第七章金属及非金属元素

第七章单质及无机化合物,本节要点金属元素在周期表中的位置和金属的分类金属的提炼过渡金属的通性各类金属的用途,第一节：金属及其化合物,一、金属元素在周期表中的位置和金属的分类,轻金属,贵金属,低熔金属,黑色金属,稀有金属,重金属,1、热还原法铁、铜、锡、钴等，可用碳、氢气、活泼金属作还原剂，还原氧化物获得。2、热分解法钛、锆、铪、钒、铬等金属，都可从它们的碘化物热分解得到。3、电解最强的还原手段。铝及活泼金属常用此法。,二、金属的提炼,物理性质和化学性质,它们都有金属光泽，密度小，硬度小，熔点低，导电、导热性好的特点.,三、过渡金属通性(Generalsurvey),d区元素所有这些特征不同程度上与价层d电子的存在有关，因而有人将d区元素的化学归结为d电子的化学.,金属单质的物理性质,硬度大硬度最大的金属：铬(Cr)摩氏9.0,导电性，导热性，延展性好,无机化合物生色机理d-d跃迁,同周期元素族氧化态稳定性变化趋势,多种氧化态,过渡金属与工业催化,某些重要的无机和金属有机工业过程中的d区金属催化剂,多相催化生产硫酸合成氨制造硝酸氯碱工业合成气制汽油均相催化氢甲酰化生产正构醛乙烯氧化制乙醛甲醇羰基化制乙酸合成气制乙酐,2SO2+O2=2SO3N2+3H2=2NH34NH3+5O2=4NO+6H2O2NaCl+2H2O=Cl2+2NaOH+H2CO+H2烷烃混合物RCH=CH2+CO+H2=RCH2CH2CHOH2C=CH2+(1/2)O2=CH3CHOCH3OH+CO=CH3COOHCO+H2乙酐,V2O5Fe3O4PtRh(90:10)合金或PtRhPd(90:5:5)合金RuO2阳极(电解)Fe催化剂Co(+1)或Rh(+1)羰基化合物,Pd(+2)和Cu(+2)RhI2(CO)2-RhI2(CO)2-,工业过程被催化的反应催化剂,四、各类的用途,1碱金属和碱土金属（s区金属）:是化学活泼性最大的金属，是极好的还原剂、脱卤剂。钠汞齐、金属镁在有机合成中有着重要的用途。有些金属，如铯，经过照射后会产生电流，即能产生光电效应。因而铯、钾、铷常被用作光电材料,制成的光电管在科学技术上有重要的应用。,2S区金属及铝属于轻金属：是制造轻质合金的重要原料。铍、镁、铝适于制造轻质合金，其余金属单质都比较软而且太活泼。镁合金、铝合金和铍合金密度小而强度大，是重要的轻型结构材料，广泛应用于宇宙飞船、航空、汽车、机械工业方面。,3碱金属及P区金属单质：大多数熔点低，是制造低熔合金的重要原料，通常用于制造低熔合金的主要为锡、铅、铋等。其中铋是许多重要的低熔合金的主要成分。,4分布于周期表中金属与非金属交界区的一些金属元素，是典型的半导体材料：如镓、铟、锗等，大量用于制造各类半导体器件及电子元件。上世纪七十年代，一些IIIAVA、IIBVIA族化合物，如CdSe、GaAs等也被发现又半导体性质。此外，含有这些元素的某些合金，是具有实用价值的超导材料，如Nb3Ge(Te:23.3k)、Nb3Sm(Te:18.3k)、V3Ga(Te:15.4k)。,5银、铜、金、铝是所有金属中导电性最好的。银和金的化学稳定性高，但价格贵，通常在要求较高的场合用作导电元部件，而铜和铝（尤其是铝、质轻价廉）则广泛用于电器工业，制造各种导线、电缆、电极及导电元部件。,6金、银、铜自古以来就是制造货币的主要材料：直至今天仍是一些国家造币合金的成份。此外制造各种饰物，器皿以及精美的工艺品、收藏品也是金和银的一个重要用途。,7铁是所有金属中用途最广、用量最大的一种金属，从远古铁器时代起，铁就是制造生产工具、生活用具和武器的基本材料。今天，铁仍是各种不同性能的钢材的基本成分。铁、钴、镍有顺磁性，它们是许多磁性材料的主要成分。,8铂系金属有很高的化学稳定性，且耐高温。化学工业中用它们制造特殊用途的反应器皿、蒸发皿、坩埚。铂、钌、铑、钯也是制造耐腐蚀电极及热电偶的重要材料。铂铱合金用于制造标准度量衡的校准器，锇铱合金还用于制造指南针的主要零件及自来水笔等。大多数铂系金属能吸收气体，尤其是氢气，其中钯吸收氢气的功能特别强。,9高熔金属钨和铬还是用作金属陶瓷的重要原料。是一种很有用的新型结构材料。此外，钨、钼等高熔金属还常被用作电子仪器中的热电子发射（阴极）材料，,10.稀土金属：微量稀土金属可大大改善甚至根本改变合金的性质，被称为冶金工业的维生素，是重要的合金成分。在玻璃、陶瓷工业中，稀土元素常作为添加剂。此外，由于具有独特的电子结构、光学、磁学等性质，稀土金属还广泛应用于制造磁性材料、发光材料和原子能材料等方面。,第七章单质及无机化合物,本节要点非金属元素概论氯化物的水解氧化物的硬度（熔点）、酸碱性硫化物的溶解度碳酸盐的热稳定性与离子极化硝酸盐的热分解硅酸盐的结构、水泥的主要成分,第二节：非金属元素及其化合物,已发现的非金属元素共16种，位于周期表的右上角。非金属元素的价电子结构：ns2np15(位于p区）在化合物中常表现负价，容易形成单原子负离子或多原子负离子，如：Cl-,O2-,NO3-等,一、非金属元素概论,分子筛,碳-碳复合材料,高能燃料,人造金刚石,富勒烯中以C60最稳定，其笼状结构酷似足球，相当于一个由二十面体截顶而得的三十二面体.32个面中包括12个五边形面和20个六边形面，每个五边形均与5个六边形共边，而六边形则将12个五边形彼此隔开.C60分子中每个C原子成键与石墨相似.,碳的同素异形体,氯化物的水解，主要是与Cl-共存的正离子与水的作用。氯化物的水解主要分为四种类型：（1）活泼金属如钾、钠、钡的氯化物，在水中只发生电离，并不发生水解：KCl=K+Cl-(2)+2价的金属离子如镁、锌等，发生不完全水解，生成碱式盐：MgCl2+H2O=Mg(OH)Cl+HCl(3)+3价的金属离子如铁、铝等，发生完全水解，生成氢氧化物：FeCl3+3H2O=Fe(OH)3+3HCl(4)硅、磷等非金属元素的氧化物，发生强烈水解，生成两种酸：SiCl4+3H2O=H2SiO3+4HCl,二、氯化物的水解,水解作用的强弱可用极化理论解释：,H,H,O,Rx+,H,O-,H,H,O,Rx+,H,H,O,H,O-,Rx+,H,O-,H,O-,Rx+,O2-,+H+,+2H+,+3H+,水分子发生取向，生成水合离子,氢氧键断裂，生成碱式盐和酸,再断裂，生成氢氧化物和酸,再断裂，生成两种酸,正离子极化能力增强、氯化物水解程度增大,水解后溶液的酸性增强,（2）氧化物的酸碱性根据氧化物对酸、碱、水的反应不同，可将氧化物分为四类：酸性氧化物：非金属氧化物，以及高价的金属氧化物；碱性氧化物：碱金属、以及碱土金属（BeO除外）氧化物；两性氧化物：主要是铝、锡、铅的氧化物。不成盐氧化物：CO、NO等，它们与酸、碱、水都不起反应。（3）氧化物及其水合物酸碱性强弱的一般规律同一周期内从左到右，酸性增强，碱性减弱。同一族内从上到下，酸性减弱，碱性增强。（4）对酸碱性递变规律的解释,酸式电离,R+OH,碱式电离,硫化物是指硫与电负性比硫小的元素所形成的化合物。一般常指金属硫化物（包括(NH4)2S）。,硫化物大多数具有特定的颜色：,PbSBi2S3CuSCdSSb2S3SnS2As2S3HgS,四、硫化物的溶解度,1）溶于水的硫化物第IA,IIA族元素的硫化物（除BeS难溶）及(NH4)2S可溶于水，并发生水解反应。Na2S+H2O=NaHS+NaOH(NH4)2S+2H2O=2NH3.H2O+H2S,金属硫化物大多数不溶于水，有的可溶于稀酸，有的不溶于稀酸，但可溶于浓酸或氧化性的酸，有的只能溶于王水。故一般可按溶解性能将硫化物分为三类：,2）不溶于水而溶于稀酸的硫化物MnS(肉红色)、ZnS(白色)、FeS、CoS、NiS(黑色)均属这一类。稀酸指用0.3mol.dm-3的稀盐酸，此类金属硫化物溶度积Ksp一般大于10-24，在溶液中存在着两种离子平衡：一种为硫化物的沉淀-溶解平衡，另一种为H2S的酸碱电离平衡。若调节溶液中的酸度，可控制溶液中S2-离子的浓度，来控制这类硫化物沉淀或者溶解。例如要制备FeS，不能单纯用H2S通入FeCl2溶液来制备，因为反应中有酸生成:FeCl2+H2S=FeS+2HClFeS溶于稀酸而不会生成FeS。只有直接用沉淀剂Na2S或(NH4)2S（由于沉淀剂本身呈碱性）,才能使金属离子沉淀下来：FeCl2+Na2S=FeS+2NaCl,3）既不溶于水又不溶于稀酸的硫化物此类金属硫化物的溶度积一般都很小，如CdS的Ksp为10-29,CuS的Ksp为10-36，而HgS的Ksp更小(10-53)。这类难溶金属硫化物可通过将H2S气体通入金属盐溶液来制备。CuCl2+H2S=CuS+2HCl要使此类型的金属硫化物溶解，则必须使用更强烈的化学气氛，例如浓硝酸、王水（一份浓硝酸与三份浓盐酸的混合酸）等。,例如CuS可溶于浓硝酸：3CuS+8HNO3=3Cu(NO3)2+3S+2NO+4H2O在硝酸中、硝酸的氧化性使S2-被氧化成S单质，从而使S2-浓度大大下降，结果使该金属硫化物溶解。,再如HgS其Ksp仅为6.4410-53，仅仅利用浓硝酸的氧化作用使S2-浓度降低还不足以使其溶解，还必须借助浓盐酸中的大量Cl-与Hg2+的配位作用，使Hg2+离子的浓度也大大降低，才能使其溶解：3HgS+2HNO3+12HCl=3H2HgCl4+3S+2NO+H2O,1、热稳定性:碳酸盐碳酸氢盐碳酸。例如Na2CO3分解温度为2073K；而NaHCO3分解温度仅为543K；但H2CO3常温常压即可分解。2、除活泼金属外，其他金属的碳酸盐的热稳定性都较差，一般尚未加热到熔点就分解了。,3、一般来说，碳酸盐中金属离子的电荷越高，半径越小，即金属离子的极化能力越强，该碳酸盐的热稳定性就越差。4、碳酸盐的热分解是一种气固两相间的平衡。CaCO3=CaO+CO2Kp=pCO2,五、碳酸盐的热稳定性与离子极化,1、热稳定差硝酸盐和亚硝酸盐的热稳定性很差，容易受热分解。在所有无机含氧酸盐中，对同一金属的盐而言，其硝酸盐和亚硝酸盐的熔点通常是最低的。而且除钾钠等少数活泼金属外，其它金属的硝酸盐和亚硝酸盐在受热时，大多未到熔点就发生了热分解反应。2、热分解的特点硝酸盐和亚硝酸盐热分解反应与碳酸盐热分解反应不同，硝酸盐和亚硝酸盐热分解伴随有氮的氧化态的改变，属于氧化还原反应。例如：2KNO3(S)=2KNO2(S)+O2(g)4NaNO2(S)=2Na2O(S)+4NO(g)+O2(g)反应中有N的氧化态改变，有氧气放出（除NH4NO3外），因而可认为硝酸盐是一种供氧剂。硝酸盐和亚硝酸盐不稳定性也与其氧化还原性质有关。亚硝酸盐一般都溶于水（除AgNO2外），而且亚硝酸盐一般均有毒，并且是一种致癌物质，使用时务必小心。3、硝酸盐、亚硝酸盐都具有氧化性，在酸性条件下，显示出较强的氧化能力。亚硝酸盐既有氧化性，也有还原性（当遇到强氧化剂如KMnO4),六、硝酸盐、亚硝酸盐的热分解,通常,硝酸盐热分解的产物，随金属离子的活泼性不同而分为三种类型：,1、金属活泼顺序在Mg以前的活泼金属的硝酸盐，受热分解成其亚硝酸盐和氧气。如2NaNO3(S)=2NaNO2(S)+O2(g),2、金属活泼顺序介于Mg与Cu之间的金属（包括Mg和Cu）的硝酸盐，受热分解生成相应的金属氧化物及NO2(g)和O2(g)。如：2Pb(NO3)2(S)=2PbO(S)+4NO(g)+O2(g),3、金属活泼顺序在Cu以后的不活泼金属的硝酸盐，受热分解生成相应的单质及NO2(g)和O2(g)。如：2AgNO3(S)=2Ag(S)+2NO2(g)+O2(g),NH4NO3的热分解可是一种特例。这是因为NH4NO3中有两种不同氧化态的N，在热分解过程中它们之间发生氧化还原反应，最后得到的产物只有一种氧化态的N，而且不像其它硝酸盐热分解时能放出氧气：NH4NO3(S)=N2O(g)+2H2O上面仅是硝酸盐热分解的一般规律和基本类型，实际上有些例外，何况同一金属的硝酸盐的热分解也可能出现不止一种的分解方式。,七、硅