非金属单质的化学性质

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层波函数本身没有明确的物理意义，但它的平方2代表电子在空间各点出现的概率密度。若用黑点的疏密程度来表示空间各点电子概率密度的大小，则2大的地方黑点较密，其概率密度大；反之2小的地方黑点较疏，概率密度小。在原子核外分布的小黑点，好象一团带负电的云，把原子核包起来，如同天空中的云雾一样，所以又称为电子云（electron cloud）。即通常把2在核外空间分布的图形称电子云。,第三层,第四层,第五层,*,*,*,13.2.3 非金属单质的化学性质,概况,主要为氧化还原性：既可做氧化剂，也可做还原剂,1.与氧(空气)的反应,卤素不能直接与氧化合,磷白磷可自燃成P,2,O,5,，红磷加热与氧生成P,2,O,5,B、C、S加热，与氧反应生成相应的氧化物：B,2,O,3,、CO,2,、SO,2,；常温下都是自发的放热反应,氮与氧在常温下是吸热反应，不自发；3000K以上，自发：雷电、电弧和汽车引擎可引起空气中的氮氧反应,N,2,(g)+O,2,(g)=2NO （g）,H,=180.74 kJ/mol;,S,=0.0248 kJ/（molK）,11/28/2024,1,2.与水的反应,卤素,常温下即能与水反应,X,2,+H,2,O =2H,+,+2X,-,+1/2O,2,(1),X,2,+H,2,O =H,+,+X,-,+HXO (2),F,2,只发生(1)式，其它卤素主要(2)式，即,歧化反应,(氧化数部分升高，部分降低)。两类反应进行的程度随原子序数的增大而降低。加酸利于逆反应，加碱利于正反应,硼、碳、硅高温才与水蒸气作用(注意，非岐化反应),1103K,2B+6H,2,O(g)=2B(OH),3,+3H,2,(g),1273K,C +H,2,O(g)=CO(g)+H,2,(g),水煤气,氮、磷、氧、硫高温也不与水反应,11/28/2024,2,3.与酸的反应,一般不与稀的非氧化性酸反应,碘、硫、磷、碳和硼均能被硝酸或热的浓硫酸氧化，生成氧化物或含氧酸,3I,2,+10HNO,3,=6HIO,3,+10NO(g)+2H,2,O,S+2 HNO,3,=H,2,SO,4,+2NO(g),3P+5 HNO,3,+2H,2,O=3H,3,PO,4,+5NO(g),3C +4 HNO,3,=3CO,2,+4NO(g)+2H,2,O,B(无定型)+HNO,3,(浓)+H,2,O=B(OH),3,+NO(g),C+2H,2,SO,4,(浓,热)=CO,2,+2SO,2,(g)+2H,2,O,2B+3H,2,SO,4,(浓,热)=2B(OH),3,+3SO,2,(g),11/28/2024,3,4.与碱的反应,卤素,除氟以外，室温下能与碱溶液歧化反应,X,2,+2OH,-,=X,-,+XO,-,+H,2,O （1）,3XO,-,=2X,-,+XO,3,-,（2）,氯室温按反应(1)，在343K时，反应(2)很快；溴常温(1)和(2)都很快，273K以下才生成次溴酸盐；碘与碱反应只能得到碘酸盐,硫和磷在较浓强碱液能发生,歧化,反应(比较：与水不反应),3S +6NaOH =2Na,2,S +Na,2,SO,3,+3H,2,O,pH=14,P,4,+3NaOH =PH,3,+3NaH,2,PO,2,11/28/2024,4,硅与硼与较浓的强碱溶液作用放出氢气,Si,1.8,+2NaOH +H,2,O=Na,2,SiO,3,+2H,2,2B,2.0,(无定型)+2NaOH +6H,2,O=2NaB(OH),4,+3H,2,C、N,2,、O,2,、F,2,无上述类型的反应,11/28/2024,5,13.2.4 稀有气体,1.稀有气体的性质,概况,稀有气体属0,A,族，包括He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn。核外电子层具有2或8电子稳定结构，电离能居同周期元素之首，电子亲,核,和,能,小于,大于,零，难形成化学键，不活泼。1962年前一直称为“惰性气体”。除,氡,是放射性元素外，另五种气体以总共不足1%体积量存在于大气中，故称稀有气体,11/28/2024,6,物理性质,稀有气体以单原子分子状态存在，原子间仅存在弱的范德华力，主要为色散力，作用力随相对原子质量增大。密度、熔点、沸点、汽化热和临界温度相当低,（液化空气有用），,随原子序数逐渐升高,He的临界温度最低，最难液化。在2.2K时，液态He会从一种状态相变到另一种状态，2.2K以上的液态He具有一般液体的通性，而低于2.2K的液He有许多反常性质：表面张力极小，黏度只有液氢的1%，流动时几乎无摩擦，该状态称为超流体（Superfluid）。其导热系数是铜的800倍，并且进入了电阻为零的超导状态，也不能在常压下固化,11/28/2024,7,化学性质,1962年巴特莱（N.Bartllet）受PtF,6,氧化O,2,制得O,2,PtF,6,的启发，联想到Xe的第一电离能(1170kJ/mol)小于O,2,的第一电离能(1177kJ/mol)，得出了可能制备XePtF,6,的结论。并成功制备了橙黄色固态XePtF,6,进一步发现，相对原子质量较大的稀有气体都能与F,2,直接化合，并可依物质量的比例控制反应产物（但Kr只能得到KrF,2,），生成不同氧化态的氟化物，如XeF,2,、XeF,4,、XeF,6,、XeOF,4,、CsXeF,7,、XeO,3,、Na,4,XeO,6,、KrF,2,等。鉴于此，尽管He、Ne和Ar的化合物至今还未曾制得，但已将此类单质由“惰性气体”改名为“稀有气体”,11/28/2024,8,2.稀有气体的用途,作为,“惰性气体”,焊接活泼金属、拉制半导体单晶和石英光纤时，He和Ar是重要的保护气体，在气相色谱中He可用作载气,He和O,2,混合制造“人造空气”，供潜水员呼吸预防氮中毒，治疗支气管气喘和窒息。He可代氢气填充飞艇和观测气球；实现超低温环境,高压电下，氖产生红光，氩产生绿光，用于制造霓虹灯、灯塔和信号装置,氙有极高的发光强度，氙灯有“小太阳”之称。氪和氙的同位素在医学上被用来测定脑血流量，研究肝功能。氙能溶于油脂细胞引起细胞膨胀和麻痹，可用作无副反应的麻醉剂,11/28/2024,9,13.3 金属单质,13.3.1 金属元素的性质和用途,概况,金属原子最外层电子数少，电离能低、电子亲,核,和,能小，多易给出价电子，具有还原性。在化合物中，常表现出正氧化数,金属晶格中有“自由电子”，它们可解释金属的许多特性,活泼金属为强还原剂,按金属元素的主要物理、化学性质，根据其结构与性能特点，可将金属进一步分为八类：成碱金属、轻金属、稀土金属、易熔金属、难熔金属、铁族金属、贵金属和锕系金属。同一类金属在性质上有较大的相似性,11/28/2024,10,13.3.2 金属的存在与冶炼,1.金属的存在,(自学),金属主要分布于地壳和海洋中。特别是海滨沙矿和海底金属矿藏（锰结核和重金属矿床等）。陆地金属的矿石约有八类,天然金属矿，如汞和金、银、铂等贵金属,氧化物矿，如铝矾土Al,2,O,3,nH,2,O,赤铁矿Fe,2,O,3,和锡石SnO,2,等,碳酸盐矿，如石灰石CaCO,3,，孔雀石Cu,2,(OH),2,CO,3,等,硅酸盐矿，如绿柱石Be,3,Al,2,Si,6,O,18,，高岭石Al,2,Si,2,O,7,2H,2,O等,硫酸盐矿，如重晶石BaSO,4,，石膏CaSO,4,2H,2,O等,磷酸盐矿，如磷酸钙Ca,3,(PO,4,),2,和磷酸稀土矿等,卤化物矿，如岩盐NaCl，光卤石KCl,MgCl,6H,2,O等,硫化物矿，如闪银矿Ag,2,S，硫铁矿FeS,2,，辉钼矿MoS,2,等,锂,3,Li,11/28/2024,11,2.冶金,冶金,(metallurgy)从矿石制备金属的过程,冶金过程,主要包括预处理、还原冶炼和精炼,（,1,）预处理,用化学或物理方法除去矿石杂质，“富集”所须成分或制成下一步骤所需的形式。多数矿石需经选矿，得到富矿。许多矿石还需经煅烧，转化成易被还原的氧化物形式,如,硫铁矿煅烧,成氧化铁，菱锌矿,ZnCO,3,煅烧成,ZnO,等,11/28/2024,12,（2）冶炼,有湿法冶金和火法冶金两类,湿法冶金,(Hydrometallurgy)矿石在溶液中溶解、浸出、分离其金属组分，再经沉积、净化，置换或电解等方式得到纯金属。该法适宜于处理含量较低或组分较复杂的原料，广泛应用于有色和稀有金属的生产,火法冶金,(Fire metallurgy)将矿石在高温下还原为金属。按使用的还原剂和还原手段的不同分为五种,（a）矿物中的负离子将正离子还原适宜于金属活泼性不高的硫化物矿（PbS，HgS等）。要控制空气用量，以免金属变为氧化物,高温 PbS（s）+O,2,=Pb（l）+SO,2,较活泼金属的硫化物矿（NiS、MoS,2,、CoS、ZnS、CdS、SnS），煅烧时生成氧化物。需进一步还原成金属,高温 2NiS（s）+3O,2,=2NiO+2SO,2,11/28/2024,13,（b）以焦碳为还原剂，还原氧化物矿 C是最廉价的还原剂，固体炭与矿石接触不良，常转变成CO使反应加速,高温,2,WO,3,+3C,=2W+3CO,2,（g）,高温 FeO（s）,+CO,=Fe+CO,2,（g）,高温 NiO（s）,+CO,=Ni+CO,2,（g）,（c）更强的还原剂（H,2,、Al、Na）还原较活波的金属氧化物,高温 3Fe,3,O,4,（s）,+8Al,=4Al,2,O,3,+9Fe,高温 Cr,2,O,3,（s）,+2Al,=Al,2,O,3,+2Cr,高温 GeO,2,（s）,+2H,2,=2H,2,O+Ge,11/28/2024,14,（,d,）电解熔融物法活泼金属易失电子，正离子难以获得电子还原，化学还原法难达目的，电解是实现氧化还原反应的最强有力的手段,2Al,2,O,3,（,l,）,=4Al+3O,2,（,g,）,2LiCl,（,l,）,=2Li+Cl,2,（,g,）,（,e,）热分解法适于不活泼金属的氧化物：氧化汞、氧化银,2HgO,=2Hg+O,2,2Ag,2,O,(,g,s,)=4Ag+O,2,11/28/2024,15,（3）精炼,进一步除去金属产品中的杂质。包括,(a)热分解法某些金属易形成液态或气态化合物，又易分解。如镍低温可与CO反应生成气态的Ni(CO),4,，后者在较高温度下分解，获得99.99%的纯镍,(b)区域精炼法环型加热圈固定于不纯金属棒（如锗Ge）的周围，缓慢移动加热器，金属棒受热部分逐渐熔化。熔融的液态金属在结晶成纯金属时，杂质仍留在熔融态中，随之而除去。此过程每进行一次，金属的纯度就提高一次。可得纯度达89个“9”的锗和硅,电解精炼法获得纯金属较经济的方法。如粗铜的电解精炼，可得到纯度很高的精铜。银、铅、镍等金属也可以电解法精炼,(d)氧化杂质法如炼钢就是将生铁中的碳用氧化燃烧法部分除去，以达合适的含碳量,11/28/2024,16,13.3.3 成碱金属,概况,种类包括IA的Li、Na、K、Rb、Cs、Fr和IIA族的Ca、Sr、Ba、Ra，共10种元素,存在以卤化物、硫酸盐、碳酸盐和硅酸盐存在于地壳中，Na、K、Ca等以金属有机化合物存在于动植物内，Rb、Cs是稀有金属，Fr和Ra是放射性金属,锂,3,Li,钠,11,Na,钾,19,K,钙,20,Ca,铷,37,Rb,锶,38,Sr,铯,55,Cs,钡,56,Ba,钫,87,Fr,镭,88,Ra,锂,3,Li,11/28/2024,17,1.单质的结构与性能,物理性质,有良好导电性；硬度、熔点和沸点低。原因：成键电子数少，金属键弱，在宏观性质上表现出低熔沸点和低硬度,化学性质,概况,电子构型分别为,ns,1,和,ns,2,，能失去,1,个或,2,个电子形成氧化,态,数,为,+1,或,+2,的离子型化合物。同族自上而下，原子（离子）半径依次增大，电离能、电负性逐渐降低，金属活泼性增强，几乎能与