元素化学与无机材料.ppt

第6章元素化学与无机材料 大连轻工业学院基础化学教学中心 2 61 大连轻工业学院基础化学教学中心 3 61 大连轻工业学院基础化学教学中心 4 61 大连轻工业学院基础化学教学中心 5 61 6 1单质的物理性质 6 1 1熔点 沸点和硬度 变化规律都是先升高 再降低 上述变化规律主要决定于它们的晶体类型 晶格中粒子间的作用力和晶格能 大连轻工业学院基础化学教学中心 6 61 同一周期 从左到右 晶体类型由金属晶体过渡到原子晶体和分子晶体 原因 如第三周期NaMgAlSiPSCl 金属晶体 原子晶体 分子晶体 大连轻工业学院基础化学教学中心 7 61 如第4 6周期KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZn 碱金属的半径大 价电子少 因而金属键较弱 所以熔点低 到d区元素 半径减小 价电子增多 金属键增强 因此 熔 沸点升高 直至VI副族 VI副族以后 未成对d电子数又减小 因此熔 沸点了降低 到了ds区及p区金属 其晶体类型从金属晶体向分子晶体过渡 因此熔点较低 大连轻工业学院基础化学教学中心 8 61 之最 在所在单质中硬度最大的是金刚石熔点 沸点最低的是氦硬度最大的金属是铬熔点最高的金属是钨熔点最低的金属是汞 大连轻工业学院基础化学教学中心 9 61 6 1 2导电性和能带理论 大连轻工业学院基础化学教学中心 10 61 1 单质的导电性 导体半导体绝缘体 银 铜 金 铝是最好的导电材料 金属的纯度和使用的温度对导电性能也有影响 p区右上部的元素及稀有气体的单质为绝缘体 p区从B到At对角线附近的元素单质大都具有半导体的性质 硅和锗是公认最好的半导体 大连轻工业学院基础化学教学中心 11 61 2 固体能带理论 Na2 当有1molNa时 由此组合的相应分子轨道就有1mol 这些分子轨道之间的能级相差小 几乎连成一片 形成了具有一定上限和下限的能带 这1mol分子轨道可以容纳2mol的电子 但实际上只有1mol的电子在成键轨道 而另一半是空的 此时3s能带是未满的 称未满带 大连轻工业学院基础化学教学中心 12 61 金属晶体中存在这种未满的能带是金属能导电的根本原因 未满带中的电子在外界电场的影响下 并不需要消耗多少能量就可以跃入未满能带的空分子轨道 使金属具有导电性 大连轻工业学院基础化学教学中心 13 61 镁的3s能带是全满的 叫满带 但3s和3p能带发生部分重叠 使3s中的电子也可以进入3p能带 所以也可以导电 大连轻工业学院基础化学教学中心 14 61 半导体满带禁带窄 绝缘体满带禁带宽 大连轻工业学院基础化学教学中心 15 61 大连轻工业学院基础化学教学中心 16 61 1 金属与氧的作用 s区金属在空气中燃烧时除能生成正常的氧化物外 还能生成过氧化物 普通氧化物Li2O BaO MgO 过氧化物Na2O2 BaO2 超氧化物KO2 BaO4 O O O 应用 固体储氧物质 与H2O或CO2放出O2 大连轻工业学院基础化学教学中心 17 61 p区金属元素的活泼性一般远比s区金属弱 锡铅锑铋等在常温下与空气无显著作用 铝较活泼 易与氧化合 但可形成一层致密的氧化物保护膜 阻止氧化进一步进行 d区和ds区金属的活泼性也较弱 从左到右一般逐渐减弱 但不明显 过渡金属的活泼性从上到下是减弱的 大连轻工业学院基础化学教学中心 18 61 2 金属的溶解 H H2 Na Na 电极电势 s区的 数值都比较小 所以用水作氧化剂就能将金属溶解 2Na 2H2O H2 2NaOH 铍和镁可形成致密的氧化物膜而稳定 p区和和第4周期d区金属及锌的 虽也为负值 但比s区的要大 所以只能溶于酸 第5 6周期d区和ds区金属及铜的 0 所以不能溶于非氧化性酸 大连轻工业学院基础化学教学中心 19 61 不活泼金属可溶于王水 3Pt 4HNO3 18HCl 3H2 PtCl6 4NO g 3H2O Au HNO3 4HCl H AuCl4 NO g 2H2O 铌 钽 钌 铑 锇 铱可溶于浓的HF和HNO3中 此外 铝镓锡铅铬锌还能溶于碱溶液 2Al 2NaOH 2H2O 2NaAlO2 3H2 g Sn 2NaOH Na2SnO2 H2 g 大连轻工业学院基础化学教学中心 20 61 2 金属的钝化 由于金属在空气中氧化生成的氧化膜具有较显著的保护作用 容易产生钝化作用的有铝 铁 铬 镍 钛及其合金 应用 用铁制的容器贮运浓HNO3和浓H2SO4如果在钢中加入铬 铝和硅等 由于生成的氧化膜 有效的减慢了钢的氧化 大连轻工业学院基础化学教学中心 21 61 6 2 2非金属单质的氧化还原性 易得电子 呈现氧化性 且符合规律 除F2 O2外 大多数还具有还原性 1 强氧化性 用作氧化剂 强弱可用 或 G来判断 Cl2 2I 2Cl I2 5Cl2 I2 6H2O 10Cl 2IO3 12H Cl2 Cl 1 358V IO3 I2 1 195V 大连轻工业学院基础化学教学中心 22 61 2 较不活泼的非金属单质用作还原剂 碳常用于炼铁 3Si 18HF 4HNO3 3H2 SiF6 4NO g 8H2O Si 2NaOH H2O Na2SiO3 2H2 g 一般不与稀酸作用 但可以与氧化性酸反应 S 2HNO3 浓 H2SO4 2NO g C 2H2SO4 浓 CO2 g 2SO2 g 2H2O 大连轻工业学院基础化学教学中心 23 61 3 大多数具有氧化生和还原性 2H2 O2 2H2O 2Li H2 2LiH 还原性 氧化性 Cl2 H2O HCl HClO 歧化反应 Cl2 2NaOH NaCl NaClO H2O 4 不活泼的非金属单质可作保护气 大连轻工业学院基础化学教学中心 24 61 6 3无机化合物的物理性质 6 3 1卤化物的熔点 沸点 大连轻工业学院基础化学教学中心 25 61 大连轻工业学院基础化学教学中心 26 61 1 IIA族元素氯化物 自上而下熔点升高2 多数过渡金属及p区熔点低 且同一金属元素的低价态氯化物的熔点经高价态的要高 如 FeCl2 FeCl3 SnCl2 SnCl4 非金属的氯化物 PCl5 CCl4 SiCl4 分子晶体 活泼金属氯化物 NaCl KCl BaCl2 金属的氯化物 AlCl3 FeCl3 ZnCl2 晶体结构 离子晶体 过渡型 大连轻工业学院基础化学教学中心 27 61 6 3 2氧化物的熔点 沸点和硬度 大连轻工业学院基础化学教学中心 28 61 活泼金属氧化物 Na2O MgO BaO 非金属的氧化物 SO2 N2O5 CO2 金属的氧化物 Al2O3 Fe2O3 TiO2 晶体结构 离子晶体 分子晶体 过渡型 低 原子晶体 非金属的氧化物 SiO2 过渡型 高 金属的氧化物 V2O5 CrO3 Mn2O7 相同价态的金属的氧化物的熔点都比其氯化物高 MgO MgCl2 Al2O3 AlCl3 Fe2O3 FeCl3 CuO CuCl2 大连轻工业学院基础化学教学中心 29 61 6 4无机化合物的化学性质 6 4 1氧化还原性 1 高锰酸钾KMnO43d54s2 暗紫色晶体 溶液呈紫色 在酸性介质中是很强和氧化剂 氧化能力随介质的减弱而减弱 还原产物也不同 MnO4 Mn2 1 506V MnO4 MnO2 0 595V MnO4 MnO42 0 558V 大连轻工业学院基础化学教学中心 30 61 在酸性条件下2MnO4 5SO32 6H 2Mn2 5SO42 3H2O 在中性或弱碱性条件下2MnO4 3SO32 H2O 2MnO2 s 3SO42 2OH 在碱性条件下2MnO4 SO32 2OH 2MnO42 SO42 H2O 无色溶液 棕褐色沉淀 绿色溶液 大连轻工业学院基础化学教学中心 31 61 2 重铬酸钾在酸性条件下K2Cr2O7 Cr2O72 6Fe2 14H 2Cr3 6Fe3 7H2O 橙红色 绿色 2Cr2O72 3C2H6O 16H 4Cr3 3C2H4O2 11H2O 检测司机酒后驾车 黄色 橙红色 大连轻工业学院基础化学教学中心 32 61 3 亚硝酸盐NO2 既有氧化性又有还原性 在酸性介质中表现为氧化性 2NO2 2I 4H 2NO g I2 2H2O 遇较强氧化剂 表现为还原性 Cr2O72 3NO2 8H 2Cr3 3NO3 4H2O 亚硝酸盐均可溶于水并有毒 是致癌物质 大连轻工业学院基础化学教学中心 33 61 4 过氧化氢H2O2 既有氧化性又有还原性 且会发生歧化反应 在酸性或碱性介质中都表现为氧化性 H2O2 I 2H I2 2H2O 遇较强氧化剂 表现为还原性 2MnO4 5H2O2 6H 2Mn2 5O2 8H2O H2O2广泛用于漂白 杀菌 氧化剂 作为氧化剂时不会引入杂质 使用时要小心 大连轻工业学院基础化学教学中心 34 61 4 6 2酸碱性 1 氧化物及其水合物的酸碱性 氧化物酸性氧化物SO2碱性氧化物Na2O两性氧化物Al2O3不成盐氧化物 如CO NO 氢氧化物酸性氢氧化物H2SO3碱性氢氧化物NaOH两性氢氧化物Al OH 3 水合物不论酸碱性 都可以表示为R OH x 大连轻工业学院基础化学教学中心 35 61 习惯上 写酸的化学式时 把氢写在前面写碱的化学式时 写成氢氧化物的形式 如 硼酸写成H3BO3 而不写成B OH 3 氢氧化镧是碱 则写成La OH 3 当R的氧化值较高时 氧化物的水合物易脱水 如 H5NO5脱2个水分子成HNO3 H5PO5脱1个水分子成H3PO4 对于两性的氢氧化物 如氢氧化铝 既可以写成Al OH 3 又可以写成H3AlO3或HAlO2 大连轻工业学院基础化学教学中心 36 61 酸碱性强弱的一般规律 1 最高价态氧化物及其水合物 从左到右 同周期 酸性增强 碱性减弱 自上而下 同族 酸性减弱 碱性增强 副族变化缓 2 同一元素形成不同价态氧化物及其水合物时 一般高价态的酸性比低价态的要强 H2CrO4 H2MoO4 H2WO4 HClO4 HClO3 HClO2 HClO 大连轻工业学院基础化学教学中心 37 61 R为低价态 3 金属元素 s区和d区 时 其氢氧化物呈碱性 R为高价态 3 7 非金属或金属性较弱的元素 p区和d区 时 其氢氧化物呈酸性 R为中间价态 2 4 一般金属元素 p区 d区和ds区 时 其氢氧化物呈两性 R的电荷数对氧化物的水合物的酸碱性有影响 大连轻工业学院基础化学教学中心 38 61 2 氯化物与水的作用 水解 1 活泼金属的氯化物不水解 pH值不变如 NaCl KCl BaCl2 2 大多数不太活泼金属的氯化物会不同程度的水解 pH值变小如 MgCl2 FeCl3 SnCl2 大连轻工业学院基础化学教学中心 39 61 通常水解反应都是分级 可逆的 且产物都不生成沉淀 也有例外的 配制时要先将固体溶于浓酸 再加适量水配SnCl2时 通常还要加入此Sn固体 大连轻工业学院基础化学教学中心 40 61 3 多数非金属氯化物和某些高价态金属的氯化物与水发生完全反应 完全水解 BCl3 l 3H2O H3BO3 aq 3HCl aq SiCl4 l 3H2O H2SiO3 s 4HCl aq PCl5 s 4H2O H3PO4 aq 5HCl aq 应用 军事上用作烟雾弹 提纯锗 大连轻工业学院基础化学教学中心 41 61 3 硅酸盐与水的作用 SiO2 2NaOH Na2SiO3 H2O SiO2 2Na2CO3 Na2SiO3 CO2 Na2SiO3溶于水所得的粘稠溶液叫做水玻璃 SiO32 H2O H2SiO3 2OH 工业上重要的无机粘结剂 大连轻工业学院基础化学教学中心 42 61 6 5配位化合物 6 5 1配位化合物的组成和结构 大连轻工业学院基础化学教学中心 43 61 阳离子d区 ds区中性原子Fe CO 5极少数高价非金属SiF62 3 中心离子或原子 配离子的形成体 含孤对电子CN SCN NH3 H2O Cl 配位剂 4 配位体与配位原子 EDTA KCN KSCN NaCl 大连轻工业学院基础化学教学中心 44 61 配位原子 与中心离子直接以配位键相结合的配位原子的总数 与中心离子 或原子 以配位键结合的原子提供电子对 N O Cl F S 5 配位数 单齿配体 一个配体中只有一个配位原子 NH3 H2O Cl F CN S2O32 SCN 大连轻工业学院基础化学教学中心 45 61 一个配体中有两个或两个以上的配位原子 多齿配体 C2O42 氨基乙酸NH2CH2COOH 乙二胺 en 邻二氮菲 丁二酮肟 双齿配体 大连轻工业学院基础化学教学中心 46 61 与中心离子成键的配位体的数目 配位体数 单齿配体 配位数与配位体的数目相同 EDTA 六齿配体Y4 Co en 3 Cl3 CaY2 CoCl OH 2 NH3 3 H4Y 大连轻工业学院基础化学教学中心 47 61 易形成较稳定的五元或六元环 螯合物及其特点 1 螯合物 2 螯合剂 Cu en 2 2 中心离子和多齿配体结合 具有环状结构的配合物 大连轻工业学院基础化学教学中心 48 61 Cu NH3 4 2 2en Cu en 2 2 4NH3 如果配合物的形成体是中性原子 配位体是CO分子 这类配合物称为羰合物 如Fe CO 5 Ni CO 4 大连轻工业学院基础化学教学中心 49 61 3 价键理论 1 中心离子 或原子 有空的价电子轨道可接受由配位体的配原子提供的孤对电子而形成配位键 2 在形成配位化合物时 中心离子提供的空轨道进行杂化 形成多个具有一定方向的杂化轨道 使配合物具有一定的空间构型 大连轻工业学院基础化学教学中心 50 61 中心离子杂化轨道类型 CuCl2 Ag NH3 2 Ag SCN 2 Au CN 2 1 配位数2 47Ag 4d10 sp杂化 键角180 大连轻工业学院基础化学教学中心 51 61 sp3Be2 1s2 Zn2 3d10 Cd2 Hg2 配合物 2 配位数4 sp3 NiCl42 Ni NH3 42 2个未成对电子 正四面体 大连轻工业学院基础化学教学中心 52 61 按配位原子英文字母顺序排列 7 1 3配合物的命名 阴离子配体 中性分子配体合中心离子 氧化数 内界顺序 同类型配体顺序 H2O 配体数目用一 二 三 四