第六章 元素化学

第六章元素化学与无机材料,6.1s区元素概述6.2d区元素概述6.3P区元素概述6.4无机材料水泥,6.1s区元素概述,6.1S区元素概述,碱金属(IA):ns1(因为它们的氧化物的水溶液显碱性)Li,Na,K,Rb,Cs,Fr碱土金属(IIA):ns2(因为它们的氧化物兼有碱性和土性)Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra土性化学上把难溶于水和难熔融的性质称为“土性”,一、S区元素的概述,6.1S区元素概述,碱金属(alkalinmetals)(A):ns1,碱土金属(alkalinearthmetals)(A):ns2,6.1S区元素概述,因为原子的原子半径较大、核电荷较少其金属晶体中的金属键很不牢固故单质的熔、沸点较低，硬度较小,核电荷原子半径熔、沸点硬度核电荷原子半径熔、沸点硬度,碱金属和Ca、Sr、Ba均可用刀切割Cs是最软的金属,6.1S区元素概述,密度0.530.970.861.531.88(kgcm-3),密度1.851.741.542.63.51(kgcm-3),ALi(锂)Na(钠)K(钾)Rb(铷)Cs(铯),ABe(铍)Mg(镁)Ca(钙)Sr(锶)Ba(钡),氧化数与族号一致，常见的化合物以离子型为主由于Li+、Be2+半径小，其化合物具有一定共价性,6.1S区元素概述,Li,Na,K,Rb,Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Cs,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.,1物理性质,二、s区元素的单质的物理性质和化学性质,6.1S区元素概述,1）.与O2、S、N2、X2卤素反应,2化学性质,这些氧化物的形式有什么不同？,6.1S区元素概述,为什么在空气中燃烧碱金属所得的产物不同？,Question1,6.1S区元素概述,2）.与水作用,碱金属被水氧化的反应为:2M(s)+2H2O(l)2M+(aq)+2OH-(aq)+H2(g)钠和钠下方的同族元素与水反应十分激烈，过程中生成的氢气能自燃.,金属钠与水的反应在实验室用于干燥有机溶剂，但不能用于干燥醇,6.1S区元素概述,钾与水反应,镁与二氧化碳反应,6.1S区元素概述,Ca,碱土金属被水氧化的反应为:M(s)+2H2O(l)M+(aq)+2OH-(aq)+H2(g),钙、锶、钡与水的反应远不如相邻碱金属那样剧烈，镁和铍在水和空气中因生成致密的氧化物保护膜而显得十分稳定.,6.1S区元素概述,锂的标准电极电势比钠或钾的标准电极电势小，为什么Li与水反应没有其它金属与水的反应激烈？,电极电势属于热力学范畴，而反应剧烈程度属于动力学范畴，两者之间并无直接的联系.Li与水反应没有其它碱金属与水反应激烈，主要原因有:(1)锂的熔点较高，与水反应产生的热量不足以使其熔化;(2)与水反应的产物溶解度较小，一旦生成，就覆盖在金属锂的上面，阻碍反应继续进行.,Question2,6.1S区元素概述,碱金属单质的某些典型反应,6.1S区元素概述,碱土金属单质的某些典型反应,6.1S区元素概述,碱金属和碱土金属的氨溶液：1.具有较高的导电性2.与金属本身相同的化学反应3.稀碱金属氨溶液是还原剂,3）.与液氨作用,6.1S区元素概述,6.1S区元素概述,有趣的是，不论溶解的是何种金属，稀溶液都具有同一吸收波长的蓝光.这暗示各种金属的溶液中存在着某一共同具有的物种.后来实验这个物种是氨合电子，电子处于46个NH3的“空穴”中.,如果液氨保持干燥和足够高的纯度（特别是没有过渡金属离子存在），溶液就相当稳定.钠溶于某些干燥的有机溶剂（如醚）也会产生溶剂合电子的颜色.用钠回流干燥这些溶剂时，颜色的出现可看作溶剂处于干燥状态的标志.,6.1S区元素概述,金属钠与水、液氨、甲醇的反应有何不同？,Question3,6.1S区元素概述,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，称为焰色反应.可以用来鉴定化合物中某元素的存在，特别是在野外.,3焰色反应(flamereaction),LiNaKRbCsCaSrBa,6.1S区元素概述,硼,铜,6.1S区元素概述,红绿锶钡信号弹,节日焰火,6.1S区元素概述,Flametest,LideepredNayellowKlilacRbbluishredCsblue,CabrickredSrbloodredBaapplegreen,6.1S区元素概述,6.2d区元素概述,6.2d区元素概述,通常按不同周期将过渡元素分为三个过渡系：第一过渡系：第四周期钪(Sc)锌(Zn);第二过渡系：第五周期钇(Y)镉(Cd);第三过渡系：第六周期镥(Lu)汞(Hg)。d区元素在自然界中储量以第一过渡系为较多，其单质和化合物在工业上的用途也较广泛。,一、原子的价电子层构型(n-1)d1-10ns1-2(Pd为5s0),6.2d区元素概述,二、原子半径和电离能原子半径,变化趋势：同周期左右减小增大同副族上下增大（除B外）,6.2d区元素概述,变化趋势：同周期左右增大同副族上下不规律,d区元素的第一电离能,6.2d区元素概述,三、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,6.2d区元素概述,熔点变化示意图,6.2d区元素概述,密度变化示意图,6.2d区元素概述,四、化学性质,单质的活泼性：同周期左右降低,6.2d区元素概述,单质的活泼性：同副族上下降低,6.2d区元素概述,五、多种氧化态过渡元素大多可以形成多种氧化值的化合物。,红色为常见的氧化态,6.2d区元素概述,六、离子呈现多种颜色过渡元素的水合离子大多是有颜色的。,6.2d区元素概述,过渡元素的配离子通常具有颜色。其颜色是由于配离子吸收了一部分可见光(400nm800nm)而发生dd跃迁所造成的。某些具有颜色的含氧酸根离子，如CrO42-(黄色),MnO4-(紫色)等，其颜色是由电荷迁移引起的。,Ti(H2O)63+的吸收光谱,6.2d区元素概述,6.3p区元素概述,6.3p区元素概述,一、P区元素通性,1.各族元素性质由上到下的变化规律出现突变2.多种氧化态价电子构型：ns2np1-53.电负性大，形成共价化合物,6.3p区元素概述,1.各族元素性质由上到下的变化规律出现突变,各族元素性质由上到下呈现二次周期性(1)第二周期元素具有反常性；(2)第四周期元素表现出异样性；(3)最后三个元素性质缓慢递变。,6.3p区元素概述,第二周期元素只有2s、2p轨道，形成配合物时，配位数最多不超过4；第二周期元素单键键能小于第三周期元素单键键能(kJ/mol-1)E(N-N)=159E(O-O)=142E(F-F)=141E(P-P)=209E(S-S)=264E(Cl-Cl)=199,(1)第二周期元素具有反常性,6.3p区元素概述,第四周期元素由于d区插入，表现出异样性。例如：溴酸、高溴酸氧化性均比其他卤酸(HClO3，HIO3)、高卤酸(HClO4，H5IO6)强。,(2)第四周期元素具有异样性,6.3p区元素概述,K+Ca2+Ga3+Ge4+As5+r/pb+Sr2+In3+Sn4+Sb5+r/pm148113817162Cs+Ba2+Tl3+Pb4+Bi5+r/pm169135958474,后面三个元素性质缓慢地递变d区、f区插入,6.3p区元素概述,2.多种氧化态,p区元素价电子构型：ns2np1-5有多个价电子，故可形成多种氧化态。例：Cl有氧化态：+1，+3，+5，+7，-1，0同族元素从上到下，低氧化态化合物比高氧化态化合物稳定，这种现象称为惰性电子对效应。例：稳定性Si()Si()Pb()Pb()电子构型Ne3s2NeXe6s2Xe,6.3p区元素概述,稳定性增强还原性减弱水溶液酸性增强,稳定性减弱还原性增强水溶液酸性增强,1.氢化物性质的递变规律,二、P区元素性质的递变规律,6.3p区元素概述,以第三周期元素的氟化物为例,2.卤化物性质的递变规律,6.3p区元素概述,卤化物水解,弱酸+OH-：KF酸+碱式盐：BiCl3，SnCl2，SbCl3两种酸：PCl5，SiCl4，AsCl5,不水解，不电离：CCl4，CF4，SF6,6.3p区元素概述,以第四周期元素的氢氧化物或含氧酸为例,KOHCa(OH)2Ga(OH)3强碱强碱两性Ge(OH)4H3AsO4H2SeO4HBrO4两性偏酸中强酸强酸强酸,酸性增强，碱性减弱,可用Pauling规则来解释,3.氢氧化物和含氧酸性质的递变规律,6.3p区元素概述,氢氧化物或含氧酸，可记作：HnROm或ROm-n(OH)nm-n：非羟基氧的个数,Pauling规