第十章老师阅读材料

1、第十章 常见金属元素及其化合物一、学习目的本章主要介绍金属的通性、碱(土)金属的化合物的主要性质；还简明介绍重要过渡金属及其化合物的性质及变化规律，为分析化学、药物分析等后续课程的学习打好基础。知识要求1掌握金属的通性；掌握碱(土)金属单质及化合物的性质；掌握重要过渡金属的物理和化学性质。2熟悉金属的氧化物、氢氧化物、盐的主要性质。3了解一般过渡金属及其化合物的性质。能力要求熟练掌握重要金属及化合物的性质，学会一些常用单质及化合物的状态、颜色、稳定性、溶解性等性质在实验中的应用。学会从特殊到一般的科学探究方法，初步掌握物质之间的内在联系和普遍规律。二、重点串解本章主要介绍金属的通性；碱（土）金

2、属及其重要化合物的主要性质和重要应用；过渡金属元素及其化合物的性质及变化规律，是今后学习分析化学和药物分析等课程的基础。（一）金属1通性金属单质都能形成晶体结构，金属呈电中性。2碱金属：氧化物及其水合物呈碱性。 焦亚硫酸钠是很好的抗氧化剂。3碱土金属：氧化物和某些水合物呈碱性且难溶于水。（土性：包含两方面，一是难溶于水，二是难以熔化）4.铝铝在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位。（二）几种重要的过渡金属元素1.铁、铬、锰铬：具有银白色金属光泽，有延展性;熔点沸点较高，抗腐蚀性强，硬度也最大。锰：致密的块状为银白色，粉末状为灰色。可形成多种价态的化合物。锰的几种重要化合物：锰()：可溶性锰盐，在

3、碱性介质中还原性较强。=酸性介质：强氧化性 锰()：MnO2 强碱性介质：还原性锰()（）： 酸性介质中发生歧化反应锰()（KMnO4）：易发生分解反应，表现出强氧化性。2. 铜、汞、锌铜的两种重要化合物：岐化反应氧化亚铜： =配位性 = 淡蓝色固体受热时变为黑色CuO 氢氧化铜 略显两性 配位性=光照AgNO3遇光易分解 银(I) 氧化性配制外用杀菌剂和腐蚀剂沉淀反应用于鉴别多种阴离子棕黑色，微溶于水，溶液显碱性氧化银(Ag2O) 氧化性=配位性氧化锌（ZnO）医用橡皮软膏 锌 氢氧化锌Zn(OH)2具有明显的两性硫化锌（ZnS）制作荧光屏、夜光仪表和电视荧光粉等三、知识背景1对角线规则Li

4、与Mg，Be与Al在周期表中处于左上右下的对角线位置，各对元素及其化合物间有许多相似性，称为对角线规则。（1） 锂与镁的相似性锂离子、镁离子半径相似。锂、镁在空气中燃烧均生成氧化物和氮氧化物。锂、镁与水反应比较缓慢，氢氧化锂、氢氧化镁为中强碱，受热分解得氧化物和水，碳酸盐受热易分解，产物分别为氧化物和二氧化碳。锂和镁的氟化物、碳酸盐及磷酸盐均难溶于水。锂、镁可形成一系列有机化合物。（2）铍与铝的相似性铍、铝都是两性金属，其氧化物、氢氧化物均为两性，氧化物熔点高，硬度大；氢氧化物难溶于水；盐易水解。标准电极电势相近。氯化铍、氯化铝为共价化合物，易升华，易聚合，可溶于有机溶剂。铍、铝的单质均可被冷

5、的浓硝酸钝化。2.Cu(OH)2可溶于氨水，是否说明Cu(OH)2有酸性？Cu(OH)2可溶于氨水，是因为Cu2+与氨配合生成了深蓝色铜氨配合物= 但这并不能说明Cu(OH)2有酸性而溶于碱。因为Cu(OH)2是以碱性为主的两性化合物，其酸性极微弱，只有较浓的强碱才能将它溶解生成蓝色Cu(OH)42-。2. 重金属与环境污染重金属是密度大于5.0g/cm3的金属元素,其中包括镉(Cd)、汞(Hg)、铅(Pb) 、铝(Al)、银(Ag)、锡(Sn)等约40多种金属元素。这些元素在岩石形成过程中主要以分散的形式存在。由于工业革命和工业发展对重金属的需求量增加,导致人为大量重金属释放到生物圈中。重金

6、属是很重要的环境污染物,它们普遍存在于大气、土壤和水中,极低浓度就能对生物体造成危害,而且重金属在食物链中的积累是十分危险的。随着工业的发展和农业生产的现代化,土壤重金属污染日益严重,土壤重金属污染来源广泛,包括采矿、冶炼、金属加工、化工、废电池处理、电子、制革和染料等工业排放的三废及汽车尾气排放、农药和化肥的施用等。 3.金属和金属表面的化学键 研究金属化学键的理论方法有三：能带理论、价键理论和配位场理论，各自从不同的角度来说明金属化学键的特征，每一种理论都提供了一些有用的概念。三种理论都可用特定的参量与金属的化学吸附和催化性能相关联，它们是相辅相成的。（1）金属电子结构的能带模型和“d带空

7、穴”概念 金属晶格中每一个电子占用一个“金属轨道”。每个轨道在金属晶体场内有自己的能级。由于有N个轨道，且N很大，因此这些能级是连续的。由于轨道相互作用，能级一分为二，故N个金属轨道会形成2N个能级。电子占用能级时遵从能量最低原则和Pauli原则（即电子配对占用）。故在绝对零度下，电子成对从最低能级开始一直向上填充，只有一半的能级有电子，称为满带，能级高的一半能级没有电子，叫空带。空带和满带的分界处，即电子占用的最高能级称为费米（Fermi）能级。 s轨道形成s带，d轨道组成d带，s带和d带之间有交迭。这种情况对于过渡金属特别如此，也十分重要。 s能级为单重态，只能容纳2个电子；d能级为5重简

8、并态，可以容纳10个电子。如铜的电子组态为Cu(3d10)(4s1)，故金属铜中d带电子是充满的，为满带；而s带只占用一半。镍原子的电子组态为Ni(3d5)(4s2)，故金属镍的d带中某些能级未被充满，称为“d带空穴”。“d带空穴”的概念对于理解过渡金属的化学吸附和催化作用是至关重要的，因为一个能带电子全充满时，它就难于成键了。 （2）价键模型和d特性百分数（d%）的概念 价键理论认为，过渡金属原子以杂化轨道相结合。杂化轨道通常为s、p、d等原子轨道的线性组合，称之为spd或dsp杂化。杂化轨道中d原子轨道所占的百分数称为d特性百分数，用符号d%表示。它是价键理论用以关联金属催化活性和其他物性

9、的一个特性参数。 金属d%越大，相应的d能带中的电子填充越多，d空穴就越少。d%和d空穴是从不同角度反映金属电子结构的参量，且是相反的电子结构表征。它们分别与金属催化剂的化学吸附和催化活性有某种关联。就广为应用的金属加氢催化剂来说，d%在4050%为宜。 (3) 配位场模型 借用配合物化学中键合处理的配位场概念。在孤立的金属原子中，5个d轨道能级简并，引入面心立方的正八面体对称配位场后，简并能级发生分裂，分成t2g轨道和eg轨道。前者包括dxy、dxz和dyz，后者包括和。d能带以类似的形式在配位场中分裂成t2g能带和eg能带。eg能带高，t2g能带低。 因为它们具有空间指向性，所以表面金属原

10、子的成键具有明显的定域性。这些轨道以不同的角度与表面相交，这种差别会影响到轨道健合的有效性。用这种模型，原则上可以解释金属表面的化学吸附。不仅如此，它还能解释不同晶面之间化学活性的差别；不同金属间的模式差别和合金效应。如吸附热随覆盖度增加而下降，最满意的解释是吸附位的非均一性，这与定域键合模型的观点一致。Fe催化剂的不同晶面对NH3合成的活性不同，如以110晶面的活性为1，则100晶面的活性为它的21倍；而111晶面的活性更高，为它的440倍。这已为实验所证实。四、师生交流（一）金属元素与人体健康锂属于作用尚未确定的元素，但Li+存在于人体组织和体液中，主要影响中枢神经系统。钠是生物体必需的组

11、成元素。在人体中钠约占体重的0.16%。其总量的80%分布在细胞外液中，主要生物功能是维持细胞外液的渗透压和电荷平衡，以及参与神经信息的传递过程等。钾是生物体不可缺少的组成元素。人体中的钾大部分存在于细胞内液中。例如，K+在红细胞内液中的浓度为0.1100.125moldm-3，而在血浆中的浓度仅0.005moldm-3。K+是细胞内最重要的离子。其主要生物功能是：维持细胞内液渗透压，稳定细胞的内部结构，参与神经信息的传递过程，同时它也是某些酶的激活剂，在重要的生化反应中起作用。钾对植物体内碳水化合物和蛋白质的形成，对植物机械组织的发育都有极大的影响。缺钾时，不但植物的外观出现病症，而且植物收

12、成部位（如籽实、块根、茎等）的淀粉和蛋白质含量也显著降低。因此，钾肥对农作物生长至关重要。镁是生物体重要的组成元素。镁（）是人体多种生物酶的特异性激活剂，能催化许多重要的生化反应。镁还参与维持人体肌肉正常的新陈代谢，参与形成骨骼和调节中枢神经系统的功能，参与DNA复制和蛋白质合成等，有研究资料表明，土壤中缺镁，可导致食道癌发病率升高。在植物体内，镁（）是叶绿素的中心离子，也是植物果实形成时的重要元素。钙是生物体重要的组成元素。在人体的宏量元素中钙居第五位，约占体重的2%，其中99%的钙分布在骨骼和牙齿中，如碱性磷酸钙Ca10(OH)2(PO4)6等，1%的钙分布在体液内，参与某些重要的酶反应，

13、参与维持心脏的正常跳动和神经系统的正常兴奋。参与凝血过程和维持细胞膜的完整等。另外钙也能影响人体对某些微量元素的吸收，在许多生理生化过程中起着十分重要的作用。钙也是植物生长发育不可缺少的元素。同时钙对土壤的结构和组成也有很大的影响。锶和钡属于作用尚未确定的元素。可溶性钡盐对人体有剧毒，致死量为0.8g动物致死量实验（非肠道摄入）表明：Ba（）为810-6g;Sr()为1.2310-4g锡是人体必需的微量元素。有关锡的生物功能目前尚无明确的认识，但有研究资料表明，过量摄入锡会诱发肿瘤，如云南锡矿工人肺癌高发即为一例。铅是确定的有害元素。铅对人类生存环境的污染十分严重，污染源主要来自汽油中添加的有

14、防止爆震作用的四乙基铅。大量含Pb（）的汽车废气污染了空气，铅的毒性是与体内含-SH基的蛋白质结合，引起血液、神经和消化系统的中毒症状。统计资料表明，现代人体内铅和其它有害元素的含量都有明显增加。铝也属于作用尚未确定的元素，但有实验表明，A1至少能使一种动物物种诱发肿瘤，有些人还认为老年智力退化性疾病与体内铝元素的蓄积有关。目前认为，过渡元素中有9种元素是人体必需微量元素，它们是：V、Cr、Mo、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn。过渡元素中已知的有害元素是：Cd、Hg、Cr（）。要特别指出的是，当人体对某种微量元素的摄入量超过了肾和肠的排泄能力时，该元素就会在体内蓄积，造成对组织细胞、对某脏

15、器或对某系统的损害，甚至引起严重的疾病。这时，必需元素就转变成有害元素了。因此，肓目地摄入微量元素所造成的危害往往比缺乏更为严重。钒在动物体内主要分布在脂肪组织中，对脂肪代谢有一定影响，研究资料表明它能降低人血清胆固醇。在海鞘类动物血液中钒的含量达4%，使血液显绿色。钒在植物体内也有分布，它是土壤中固氮菌的必需元素。铬（）在体内参与糖和脂肪的代谢，特别是对胆固醇的代谢影响较大，因此，食物过于精细易引起铬缺乏，并造成动脉粥样硬化症的发病率上升。铬也是明确的有害元素，尤其是Cr（）的毒性非常显著。铬对人体的毒性是使血液中的某些蛋白质沉淀，引起贫血、肾炎、神经炎等疾病。吸入含铬粉尘将引发呼吸道炎症并

16、诱发肺癌。皮肤长期接触含铬化合物也会引起深部浸入性损害。因此，含铬工业污水必须经处理后才能排放，最好的处理方法是回收铬，然后再生使用。钼是体内某些生物酶的组成元素，在某些生化反应过程中起作用。钼也是植物固氮酶的组成元素，对植物的生长发育有一定影响，人体过量摄入钼时，将引起痛风、骨质多孔症等疾病。锰是体内几种氧化酶的组成元素，主要分布在肝脏，对组织细胞中的氧化还原反应过程有重大影响。同时对血液的生成、循环状态和酯类的代谢也有影响。通常认为贫血和儿童骨骼畸形与锰（）缺乏有关。锰对植物的呼吸和光合过程也有影响。过量吸入含锰化合物粉尘时，会引起肺炎和神经系统的中毒症状。铁是人体内含量最大的微量元素，与

17、宏量元素很接近。体重为50kg的人体含铁约2g。人体中6070%的铁分布在红细胞内，其余的分布在肝、脾、骨髓等处。铁（）的主要生物功能是参与组成血红蛋白。铁也是植物生长不可缺少的元素。铁缺乏时引起的主要疾病是贫血。而当铁摄入过量时又将诱发肿瘤。钴是维生素B12的组成元素。缺乏时会引起大细胞性贫血等疾病。钴也是家畜生长不可缺少的元素。镍对生物体的影响目前尚不十分清楚，但它是明确的人休必需的微量元素，当镍缺乏时，铁的吸收将受到影响。镍也是某些生物酶的激活剂。有研究表明，镍也是一各强致癌性的金属元素，镍粉和一些镍的化合物诱发呼吸系统肿瘤。铜是体内重要的微量元素。目前已知的含铜生物酶有12种，它们是许

18、多氧化还原反应的催化剂。铜（）缺乏时，不仅影响体内的许多生化反应，还会影响机体的造血功能，并引起食欲下降，心脏病等疾患。铜过量时又会导致肝、肾坏死，红细胞破裂等严重的病症。铜也是动植物生长发育不可缺少的元素。锌是人体必需的微量的元素，其含量仅次于铁。锌在体内最主要的生物功能是参与组成多种锌酶和锌激活酶。至今从生物体内分离出的锌酶已超过200种，其中对羧肽酶和碳酸酐酶的生理作用研究得最多。近年来还发现锌酶对生物遗传物质的形成有重要的控制作用。儿童缺锌会影响味觉和食欲，影响身高和体重。但体内锌过量也是十分有害的，如引起儿童顽固性贫血等。锌盐中毒时会造成头晕、呕吐、腹泻、出冷汗等症状。锌对植物生长的

19、影响同样重大。例如，锌参与植物细胞的呼吸过程，影响生长素和叶绿素的形成，影响糖类的聚积等。镉、汞对人体的毒害非常严重。镉进入人体后主要分布在肝和肾中，且排出十分缓慢，因而造成积累性镉中毒。镉对肾脏的损害最严重，它主要影响肾小管的重吸收功能，使大量的血钙经尿液排出体外，引起骨钙的大量损失，造成骨质疏松和骨软化，使中毒者产生无法忍受的骨痛感，称为“骨痛病”。另外镉中毒还会引起肾性高血压、缺铁性贫血、呼吸系统损伤等病症。镉进入人体内的主要途径是：含镉工业废水污染生活水源。汞对环境的污染主要是金属汞蒸气污染空气，无机汞（汞盐）、有机汞（烷基汞）化合物污染水源。汞蒸气吸入人体后能迅速地渗透到各组织中，并

20、以脑组织中的含量最高。故汞蒸气中毒对中枢神经系统的损害最严重。无机汞进入人体后浓集于肾脏，其次是肝、心、脑等处。它对肾脏的损害非常严重，使肾功能丧失，使血液中的代谢废物无法排出体外。有机汞主要浓集于肝、脑和肾，并产生同样的毒性反应，引起泌尿、神经、血液和消化系统的严重症状。因此，含镉、汞的工业废水必须经过严格的处理后才能排放。处理的方法有：离子交换法、电解法、沉淀法、吸附法、微生物法等。总之，所有从事与化学学科相关工作的人都应建立起强烈的环保意识。（二）常用的含金属元素药物1氧化镁氧化镁MgO为制酸药，主要用于配制内服药剂以中和过多的胃酸，常用的制剂有：镁乳Mg(OH)2乳状液；镁钙片每片含M

21、gO 0.1g，CaCO30.5g；制酸散MgO与NaHCO3混合制成的散剂等。2硫酸镁MgSO4又称为泻盐，内服作缓泻剂和十二指肠引流剂。MgSO4注射剂主要用于抗惊厥。3钙盐常用的钙盐类药物主要有：葡萄糖酸钙、磷酸氢钙、乳酸钙和氯化钙，主要用于治疗急性血钙缺乏症、防法慢性营养性钙缺乏症、抗炎、抗过敏，以及作为镁中毒时的拮抗剂。4硫酸钙含水硫酸钙CaSO42H2O的矿石称为石膏，石膏内服有清热泻火的功效。煅石膏粉末外用可治疗湿疹、烫伤、疥疮溃烂等。石膏在低于453K时煅烧，可失去部分结晶水，生成烧石膏CaSO4H2O，外科用于制成石膏绷带。5硫酸钡BaSO4为诊断用药，其性质稳定，难溶于水、

22、酸、碱或有机溶剂。BaSO4在胃肠道内无吸收，能阻止X射线通过。故BaSO4制剂常用于消化道造影。6碳酸锂Li2CO3为抗躁狂药，主要用于治疗狂郁型精神病。7碳酸氢钠碳酸氢钠NaHCO3又名小苏打或重碳酸钠，为吸收性抗酸药。内服能中和胃酸及碱化尿液，5%NaHCO3注射液用于治疗酸中毒。8三硅酸镁三硅酸镁Mg2Si3O8内服中和胃酸时能生成胶状的SiO2，对胃及十二指肠溃疡面有保护作用。9氢氧化铝氢氧化铝内服用于中和胃酸，其产物AlCl3还具有收敛和局部止血的作用： Al(OH)3+3HCl AlCl3+3H2O因此，Al(OH)3是较好的抗酸药，常用于制成氢氧化铝凝胶剂或氢氧化铝片剂，作用缓慢而持久。Al(OH)3凝胶本身就能保护溃疡面并具有吸附作用。10明矾明矾KAl(SO4)212H2O具有收敛作用，0.52%的溶液可用于洗眼或含漱。外科用煅明矾作伤口的收敛性止血剂，也可用于治疗皮炎或湿疹。明矾，中药称白矾，经煅制加工后称苦矾或枯矾、炙白矾。白矾内服有祛痰燥湿、敛肺止血的功效。外用多为枯矾，有收湿止痒和解毒的功效。11铅丹铅丹又名黄丹，主要成分为Pb3O4具有直接杀灭细