搜索
2020/5/9无机及分析化学第十章1第十章元素化学（ChemistryofElement）2020/5/92无机及分析化学第十章10.1元素概述10.2s区元素10.3p区元素10.4d区元素10.5ds区元素10.6f区元素2020/5/93无机及分析化学第十章学习要求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2020/5/94无机及分析化学第十章元素化学是研究元素所组成的单质和化合物的制备、性质及其变化规律的一门学科，它是各门化学学科的基础。元素及其化合物性质对工农业生产及人类生活产生着巨大的影响意义。本章仅对各区元素的性质作一概述，并对一些重要元素及其化合物作简单介绍。2020/5/95无机及分析化学第十章2020/5/96无机及分析化学第十章10.1元素概述10.1.1元素分布迄今为止，人类已经发现的元素和人工合成的元素共112种，其中地球上天然存在的元素有92种。元素在地壳中的含量称为丰度，常用质量分数来表示。地壳包括岩石圈、水圈、大气圈，约占地球总重量的0.7%。地壳中含量居前十位元素见表10-1。2020/5/97无机及分析化学第十章元素OSiAlFeCaNaKMgHTi质量百分数48.626.37.734.753.452.742.472.000.760.42表10-1地壳中主要元素的质量百分数10种元素占了地壳总质量的99.2%。而且轻元素含量较高，重元素含量较低。2020/5/98无机及分析化学第十章海洋是元素资源的巨大宝库，人类一直在探索、开发海洋资源。表11-2海水中元素含量（未计水和溶解气体量）元素ClNaMgSCaKBr质量百分数1.89801.05610.12720.08840.04000.03800.00652020/5/99无机及分析化学第十章除上表所列元素外，海水中尚含有微量的U、Zn、Cu、Mn、Ag、Au、Ra等，共约50余种元素。这些元素大多与其它元素结合成无机盐的形式存在于海水中。由于海水总体积（约1.4×109Km3）十分巨大，虽然某些元素的百分含量极低，但在海水中的总含量却十分惊人，如I2总量达7.0×1013Kg。因此，海洋是一个巨大的物资库。2020/5/910无机及分析化学第十章气体体积分数﹪质量分数﹪气体体积分数﹪质量分数﹪N278.0975.51CH40.000220.00012O220.9523.15Kr0.000110.00029Ar0.9341.28N2O0.00010.00015CO20.03140.046H20.000050.000003Ne0.001820.00125Xe0.00000870.000036He0.000520.000072O30.0000010.000036大气也是元素的重要自然资源，世界上向大气索取的O2、N2、稀有气体等物资，每年数以万吨计。2020/5/911无机及分析化学第十章10.1.2.元素分类根据研究目的的不同，元素的分类常见的有三种：1．金属与非金属根据元素的性质进行分类，分为金属与非金属。在元素周期表中，以B—Si—As—Te—At和Al—Ge—Sb—Po两条对角线为界，处于对角线左下方元素的单质均为金属，包括s区、ds区、d区、f区及部分p区元素；处于对角线右上方元素的单质为非金属，仅为p区的部分元素；处于对角线上的元素称为准金属，其性质介于金属和非金属之间，大多数的准金属可作半导体。2020/5/912无机及分析化学第十章2．普通元素和稀有元素根据元素在自然界中的分布及应用情况，将元素分为普通元素和稀有元素。稀有元素一般指在自然界中含量少，或被人们发现的较晚，或对它们研究的较少，或提炼它们比较困难，以致在工业上应用也较晚的元素。前四周期（Li，Be，稀有气体除外），ds区元素为普通元素，其余为稀有元素。通常稀有元素也可继续分为：轻稀有金属、高熔点稀有金属、分散稀有元素、稀有气体、稀土金属、放射性稀有元素等。2020/5/913无机及分析化学第十章3．生命元素与非生命元素根据元素的生物效应不同，又分为有生物活性的生命元素和非生命元素。生命元素又可根据在人体中的含量及作用再进行细分，可分为人体必需元素（essentialelements）（包括宏量元素和微量元素）和有毒元素（toxicelements）。2020/5/914无机及分析化学第十章10.2s区元素10.2.1s区元素的通性s区元素位于元素周期表中的IA族和IIA族，分别称为碱金属和碱土金属。IA族除H外，有Li，Na，K，Rb，Cs，Fr共6个元素；IIA族有Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Ra共6个元素。其中Fr和Ra为放射性元素。2020/5/915无机及分析化学第十章2020/5/916无机及分析化学第十章1．电子构型s区元素（除H外）的价电子构型分别为ns1、ns2，在同周期中，它们具有较小的电离能、较大的原子半径，易失去外层电子，表现出金属性，其稳定氧化值为+1（IA）和+2（IIA）。它们的化合物（除Li、Be外）均为离子型化合物。2020/5/917无机及分析化学第十章2．物理性质s区元素（除H外）的单质均为金属，具有金属光泽。它们的金属键较弱，因此，具有熔点低、硬度小、密度小等特点。另外，s区元素还具有良好的导电性能和传热性质。2020/5/918无机及分析化学第十章3．化学性质s区元素（除H外）的电负性和电离能均较小，表现出典型的金属性。在同周期中，它们是最活泼的金属，在同族中，其金属活泼性从上到下依次增大，即还原性依次增强。它们可以与氧、卤素、氢、水和酸等多种物质发生反应，在反应中，它们均是强还原剂。碱金属与具有相同电子层的碱土金属相比，碱金属的核电荷少，原子半径大，原子核吸引外层电子的能力弱，最外层电子更易失去，即碱金属的还原性比碱土金属的还原性强。2020/5/919无机及分析化学第十章10.2.2重要元素及其化合物1.氧化物碱金属和碱土金属与氧反应可以生成四种类型的氧化物：正常氧化物、过氧化物、超氧化物、臭氧化物。二氧化碳吸收剂2020/5/920无机及分析化学第十章（1）正常氧化物碱金属中的锂和所有碱土金属在空气中燃烧，生成正常氧化物：4Li+O2=2Li2O2M+O2=2MO其他碱金属的正常氧化物是用金属与它们的过氧化物或硝酸盐作用而得到的。例如：Na2O2+2Na=2Na2O2KNO3+10K=6K2O+N2↑将碱土金属的碳酸盐、硝酸盐、氢氧化物等热分解也能得到氧化物MO：MCO3=MO+CO2↑2020/5/921无机及分析化学第十章碱金属氧化物与水化合生成氢氧化物MOH。Li2O与水反应很慢，Rb2O和Cs2O与水发生剧烈反应。碱土金属的氧化物都是难溶于水的白色粉末。碱土金属氧化物中，唯有BeO是ZnS型晶体，其他氧化物都是NaCl型晶体。与M＋相比。M2＋电荷多，离子半径小，所以碱土金属氧化物具有较大的晶格能，熔点都很高，硬度也较大。除BeO外，由MgO到BaO，熔点依次降低。BeO和MgO可作耐高温材料，CaO是重要的建筑材料。2020/5/922无机及分析化学第十章（2）过氧化物除铍和镁外，所有碱金属和所有碱土金属都能分别形成相对应的过氧化物M2O2，MO2，其中只有钠和钡的过氧化物可由金属在空气中燃烧直接得到。Na2O2是最常见的碱金属过氧化物。将金属钠在铝制容器中加热到300℃，并通入不含二氧化碳的干燥空气，得到淡黄色的Na2O2粉末：2Na+O2=2Na2O2Na2O2与H2O或稀酸反应，生成过氧化氢：Na2O2+2H2O=2NaOH+H2O2Na2O2+H2SO4（稀）=Na2SO4+H2O2Na2O2与CO2反应，放出氧气：2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2↑2020/5/923无机及分析化学第十章Na2O2是一种强氧化剂，工业上用作漂白剂，也可用来作为制取O2的来源。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。钙、锶、钡的氧化物与过氧化氢作用，得到相应的过氧化物：MO+H2O2+7H2O=MO2·8H2O工业上把BaO在空气中加热到600℃以上使它转化为过氧化钡：2BaO+O2=2BaO22020/5/924无机及分析化学第十章（3）超氧化物除了锂、铍、镁外，碱金属和碱土金属都分别能形成超氧化物MO2和M(O2)2。其中，钾、铷、铯在空气中能直接生成超氧化物MO2。K+O2=KO2一般来说，金属性很强的元素容易形成含氧较多的氧化物，因此钾、铷、铯易生成超氧化物。超氧化物与水反应，产生O2和H2O2。例如：2KO2+2H2O=2KOH+H2O2+O2↑因此，超氧化物也是强氧化剂。KO2与CO2作用放出氧气：4KO2+2CO2=2K2CO3+3O2↑过氧化物和超氧化物可用作高空飞行、深井作业、水下工作、宇宙航行和战地医院的供氧剂和二氧化碳吸收剂。KO2较易制备，常用于急救器中。2020/5/925无机及分析化学第十章（4）臭氧化物在冷冻条件下，O3可与KOH生成臭氧化钾KO3：3KOH(s)+2O3=2KO3(s)＋KOH·H2O(s)＋O2↑KO3与过氧化物、超氧化物相似，遇水反应放出氧气：4KO3+2H2O=4KOH+5O2↑122020/5/926无机及分析化学第十章2.氢氧化物s区元素的氧化物中，BeO几乎不与水作用，Li2O与水作用生成LiOH，MgO与水作用生成Mg（OH）2，其他氧化物遇水都能发生剧烈反应，生成相应的氢氧化物。它们的氢氧化物均为白色固体，在空气中易吸收水分而潮解，又易与空气中的二氧化碳作用生成碳酸盐，故应密闭保存。通常用橡皮塞而不用玻璃塞，因为碱对玻璃有腐蚀作用：2NaOH+SiO2=Na2SiO3+H2O2020/5/927无机及分析化学第十章碱金属氢氧化物中以NaOH最重要。氢氧化钠又称烧碱，它是实验室常用的重要试剂，也是重要的工业原料。它能除去空气中的酸性物质如二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、硫化氢等，NaOH易于融化，能熔解某些金属氧化物和非金属氧化物，因此常用于熔解矿物试样。NaOH吸收二氧化碳2020/5/928无机及分析化学第十章碱土金属氢氧化物中以Ca(OH)2较为重要。氢氧化物也称熟石灰，在水中的溶解度较小且随温度升高而减小，所以通常使用的是它在水中的悬浮物或浆状物，被大量应用于建筑业和化学工业。碱金属氢氧化物中，除LiOH的溶解度较小外。都易溶于水。而碱土金属氢氧化物的溶解度则较小，随离子半径的增大，溶解度从铍到钡逐渐增大，其中Be(OH)2和Mg(OH)2是难溶的。熟石灰2020/5/929无机及分析化学第十章3.盐类碱金属、碱土金属常见的盐类有卤化物、硝酸盐、硫酸盐等。其中碱土金属中铍盐的毒性很大。碱金属的盐类大都是离子型化合物，Li＋半径很小，故锂的某些盐具有一定程度的共价性。大多数碱金属的盐易溶于水，且在水中全部电离，但锂的氟化物LiF，LiCO3等难溶。碱土金属的盐类也大都是离子型化合物。多数碱土金属的盐溶解度较小。它们的碳酸盐、磷酸盐以及草酸盐等都难溶（BeC2O4除外），铍盐中多数是易溶的，镁盐有部分溶，而钙、锶、钡的盐多为难溶盐，钙盐中以CaC2O4的溶解度最小，因此常用生成白色CaC2O4的沉淀反应来鉴定Ca2＋2020/5/930无机及分析化学第十章1.氯化钠氯化钠俗称食盐，是日常生活中和工业生产中不可缺少的化合物。氯化钠也是制造其它钠、氯化合物的常用原料。在自然界中，氯化钠资源非常丰富，海水、内陆盐湖、地下卤水及盐矿都蕴藏着丰富的盐资源。2020/5/931无机及分析化学第十章氯化钠为透明晶体，味咸，易溶于水，其溶解度受温度影响较小。它是人和动物所必需的物质，在人体中NaCl的含量约占0.9%。NaCl可作食品调味剂和防腐剂，其冰盐混合物还可作致冷剂。它是制取金属Na、NaOH、Na2CO3、Cl2和HCl等多种化工产品的基本原料。2020/5/9