原子或离子的电场力引起的 , 电场力相近 , 对外层电子的约束力相近 所以 符合元素: Li-Mg, Be-Al, B-Si

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