10 非金属元素(一) 氢稀有气体卤素

,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,*,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,*,第十章,非金属元素,(,一,),氢,稀有气体,卤素,1,一,氢,氢是宇宙间所有元素中含量最丰富的元素,在自然界中主要以化合态存在,是周期系中第一号元素,2,1,氢的发现,1766,年,“易燃空气”,Cavendish(1731-1810),Laviusiser(1743-1794),1787,年,“,Hydrogen,”,3,2.1,存在,宇宙中最丰富的元素，太阳大气高达,81.75,。,氢在地壳外层的大气、水和岩石里以原子百分比占,15.4,，仅次于氧而居第二位。,2,氢的存在和性质,4,2.2,三种同位素,1,H,氕，符号为,H,，占,99.98%,2,H,氘，符号为,D,，占,0.02%,3,H,氚，符号为,T,，是,H,的,10,17,分之一，主要 是核衰变的产物。,5,2.3,两种变体,正氢,仲氢,区别：,H,2,中两个氢原子核,H,2,中两个氢原子核,自旋,方向相同,自旋,方向相反,H,2,中含量：,高温：,75% 25%,20K,：,0.03% 99.97%,化学性质相同，物理性质稍有差异。,6,2.4,氢的性质,物理性质,密度最小，无色无味气体,扩散速度快，导热性高,微溶于水,(,一体积水在,273K,时溶解,0.02,体积氢,),沸点低，,20.2K,，液态氢可以把除氦以外的所有气体冷却为固体。,7,氢气在氧气或空气中燃烧，可得到温度近,3000,的氢氧焰。,H,2,+ O,2, H,2,O,r,H,m,= -,285.830 kJmol,-1,易被钯、铂、镍等金属吸收，其中钯的吸氢能力最强，室温下一体积的粉末状钯可吸收,900,体积的氢。因此这些金属是有关于氢反应的优良催化剂。,8,化学性质,(1),常温下分子氢不活泼。,(2),高温下，良好的还原剂。, 能在空气中燃烧生成水。, 能同卤素、,N,2,等非金属反应，生成共价型氢化物。如：,3H,2,N,2,2NH,3,与活泼金属反应，生成金属氢化物。 如：,H,2,2Na,2NaH,能还原许多金属氧化物或金属卤化物为 金属。如,：,H,2,CuO,Cu,H,2,O,9,(3),在有机化学中，氢可发生加氢反应。,(4),发生离解作用，得到原子氢。,H,2,2H,431 kJmol,-1,化学性质,10,2.5,氢的成键特征,1,、形成,离子键,：活泼金属的氢化物：,MH,2,、形成,共价键,：,（,1,）形成一个非极性的共价单键：,H,2,（,2,）形成极性的共价键：,HX,3,、,独特的键型,（,1,）形成单电子共价键：,H,2,（,2,）金属氢化物,非整比化合物：,LaH,2.87,（,3,）形成氢键、氢桥键,(B,2,H,6,),11,氢桥键和氢键,12,氢化物在周期表中的分类,Li,Be,B,C N,O F,Na,Mg,Al,Si P,S Cl,K Ca,Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn,Ga,Ge As Se Br,Rb Sr,Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd,In,Sn Sb Te I,Cs Ba,La-Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl,Pb Bi Po At,Fr Ra,Ac-Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub,离子型 过渡型 共价型,这种分类不非十分严格。例如，,MgH,2,到底是离子型，还是共价型或过渡型，实际上是有争议的。另外，镧系元素的氢化物,LaH,2,是过渡型，但当组成接近或等于,LnH,3,时，就变成了离子型 。,13,三、氢的制备,实验室制备,实验室由活泼金属和稀酸反应或两性金属与碱反应制备,也可用电解法制备,Zn + 2H,+,= H,2,+ Zn,2+,Zn + 2H,2,O + 2OH,-,= Zn(OH),4,2-,+ H,2,阴极,: 2H,2,O + 2e =H,2, + 2OH,-,电解法,阳极,: 4OH,-,- 4e =O,2, + 2H,2,O,由两性金属与碱反应或电解法得到的氢气纯度更高,14,组成：,球形漏斗、双球形容器和带活塞的玻璃导管,优点：,即开即用，即关即停,15,氢气的工业制备,水煤气法：,C + H,2,O = CO + H,2,1273 K,水蒸气转化法：,CH,4,+ H,2,O CO + 3H,2,(g),10731273 K,催化剂,天然气裂解法：,CH,4,=C + 2H,2,催化剂,16,世博园提供新能源车实现零排放 采用氢气驱动。,1000,辆新能源车承担交通 ，园区内尾气“零排放” 。,优点：,干净卫生，燃烧后的产物是水，不会污 染环境。,氢燃料汽车,以氢为主要能量作为移动的汽车,17,二,稀有气体,VIII A,族：,He Ne Ar Kr Xe Rn,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,4s,2,4p,6,5s,2,5p,6,稀有气体的价电子结构称为饱和电子层结构，因此稀有气体不易失去电子、不易得到电子，不易形成化学键。,稀有气体均为单原子分子，,He,是所有单质中沸点最低的气体。,物理性质,18,稀有气体的用途,He,超低温冷却剂；填充气球；作惰性保护气用于核反应堆热交换器；液氦在温度小于,2.2K,时，是一种超流体，具有超导性和低粘性，对于研究和验证量子理论有重要的意义。,Ne,氖的导电性是空气的,75,倍，用于放电管中发射红光，也用于作金属焊接的保护气。,Ar,氩的导热性很差，用于填充灯泡，也用作焊接的保护气。,Xe,氪和氙 导热性均很差，用于填充灯泡，用氙制的电光源氙灯有“小太阳”之称。,Kr,19,三,卤素,20,1,卤素的存在,由于卤素单质有很高的化学活性，它们不可能以游离的方式存在于自然界，而是以稳定的卤化物形式存在。,氟：主要以萤石、冰晶石和磷灰石存在,氯、溴：主要以碱金属、碱土金属卤化物的形式存在于海水中，氯还存在于岩盐、井盐和盐湖中。,碘：主要以卤化物和碘酸盐的形式存在。,21,2,卤素的性质,22,卤素单质,3.1,物理性质,单质,状态,熔点,(K),沸点,(K),键能,(kJ/mol),(X,2,/X,-,),(V),F,2,气态,53.53,85.01,158,2.868,Cl,2,气态,172.17,239.18,242,1.358,Br,2,液态,265.9,331.93,193,1.0652,I,2,固态,386.7,457.50,151,0.535,At,575,610,110,0.2,23,1,、单质的颜色：,气态卤素单质的颜色随着分子量的增大由浅黄色,黄绿色,红棕色,紫色。,2,、气味：,所有卤素具有刺激性气味，强烈刺激眼、鼻等，吸入较多会中毒，甚至死亡，其毒性从氟到碘逐渐减轻。使用液溴，必须戴橡胶手套。碘具有升华性。,24,3,、溶解性：,（,1,）卤素在水中的溶解性不大。氟不溶于水，因为它与水剧烈反应而生成氧气；氯水溶液呈淡黄绿色；溴水溶液呈橙黄色；碘水溶液呈棕色。,25,（,2,）卤素单质在有机溶剂种的溶解性比在水中要强得多，溴可溶于乙醇、乙醚、氯仿、四氯化碳等溶剂中，溶液的颜色随浓度的增加而逐渐加深，从黄色到棕红色；碘溶于介电常数较大的溶剂中呈棕色或棕红色在介电常数较小的溶剂中则呈紫色。,26,3.2,化学性质,（一）与金属、非金属的作用,氟能与所有金属和非金属（除氮、氧和一些稀有气体外）直接化合，反应常常是很猛烈的，伴随着燃烧和爆炸。氟与单质的反应总是把它们氧化到最高的氧化态如把,Co,、,S,、,V,和,Bi,氧化为,:,CoF,3,，,SF,6,，,VF,5,，,BiF,5,（氯与它们反应生成,:CoCl,2,，,SCl,4,，,VCl,4,，,BiCl,3,）,27,在室温或不太高温度下，,氟,与镁、铁、铜、铅、镍等金属反应，在金属表面形成一层保护性的金属氟化物薄膜，可阻止氟与金属进一步的反应。在室温时氟与金、铂不作用，加热时则生成氟化物。,F,2,与,Cu,、,Ni,、,Mg,作用，表面生成氟化物保护膜，可阻止进一步被氧化，所以,F,2,可储存在,Cu,、,Ni,、,Mg,制成的容器中,28,氯,也能与各种金属和大多数非金属（除氮、氧、稀有元素外）直接化合，但有些反应需要加热，反应还比较剧烈，如钠、铁、锡、锑、铜等都能在氯中燃烧。,潮湿的氯在加热条件下能与金、铂起反应，干燥的氯却不与铁作用，故可将干燥的液氯贮于钢瓶中。,氯与非金属反应的剧烈程度不如氟。,一般能与氯反应的金属（除了贵金属）和非金属同样也能与溴、碘反应，只是反应的活性不如氯，要在较高的温度下才能发生。,29,（二）与水、碱的作用,X,2,+H,2,O,2H,+,+2X,-,+0.5O,2,(,除碘外,),X,2,+H,2,O,H,+,+X,-,+HXO,30,氯气的漂白性：,氯气与水生成次氯酸，可使有机色素永久性漂白。,31,卤素的歧化反应与溶液的,pH,值有关，当氯水溶液的,PH4,时，歧化反应才能发生，,pH,HBrO,4,H,5,IO,6,最强的无机酸 五元弱酸,80,HClO,4,是已知酸中最强的酸，浓热的,HClO,4,是强的氧化剂，遇到有机物质会发生爆炸性反应，但稀冷的,HClO,4,溶液几乎不显氧化性。,高氯酸盐一般是可溶的，但,Cs,+,、,Rb,+,、,K,+,及,NH,4,+,的高氯酸盐的溶解度都很小。,高溴酸是强酸，强度接近于,HClO,4,它的氧化能力高于高氯酸和高碘酸。,81,重要高卤酸盐：高氯酸盐,KClO,4,：稳定性好，用作炸药比,KClO,3,更稳定,NH,4,ClO,4,：现代火箭推进剂,Mg(ClO,4,),2, Ca(ClO,4,),2,可用作干燥剂,82,用单质,F,2,（在碱性溶液）或,XeF,2,氧化,BrO,3,-,来制备高溴酸盐，其反应如下：,NaBrO,3,+F,2,+2NaOH,NaBrO,4,+2NaF+H,2,O,高碘酸是强氧化剂，一般反应平稳而且迅速，在酸性介质中能使,Mn,2+,氧化为,MnO,4,-,2Mn,2+,+5H,5,IO,6,2MnO,4,-,+5IO,3,-,+7H,2,O,-,+11H,+,高溴酸的氧化能力高于高碘酸。,83,第六节 拟卤素（,Pseudo-halogen,）,一、概念,拟卤素是指由二种或二种以上电负性较大的元素组成原子团，这些原子团性质与卤素单质相似，其阴离子性质与卤离子,X-,相似。,重要的拟卤素有氰（,CN,）,2,、硫氰 （,SCN,）,2,、硒氰（,SeCN,）,2,、氧氰,(OCN),2,等。,84,二、氢氰酸和氰化物,氢氰酸为无色液体，其蒸气剧毒，有苦杏仁味，溶于水、乙醇、乙醚等溶剂。,氰化物很多，常见的有氢氰酸、氰化钾、氰化钠、氰化氨等，均为白色粉末状固体。氰化物是剧毒物。它们易溶于水，溶液呈碱性。氰化物在农业上用作杀虫剂、消毒剂和防霉剂，工业上用途广泛，电镀、冶金、照相等应用最多。,85,一些植物的核仁（如樱桃、李子、桃子、杏仁、批把等）中含有由,HCN,与醛酮相结合而成的糖甙，糖甙无毒，但它受酶、胃酸（人食后）等作用，发生水解，生成,HCN,，从而引起中毒。,86,氢氰酸或氰化物进入机体后,氰离子（,CN,-,）与含铁细胞色素氧化酶（呼吸酶）中的铁结合，使呼吸酶不能传送氧，致使组织细胞得不到氧而造成细胞内窒息。同时，氰化物可产生对中枢神经系统的毒害作用，尤以呼吸及血管运动中枢为甚,先刺激兴奋而后抑制,直至呼吸麻痹。,87,小结（,1,）氯的各种含氧酸及其盐的性质的一般规律：,HClO,HClO,2,HClO,3,HClO,4,MClO,MClO,2,MClO,3,MClO,4,热稳定性增强,氧化能力增强,氧化能力减弱,热稳定性增强,氧化能力减弱,热稳定性增强,酸性增强,88,1,、氧化性, 酸的氧化性,盐的氧化性, 同种卤素生成不同的含氧酸时，,HXO,HXO,2,HXO,3,HXO,4,含氧酸结构相同时，,M/HXO Cl,Br,I,M/HXO,3,Br,Cl,I,M/HXO,4,Br,I,Cl,小结（,2,）各种含氧酸及其盐的性质的一般规律：,89,2,、酸性,同种卤素：,HXO HXO,2, HXO,3, Br I,3,、稳定性,酸的稳定性,盐的稳定性,HXO HXO,2, HXO,3, HXO,4,90,