第10章-元素化学.ppt

第十章元素化学,学习要求,（1）了解元素的分布及其分类。（2）了解f区元素的一般性质。（3）熟悉重要元素及其化合物的性质。（4）掌握s区、p区、d区、ds区元素性质的一般规律。（5）了解元素化学的一些新进展。,10.1元素概述,元素分布及分类,1.元素在地壳中的相对含量较为丰度，通常以质量分数或原子分数表示。元素的相对含量差别很大，其中99%以上为氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾等10种元素，其余80多种不到1%。元素在地壳中的存在形式比较复杂，只有少数能以单质存在，如稀有气体，O2，N2，S，C，Au，Pt等，其余均为化合物。化合物主要有氧化物(包括含氧酸盐)和硫化物两大类。地质学上称前者为亲石元素，后者为亲硫元素。,2.天然含盐水包括海水、盐湖水、地下卤水和气井水等。采用有效的富集和特殊的提取无机盐。.大气地球表面的大气层是游离N2、O2和稀有气体的大本营，可通过液态空气分馏制取它们的单质。,元素的分类：,1.金属与非金属2.普通元素和稀有元素3.生命元素与非生命元素,10.2s区元素,S区元素,二.氢元素,在化学元素中，氢的如下性质是独一无二的。1.氢是宇宙中丰度最大的元素,按原子数计占90%,按质量计则占75%。2.氢的三种同位素质量之间的相对差值特别高，并因此而各有自己的名称,这在周期表元素中绝无仅有。3.氢原子是周期表中结构最简单的原子。4.氢化学是内容最丰富的元素化学领域之一。5.氢形成氢键。如果没有氢键，地球上不会存在液态水！人体内将不存在现在的DNA双螺旋链！6.氢是周期表中唯一尚未找到确切位置的元素。,氢的用途,未来的能源,1KgH2完全燃烧放热120918KJ，故是高能燃料，无污染、环保型燃料。,三.物理性质,有金属光泽密度小硬度小熔点低导电、导热性好,s区单质的熔点变化,四.化学性质,IA元素它们均很容易失去1eM+（M+具有8e稳定结构，所以不易再失去电子金属活泼性从上到下增强（因为原子半径从上到下增大，电离能，电负性从上到下减小。）IIA族元素：比IA族元素多了一个电荷，所以原子核对外层电子吸引力增强，所以碱土金属半径小于碱金属，失电子能力小于IA族。但它们仍是相当活泼的金属元素，仅次于IA，常失去2eM2+,金属活泼性从上到下增强。原因同上,IAIIALiBeNaMgKCaRbSrCsBa,原子半径增大金属性、还原性增强电离能、电负性减小,原子半径减小金属性、还原性减弱电离能、电负性增大,1.与氧、硫、氮、卤素反应，形成相应的化合物单质在空气中燃烧，形成相应的氧化物：Li2ONa2O2KO2RbO2CsO2BeOMgOCaOSrOBaO,镁带的燃烧,2.与水作用2M+2H2O2MOH+H2（g）,Li,Na,K,Ca,五.s区元素的存在,六.重要化合物,1.氧化物,直接反应间接反应普通化合物O2Li、Be、Mg、A、ACs、Sr、Ba过氧化物O22Na、Ba除Be以外超氧化物O2（Na）K、Rb、Cs除Be、Mg、Li外臭氧化物O3KO3,（1）普通氧化物a颜色Li2ONa2OK2OCs2ORb2O白色白色淡黄色亮黄橙红色碱土金属氧化物呈白色b熔点除Li2O、Na2O，其余碱金属氧化物在未达到熔点前即开始分解，难测定。碱土金属氧化物熔点都较高。,c与水的反应经过煅烧的BeO、MgO难溶于水，而CaO、SrO、BaO则同水猛烈反应而生成相应的氢氧化物并放出大量的热，反应热依顺序而增大。,（2）.过氧化物Be除外，其它A、A金属都有过氧化物，其中Na2O2最重要。强氧化性：a能强烈地氧化一些金属。b与不溶于酸的一些矿石共熔可使氧化分解。Cr2O33Na2O22Na2CrO4Na2Oc在潮湿空气中，能吸收CO2并放出O2。2Na2O2+2CO22Na2CO3+O2这种既能吸收CO2，又能提供O2的双重作用，尤其适用于防毒面具、高空飞行和潜水作业等。但同时在熔融时几乎不分解，但遇到棉花、木炭或铝粉等还原性物质时，就会发生爆炸，故使用时应注意安全。,2.氢氧化物,(1)性质：a.白色固体，易吸水溶解.b.Be(OH)2,Mg(OH)2难溶于水，其它在水中溶解度较大。尤其MOH易溶于水和醇中。c.Be(OH)2两性，其余为强碱，中强碱,LiOHNaOHKOHRbOHCsOH中强强强强强Be(OH)2Mg(OH)2Ca(OH)2Sr(OH)2Ba(OH)2两性中强强强强,(箭头指向)溶解度增大,碱性增强,3.重要的盐类及其性质,（1）碱金属盐类a.晶体类型：绝大多数是离子晶体,只有Li+半径小，其卤化物，具有一定程度的共价性b.颜色：一般无色或白色。c.溶解度：碱金属盐类一般易溶于水;少数难溶盐：NaSb(OH)6,（2）碱土金属盐类a.晶型：多数为无色的离子晶体（除阴离子有色的盐）b.溶解性：大多数盐难溶，是区别于碱金属的性质之一。可溶的：NO3-,ClO3-,ClO4-,卤化物（除氟化物）难溶的：MCO3,M3(PO4)2,MC2O4Be2+,Mg2+盐易溶;Ca2+,Sr2+,Ba2+难溶且依次减小。,（3）几种重要的碱金属和碱土金属的盐氯化钠（NaCl）俗名食盐，是人类赖以生存的物质，也是化学工业的基础（是制造所有其他氯、钠的化合物的常用原料）。氯化钠广泛存在于自然界中，由海水或盐湖中晒制而得到含有硫酸钙和硫酸镁等杂质的粗盐，把粗盐溶于水，加入适量的氢氧化钠、碳酸钠和氯化钡，使溶液中的钙离子、镁离子、硫酸根离子以沉淀的形式析出，从而得到较为纯净的精盐。,氯化镁（MgCl26H2O）是无色晶体，它可从光卤石KClMgCl26H2O或海水中得到。无水氯化镁是生产单质镁的主要原料，氯化镁的制备可通过将MgCl26H2O在干燥的氯化氢气流中加热脱水得到。无水氯化钙（CaCl2）具有很强的吸水性，是一种廉价的干燥剂。但它不能干燥氨气，因为氯化钙能和氨生成加合物，如CaCl28NH3。CaCl2还可用作致冷剂，如将CaCl26H2O与冰水按不同的比例混合可以得到不同程度的低温可达到-54.9。,碱金属碳酸盐中以碳酸钠最重要。碳酸钠又称苏打，俗称纯碱，是基本的化工产品之一。目前工业上常用联合制碱法或氨碱法制备纯碱，联碱法是用氨、二氧化碳和食盐水制碱，还可得副产品氯化铵。由于这种方法是由我国著名化学工程学家侯德榜发明的，因而也称为侯氏制碱法。碳酸钙（CaCO3）是生产重要建筑材料氧化钙的原料。碳酸钙难溶于水但可溶于稀酸中。,重要的碱金属和碱土金属的盐还有硫酸钠、硫酸钙等。硫酸钠主要用于玻璃、纸张和染料等制造中。含10个结晶水的硫酸钠称为芒硝，无水Na2SO4被称元明粉。硫酸钙的二水合物CaSO42H20称为生石膏，加热到120，失去部分的水后叫熟石膏。生石膏，可用作雕塑或外科造型。,BaCl2是重要的可溶性钡盐，由它开始可制备许多钡盐。可溶性钡盐有毒，0.8g致死。用于消化道检查的钡餐是药用硫酸钡，因为它不溶于水和脂质，所以不会被胃肠道黏膜吸收，因此对人基本无毒性。钡餐造影即消化道钡剂造影，是指用硫酸钡作为造影剂，在X线照射下显示消化道有无病变的一种检查方法。,10.3P区元素,p区元素在周期表中的位置P区元素分为金属元素（左下角）和非金属元素（右上角）两部分。,一、物理性质,物理性质差异很大。一般地，同周期元素中，熔沸点从左到右逐渐减小，同族元素中，熔沸点从上到下逐渐增大。,二、化学性质,p区元素原子的价层电子结构特征是ns2np16，最外电子层除有2个s电子外还有16个p电子（He只有2个s电子）。与s区元素相似，p区元素的同一族自上而下，原子半径逐渐增大，金属性逐渐增强，非金属性减弱。尤以A、A族从非金属过渡到金属的现象最明显。以氮族为例，半径较小的N和P是典型的非金属，As可称为半金属，Sb和Bi则过渡为金属元素。由AA，同周期元素原子的有效核电荷增大，半径减小，金属性渐弱，非金属性渐强（稀有气体除外），故F为最强的非金属元素。该区同族元素自上而下，同周期元素自右而左，形成负氧化值的能力减弱，而形成正氧化值的能力渐强，这与元素金属性质的递变规律是一致的。,三、重要元素及其化合物,1、稀有气体（0族）将液态空气分级蒸馏，挥发除去大部分氮之后，剩下的液态氧中就富集了稀有气体并含有少量氮气。继续分馏可以把稀有气体分离出来。使这种气体通过氢氧化钠塔除去CO2，再通过赤热的铜丝除去微量的氧，然后通过灼热的镁屑除去氮气,剩下的气体便是以氢为主的稀有气体了。,从混合稀有气体中分离各个组分最常用的方法是低温选择性吸附或低温分馏。在低温下越容易液化的稀有气体越容易被活性炭吸附。而且在不同的低温下活性炭对各气体的吸附也不同。例如在-100时，氩、氪和氙被吸附，而氦和氖不被吸附。在液态空气的低温下（-190），氖被吸附而氦不被吸附。在不同的低温下使活性炭对混合稀有气体吸附和解吸，便能将稀有气体一一分离开来。,He大型反应堆的冷却剂，He-Ne-O2呼吸气可防“气塞病”，飞船的飞升气体，保护气。Ne霓红灯，电子工业中的充气介质，低温冷冻剂。Ar、Kr灯泡填充气，保护气Xe深度麻醉剂，制造高压“人造小太阳”Rn“氡管”用于治疗癌症和中子源,稀有气体的用途：,2、铝与氧化铝（A族）,（1）铝高纯度的铝（99.950%）不与一般酸作用，只溶于王水。普通的铝能溶于稀盐酸或稀硫酸，被冷的浓硫酸或浓、稀硝酸所钝化。铝族金属虽然都很活泼，在空气、水或氧化性酸中却由于表面被一层牢固的氧化膜覆盖不被腐蚀,（2）氧化铝,三氧化二铝-Al2O3：刚玉，硬度大，不溶于水、酸、碱。-Al2O3：活性氧化铝，可溶于酸、碱，可作为催化剂载体。,有些氧化铝晶体透明，因含有杂质而呈现鲜明颜色。,红宝石(Cr3+)蓝宝石(Fe3+,Cr3+)黄玉/黄晶(Fe3+),3、碳的化合物（A族）,（1）CO：一氧化碳是无色、无臭有毒的气体，微溶于水。血红蛋白具有在人体血液中输送O2的功能。CO和血红蛋白的结合能力是O2和血红蛋白结合能力的210倍。CO和血红蛋白结合就会破坏其输O2功能，当空气中CO的体积分数达0.1时，就会引起中毒。在可能有CO的场所，人们要特别当心。,（2）CO2,CO2是无色、无臭、不助燃的气体，工业上一般可在5.3105Pa、-56.6条件下气体CO2凝为干冰，而干冰在常压下于-78.5时升华，故CO2常用作制冷剂。,4.N元素化合物（A族）,(1)NO2的氧化性比HNO3强，红热的碳、硫、磷等能在NO2中起火燃烧，它和许多有机物的蒸气混合可形成爆炸性气体。(2)NH3的化学性质很活泼，主要有三种反应类型：A、氧化反应B、加合反应C、取代反应,（3）硝酸盐硝酸盐在高温时容易放出氧气，所以他们和可燃性物质混合会极迅速地燃烧，根据这种性质，硝酸盐可用来制造烟火和黑火药。,5、O与S的化合物,（1）H2O2纯的过氧化氢是近乎无色的粘稠液体，分子间有氢键，由于极性比水强，在固态和液态时分子缔合程度比水大，故其沸点可达150，远比水高，过氧化氢与水可以任意比例互溶，其水溶液俗称双氧水。过氧化氢既有氧化性，又有还原性；对热不稳定，呈弱酸性。,（2）H2S,硫化氢的分子结构与水分子相类似。硫化氢是一种有毒气体，空气中如果含0.1%的硫化氢就会迅速引起头疼晕眩等病症。吸入大量的硫化氢会造成昏迷甚至死亡。经常接触硫化氢则会引起慢性中毒，所以制备硫化氢的时候要注意通风。,硫与电负性比它小的元素所形成的化合物称为硫化物。金属硫化物在水中有不同的溶解性和特征颜色，这种特性在分析化学上用来鉴别和分离不同金属。,（1）卤素周期表第A族元素称为卤素，卤素希腊文原文为成盐元素的意思，它包括氟、氯、溴、碘和砹五种元素。,6、卤素及卤化物(A族),卤素的一些重要性质,碘是维持甲状腺正常功能的必需元素，碘化物可防止和治疗甲状腺肿大。碘是婴幼儿大脑发育过程中不可缺少的微量元素，婴幼儿大脑发育期间如果缺碘，平均智力損伤将达到15至20，而且终身不能弥补。我国目前还有近1亿人口、约10的地区受到碘缺乏的危害，缺碘人群和地区主要分布在西部。,(2)卤化氢,卤化氢均为无色有强烈刺激性臭味的无色气体，在空气中易与水蒸气结合而形成白色酸雾。卤气是极性分子，极易溶于水，其水溶液称为氢卤酸。液态卤化氢不导电，这表明它们是共价型化合物。在氢卤酸中，氢氯酸（盐酸）、氢溴酸和氢碘酸均为强酸，并且酸性依次增强，只有氢氟酸为弱酸。在较浓的氢氟酸溶液中，一部分F-离子通过氢键与未离解的HF分子形成缔合离子，,10.4d区、ds区元素,一.d区、ds区元素在周期表中的位置,二.d区、ds区元素原子的价电子层构型(n-1)d1-10ns1-2(Pd为ns0),都具有未充满或刚刚充满的d轨道；最外层仅有1-2个电子（个别除外）,最外两个电子层都是未满的，均属于不稳定电子构型，容易发生变化。,三.d区、ds区元素的原子半径,过渡金属的原子半径一般较小，这是影响单质的物理性质的主要因素之一。同周期元素从左向右，随原子序数的增加，原子半径缓慢地减小，直到第VIII族元素后又稍增大。同族过渡元素从上到下原子半径增大，但第五、六周期同族元素的原子半径十分接近，铪的原子半径甚至比锆还小。,四.物理性质d区元素的物理性质,熔点、沸点高熔点最高的单质：钨(W)硬度大硬度最大的金属：铬(Cr)密度大密度最大的单质：锇(Os)导电性，导热性，延展性好。,ds区元素物理性质,ds区元素都具有特征的颜色。由于（n-1）d轨道是全充满的稳定状态，不参与成键，单质内金属键比较弱，因此，与d区元素比较，ds区元素又相对较低的熔、沸点。这种性质锌族尤为突出，汞常温下唯一的液态金属，气态汞是单原子分子。另外，ds区元素大多具有高的延展性，导热性和导电性。,五.化学性质,总趋势：从左至右活泼性降低。,d区、ds区元素的氧化态,红色为常见的氧化态。,配位性,由于d区元素的原子或离子具有未充满的(n-1)d轨道，d区、ds区元素原子或离子都具有ns,np空轨道，并且有较大的有效核电荷；同时还具有较强的吸引配位体的能力。因而他们有很强的形成配合物的倾向。,d区、ds区元素离子的颜色,Mn()Fe()Co()Ni()Cu()Zn(),六.重要元素及其化合物,1、钛及其合金物理性质：钛是银白色金属，它有很高的机械强度和较小的密度，即耐高温，又耐低温，被广泛应用于航空和宇航工业。它还因为具有较好的抗腐蚀能力而被用于航海。另外，它还有许多其它性能，如亲生物性、（钛镍合金）的“记忆”能力，钛合金的吸氢能力等，被称为“第三金属”,2、铬的化合物,洗液：K2Cr2O7饱和溶液+H2SO4（浓）,铬酐(暗红色，针状),重铬酸钾在酸性溶液中具有强氧化性，本身被还原为3价铬离子转变为绿色，是分析化学中常用的氧化剂之一。重铬酸钾不仅是常用的化学试剂，还大量用于鞣革、印染、电镀和医药等工业方面。,3、锰的化合物,MnO2,黑色无定形粉末，不溶于水和稀酸热稳定性：,二氧化锰是锰最稳定的氧化物。它是自然界中软锰矿的主要成分。,KMnO4(紫黑色晶体)不稳定性,见光,因此高锰酸钾固体或配好的溶液应保存在棕色瓶中。高锰酸钾在化学工业中用于生产维生素C、糖精等，在轻化工中用于纤维、油脂的漂白和脱色，医疗上用作杀菌消毒剂和防腐剂。在日常生活中可用于饮食用具、器皿、蔬菜、水果等消毒。,4、铁系元素,铁系元素概述第族过渡元素3d电子已超过5个，全部d电子参与成键的可能性逐渐减小，所以铁系元素不像其前面的过渡元素易形成VO3-，CrO42-,MnO4-那样的含氧酸根离子。铁系元素中只有d电子最少的铁，可以形成很不稳定的、氧化数为+6(如高铁酸根FeO42-)的化合物。一般条件下，铁的氧化数为+2和+3，其中氧化数为+3的化合物最稳定(为什么?)。钴的氧化数可为+2，+3。镍主要形成氧化数为+2的化合物。,铁,白色金属。磁性材料（1）磁性（2）生锈,5、铜族元素,铜族元素的单质,物理性质,特征颜色：Cu(紫红)，Ag(白)，Au(黄)熔点、沸点较其它过渡金属低导电性、导热性好，且AgCuAu延展性好,铜：铜是人类最早使用的金属。早在史前时代,人们就开始采掘露天铜矿,并用获取的铜制造武器、式具和其他器皿，铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。铜是一种存在于地壳和海洋中的金属。铜在地壳中的含量约为0.01，在个别铜矿床中，铜的含量可以达到35。自然界中的铜，多数以化合物即铜矿物存在。铜矿物与其他矿物聚合成铜矿石，开采出来的铜矿石，经过选矿而成为含铜品位较高的铜精矿。,铜的性能铜具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀性和延展性等物理化学特性。导电性能和导热性能仅次于银，纯铜可拉成很细的铜丝，制成很薄的铜箔。纯铜的新鲜断面是玫瑰红色的,但表面形成氧化铜膜后,外观呈紫红色,故常称紫铜。铜除了纯铜外，铜可以与锡、锌、镍等金属化合成具有不同特点的合金，即青铜、黄铜和白铜。在纯铜（99.99%）中加入锌，则称黄铜，如含铜量80,含锌量20%的普通黄铜管用于发电厂的冷凝器和汽车散热器上；加入镍称为白铜，剩下的都称为青铜，除了锌和镍以外，加入其它金属元素的所有铜合金均称做青铜，加入什么元素就称为什么元素，最主要的青铜是锡磷青铜和铍青铜。,银：Ag在地壳中的含量很少，仅占110-5%，在自然界中有单质的自然银存在，但主要以化合物状态产出。纯银为银白色，熔点960.8，沸点2210，密度10.49克/厘米3。银是面心立方晶格，塑性良好，延展性仅次于金，但当其中含有少量砷As、锑Sb、铋Bi时，就变得很脆。银是导电性和导热性最高的金属；银的反光能力特别强，经抛光后能反射95%的可见光。,与O2作用,AuAg不与O2发生反应，当有沉淀剂或配合剂存在时，可反应。,所以不可用铜器盛氨水。,银器年久变黑。,活泼性：CuAgAu,与X2作用,AgBr,卤化银都有感光分解的性质，可用于照相术。照相底片上涂有含溴化银胶体粒子的明胶凝胶，胶粒中的溴化银在光的作用下分解。将感光后的底片用有机还原剂处理使含有银粒的溴化银离子被还原为金属而变成黑色，最后在定影液作用下，使底片上未感光的溴化银溶去。,AgI,碘化银在人工降雨中所起的作用在气象学上称作冷云催化。碘化银只要受热后就会在空气中形成极多极细（只有头发直径的百分之一到千分之一）的碘化银粒子。1g碘化银可以形成几十万亿个微粒。这些微粒会随气流运动进入云中，在冷云中产生几万亿到上百亿个冰晶。因此，用碘化银催化降雨不需飞机，设备简单、用量很少，费用低廉，可以大面积推广。除了人工降水（雨、雪）外，碘化银还可以用于人工消云雾、消闪电、削弱台风、抑制冰雹等。,6、锌族元素的重要化合物,ZnCl2氯化锌的浓溶液通常称为焊药水，在焊接金属时用它溶解、清除金属表面的氧化物而不损害金属表面，便于焊接。氯化锌水溶液还可作木料防腐剂，浓的氯化锌水溶液能溶解淀粉、丝绸和纤维素，因此不能用纸过滤。ZnCl2H2O的糊状物，由于生成Zn(OH)Cl而迅速硬化，所以可用作牙科粘合剂。,氯化汞和氯化亚汞,氯化汞为针状晶体，可溶于水，有剧毒。氯化汞为共价型分子。熔融时不导电，熔点很低易升华，俗称升汞。氯化亚汞是不溶于水的白色固体，无毒，因味略甜俗称甘汞，医药上用作轻泻剂、利尿剂；化工上常用作甘汞电极。,10.6f区元素,f区元素在周期表中的位置,有关f区元素定义的争论仍在继续：一种意