15章元素化学地球上的元素和单质课件.ppt

1、工科大学化学工科大学化学工科大学化学工科大学化学Advanced Chemistry for Engineering工科大学化学工科大学化学第第1515章章 元元 素素 化化 学学 工科大学化学工科大学化学目录目录一、单质二、二元化合物二元化合物三、非金属元素化合物四、金属元素的化合物 工科大学化学工科大学化学元素化学研究的内容（1）存在（2）制备（3）性质 物理性质化学性质*晶型*密度*硬度*导电性*磁性*熔沸点*酸碱性*溶解性*氧化性*还原性*络合性工科大学化学工科大学化学（4）理论依据：*物质结构理论*化学热力学理论*化学平衡理论*氧化还原理论工科大学化学工科大学化学物质无机物 有机物

2、单质 化合物 金属单质非金属单质二元化合物（X化X）多元化合物（X酸X）根据组成化合物的元素的种类和相对分子质量的大小，可以将化合物分为:有机化合物：高分子化合物：无机化合物：碳氢化合物及其衍生物，（C、H 及O、N、P、S、Cl）相对分子质量在几万、几十万以上的有机化合物 除此外都属于无机化合物范畴。目前已发现的有机化合物已超过1 000万种。工科大学化学工科大学化学 无机化合物按组成化合物的元素种类可分为:二元化合物与多元化合物。只有两种不同元素组成的化合物称为二元化合物。二元化合物一般根据电负性大的元素命名，包括：氧化物、硫化物、硼化物、碳化物、卤化物等。惟有氢与其他元素所形成的二元化合

3、物一律称为氢化物。无论二元化合物还是多元化合物，都可以将化合物分为两个基团：阳离子基团：阴离子基团：常见的阳离子包括金属元素的简单阳离子和氨根阴离子的分类如下：简单阴离子，如O 2、F、OH、CN；单个的氧络阴离子，如NO3、SO4 2-；聚合的氧络阴离子，如硅酸根、硼酸根、缩合磷酸根；络合阴离子，如Fe(C2O4)3 3-。其中范围最广、最重要的是含氧阴离子。工科大学化学工科大学化学 人体内已发现60多种元素，O、C、H、N-96，Ca、S、P、Na、K、C1、Mg -395，9995。称痕量元素。余下的50余种元素-005，痕量元素含量虽低，但在人体复杂而奥妙的生理过程中却起着核心的作用，

4、是人体必不可少的元素。部分痕量元素对人体的生理功能的影响，目前还未完全清楚。工科大学化学工科大学化学一单质1.单质的结构与化学键2.单质的制备3.单质的物理性质4.单质的化学性质工科大学化学工科大学化学1.单质的结构与化学键 一种元素原子的电子结构，不仅确定了不同元素之间怎样能彼此结合成各种各样的化合物，而且也确定了同种元素原子之间怎样结合成单质。电子结构对单质的结构和聚集态的影响电子结构对单质的结构和聚集态的影响p区非金属元素的单质的成键规律，遵循区非金属元素的单质的成键规律，遵循“8N规则规则”。即族号为即族号为N 的的p区非金属元素，在形成单质时，每个原区非金属元素，在形成单质时，每个原

5、子可以提供子可以提供8N个价电子与个价电子与8N个同种元素的原子，个同种元素的原子，形成形成8N条共价单键。条共价单键。工科大学化学工科大学化学族号（N）8-N值原子化学键数分子构型举例0族（8）00单原子分子稀有气体 族（7）11单键双原子分子卤素 族（6）22链形或环形分子S、Se和Te 族（5）33有限分子或层状分子P、As和Sb 族（4）44金刚石型大分子结构C、Si、Ge和Sn 表表 单质的结构的单质的结构的8N规则规则 工科大学化学工科大学化学 1单原子分子：2 双原子分子：3独立存在的多原子分子：4大分子:工科大学化学工科大学化学 1单原子分子：单原子分子：He、Ne、Ar、Kr

6、、Xe、Rn。具有闭壳层电子结构的稀有气体为单原子分子，又称为惰性气体。2 双原子分子：双原子分子：H2：X2：O2：N2：达到了1s2 型的闭壳层结构达到8电子的闭壳层结构 双键叁键工科大学化学工科大学化学 3独立存在的多原子分子：P4S8O3O3分子结构呈V形，中心氧原子采用S P 2杂化轨道成键 ,是唯一具有极性的单质分子 工科大学化学工科大学化学 4 4大分子大分子 :B B12C Cnn=2-180碳素原子族 P（As、Sb、Bi）工科大学化学工科大学化学二单质1.单质的结构与化学键2.单质的制备3.单质的物理性质4.单质的化学性质工科大学化学工科大学化学2.单质的制备 元素单质的制

7、备方法取决于元素的存在形式及其性质，分为物理方法和化学方法两大类，同一种单质，制备方法往往不止一种。（1）非金属单质的制备(a)物理方法 适用于以单质形式天然存在的非金属。(b)化学方法 适用于从化合物形式制备非金属单质，分为氧化法和还原法两种。氧化法：从一种非金属元素的负氧化态出发制备非金属单质。还原法：从一种非金属元素的正氧化态出发制备非金属单质。工科大学化学工科大学化学氧化法电解法：融盐电解法：F-氧化为F2 水溶液电解法：Cl-氧化为Cl2氧化剂法：2KMn04+16HCl=5C12+2MnCl2+2KCl+8H20工科大学化学工科大学化学卤素的制备卤素的制备 卤素在自然界中主要以氧化

8、数为卤素在自然界中主要以氧化数为-1的卤化物存在。因此，制备卤的卤化物存在。因此，制备卤素单质都是用氧化其相应卤化物的方法。素单质都是用氧化其相应卤化物的方法。其中最值得一提的是其中最值得一提的是F2的制备，从的制备，从1768年发现年发现 HF 以后，直到以后，直到1886 6年得到年得到F2历时历时118年年.1886年年 Moissan 采用溶有少量采用溶有少量 KF 的的HF 液体做电解液，电解槽和电极用液体做电解液，电解槽和电极用 Pt-In 合金，合金，U 形管中装有形管中装有 NaF 吸收吸收 HF：2HF(l)(不纯不纯)H2+F2工业制备方法工业制备方法F2 电解法电解法Cl

9、2 电解法电解法 化学法化学法Br2 化学法化学法I2 化学法化学法困困难难的的程程度度电解电解249KCl2,Br2,I2 的单质的单质 H.Moissan一、氟的制备一、氟的制备工科大学化学工科大学化学 目前氟的工业制备技术目前氟的工业制备技术已有了很大的改进：已有了很大的改进：电解过程中要不断添加无水电解过程中要不断添加无水 HF 液体液体.由于由于F2的制备和储运有极大不便，人们的制备和储运有极大不便，人们常用常用 IF2AsF6 的热分解方法制取少量的热分解方法制取少量 F2：日本在日本在1999年年10月已将其研制的氟气发生器正式推向市场月已将其研制的氟气发生器正式推向市场.俄国、

10、俄国、德国、中国也先后开展了此项研究工作德国、中国也先后开展了此项研究工作.2 KHF2(l)2 KF(S)+H2+F2 20 世纪世纪 80 年代中、后期西方国家氟的年生产能力约为年代中、后期西方国家氟的年生产能力约为 2400 t.其中其中55%用于生产用于生产UF6，40%用于生产用于生产 SF6，其余用于制造，其余用于制造 CF4 和氟化石和氟化石墨（用于电池）等墨（用于电池）等.生产的生产的 F2 或者就地使用（例如制造或者就地使用（例如制造 UF6 和和 SF6），），或者液化或装入高压钢瓶中投入市场或者液化或装入高压钢瓶中投入市场.熔盐电解装置图熔盐电解装置图 IF2AsF5(s

11、)+2KF KIF6+KAsF6+F2电解电解353363K473K 工科大学化学工科大学化学水蒸气转化法水蒸气转化法CH4(g)+H2O(g)3 H2(g)+CO(g)1 273 K 其中产物氢的三分之一来自水其中产物氢的三分之一来自水.水煤气反应水煤气反应C(s)+H2O(g)H2(g)+CO(g)1 273 K 其中产物氢的百分之百来自水其中产物氢的百分之百来自水.H2(g)+CO(g)就是水煤气，可做工业燃料，使用时不必分离就是水煤气，可做工业燃料，使用时不必分离.但若为了制氢，必须分离出但若为了制氢，必须分离出CO.可将水煤气连同水蒸气一起通过红热的氧化铁催化剂，可将水煤气连同水蒸气

12、一起通过红热的氧化铁催化剂，CO变成变成 CO2，然后在然后在 2106 下用水洗涤下用水洗涤 CO2 和和 H2 的混合气体，使的混合气体，使 CO2溶于水而分离出溶于水而分离出 H2.CO+H2+H2O(g)CO2+2 H2Fe2O3 723 K还原法：电解还原法：用电解水的方法可以制得较纯的氢气（H+-H2）还原剂法：SiO2+2C =Si +2CO工科大学化学工科大学化学 Zn+H3O+Zn2+2H2O+H2 实验室中制氢的主要方法实验室中制氢的主要方法实验室制氢气中杂质来源与除去方法实验室制氢气中杂质来源与除去方法 H2S+Pb2+2H2O PbS+2H3O+AsH3 锌和硫酸中含微

13、量锌和硫酸中含微量As AsH3+3Ag2SO4+3H2O6Ag+H3AsO3+3H2SO4H2S 锌中含微量锌中含微量 ZnSSO2 锌还原锌还原 H2SO4 产生产生SO2+2KOH K2SO3+H2O 氢能源21世纪的清洁能源氢燃烧速率快，反应完全.氢能源是清洁能源，没有环 境污染，能保持生态平衡.目前，已实验成功用氢作动力的汽车，有望不久能投入实用目前，已实验成功用氢作动力的汽车，有望不久能投入实用 氢作为航天飞机的燃料已经成为现实，有的航天飞机的液态氢储罐氢作为航天飞机的燃料已经成为现实，有的航天飞机的液态氢储罐存有近存有近 1 800 1 800 m m3 3的液态氢的液态氢 氢能

14、源研究面临的三大问题：氢气的发生（降低生产成本）氢气的储存 氢气的输送（利用）工科大学化学工科大学化学（2）金属单质的制备 自然界中，金属元素多数以化合物的形式存在，且在化合物中，金属元素呈正氧化态，少数以单质形式存在。根据金属元素存在形式不同，其制备(冶炼)方法也不同。从金属矿物中提取金属单质，一般包括:矿物富集、金属冶炼 和金属精炼三个基本步骤。(1)矿物富集 一般的矿物都必须富集。把矿物破碎后，用物理方法、化学方法或者两者结合的方法除去不需要的脉石。(2)金属冶炼 从天然单质矿中提炼金属 从天然化合物矿中提炼金属 工科大学化学工科大学化学富集富集 泡沫浮选法富集，达到含铜量为泡沫浮选法富

15、集，达到含铜量为15-20%；焙烧焙烧 923K-1073K通空气进行氧化焙烧，除去部分通空气进行氧化焙烧，除去部分的硫和挥发性杂质如的硫和挥发性杂质如As2O3等，并使部分硫化物变成等，并使部分硫化物变成氧化物；氧化物；2 CuFeS2+O2=Cu2S+2 FeS+3 SO2 2FeS+3O2=2FeO+2SO2 制冰铜制冰铜 FeO+2 SiO2=FeSiO3(渣渣)mCu2S+nFeS=冰铜冰铜制泡铜制泡铜 2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO2 2Cu2O+Cu2S=6Cu+2SO2制精铜制精铜 除去其他金属杂质，得除去其他金属杂质，得99.5-99.7%的精铜；的精铜；电解精炼电解

16、精炼 用电解法可得纯铜用电解法可得纯铜(99.99%)，真空精镏得，真空精镏得超纯铜超纯铜(99.99999%)。冶冶 炼炼工科大学化学工科大学化学 从天然单质矿中提炼金属 金、银等金属虽然以单质形式存在，但由于太分散而无法收集，因此仍需要用化学方法对其单质进行处理，以化合物形式收集之后，再还原为金属单质。常用的方法有氰化法和王水法。提取金和银的方法主要是氰化法：工科大学化学工科大学化学 从天然化合物矿中提炼金属 对于以化合物形式存在的金属矿，由金属阳离子转化为金属单质的过程需要进行还原反应，根据所采用的还原手段不同,可将金属单质的制备分为 热分解法、还原剂法 和电解还原法三大类。三大类。a热

17、分解法 某些不活泼金属的化合物，在氢后面的金属其氧化物受在氢后面的金属其氧化物受热就容易分解，热就容易分解，属于对热不稳定的化合物，空气中加热即可使它们分解产生单质.例如,汞的制备:汞的主要矿物是辰砂HgS。利用下列反应能提炼汞：工科大学化学工科大学化学 b还原剂法 常见的非金属还原剂包括H2、C、CO，虽然这些非金属单质或化合物的还原能力比活泼金属弱，但反应的产物是H2O、CO和CO2等气体产物，容易从体系中排除，而且成本较低。一般用还原剂的名称直接命名还原剂法，例如：碳还原法、氢还原法、氢化物还原法和金属还原法等。碳还原法 如Sn和Pb的冶炼，锡的主要矿石是锡石SnO2。先从矿石中溶解可溶

18、于酸的金属氧化物，分离后得较纯的SnO2，再用C还原SnO2为金属Sn：SnO2(s)+2C(s)Sn(s)+2CO(g)铅的主要矿石是方铅矿PbS。将经过浮选的铅精矿在空气中焙烧，使其转化成氧化物，再用C还原PbO得Pb：2PbS+3O22PbO+2SO2 PbO+C Pb+CO 工科大学化学工科大学化学用辉锑矿(Sb2S3)炼Sb、用辉铋矿(Bi2S3)炼Bi、用闪锌矿(ZnS)炼Zn等，都可以采用类似的工艺。氢还原法 例如，从白钨矿CaWO4和黑钨矿（FeWO4MnWO4）炼W。首先从精矿砂中提取黄色WO3，再用氢气在高温下还原：WO3+3H2=W+3H2O 氢化物还原法 离子型氢化物一

19、般为碱金属或碱土金属的氢化物(MH或MH2)，其中H-离子的结构为1S2，因为两电子间斥力极大，很容易失去电子而表现出很强的还原性。又由于过剩的还原剂以及反应副产物(碱金属或碱土金属氧化物)可以用水洗去，所以可以制备较纯的金属粉末。例如：4NaH+T1C14Ti+4NaCl+2H2工科大学化学工科大学化学 金属还原法 金属还原法就是用活泼金属把不活泼的金属从它的化合物中置换出来，常见的还原剂包括：Zn、Al、Na、Mg、Fe等。铝热法镁还原法钠还原法 锌粉还原法工科大学化学工科大学化学溶液电解法：由Al2O3制取金属Al 由锌精矿炼锌：先得纯ZnS04溶液，电解此溶液在阴极得到金属Zn。C电解

20、还原法熔融电解法：n 排在铝前面的几种活泼金属，不能用一般还原剂排在铝前面的几种活泼金属，不能用一般还原剂使它们从化合物中还原出来。这些金属用电解法制取使它们从化合物中还原出来。这些金属用电解法制取最适宜，电解是最强的氧化还原手段。最适宜，电解是最强的氧化还原手段。n电解法有水溶液电解和熔盐电解法两种。活泼的电解法有水溶液电解和熔盐电解法两种。活泼的金属如铝、镁、钙、钠等用熔融化合物电解法制备。金属如铝、镁、钙、钠等用熔融化合物电解法制备。n一种金属采用什么提炼方法与它们的化学性质、一种金属采用什么提炼方法与它们的化学性质、矿石的类型和经济效果等有关。金属的提炼方法与它矿石的类型和经济效果等有

21、关。金属的提炼方法与它们在周期表中的位置大致关系见表。们在周期表中的位置大致关系见表。工科大学化学工科大学化学Na2CO3铝土矿铝土矿Al2O3.2H2O浸浸 渍渍加热加热NaOH蒸蒸 发发加热加热沉沉 淀淀冷却冷却澄澄 清清晶种晶种水洗洗 泥泥红泥红泥 Al(OH)3洗洗 涤涤水水煅煅 烧烧 Al2O3通通CO2工科大学化学工科大学化学 铝铝(Aluminum)：最重要的有色金属：最重要的有色金属.全世界每年生产在全世界每年生产在 1.5107 吨以上吨以上.铝土矿储量约铝土矿储量约 2.31010 吨吨.2 Al2O3 4 Al +3 O2 (阴极阴极)(阳极阳极)金属铝的生产车间金属铝的

22、生产车间金属铝电解池金属铝电解池单质铝的冶炼单质铝的冶炼电解质熔液是电解质熔液是Al2O3、NA3AlF6(2-8%)、10%CaF2组成。温度组成。温度1233-1253K,槽电压槽电压4.5-7.0V。阳极是石墨，阳极是石墨，阴极是熔融铝阴极是熔融铝工科大学化学工科大学化学1234567铌 钽银金镉汞铟铊锡铅锑铋碲钋砹氡氙 碘铷铯锶钡钇锆铪钼钨锝铼 钌铑 钯锇 铱铂氢锂氦铍硼碳氮 氧氟氖钠 镁铝 硅磷 硫氯氩钾 钙钪钛钒铬 锰铁钴镍铜锌镓锗砷硒溴 氪Zr NbMo Tc RuRhPdAgCdInSnSbTeI Xe Hf TaW Re OsIrPt AuHgTl PbBiPoAtRnIBI

23、AIIAIIIA IVAVAVIA VIIAVIIIIIBIIIB IVBVBVIB VIIBHHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPClSArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbCsSrBaYLaLu-123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555672737475767778798081828384858657-711.电解法2.电解法或活泼金属还原3.热还原法4.热分解法工科大学化学工科大学

24、化学高纯金属的精炼 以上方法所得金属的纯度有限，为了提高金属的纯度，在上述方法的基础上可通过各种精炼方法，进一步提高金属的纯度。这些方法包括：a蒸气相精炼法蒸气相精炼法 b真空电弧炉精炼法真空电弧炉精炼法 c区域熔炼法区域熔炼法a、气相精炼法、气相精炼法直接蒸馏法直接蒸馏法 例如粗锡中的锡和所含杂质具有不同的沸点，例如粗锡中的锡和所含杂质具有不同的沸点，控制温度在锡的沸点以下，控制温度在锡的沸点以下，“杂质沸点杂质沸点”以上，可使杂质以上，可使杂质挥发除去。为了改善蒸馏条件，采用真空蒸馏是很适合的。挥发除去。为了改善蒸馏条件，采用真空蒸馏是很适合的。镁、汞、锌、锡等可用提纯。镁、汞、锌、锡等可

25、用提纯。工科大学化学工科大学化学 气相法气相法 碘化物热分解法可用于提纯少量锆、碘化物热分解法可用于提纯少量锆、铪、铍、硼、硅、钛和钨等。铪、铍、硼、硅、钛和钨等。T Ti iI I2 2T Ti iI I4 4+3 32 23 3-5 52 23 3K K1 16 67 73 3K K纯纯不不纯纯T Ti iI I2 2+钨钨丝丝羰化法羰化法 是提纯金属的一种较新的方法。现以镍为例。是提纯金属的一种较新的方法。现以镍为例。羰化法提纯镍是基于镍能与一氧化碳生成易挥发并且也容羰化法提纯镍是基于镍能与一氧化碳生成易挥发并且也容易分解的一种化合物易分解的一种化合物四羰基合镍。四羰基合镍。Ni+4CO

26、Ni(CO)4工科大学化学工科大学化学c.区域熔炼区域熔炼将要提纯的物质放进一个装有移动式加热线圈的套管内，将要提纯的物质放进一个装有移动式加热线圈的套管内，强热熔化一个小区域的物质，形成熔融带。将线圈沿管路缓强热熔化一个小区域的物质，形成熔融带。将线圈沿管路缓慢地移动，熔融带便随着它前进。慢地移动，熔融带便随着它前进。一般混合物的熔点较组成混合物的纯物质的熔点低，因此当线圈移动时，一般混合物的熔点较组成混合物的纯物质的熔点低，因此当线圈移动时，熔融带的末端即有纯物质晶体产生。不纯物则汇集在液相内，随线圈的熔融带的末端即有纯物质晶体产生。不纯物则汇集在液相内，随线圈的移动而集中于管子末端，这样

27、便能轻易地将不纯物自样品末端除去。此移动而集中于管子末端，这样便能轻易地将不纯物自样品末端除去。此法常用于制备半导体材料法常用于制备半导体材料镓、锗、硅和高熔点金属等。产品中杂质镓、锗、硅和高熔点金属等。产品中杂质含量可低于含量可低于1010-1-12 2。工科大学化学工科大学化学二单质1.单质的结构与化学键2.单质的制备3.单质的物理性质4.单质的化学性质工科大学化学工科大学化学3.单质的物理性质（1）.单质的晶体类型 （2）单质的密度 （3）单质的硬度 （4）单质的导电性 （5）单质的磁学性质 （6）单质的热学性质工科大学化学工科大学化学（1）单质的晶体类型 单质的物理性质是由原子结构、分

28、子结构和晶体结构所决定的。周期表中元素单质的晶体类型如图周期表中元素单质的晶体类型如图15-8所示所示金属晶体金属晶体-原子晶体原子晶体-状状（过渡）过渡）晶体晶体-分子晶体分子晶体 工科大学化学工科大学化学（2）单质的密度 物质单位体积的质量称为该物质的密度，单位为克每立方厘米(gcm 3）。影响密度的因素较复杂，受聚集状态、晶体类型以及温度的影响。聚集状态不同密度不同：固态的大于液态的大于气态的：同族从上到下密度一般是增加，同一周期自两侧向中间增大。锂、钠、钾比水轻，锇、铁等比水重。锂、钠、钾比水轻，锇、铁等比水重。工科大学化学工科大学化学（3）单质的硬度 物质的硬度难以精确测定，但易于比

29、较高低。将世界上最硬的天然金刚石的硬度定为10作为物质硬度的相对标准，称为莫氏硬度。最软的金属为铯(硬度为02)；最硬的金属为钨的（硬度为7）。表15-4 单质的硬度与周期表的关系工科大学化学工科大学化学（4）单质的导电性 绝大多数金属能导电，是导体；许多非金属单质不能导电，是绝缘体；介于导体与绝缘体之间的是半导体。单质对电的性能可用能带理论解释。将单质汞在常温下的导电性定为1，作为物质导电性的相对标准，在相同条件下可以测出各类单质铜、银、金最佳。铜的导电性仅次于银而价格比银低得多，目前世界上所生产的铜一半以上用于电线电缆。铝的导电率为铜的60%左右，而密度比铜的小得多；当铝线导电能力和铜线一

30、样时，它的质量只有铜线的一半，因此可用铝代替铜制高压电线。常见金属的导电和导热能力由大到小的常见金属的导电和导热能力由大到小的顺序排列如下：顺序排列如下：Ag，Cu，Au，Al，Zn，Pt，Sn，Fe，Pb，Hg工科大学化学工科大学化学 金属的导电性随温度降低而增加，当温度降低到接近绝对零度时，有许多金属的导电性会趋近于无限大(电阻为零)，这种性质叫做超导电性。例如铅在719 K，钒在503 K时产生超导电性。金属不仅在外加电场下能导电，有些金属经光照射后会产生电流。铯、铷、钾等金属性很强，它的电离能很小，因此使电子从它表面逸出所需要的能量也小。受到光线照射时，电子就会从其表面放射出来，这种现

31、象叫做光电效应。利用这种光电效应 可做光电管的材料。工科大学化学工科大学化学（5）单质的磁学性质 物质的磁性主要来源于电子的自旋。在磁场中物质依其本性的不同可以有不同的行为。抗磁性物质：被磁场微弱排斥的物质 例如I BB及p区的金属和大多数非金属单质(如硫、氯、氢)等。顺磁性物质：被磁场微弱吸引的物质，如s区及大多数d区金属和少数非金属单质(如氧)等铁磁性物质：能被磁场强烈吸引的物质 (例如铁、钴、镍及钆等)，铁磁性可认为是顺磁性的极端情况。铁磁性物质的一个重要特点是在磁化后，若把磁场移去，它们仍保留磁性，这就是说，它们能成为永久磁铁。工科大学化学工科大学化学（6）单质的热学性质 固体的熔化和

32、液体的沸腾与晶体中或气体中粒子之间的引力有关系，分子晶体熔、沸点较低；原子晶体和金属晶体熔、沸点较高。电子结构对金属单质物理性质的影响电子结构对金属单质物理性质的影响副族元素金属单质的熔点、沸点及硬度高低取决于d电子参与成键的程度，d电子参与成键的程度越大，金属键越强，熔点、沸点及硬度越高。所以，副族元素单质的熔点、沸点及硬度从左到右呈现“低高低”的变化规律。其中族的熔点、沸点及硬度达到最高(因为d5半满能量低，具有最强的参与成键的作用)，而族金属的熔点、沸点及硬度最低（因为当d轨道全部填满之后，电子占据了金属价轨道组成的全部成键和反键轨道，净成键效应减小，因而使得金属原子间的相互结合力减弱）

33、。工科大学化学工科大学化学工科大学化学工科大学化学 小结：小结：单质的晶体结构决定了单质的熔点、沸点和导电性等物理性质。分子晶体的熔点和沸点低、硬度小、不导电；原子晶体的熔点高、硬度高、不导电。同周期主族元素的单质中，金属晶体的熔点、沸点都比原子晶体低，电阻也小、导电能力强。位于周期表阶梯形连线(从B到At)的左下方及右上方元素的单质(碳的单质除外)的熔点、沸点一般都较低。各周期主族元素以两端元素的熔点及沸点较低，如第二及第三周期，从左到右，元素单质的熔点逐渐增高，到碳为最高，然后急剧降低。工科大学化学工科大学化学 副族金属单质的熔点、沸点及硬度的变化规律是呈低高低形的变化，这种变化是与成单d

34、电子参与形成金属键相关，往往d电子快达到半满时具有最强的参与成键的作用(d5半满能量低)，因而族的熔点、沸点及硬度达到最高。当d轨道全部填满之后，电子占据了金属价轨道组成的全部成键和反键轨道，净成键效应减小，因而使得金属原子间的相互结合力减弱，其结果是族金属具有同一过渡系中最低的熔点、沸点及硬度。工科大学化学工科大学化学4.单质的化学性质是通过化学反应表现出来的：金属之间、非金属之间、金属与非金属之间 单质与化合物之间都可以相互反应。电子结构对单质的氧化还原性的影响 大多数非金属元素既可失去电子呈正价，又可得到电子呈负价，所以这些非金属的单质既可能有还原性，又可能有氧化性。同族非金属元素单质的

35、氧化性，从上到下随原子序数的增加而减小。工科大学化学工科大学化学 金属单质显示还原性，金属单质还原性的周期表变化的一般规律为：同族金属从上到下，随着原子序数的增加还原性增强；同周期金属从左到右，随着原子序数的增加还原性减弱。其中的不规则性与原子特殊的电子结构有关。例如，第四周期过渡元素的电对M2/M的标准电极电势从Sc到Zn总趋势是负值减小。但Mn的还原性大于Cr是由于Mn2的五个未成对d电子的特殊的稳定性和Cr由3d54s1转变为3d4要失去一个d电子需消耗较多的能量之故。Cu的还原性很弱也是因为其电子组态为3d104s1之故。工科大学化学工科大学化学(a)金属单质与氧的反应反应快慢规律一：

36、单质的金属性越强与氧反应越强烈。例如：锂在空气中氧化 较慢，钾、钠在空气中氧化 较快，铯和铷在空气中 自燃。主族元素：同周期元素比较：从左到右反应减慢。同族期元素比较：从上到下反应加快。(1)单质与氧的反应副族元素：同族期元素比较：从上到下反应减慢。-镧系收缩的影响工科大学化学工科大学化学例外情况：-钝化作用：例如：铝、铬、镍、硅等就其与氧结合的能力来说，是较易与氧作用的；但实际上在空气中，甚至在一定的较高温度范围内，都是相当稳定的。这是由于它们在空气中生成的氧化膜具有显著的保护作用，能阻止单质继续被氧化，这种作用叫做钝化。工科大学化学工科大学化学反应快慢规律二：金属与氧的作用不但与它的活泼性

37、有关，还与所生成氧化物的性质有关。钝化条件：要使氧化膜能起保护作用，形成的表面膜必须具有连续性，也就是：生成的氧化物的体积必须大于所消耗的单质的体积。反应产物规律：一般为普通氧化：还有过氧化物：和超氧化物：4 Li+O2=2 Li2 O2Na+O2=Na2O2 K+O2=KO2(b)非金属单质与氧的反应 -生成非金属氧化物，但差别很大。工科大学化学工科大学化学1.燃烧产物可从燃烧反应的能量变化中推测.哪一个燃烧反应的G负值最大，产物就 是哪一个.例如，Na 生成Na2O、Na2O2 和 NaO2的 G 分别是-376 kJmol-1,-430 kJmol-1和 389.2 kJmol-1,因此

38、燃烧产物就是 Na2O2.2.G 的大小则由 决定.其中熵变一般对 G的贡献比较小，G的大小主要由 rHm来决定.rHm则要由设计的 Born-Haber 循环来决定.而循环中的晶格能值的大小对整个反应能否进行及产物稳定性关系重大.3.晶格能又正比于阴、阳离子电荷的乘积，反比于阴、阳离子的距离.这样就要求阴、阳离子具备一定的“匹配”条件，产生最好的能量效应.此即所谓的“大-大，小-小”规则.D D r Gm=D D r Hm-T D D r SmLi2O Na2O2 KO2 RbO2 CsO2 KO3BeO MgO CaO SrO Ba2O2为什么在空气中燃烧碱金属所得的产物不同？为什么在空气

39、中燃烧碱金属所得的产物不同？工科大学化学工科大学化学(2)置换反应(a)金属单质与金属盐溶液的置换反应(b)单质与酸的置换反应(c)单质与碱的反应(d)单质与水的反应 (a)金属单质与金属盐溶液的置换反应 金属单质可以将另一种金属从盐溶液中置换出来，例如：Zn+CuSO4 ZnSO4+Cu 置换的原则是活泼金属置换不活泼金属。工科大学化学工科大学化学(b)单质与酸的置换反应 例如：Zn+2HCl ZnCl2+H2 金属活动顺序表中H以前的活泼金属可以置换非氧化性酸中的氢。可是铝、铬、铁等较活泼的金属在浓硝酸或浓硫酸中却很稳定，这是由于浓硝酸或浓硫酸与这些会钝化的金属作用，在金属表面生成一层致密

40、的氧化物膜，非金属单质一般不与稀盐酸或稀硫酸作用。但硫、磷、碳、硼等单质能被硝酸或浓硫酸氧化生成氧化物或含氧酸。S+2HNO3 H2SO4+2NO 工科大学化学工科大学化学 单质与稀酸的作用规律 单质通过释放H2而被氧化，通常在酸溶液中比在水中更普遍、更容易。其理由是：系统中H(aq)离子浓度增加可增加电对H/H2的电极电势，以至能用这个反应机理同水作用的单质的数量增加；系统中大量存在的H(aq)离子可阻止氢氧化物沉淀的生成。如Co(s)H2O不反应(在pH7时，(H/H2)0.414 V；(Co2/Co)0.277 V)；Co(s)2HCo2(aq)H2(g)(在pH0时，(H/H2)0 V

41、)。不过，有些时候，如果单质与酸作用生成了不溶性的或微溶性的产物，会抑制反应的进一步发生。如(Pb2/Pb)0.126 V，但Pb不与稀盐酸或稀硫酸作用，因为Pb同这些酸作用时在其表面上生成了不溶性的PbCl2或PbSO4沉淀，保护Pb不受进一步的氧化。工科大学化学工科大学化学单质与氧化性强于H的氧化剂的作用（氧化性酸）HNO3比H离子具有更强的氧化能力，所以它同HCl、稀H2SO4不同，它不是用H离子进行氧化，而是用NO3阴离子进行氧化，反应产物与酸的浓度和单质的活泼性有关：Cu(s)2NO3(浓)4H(aq)Cu2(aq)2NO2(g)2H2O3Cu(s)2NO3(稀)8H(aq)3Cu2

42、(aq)2NO(g)4H2O4Mg(s)NO3(很稀)10H(aq)4Mg2(aq)NH4(aq)3H2O3C(s)4NO3(浓)4H(aq)3CO2(g)4NO(g)2H2OS(s)6NO3(浓)4H(aq)SO42(aq)6NO2(g)2H2O浓H2SO4以同样的方式同单质作用，它本身被还原为SO2：Cu(s)SO42(浓)4H(aq)Cu2(aq)SO2(g)2H2OP4(s)10SO42(浓)8H(aq)4PO43(aq)10SO2(g)4H2O工科大学化学工科大学化学 (c)单质与碱的反应 有一些金属除了能与酸作用外，也能与碱作用，或在氧化性条件下与碱作用，它们被称做两性金属，当它们

43、与碱作用时，生成相应的含氧酸根，这一点和非金属单质性质相似。例如：2Al+2NaOH+2H2O 2NaAlO2+3H2 有些非金属单质也能与碱作用，生成酸根离子。例如：Si+2NaOH+H2O Na2SiO3+2H2 单质同碱的作用规律除碱能使有些单质发生歧化作用之外，那些趋向于生成羟基配合物阴离子的元素的单质可以与碱作用。如Zn(s)2OH(aq)2H2OZn(OH)42(aq)H2(g)Si(s)2OH(aq)H2OSiO32(aq)H2(g)工科大学化学工科大学化学（d）单质与水的反应 一些化学过程通常是在水介质中进行的，了解单质与水和水溶液的关系是非常重要的。水的特殊化学性质是其氧化数

44、为1的H可以得到电子，氧化数为2的O2可以失去电子，因而水既可以作为氧化剂，又可以作为还原剂。单质与水的作用有下列几种类型：单质被水氧化伴随释放出H2，同时生成水合阳离子：在pH7时，(H/H2)0.414 V。所以，凡是还原电极电势(Mn/M)小于0.414 V的单质与水作用都有H2放出。如(Na/Na)2.714 V，故有2Na(s)2H2O2Na(aq)2OH(aq)H2(g)工科大学化学工科大学化学这是碱金属和碱土金属的特征。当生成的氢氧化物能溶于水时反应进行得很快；如果生成的氢氧化物不溶于水或者仅是微溶的，则在金属的表面形成一个薄膜抑制反应的进一步进行。如(Zn2/Zn)0.763

45、V，pH7时，(H/H2)0.414 V，但Zn却不与H2O作用。这就是因在Zn的表面生成了一个氢氧化物薄膜之故。这种因反应被抑制或完全被遏制的现象称为钝化。工科大学化学工科大学化学 单质歧化伴随生成水合阴离子：Cl2(g)H2OH(aq)Cl(aq)HClO(aq)这是大多数负电性元素单质同水作用的方式。单质被水还原伴随释放出O2，同时生成水合阴离子：在pH7时，(O2/H2O)0.82 V。所以，凡是电极电势大于0.82 V的单质与水作用都有O2放出。如(F2/F)2.87 V，故有2F2(g)2H2O4H(aq)4F(aq)O2(g)工科大学化学工科大学化学(3)合金化反应 合金是含有两

46、种或两种以上元素的金属材料。根据形成合金元素的性质，它们可以成为固态溶液(又称固溶体)和化合物。固溶体一般说来，当这些元素之间的性质相近时，可以形成固溶体。作为溶剂元素的晶格不因溶质元素的存在而改变。置换固溶体：溶质元素的原子置换了晶格中的一部分溶剂元素原子；间隙固溶体：溶质元素原子较小，它可填充在溶剂元素原子的中间，而不改变溶剂元素的晶格。金属化合物金属化合物 两种电负性相差较大的金属元素同样可以按照化合价形成金属化合物，如Mg2Pb就是一例。但这种化合物的工业价值不大。工科大学化学工科大学化学二、二元化合物二元化合物 1.氢与氢化物氢与氢化物 2.碳与碳化物碳与碳化物 3.氮与氮化物氮与氮

47、化物 4.硫与硫化物硫与硫化物 5.5.卤素与卤化物卤素与卤化物 工科大学化学工科大学化学1.氢与氢化物氢与氢化物（1）氢的性质）氢的性质（2）氢化物的种类与性质）氢化物的种类与性质（3）氢与氢化物的应用）氢与氢化物的应用工科大学化学工科大学化学（1）氢的性质）氢的性质（a）稳定性：）稳定性：（b）还原性：）还原性：（c）氧化性：）氧化性：工科大学化学工科大学化学（2）氢化物的种类与性质）氢化物的种类与性质表表15-9 各类氢化物在周期系中的分布各类氢化物在周期系中的分布 周期系各主族元素都能生成氢化物。IA和除Be和Mg以外的A族元素形成离子型氢化物，其固体是离子晶体。AA族元素一般形成共价

48、型氢化物，固体为分子晶体。由于H原子只有惟一的1个电子，这个电子作为价电子直接受核的吸引而无内层电子的屏蔽，使H原子具有一些独特的化学活性，形成独特的键型。工科大学化学工科大学化学(1)离子型氢化物 当氢与电负性很小的金属化合时形成这类氢化物,如碱金属和碱土金属中的LiH、NaH、CaH2等。H获得一个电子形成具有He型结构H-，1 s2的2个电子之间有很大的排斥力，离子容易失去电子而表现出很强的还原能力：工科大学化学工科大学化学(2)金属型氢化物 这类氢化物主要由过渡金属元素与氢形成，主族元素中的Be、Mg及In、Tl也形成这类氢化物。从组成上看，这类氢化物有整比化合物：如 MgH2、FeH

49、2 等；非整比化合物：如V H 0.56、Ta H 0.76 等。过渡金属氢化物具有金属光泽、磁性及导电性，因此可以认为它是原子态氢进入金属晶格空隙所形成的一类氢化物，因此又称为“间隙化合物”。过渡金属所吸收的氢在一定条件下又可释放出来，因而被用做“贮氢”材料。例如在室温下1体积的钯能溶解700体积的氢，而在减压和373 K的条件下所吸收的氢又可释放出来，利用这性质可以得到很纯的氢气。工科大学化学工科大学化学 (3)共价型氢化物（分子型氢化物）当氢化物中两种元素的电负性相差较小时，则形成共价型氢化物。这类氢化物在固态时形成分子晶体，熔、沸点低，易挥发，导电性弱。它们的化学性质各不相同，差别很大

50、。下面讨论共价型氢化物性质的周期递变情况。1(1)熔点和沸点 共价型氢化物的熔点和沸点很低，在室温下大多是气态。同周期元素氢化物的熔点和沸点依A逐渐增高，而族则较低。同族氢化物的熔点和沸点除NH3、H2O及HF外，随元素的原子序数增大而增高。NH3、H2O及HF因分子间存在氢键，使他们具有较高的熔点和沸点。工科大学化学工科大学化学2(2)热稳定性 氢化物加热时，能分解为组成元素的单质。元素的电负性越大，与氢形成氢化物的键能越大，生成焓越负，氢化物越稳定。同一周期中，从左到右热稳定性增加；同一族中，自上而下热稳定性减小。这个规律与电负性变化规律是一致的。3(3)还原性除了HF以外，其他分子型氢化