第13章非金属元素化学

1、无机及分析化学无机及分析化学1第十三章第十三章 非金属元素化学非金属元素化学131 卤素及其化合物卤素及其化合物132 氧族元素及化合物氧族元素及化合物133 氮族元素及化合物氮族元素及化合物134 碳、硅、硼及其化合物碳、硅、硼及其化合物135 氢和氢能源氢和氢能源136 稀有气体稀有气体137 常见阴离子的鉴定常见阴离子的鉴定无机及分析化学无机及分析化学20IIAIAIIBIVBIIIBVB VIBVIIBVIIIIBVIIAIIIA IVA VA VIAH氢He氦Li锂Be铍B硼C碳N氮O氧F氟Ne氖Na钠Mg镁Al铝Si硅P磷S硫Cl氯Ar氩K钾Ca钙Sc钪Ti钛V钒Cr铬Mn锰Fe铁

2、Co钴Ni镍Cu铜Zn锌Ga镓Ge锗As砷Se硒Br溴Kr氪Rb铷Sr锶Y钇Zr锆Nb铌Mo钼Tc锝Ru钌Rh铑Pd钯Ag银Cd镉In铟Sn锡Sb锑Te碲I碘Xe氙Cs铯Ba钡Lu镥Hf铪Ta钽W钨Re铼Os锇 Ir铱Pt铂Au金Hg汞Tl铊Pb铅Bi铋Po钋At砹Rn氡Fr钫Ra镭Lr铹RfDbSgBhHsMt Uun*Uun*Uun*镧系La镧Ce铈Pr镨Nd钕Pm钷Sm钐Eu铕Gd钆Tb铽Dy镝Ho钬Er铒Tm铥Yb镱锕系Ac锕Th钍Pa镤U铀Np镎Pu钚Am镅Cm锔Bk锫Cf锎Es锿Fm镄Md钔No锘族周期1234567p区s区d区f区p 区区p 区区p 区区p 区区最外电子层结构最外

3、电子层结构ns2np1-6从从 IIIA 族到族到 0 族族无机及分析化学无机及分析化学30VIIAVIAVAIVAIIIA2He氦氦K25B硼硼6C碳碳7N氮氮8O氧氧9F氟氟10Ne氖氖LK8213Al铝铝14Si硅硅15P磷磷16S硫硫17Cl氯氯18Ar氩氩MLK88231Ga镓镓32Ge锗锗33As砷砷34Se硒硒35Br溴溴36Kr氪氪NMLK8188249In铟铟50Sn锡锡51Sb锑锑52Te碲碲53I碘碘54Xe氙氙ONMLK818188281Tl铊铊82Pb铅铅83Bi铋铋84Po钋钋85At砹砹86Rn氡氡PONMLK818321882非金属非金属金金 属属电子层1313

4、1 1 卤素及其化合物卤素及其化合物无机及分析化学无机及分析化学4一、卤素的通性一、卤素的通性9F氟氟1918.9982s22p553I碘碘 121 123121.765s25p517Cl氯氯353735.4533s23p535Br溴溴798179.9044s24p585At砹砹 210 211（210）6s26p5无机及分析化学无机及分析化学5价层电子构型及氧化态价层电子构型及氧化态2s22p5(Fluorine)3s23p5(Chlorine)4s24p5(Bromine)5s25p5(Iodine)无机及分析化学无机及分析化学6元素符号元素符号FClBrI价电子价电子层结构层结构2s22

5、p53s23p54s24p55s25p5主要主要氧化数氧化数-1,0-1,0 ,+1 +3,+4+5,+6,+7-1,0 ,+1 +3,+4+5,+6,+7-1,0 ,+1 +3,+4+5,+6,+7无机及分析化学无机及分析化学7F2 Cl2 Br2 I2电负性电负性 (Electronegativity)元素符号元素符号FClBrI原子序数原子序数9173553电负性电负性4.03.02.82.5无机及分析化学无机及分析化学8二、卤化氢与氢卤酸的性质和制备二、卤化氢与氢卤酸的性质和制备1. 卤化氢的性质卤化氢的性质HFHClHBrHI熔点熔点/- -83.57 - -114.18 - -86

6、.87- -50.8沸点沸点/19.52- -85.05- -66.71- -35.1熔沸点逐渐升高熔沸点逐渐升高例外例外无机及分析化学无机及分析化学9HFHClHBrHIH-X键能键能 /(kJmol-1)570432366298溶解度溶解度(293K,101kPa)/%35.3424957卤化氢都是极性分子，在水中卤化氢都是极性分子，在水中有很大的溶解度有很大的溶解度溶解度溶解度无机及分析化学无机及分析化学10性质一：强酸性性质一：强酸性 性质性质 酸性强弱：酸性强弱：HCl HBr HI 除氢氟酸外，氢卤酸都是强酸除氢氟酸外，氢卤酸都是强酸性质二：还原性性质二：还原性 还原能力：还原能力

7、： F- -Cl- - Br- - 10- -24的硫的硫化物一般可溶化物一般可溶于稀盐酸于稀盐酸无机及分析化学无机及分析化学52名称名称化学式化学式颜色颜色在水中在水中溶积度溶积度Ksp硫化铅硫化铜硫化鉍硫化亚汞硫化亚铜硫化银硫化汞硫化锑PbSCuSBi2S3Hg2SCu2SAgSHgSSb2S3黑色黑色黑色黑色黑色黑色黑色桔红色不溶不溶不溶不溶不溶不溶不溶不溶1.210288.510361.210371.010472.010481.610494.010531.21059Ksp 10- -30的硫化的硫化物可溶于硝酸物可溶于硝酸Ksp IIGe，SnPbIV IIIIIV碳族元素的性质碳族元

8、素的性质无机及分析化学无机及分析化学1593. 碳的特性碳的特性由于碳的原子半径最小，电负性最大，电离势也最高，故共价键 CC 键能非常大，又没有d轨道。所以碳与本族其他元素之间的差异较大，其主要表现为：（1）它的配位数仅限于）它的配位数仅限于4（2）碳的成键能力最强）碳的成键能力最强（3）原子间能形成多重键）原子间能形成多重键无机及分析化学无机及分析化学160碳是世界上化合物种类最多的元素碳是世界上化合物种类最多的元素碳的化合物碳的化合物其他元素的化合物其他元素的化合物 3000多万多万全世界已经发现的化合物种类无机及分析化学无机及分析化学161（二）碳的单质（二）碳的单质碳单质的碳单质的同

9、素异形体同素异形体杂化杂化晶体晶体性质性质金刚石金刚石sp3原子晶体硬度最大熔点很高石墨石墨sp2层状晶体质软，有金属光泽，有导电、导热性C60碳单质的同素异形体碳单质的同素异形体无机及分析化学无机及分析化学1621. 金刚石金刚石(Diamond) 结构结构典型的原子晶体sp3杂化 空间构型无机及分析化学无机及分析化学163 性质性质 熔 、沸点高，硬度大，不导电 室温下对所有化学试剂显惰性无机及分析化学无机及分析化学1642. 石墨石墨(Graphite) 结构结构空间构型层状晶体 sp2杂化无机及分析化学无机及分析化学165 性质性质 良好的导电性和导热性 质软，具有润滑性 化学性质较金

10、刚石稍显活泼无机及分析化学无机及分析化学16620世纪世纪80年代，人们发现了第三种碳的同年代，人们发现了第三种碳的同素异形体素异形体C60 。Robert F Curl JrHarold W KrotoRichard E Smalley无机及分析化学无机及分析化学16712个五边形个五边形20个六边形个六边形在C60中碳原子为sp2 杂化，未参加杂化的一个p轨道在C60球壳外围和内腔形成大键。无机及分析化学无机及分析化学168（三）碳的化合物（三）碳的化合物1. CO (Carbon Oxide) 结构结构分子轨道表示式：COKK(2s)2(2s*)2(2py)2(2pz)2(2px)2 (

11、2py)2(2pz)2(2px)2对成键有贡献对成键有贡献无机及分析化学无机及分析化学169结论一：三重键结构解释了CO键能大，键长短，偶极矩几乎为0的事实。结论二：等电子原理(Equielectron Principle)具有相同原子数目和电子数目的分子或离子属于等电子体 。等电子体常常表现为相似和相近的性质。键能键能键长键长偶极矩偶极矩N2945.41109.760CO1070.3112.80.12N2和和CO的性质的性质无机及分析化学无机及分析化学170 在高温下，在高温下，CO可从金属氧化物中夺取氧，使金属还原。可从金属氧化物中夺取氧，使金属还原。Fe2O3(s)3CO(g) 2Fe(

12、s)3CO2(g)高温高温 性质性质性质一：还原性性质一：还原性如：CO能使二氯化钯溶液及银氨溶液变黑 在常温下，在常温下，CO能使一些金属化合物中的金属离子还原。能使一些金属化合物中的金属离子还原。COPdCl2H2O PdCO22HCl此反应可用于鉴定微量的一氧化碳此反应可用于鉴定微量的一氧化碳无机及分析化学无机及分析化学171性质二：配位性性质二：配位性CO是一种重要的配体，与过渡金属生成金属羰基化合物。MCO配位键配位键Ni + 4CO Ni(CO)4无机及分析化学无机及分析化学172 制备制备甲酸滴加到热的浓硫酸中脱水。COHHO浓浓H2SO4加热加热COH2O 实验室制法实验室制法

13、无机及分析化学无机及分析化学1732. CO2(Carbon Dioxide)无机及分析化学无机及分析化学1743. 碳酸及碳酸盐碳酸及碳酸盐（1）碳酸）碳酸 (Carbonic Acid)CO2H2O H2CO3Ka1=4.210-7Ka2=4.710-11H2CO3 H+HCO3-HCO3 H+CO3 2-无机及分析化学无机及分析化学175（2）碳酸盐）碳酸盐(Carbonate)无机及分析化学无机及分析化学176 结构结构无机及分析化学无机及分析化学177 性质性质性质一：溶解性性质一：溶解性（1）铵和碱金属（除锂）的碳酸盐易溶）铵和碱金属（除锂）的碳酸盐易溶于水，其他金属碳酸盐难溶于水

14、。于水，其他金属碳酸盐难溶于水。（2）对于难溶的碳酸盐，其相应的碳酸）对于难溶的碳酸盐，其相应的碳酸氢盐有较大的溶解度。氢盐有较大的溶解度。如：难溶的CaCO3矿石在CO2和水的长期侵蚀下，部分转变为Ca(HCO3)2而溶解。CaCO3CO2H2O Ca(HCO3)2无机及分析化学无机及分析化学178（3）对于易溶的碳酸盐，其相应的）对于易溶的碳酸盐，其相应的碳酸氢盐有相对较低的溶解度。碳酸氢盐有相对较低的溶解度。如：向浓的碳酸铵溶液中通入CO2至饱和便可沉淀出碳酸氢铵。溶解度的反常是由于HCO3 离子通过氢键形成双聚或多聚链状有关。-2Na+ + 2CO32- - + CO2 + H2O 2

15、NaHCO3无机及分析化学无机及分析化学179性质二：水解性性质二：水解性可溶性的碱金属和铵的碳酸盐、碳酸氢盐在水溶液中水解而分别显强碱性和弱碱性。CO3 H2O HCO3OH2-HCO3 H2O H2CO3OH-强碱性弱碱性23CO无机及分析化学无机及分析化学180（1）氢氧化物碱性较强的金属如）氢氧化物碱性较强的金属如Ca2+、Ba2+、Sr2+、Ag+离子，可与离子，可与 反应，生成反应，生成碳酸盐沉淀。碳酸盐沉淀。23CO23COBa2+BaCO3(s)（2）氢氧化物碱性较弱的金属离子如）氢氧化物碱性较弱的金属离子如 Cu2+、Zn2+、Pb2+、Mg2+，可与，可与 反应，反应，为碱

16、式碳酸盐沉淀。为碱式碳酸盐沉淀。23CO2Cu2+ H2O232COCu2(OH)2CO3(s)CO2(g)无机及分析化学无机及分析化学181（3）强水解的金属离子，特别是两性的）强水解的金属离子，特别是两性的（如（如Al3+、Fe3+、Cr3+、Sn2+、Sn4+），其氢），其氢氧化物溶度积小，沉淀为氢氧化物。氧化物溶度积小，沉淀为氢氧化物。2Al3+ 3H2O233CO2Al(OH)33CO22Fe3+ 3H2O233CO2Fe(OH)33CO2无机及分析化学无机及分析化学182性质三：碳酸盐的热稳定性性质三：碳酸盐的热稳定性（1）从左到右，金属碳酸盐的热稳定性减弱）从左到右，金属碳酸盐的

17、热稳定性减弱（2）从下到上，同族金属的碳酸盐稳定性减弱）从下到上，同族金属的碳酸盐稳定性减弱无机及分析化学无机及分析化学183（3）过渡金属碳酸盐稳定性差）过渡金属碳酸盐稳定性差（4）H+的极化作用强的极化作用强MCO3 MOCO2无机及分析化学无机及分析化学184二、硅及其化合物二、硅及其化合物1. 硅的氧化物硅的氧化物3s3px3py3pz硅原子硅原子sp3杂化杂化3s3px3py3pz基基 态态 结构结构无机及分析化学无机及分析化学185二氧化硅二氧化硅并不表示并不表示单个分子单个分子SiO2二氧化碳二氧化碳表示表示单个分子单个分子CO2最简式最简式最简式最简式有区别有区别顶点的氧原子为

18、顶点的氧原子为两个四面体公用两个四面体公用硅原子硅原子氧原子氧原子SiO2结构结构无机及分析化学无机及分析化学186性质一：与还原剂反应性质一：与还原剂反应在高温下不能被H2还原，只能被碳、镁、铝还原。SiO22C Si2CO3000无机及分析化学无机及分析化学187性质二：与性质二：与HF反应反应除单质氟、氟化氢、氢氟酸外，SiO2不与其他的卤素酸反应。SiO24HF(g) SiF42H2OSiO26HF(溶液溶液) H2SiF62H2O无机及分析化学无机及分析化学188性质三：与碱反应性质三：与碱反应SiO2能溶于热的强碱溶液或溶于熔融的碳酸钠中。SiO22NaOH Na2SiO3H2OSiO2Na2CO3 Na2SiO3CO2熔融熔融无机及分析化学无机及分析化学189（1）硅酸：硅酸是组成复杂的絮状固体）硅酸：硅酸是组成复杂的絮状固体硅酸通式：xSiO2 yH2O原硅酸H4SiO4x=1y=2SiO22H2O偏硅酸H2SiO3x=1y