第9章-元素概论..

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第9章 元素概论,9.1 元素概述,9.,2,氢,9.,3,稀有气体,9.,4,氢化物,迄今为止，已经发现的与人工合成的元素112种，自然界天然存在92种，其余为人工合成元素。,元素的发现,元素概述,9.1.,1,元素的分类,性质,金属元素，90种 4/5,非金属元素，22种 1/5,元素概述,112,Uub,111,Uuu,110,Uun,109,Mt,108,Hs,107,Bh,106,Sg,105,Db,104,Rf,89-103,An,88,Ra,87,Fr,7,86,Rn,85,At,84,Po,83,Bi,82,Pb,81,Tl,80,Hg,79,Au,78,Pt,77,Ir,76,Os,75,Re,74,W,73,Ta,72,Hf,57-71,Ln,56,Ba,55,Cs,6,54,Xe,53,I,52,Te,51,Sb,50,Sn,49,In,48,Cd,47,Ag,46,Pd,45,Rh,44,Ru,43,Tc,42,Mo,41,Nb,40,Zr,39,Y,38,Sr,37,Rb,5,36,Kr,35,Br,34,Se,33,As,32,Ge,31,Ga,30,Zn,29,Cu,28,Ni,27,Co,26,Fe,25,Mn,24,Cr,23,V,22,Ti,21,Sc,20,Ca,19,K,4,18,Ar,17,Cl,16,S,15,P,14,Si,13,Al,B,B,B,B,B,B,B,12,Mg,11,Na,3,10,Ne,9,F,8,O,7,N,6,C,5,B,4,Be,3,Li,2,2,He,A,A,A,A,A,A,1,H,1,0,IA,轻稀有元素,铂系元素,稀土元素,分散稀有元素,稀有气体,高熔点稀有元素,亮绿色符号,放射性稀有元素,存在的数量,普通元素,稀有元素,含量少，发现晚,研究少，应用晚,元素概述,He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn,H,Li,Na,K,Rb,Cs,Fr,Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Sc,Y,La,系,Ac,系,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Tc,Re,Fe,Rh,Os,Co,Rh,Ir,Ni,Pd,Pt,Cu,Ag,Au,Zn,Cd,Hg,B,Al,Ga,In,Tl,C,Si,Ge,S,n,Pb,O,S,S,e,Te,Po,F,Cl,Br,I,At,N,P,A,s,S,b,Bi,金属晶体,分子晶体,原子晶体,金属晶体,原子晶体,层状或链状,分子晶体,元素概述,主族元素单质,典型金属晶体原子晶体、层状或链状晶体分子晶体,同周期元素,，自左向右,熔点、沸点： 低高低,密度、硬度： 小大小,导电性： 导体半导体、非导体,同族元素,，自上而下,分子晶体或原子晶体,金属晶体,熔点和沸点决定于物质的晶体类型,元素概述,均为金属晶体,副族元素单质,一般具有较高的熔点和沸点,熔点最高的是,W 3410,具有较大的密度和硬度(III,B,和II,B,除外),硬度最大的是,Cr(,仅次于金刚石),密度最大的依次是,Os,、,Ir,、,Pt,易导电,Ti,、,Zr,、,Hf,、,Nb,、,Ta,、,Cr,、,Mo,、,W,、,Tc,、,Re,、,Ru,、,Os,、,Rh,、,Ir,、,Zn,、,Cd,、,Hg,、,Al,、,Ge,、,In,、,Si,、,Ge,、,Sn,、,Pb,、,Li,、,Be,、,La,、,Eu,、,Th,、,Pa,、,Am,等,具有超导性质的元素,元素概述,游离态,气态非金属单质，如：,N,2,、,O,2,、,H,2,、稀有气体等；,固态非金属单质，如：,C,，,S,等；,金属单质，如：,Hg,、,Ag,、,Au,等；,9.1.2 元素在自然界中的存在形态,石膏 CaSO,4,重晶石 BaSO,4,芒硝 Na,2,SO,4,.10H,2,O,等,IIA,元素难溶的碳酸盐，,IIA,元素硫酸盐,菱镁矿 MgCO,3,白云石 CaMg(CO,3,),2,方解石 CaCO,3,等,化合态,IA,、,IIA,中的,Mg,与,VIIA,形成的离子化合物,NaCl,、KCl、CaF,2,等,元素概述,准金属（,B,除外）及,IB,和,IIB,的难溶硫化物,辉锑矿,Sb,2,S,3,辉铜矿,Cu,2,S,、闪锌矿,ZnS,辰沙矿,HgS,等。,IIIBVIIB,族过渡元素主要以稳定的氧化物形式存在,金红石,TiO,2,铬铁矿,FeO,Cr,2,O,3,软锰矿,MnO,2,磁铁矿,Fe,3,O,4,赤铁矿,Fe,2,O,3,等。,元素概述,9.1.,3,元素的分布和我国的自然资源,各种元素在地球上的含量相差极为悬殊：,较轻,的元素含量较,多,，,较重,的元素含量较,少,；,原子序数为,偶数,的含量较,多,，原子序数为,奇数,的含量较,少,各元素在地壳中平均含量的百分数 丰度,丰度表示方法,质量百分数,原子百分数,质量,clarke,值,原子,clarke,值,上述10种元素在组成地壳的原子总数中约占99 %,1.08,K,0.22,1.39,1.48,1.50,1.95,5.53,16.67,16.95,52.32,含量%,Ti,Mg,Ca,Fe,Na,Al,Si,H,O,元素,地壳中分布最广的10种元素,元素概述,我国元素资源,我国的矿物资源非常丰富，已探明的达148种，其中,W,、,Li,、,Sb,、,Zn,及稀土居世界之首，稀土矿总储量占世界的80%。,Sn,、,Mo,、,Bi,、,Pb,、,Hg,、,Nb,、,Ta,、,Be,等矿物储量均居世界前列，钛铁矿居世界第一。,Al,、,Cu,、,Ni,的储量也很大,我国铁矿、铜矿、磷矿多为贫矿，钾盐、天然碱、天然硫、金刚石等资源少，金、银、铂等更为稀少,非金属矿物如,P,、,S,、石墨矿和硼矿储量也很高,元素概述,物理分离法,适用于分离或提取在物理性质（如密度、沸点）上有显著差异的混合物。,如：氧气、氮气的分离,在加热的情况下，热稳定性差的某些金属化合物分解为金属单质，这种方法主要用于过度元素单质的制备。,如：精制,Ni,循环使用,热分解法,电解法,适用于,活泼的金属和非金属单质的制备。,如：,9.,1.4,单质的制取方法,元素概述,采用氧化剂氧化化合物来制取单质。,化学氧化法,采用还原剂（,C,、,CO,、,H,2,、活泼金属等），把金属从其化合物中还原出来，以制取金属单质。,化学还原法,如：用空气氧化法从黄铁矿中提取硫,元素概述,9.,2.1,氢原子的性质及其成键特征,16世纪，注意到氢的存在，但并没有重视。,氢气的发现,1766年，英国物理学家和化学家卡文迪什（,Cavendish H,）用六种相似的反应制出了氢气。,锌、铁、锡分别与盐酸或稀硫酸反应,由于他是燃素学说的虔诚信徒，认为这是金属中含有的燃素在金属溶于酸后放出，形成了这种“可燃空气”，而不是一种新气体 。,1785,年，化学家拉瓦锡（,Lavoisier A L,）首次明确指出水是氢和氧的化合物，氢是一种元素。,将“可燃空气”命名为“,Hydrogen”,水之源,希腊文,Hydro ,水，,gene,源,氢,中文名 英文名称 表示方法 符号 说明 含量%,氕,(音撇),protium,1,H H,稳定同位素 99.98,氘 (音刀),deuterium,2,H D,稳定同位素 0.016,氚(音川),tritium,3,H T,放射性同位素 0.004,* 氕这个名称只在个别情况下使用，通常直接叫氢；氘有时又叫“重氢”,氢的同位素,2.20,电负性,72.8,电子亲合能 (kJmol,1,),1312,电离能(kJmol,1,),37,原子半径/pm,1, 0, +1,氧化数,1s,1,价层电子构型,成键特征,失去价电子,H,+,结合一个电子,H,与活泼金属形成离子型氢合物,如：,CaH,2,，,NaH,，,KH,等,与非金属形成共价型氢化物,如：,H,2,S,，,H,2,O,，,HF,等,氢,9.2.2.,氢气的性质和用途,物理性质,0.187,(空气的5倍),热导率,(Wm,1,K,1,),903.74,vap,H,m,(Jmol,1,),117.15,fus,H,m,(Jmol,1,),8.98810,5,(空气的1/4倍),气体密度,(gcm,-3,),252.77,沸点/,259.23,熔点/,无色、无臭、无味、密度小。,熔、沸点低、难液化。,扩散性好、导热性强、难溶于水（,0,O,C,时19.9,ml/L,水),。,氢,氢分子在常温下不活泼。,H,2,的解离能相当大：,氢气与非金属元素反应直接形成相应的氢化物,r,H,m,=,92.1 kJ,mol,1,r,H,m,=,571.8 kJ,mol,1,H,2,2H,D,= 436 kJ.mol,-1,氢气可氧化物或卤化物在高温下发生氧化还原反应,化学性质,氢,氢气与活泼的金属在高温下反应生成离子化合物,氢气可以参与一些重要的有机反应,高温下（,2000,K,上,),H,2,分解为,H,，常温下,H,将一些,金属氧化物或氯化物还原为金属,2H + CuCl,2,Cu + 2HCl,H,能直接与硫作用,2H + S,H,2,S,氢,用途,氢气作为能源的一个难题是氢的储存，可利用某些过渡金属可逆地吸收和释放氢气的特性，达到储氢的目的。,目前研究较多的是,Ti-Fe,、,Ti-Ni,、,La-Mg,、,La-Ni,氢,氨,氮肥,甲醇,氢化油,燃料电池,燃料,电解法,电解15% 20%,NaOH,(,KOH),水溶液，耗能大，效率仅32%,文献报道，383423,K,、10133039,kPa,下，效率可达 90%,天然气，焦碳制氢气,水煤气,r,H,m,=131.3kJ.mol,-1,r,H,m,= -41.4kJ.mol,-1,水煤气与水蒸气一起通过红热的氧化铁，,CO,变成,CO,2,2,10,6,Pa,下，水洗涤,CO,2,、,H,2,混合气体，分离出,H,2,9.,2.3,氢的制备方法,氢,用焦炭或天然气与水反应制,H,2,，,都需在高温下进行。,供热方式：靠,“内部燃烧”,放热。,r,H,m,=,393.7 kJ,mol,1,r,H,m,=,803.3 kJ,mol,1,光化学催化、太阳能分解水,三(2,2联吡啶) 合钌(,)(,a,),a*,(,已活化),h,光能,金属氢化物,两性金属,Zn,，,Al,或,B,与碱液反应,实验室,甲烷转化,r,H,m,=206.1,kJ,mol,1,氢,9.,3.1,稀有气体的存在和发现,6种稀有气体元素是在1894-1900年间陆续被发现的。,1894年，英国物理学家瑞利（,Rayleigh J W S,）与化学家,Ramsay,合作，除去空气中的,N,2,和,O,2,，用光谱分析鉴定剩余气体，发现了,氩,，被命名为,argon “,懒惰”。,1868年，法国天文学家简森(,Janssen P J C),观察日全蚀时，在太阳光谱上观察到一条黄线,D,3,，这和钠光谱的,D,1,和,D,2,两条线不相同。同时，英国天文学家洛克耶尔(,Lockyer,J N),也观测到,D,3,。当时天文学家认为这条线只有太阳才有，并且还认为是一种金属元素。,Lockyer,把这个元素取名为,helium,，,helio,太阳神，,ium,金属元素。,1895年，英国化学家莱姆赛（,Ramsay W),与特拉弗斯(,Travers M W),用硫酸处理沥青铀矿时，产生一种不活泼的气体，用光谱鉴定为,氦,，证实了氦也是一种稀有气体，这种元素地球上也有，并且是非金属元素。,稀有气体,1898年5月30日，莱姆赛和特拉弗斯在大量液态空气蒸发后的残余物中，发现了,氪,，他们把它命名为,Krypton,，即“隐藏”之意。隐藏于空气中多年才被发现。,1898年6月，莱姆赛和特拉弗斯在蒸发液氩时，收集了最先逸出的气体，发现了,氖,，被命名为,neon,“新的”，即从空气中发现的新气体，也就是现在“霓虹”灯里的气体。,1898年7月12日，莱姆赛和特拉弗斯分馏液态空气，制得氪和氖后，又把氪反复地分次萃取，又分离出比氪更重的新气体，被命名为,xenon,陌生的。,1899年，英国物理学家欧文斯(,Owens R B),和卢瑟福(,Rutherford E),研究钍的放射性时，发现钍射气氡-220。,1900年，德国道恩(,Dorn F E),研究镭的放射性时，发现镭射气氡-222。,1902年，德国人吉赛尔(,Giesel,F O),在锕的化合物中发现锕射气氡-219。,稀有气体,1908年，莱姆赛确定镭射气是一种新元素，与已发现的其它稀有气体一样，是一种化学惰性的稀有气体元素。其它两种射气，是它的同位素。1923年国际化学会议上命名这种新元素为,radon,，中文音译成,氡,，化学符号为,Rn,。,氦、氖、氩、氪、氙、氡六种稀有气体位于元素周期表的零族。由于化学惰性，很久以来，它们被称为“惰性气体元素”。,1962年，加拿大工作的英国青年化学家巴特列特(,Bartlett N),首先合成出六氟合铂酸氙,XePtF6,，动摇了长期禁锢人们思想的“惰性气体惰性”的形而上学的观念。“惰性气体”也随之改名为,“稀有气体”,。,稀有气体,9.,3.2,稀有气体的原子结构、性质和用途,稀有气体都是单原子分子，其熔点、沸点、溶解度、密度、临界温度等随原子序数增大而,递增,。,一种,超流体,，表面张力很小，粘度为氢气的千分之一，可以流过普通液体无法流过的毛细管。能沿敞口容器内壁向上流动，甚至超过容器的边缘沿外壁流出，产生,超流效应,。,导热性,很高，室温时为铜的600倍。,一种,超导体,，电阻接近于零。,He,临界温度最低,所有气体中最难液化的气体,唯一没有,g-s-l,三固平衡点的物质,温度降低到2.178,K,时，,He(,),He(),，这个温度称,点，,点跟压力有关。,点以下，,He(),具有许多,反常的性质,。,稀有气体,用途,除氢以外最轻的气体，可用它,取代氢气填充气球和汽艇。,可利用氦和氧的混合物,制成“人造空气”,供潜水员呼吸，以防得潜水病。,可作超低温研究中的,制冷剂，,还可作低温温度计的填充气体。,可用做电弧焊中的,惰性保护气体。,Ne,能产生鲜艳的红光，可用于,霓红灯、灯塔等照明工程,氖也可作,冷冻剂，,致冷温度为25-40,K,Ar,电流通过充氩灯管时，能产生蓝光，可用于,霓红灯、灯塔等照明工程,氩和氦的混合气体,充填灯泡,常用作,保护气体,稀有气体,Kr,制造,特种光源、高效灯泡,其同位素在医学上用于,测量脑血流量和研究肺功能、计算胰岛素分泌量等,Xe,制造,特种光源,用于,充填光电管和闪光灯,，“小太阳”,其同位素在医学上用于,测量脑血流量和研究肺功能、计算胰岛素分泌量等,Rn,用于恶性肿瘤的放射性治疗。,稀有气体,1.,Xe,氟化物,三种氟化物都具有挥发性，在室温下易升华。它们可保存在镍容器中，但,XeF,4,和,XeF,6,对水特别敏感。,(1) XeF,2,XeF,2,在稀酸溶液中水解较慢，但在碱性溶液中迅速水解。,9.,3.3,稀有气体化合物,三种氟化物均为,强氧化剂,：,稀有气体,(2) XeF,4,是最易制得的氟化物，当,Xe,和,F,2,按1：5混合在镍容器中于400和6,atm,下加热几小时便可生成,XeF,4,，,XeF,4,能迅速跟氢反应生成,Xe,和,HF,。,在一定的压力下,XeF,4,与,F,2,反应生成,XeF,4,。,(3) XeF,6,XeF,6,固体是无色的，加热时先变黄，然后变成黄色的液体和蒸气，迅速与石英反应。,稀有气体,2. 氟化氙的配合物,Xe,的二、四、六氟化物均能作为氟化物给予体，而,XeF,6,还能作为接受体，因此这些氟化物与,AsF,5,、,SbF,5,、,RuF,5,反应生成加合物。,除,为分子晶体,外，其它加合物公认是,离子型,的。含有,XeF,+,和 离子。,X,射线研究指出 具有平面结构。,F,Xe,F,Xe,F,151,2.14,A,1.90,A,稀有气体,高氙酸与浓硫酸作用可生成,XeO,4,XeO,3,是白色潮解性固体，并,易爆炸,。,XeO,3,能被碘定量还原。,3. 氙-氧化合物,在碱性溶液中 缓慢水解歧化为高氙酸和,Xe,。,pH10.5,时，,XeO,3,与碱作用生成 离子。,或,稀有气体,9.3.4 稀有气体化合物结构举例,1.,XeF,2,Bp=2,Lp=3,Vp=5,XeF,2,直线形,2.,XeF,4,Vp=6,Bp=4,Lp=2,Xe,F,F,F,F,XeF,4,平面四方形,FXeF,3.,XeO,3,Vp=4,Bp=3,Lp=1,Xe,O,O,O,XeO,3,分子构型为三角锥型,稀有气体,