第十一章-元素概论

2023/12/13C.L.Liu普通化学刘春立2023/12/13C.L.Liu作业思考题：P420:5,8,10,11,12,13,15,16作业：P421:15.1,15.2,15.3,15.4,15.5,15.6,15.7,15.8,15.12,15.13,15.14,15.15,15.18,15.19,15.212023/12/13C.L.Liu第十一章元素概论Why:为什么学习化学？作为北京大学理科生，不学化学会怎样？What：化学学习什么？作为非化学专业的学生，学习什么内容？到什么程度？How：怎样学习化学？内容与方法，谁更重要？Contents?Methodology?我们学到了什么？我们学会了什么？2023/12/13C.L.Liu我们学什么？想像力比知识更重要，因为知识是有限的，而想像力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格说，想像力是科学研究中的实在因素。爱因斯坦“论科学”2023/12/13C.L.Liu我们学了什么？2023/12/13C.L.Liu我们学会了什么？2023/12/13C.L.Liu我们学会了什么？气体、溶液化学热力学化学动力学酸碱平衡沉淀溶解氧化还原、电化学原子结构分子结构晶体结构配位化合物化学元素！2023/12/13C.L.Liu元素的重要性无机物有机物生命体复杂性增强2023/12/13C.L.Liu元素与生命人体中各种元素的百分含量（%）元素百分数元素百分数元素百分数元素百分数OCHN65.018.010.03.0CaPKS2.01.00.350.25NaClMgFe0.150.150.050.004IFCoZn微量

963.60.42023/12/13C.L.Liu元素与生命必需元素{必需的宏量元素必需的微量元素C、H、O、N，９６％Ca、P、K、S、Na、Cl、Mg，3.95%必需的宏量元素:{必需的微量元素:{Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Mo、Se、I、F、V、Ni、Sn、Si、Br等，2023/12/13C.L.Liu元素与生命上述元素参与人体的各种生理作用，是人体营养不可或缺的成分，若缺少它们就会出现各种疾病。缺碘

甲状腺肿大；缺铁

贫血有毒元素{剧毒元素：Cd、Hg、Pb有毒元素：Be、Ga、In、Tl、Ge、Sn、As、Sb、Bi、Te2023/12/13C.L.Liu元素与生命人体必需的11种宏量元素全部集中在周期表的1至20元素之内。人体必需的微量元素多为过渡元素。对人体有害的元素多属于p区元素。位置不同，作用也不同！各类元素在元素周期表中的位置是人们研究元素在人体中分类的重要依据。

2023/12/13C.L.Liu元素周期表2023/12/13C.L.Liu元素周期表2023/12/13C.L.Liu11H3Li42Be1112NaMg19202122232425262728293031323334353637KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrHe5B6C7N8O9F10Ne13Al14Si15P16S17Cl18ArRb38Sr39Y40Zr41Nb42Mo43Tc44Ru45Rh46Pd47Ag48Cd49In50Sn51Sb52Te53I54Xe55Cs56Ba57La5872Hf7374WReOs77Ir78Pt79Au80Hg81Tl82Pb83Bi84Po85At86Rn87Fr88Ra89Ac104Rf105107108109BhHsMtCe59Pr60Nd61Pm62Sm63Eu64Gd65Tb66Dy67Ho68Er69Tm70Yb71Lu90Th91Pa92U93NpPu95Am96Cm97Bk98Cf99Es100Fm101Md102No103LrLanthanidesActinides106Ta947694PuSg7523465789101213141516171811Rg115118111110112114116DbDbDs113PeriodicTableoftheElements20072023/12/13C.L.Liu德国化学家Dobereiner（1817）Triad1Triad2

nameatomicmassnameatomicmassfirstelementcalcium40.1lithium6.9thirdelementbarium137.3potassium39.1

Averagemass88.３Averagemass23.0secondelementstrontium87.6sodium23.02023/12/13C.L.Liu英国化学家JohnNewlands（1863）LiBeBCNOFNaMgAlSiPSClKCaCr

？TiMn？

Fe

Co,Ni

CuZnY

？In

？AsSeBrRbSrLa,Ce

？ZrNb,Mo

Ru,Rh

Pd

2023/12/13C.L.LiuMendeleev的周期表（1869）H

LiBeBCNOF

NaMgAlSiPSCl

KCa---TiVCrMnFe,Co,NiCuZn------AsSeBrRu,Rh,PdAgCdInSnSbTeI

CsBa

2023/12/13C.L.Liu元素周期表的作用根据一些元素的性质预测其它元素的性质，根据已知元素的性质预测一些未知元素的存在和性质。1871年，Mendeleev根据当时元素周期表的规律，发现As很可能应该排布在P的下面，而不应该在Si的下面。这样，在Si的下面就空出一个位置。他根据当时元素周期表的一些特点，预测了这个空缺元素的性质。1886年发现了Ge。Ge的性质与Mendeleev预测的结果非常吻合。2023/12/13C.L.Liu元素周期表2023/12/13C.L.LiuMetals,Nonmetals,andMetalloidsY39

Zn30

In49

Tl81

Cd48

Hg80

TcBa56

Cu29

Cr24

V23

Sc21

Co27

Ni28

Ti22

Fe26

Mn25

Kr36

Br35

Se34

As33

Ge32

Ga31

Xe54

I53

Te52

Sb51

Sn50

Rn86

Po84

Bi83

Pb82

Ag47

Au79

H1

Li3

Na11

K19

Cs55

Rb37

Ca20

Mo42

Nb41

Sr38

Rh45

Pd46

Zr40

Ru44

W74

Ta73

La57Ir77

Pt78

Hf72

Os76

Re75

Ra88

Ac89Mg12

Be4

Ar18

Cl17

S16

P15

Si14

Al13

Ne10

F9

O8

N7

C6

B5

He2Te43

At85

Fr87

Sm62

Ce58

Yb70

Tm69

Er68

Ho67

Pr59

Tb65

Dy66

Nd60

Gd64

Lu71

Pm61

Eu63

U92

Pa91

Th90

Np93

Pu94

G.T.Seaborg,1945Bk97

Cf98

Es99Fm100

Md101

No102

Lr103

Berkeley,1950-1965TheActinideSeriesAm95

Cm96

©2013,H.Nitsche,UCBBerkeley&PeriodicTable23NamingElements93-116102 NOBELIUM No103 LAWRENCIUM Lr104 RUTHERFORDIUM Rf105 DUBNIUM Db106 SEABORGIUM Sg107 BOHRIUM Bh108 HASSIUM Hs109 MEINTERIUM Mt110 DARMSTADTIUM

Ds111 ROENTGENIUM Rg112 COPERNICIUM Cn113114 FLEROVIUM

Fl115116 LIVERMORIUM

Lv11711893 NEPTUNIUM Np94 PLUTONIUM Pu95 AMERICIUM Am96 CURIUM Cm97 BERKELIUM Bk98 CALIFORNIUM Cf99 EISTEINIUM Es100 FERMIUM Fm101 MENDELEVIUM Md©2013,H.Nitsche,UCBBerkeley&PeriodicTable242023/12/13C.L.LiuS区元素S区元素包括IA和IIA元素除氢外，IA元素氧化物的水化物显碱性，因此称碱金属。IIA元素中，Ca、Sr、Ba的氧化物具有碱性和土性（难溶于水、难熔融），因此称作碱土金属。2023/12/13C.L.LiuIA、IIA元素的物理性质在碱金属单质中，最外层只有一个电子参与成键，金属键较弱。因此，碱金属的熔点、沸点和升华热都较低。Cs的熔点最低，28.5０C，是熔点仅次于Hg的低熔点金属。由于原子半径较大，碱金属具有较小的硬度和密度。从上到下，金属键逐渐减弱，熔、沸点逐渐降低、硬度逐渐减弱。Cs是最软的金属；Li的密度最小，只有0.5gcm-3，比煤油还轻。2023/12/13C.L.LiuIA、IIA元素的物理性质与碱金属比较，IIA元素最外层有２个电子参与成键，金属键要强得多。因此，熔点、沸点比碱金属高、硬度、密度比碱金属大。碱土金属中，密度最大的是Ba，最小的是Ca；硬度最大的是Be。碱金属和碱土金属均属于密度小于５的轻金属。Ca、Sr、Ba都可用小刀切开。2023/12/13C.L.LiuIA、IIA元素的物理性质Li及其化合物可用作高能燃料、高能电池。Na及其液氨溶液，是无机和有机合成中的还原剂。Cs具有最低的电离能，可用来制造光电管Be、Mg主要用于制造轻质合金，是宇航、航空工业的重要材料。IA、IIA元素都具有良好的传热、导电性能。都是很强的还原剂。2023/12/13C.L.LiuIA、IIA元素的化学性质2023/12/13C.L.LiuIA、IIA元素的化学性质IA、IIA元素具有活泼的化学性质，与氧、卤素等非金属、水、稀酸都可发生化学反应。与氧的反应：碱金属在空气中燃烧时，只有Li生成正常氧化物Li2O（白色），其余都生成过氧化物M2O2。Na2O2（淡黄色）K2O2（白色）。在高温及过量氧条件下，生成超氧化物MO2：KO2(橙黄色）。在一定条件下还可得到臭氧化物，KO3（橙红色)。2023/12/13C.L.Liu化学反应过氧化物、超氧化物、臭氧化物都不稳定。当升高温度、遇水、遇二氧化碳时都会分解或发生反应，释放出氧气：经常在深井作业、潜水作业、宇航、战地医院中用作供氧剂。2023/12/13C.L.Liu化学反应Na2O2+2H2O=2NaOH+H2O2

H2O2=H2O+O2

2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2

2KO2+2H2O=2KOH+H2O2+O2

4KO2+2CO2=2K2CO3+3O2

2023/12/13C.L.Liu化学反应欲制备碱金属的氧化物须采用间接办法，如用金属Na还原Na2O2：Na2O2+Na=2Na2O2KNO3+10K=6K2O+N2碱土金属在室温及加热情况下可与氧直接化合生成氧化物。MO：MgO、BaO等在加压和高温条件下，SrO、BaO与氧作用生成过氧化物。2023/12/13C.L.Liu与氢的反应碱金属、碱土金属在高温下能直接与氢反应，生成离子型氢化物：如KH、NaH、CaH2。氢化物不稳定，其中的H-离子与水反应生成H2：NaH+H2O=NaOH+H2

CaH2+2H2O=Ca(OH)2+2H2

标准状况下，1kgCaH2与水反应可生成1070dm3的H2，因此CaH2也称生氢剂。2023/12/13C.L.Liu与水的反应除Li外，碱金属都能与水发生剧烈反应，同时放出大量热Li本是很活泼的金属，但是由于Li与H2O反应的生成物LiOH的溶解度较小，覆盖在Li表面，阻止了反应的进一步进行。Na与H2O反应放出的热可使Na熔化，K与H2O反应能燃烧，Rb、Cs与H2O反应能发生爆炸碱金属必须保存在无水的煤油中！2023/12/13C.L.Liu与水的反应碱土金属与水的反应不如碱金属剧烈。Ca、Sr、Ba可与冷水发生反应；由于生成难溶的Be(OH)2、Mg(OH)2,Be、Mg与冷水几乎不发生反应。金属与水的反应活性由什么决定？2023/12/13C.L.Liu金属的离子化倾向2023/12/13C.L.Liu金属的离子化倾向M(s)+H2O=Mn+(aq)+ne离子化倾向是一个复杂过程：2023/12/13C.L.Liu金属的离子化倾向2023/12/13C.L.Liu金属的离子化倾向对于总反应：对于反应：有以下Born-Haber循环：2023/12/13C.L.Liu金属的离子化倾向M(g)Mn+(g)nH+(g)nH(g)Born-Haber循环2023/12/13C.L.Liu金属的离子化倾向上述循环的Gibbs自由能变为：

根据定义：恒温、恒压条件下，体系自由能的减少等于体系所做的最大非体积功，有：可以求算反应的电池电动势以及电对Mn+/M的标准电极电势2023/12/13C.L.Liu金属的离子化倾向碱金属的电极电势kJ

mol-1LiNaKRbCs128.0523.0-510.5140.5431.7-3.0277.8497.9-410.0165.7431.7-2.7661.1418.4-336.0143.5431.7-2.9954.0404.6-314.6144431.7-2.9851.1377.4-282.4146.1431.7-2.962023/12/13C.L.Liu氢氧化物2023/12/13C.L.Liu氢氧化物碱金属、碱土金属的氢氧化物中，Be(OH)2为两性，Mg(OH)2为中强碱，其余均为强碱。从结构上看，任何一种碱或含氧酸，都是元素和氢氧的化合物，可表示为：M-O-HM-O-H有两种电离方式：M-O-HMO-+H+

酸式电离M-O-HM++OH-

碱式电离电离的方式可近似用中心离子的离子势来判断。2023/12/13C.L.Liu氢氧化物Z:中心离子的电荷；r中心离子的半径（pm)较大时，M-O之间的作用力大于O-H之间的作用力，按酸式电离；较小时，M-O之间的作用力小于O-H之间的作用力，按碱式电离；碱金属、碱土金属从上到下，离子半径逐渐增大，值逐渐减小，因此碱性逐渐增强。

2023/12/13C.L.Liu氢氧化物酸碱性的近似判断标准：碱性酸性两性Li：

Z=1,r=60pm=Z/r=0.0172023/12/13C.L.Liu氢氧化物碱金属、碱土金属的离子势及碱性Li+Na+K+Rb+Cs+碱性0.13强碱0.10强碱0.087强碱0.082强碱0.077强碱Be2+Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+碱性0.25两性0.18中强碱0.14碱性0.13碱性0.12碱性2023/12/13C.L.Liu氢氧化物碱金属、碱土金属氢氧化物的溶解度(200C)LiOHNaOHKOHRbOHCsOHmol

dm-35.326.419.117.925.8Be(OH)2Mg(OH)2Ca(OH)2Sr(OH)2Ba(OH)2mol

dm-30.810-70.510-41.810-26.710-20.210-1？2023/12/13C.L.Liu盐类的溶解性2023/12/13C.L.Liu盐类的溶解性碱金属、碱土金属常见的盐类中，除少数Li、Be、Mg盐具有共价性外，其余盐类主要是离子型化合物。碱金属的盐大多数易溶于水。少数属于微溶盐：LiF、Li2CO3、Li3PO4;Na[Sb(OH)6](锑酸钠）、NaZn(UO2)(Ac)6(醋酸铀酰锌钠）；KHC4H4O6（酒石酸氢钾）、KClO4（高氯酸钾）、KB(C6H5)4(四笨硼酸钾）、K2PtCl6（六氯合铂(IV)酸钾）2023/12/13C.L.Liu盐类的溶解性多数AB2型碱土金属盐是易溶的：BaCl2、Ca(NO3)2等。多数AB型碱土金属盐是难溶的：MgCO3、CaSO4、BaCrO4。COOO2-Ba2+2023/12/13C.L.Liu盐类的溶解性Ksp

fGm

/kJ/mol

fGm

/kJ/mol

fGm

/kJ/molMgCO3/6.810-6-1170.6Mg2+(aq)-454.8CO32-(aq)-527.8CaCO3/3.410-9-1322.0Ca2+(aq)-553.6CO32-(aq)-527.8SrCO3/5.610-10BaCO3/2.610-9-1362.2Ba2+(aq)-560.8CO32-(aq)-527.8原子半径/pmMg/160Ca/197Sr/215Ba/2172023/12/13C.L.Liu盐类的溶解性

fGm

/kJ/mol

fGm

/kJ/mol

fGm

/kJ/molMgSO4-1170.6Mg2+(aq)-454.8SO42-(aq)-744.5CaSO4/4.910-5-1322.0Ca2+(aq)-553.6SO42-(aq)-744.5SrSO4/3.410-7BaSO4/1.110-10-1362.2Ba2+(aq)-560.8SO42-(aq)-744.5原子半径/pmMg/160Ca/197Sr/215Ba/2172023/12/13C.L.Liu盐类的溶解性一般来讲，酸式盐的溶解度大于正盐的溶解度。如CaCO3难溶，而Ca(HCO3)2易溶。而Na2CO3的溶解度大于NaHCO3的溶解度的原因是HCO3-以氢键相连形成双聚离子，降低了溶液中HCO3-的浓度。COHOOOHCOO2-NaHCO3俗称小苏打，Na2CO3俗称纯碱2023/12/13C.L.Liu盐类的水解2023/12/13C.L.Liu盐类的水解IA、IIA元素阳离子水解倾向较小，只有Li+、Be2+、Mg2+有弱水解倾向。LiCl

H2O,MgCl2

6H2O晶体受热时，随分解反应的进行而发生水解：2023/12/13C.L.Liu盐类的水解因此，不能用加热脱水的办法制备上述金属的无水盐。若想得到这些金属的无水盐，需要在HCl气氛下或与NH4Cl混合加热。2023/12/13C.L.Liu热稳定性2023/12/13C.L.Liu热稳定性碱金属、碱土金属的含氧酸盐的热稳定性比较高。碱金属的热稳定性比碱土金属高。同一族元素，由上而下，分解温度逐渐升高。

BeCO3MgCO3CaCO3SrCO3BaCO3分解温度/0C2554090012901360碱金属碳酸盐的分解温度高于同一周期碱土金属碳酸盐的分解温度。2023/12/13C.L.Liu盐类的分解温度COOO2-Ba2+2023/12/13C.L.Liu重要盐及其用途

MgSO4H2O俗称泻药，也可用作镇静药CaSO42H2O是生石膏，加热(1200C）生成熟石膏CaSO40.5H2O

CaSO40.5H2O和少量水结合逐渐硬化并膨胀。因此熟石膏用于外科造型、固定骨骼等。2023/12/13C.L.Liu重要盐及其用途

BaSO4称作重晶石，能强烈吸收X射线，医疗上用作钡餐来检查胃溃疡等肠胃疾病。Na2SO410H2O称芒硝，医疗上用作缓泄剂。MgCl26H2O能使蛋白质凝固，盐卤中含有40~50%的MgCl2，误饮会引起中毒CaCl2能使血液凝固，用于防止外伤出血。

2023/12/13C.L.LiuNa+、K+、Ca2＋、Mg2+的生物学效应生物体内的K+、Na+平衡Na+、K+盐在调节人体酸碱平衡和渗透压方面起着至关重要的作用。在包括人体细胞在内的所有动物细胞中，细胞膜内外Na+、K+的浓度有很大差别：在神经细胞和肌肉细胞中：2023/12/13C.L.LiuCa2+、Mg2+在生物体内的作用人的牙齿和骨骼的主要成之一是Ca。牙釉质的主要成分是羟基磷灰石Ca10(OH)2(PO4)6;血液中Ca2+含量过高，造成神经传导和肌肉反应的减弱；过少会造成超应激性——一声咳嗽可能引起打颤、痉挛。Mg2+广泛存在于叶绿素中，与卟啉形成的配合物是植物光合作用的核心。2023/12/13C.L.LiuRisthegasconstantR=8.31J

mol-1

K-1R=8.31kPa

dm3mol-1

K-1R=0.0831bardm3mol-1

K-1R