无机及分析化学第十一章课件.ppt

1、第十一章 元素化学,（Chemistry of Element） 11.1 元素概述 11.2 s区元素 11.3 p区元素 11.4 d区元素 11.5 ds区元素,学习要求,1.了解元素的分布及其分类 2熟悉重要元素及其化合物的性质 3掌握s区、p区、d区、ds区元素性质 的一般规律 4了解元素化学的一些新进展,元素化学是研究元素所组成的单质和化合物的制备、性质及其变化规律的一门学科，它是各门化学学科的基础。元素及其化合物性质对工农业生产及人类生活产生着巨大的影响义。本章仅对各区元素的性质作一概述，并对一些重要元素及其化合物作简单介绍。,11.1 元素概述,11.1.1 元素分布 迄今为止

2、，人类已经发现的元素和人工合成的元素共112种，其中地球上天然存在的元素有92种。元素在地壳中的含量称为丰度，常用质量分数来表示。 地壳包括岩石圈、水圈、大气圈，约占地球总重量的0.7%。地壳中含量居前十位元素见表11-1。,表11-1 地壳中主要元素的质量百分数 由表可知，这10种元素占了地壳总质量的99.2%。而且轻元素含量较高，重元素含量较低。,海洋是元素资源的巨大宝库，人类一直在探索、开发海洋资源。表11-2列出海水中含量较大的前7种元素（不包括H、O） 表11-2 海水中元素含量（未计水和溶解气体量）,大气也是元素的重要自然资源，世界上向大气索取的O2、N2、稀有气体等物资，每年数以

3、万吨计。 表11-3 大气的主要成份（未计入水蒸气的量),11.1.2.元素分类,根据研究目的的不同，元素的分类常见的有三种： 1金属与非金属 根据元素的性质进行分类，分为金属与非金属。 在元素周期表中，以BSiAsTeAt和AlGeSbPo两条对角线为界，处于对角线左下方元素的单质均为金属，包括s区、ds区、d区、f区及部分p区元素；处于对角线右上方元素的单质为非金属，仅为p区的部分元素；处于对角线上的元素称为准金属，其性质介于金属和非金属之间，大多数的准金属可作半导体。,2普通元素和稀有元素 根据元素在自然界中的分布及应用情况，将元素分为普通元素和稀有元素。稀有元素一般指在自然界中含量少，

4、或被人们发现的较晚，或对它们研究的较少，或提炼它们比较困难，以致在工业上应用也较晚的元素。前四周期（Li，Be，稀有气体除外），ds区元素为普通元素，其余为稀有元素。 通常稀有元素也可继续分为：轻稀有金属、高熔点稀有金属、分散稀有元素、稀有气体、稀土金属、放射性稀有元素等。,3生命元素与非生命元素 根据元素的生物效应不同，又分为有生物活性的生命元素和非生命元素。 生命元素又可根据在人体中的含量及作用再进行细分，可分为人体必需元素（essential elements）（包括宏量元素和微量元素）和有毒元素（toxic elements）。,11.2 s区元素,11.2.1 s区元素的通性 s区元

5、素位于元素周期表中的IA族和IIA族，分别称为碱金属和碱土金属。IA族除H外，有Li，Na，K，Rb，Cs，Fr共6个元素；IIA族有Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Ra共6个元素。其中Fr和Ra为放射性元素。,1电子构型,S区元素（除H外）的价电子构型分别为ns1，ns2。在同周期中，它们具有较小的离子能、较大的原子半径，易失去外层电子，表现出金属性，其稳定氧化值为+1（IA）和+2（IIA）。他们的化合物除Li，Be外均为离子型化合物。,2物理性质,s区元素（除H外）的单质均为金属，具有金属光泽。他们的金属键较弱，因此，具有熔点低、硬度小、密度小等特点。另外，s区元素还具有良好的导电性能和传

6、热性质。,3化学性,s区元素（除H外）的电负性和电离能均较小，表现出典型的金属性。在同周期中，它们是最活泼的金属，在同族中，其金属活泼性从上到下依次增大，即还原性依次增强。它们可以与氧、卤素、氢、水和酸等多种物质发生反应，在反应中，它们均是强还原剂。,碱金属与具有相同电子层的碱土金属相比，碱金属的核电荷少，原子半径大，原子核吸引外层电子的能力弱，最外层电子更易失去，即碱金属的还原性比碱土金属的还原性强。,11.3 p区元素11.3.1 p区元素的通性,p区元素包括A至VA六个主族，目前共有31个元素，是元素周期表中唯一包含金属和非金属的一个区。因此，该区元素具有十分丰富的性质。,1电子构型,p

7、区元素价电子构型为ns2np16，在同周期元素中，由于p轨道上电子数的不同而呈现出明显不同的性质，如13号元素铝是金属，而16号元素硫却是典型的非金属。在同一族元素中，原子半径从上到下逐渐增大，而有效核电荷只是略有增加。因此，金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。,2物理性质,p区元素由于其电子构型的特殊性，因而既包含有金属固体、非金属固体，也有非金属液体及非金属气体（双原子分子）。因此，它们的物理性质差异很大。一般地，同周期元素中，熔、沸点从左到右逐渐减小，同族元素中，熔、沸点从上到下逐渐增大。,3化学性质,p区元素的电负性较s区元素的大，所以，p区元素在许多化合物中常以共价键结合。 p区元素大

8、多具有多种氧化值，其最高正氧化值等于其最外层电子数（即族数）。除此之外，还可显示可变氧化值，且正氧化值彼此之间的差值为2，例如，硫原子的正氧化值分别为+2、+4、+6等。,p区非金属元素（除稀有气体外），在单质状态以非极性共价键结合。当非金属元素的原子半径较小，成单价电子数较小时，可形成独立的少原子分子，如Cl2、O2、N2等；而当非金属元素的原子半径较大，成键电子较多时，则形成多原子的巨形分子，如C、Si、B等。 金属元素由于其电负性相对s区元素要大，所以其金属性比碱金属和碱土金属要弱。某些元素甚至表现出两性。如Si、Al等。,一般地硝酸愈稀，金属愈活泼，硝酸被还原的程度愈大。如： Cu+4

9、HNO3（浓）=Cu（NO3）2+2NO2+2H2O Mg+4HNO3（浓）=Mg（NO3）2+2NO2+2H2O 3Cu+8HNO3（稀）=3Cu（NO3）2+2NO+4H2O 4Mg+10HNO3（稀）=4Mg（NO3）2+N2O+5H2O 4Mg+10HNO3（极稀）=4Mg（NO3）2+NH4NO3+3H2O,硝酸的反应：,Na2S2O3具有还原性，是中等强度的还原剂，例如： Na2S2O3+4Cl2+5H2O=Na2SO4+H2SO4+8HCl 2Na2S2O3+I2=2Na2I+Na2S4O6 因此，Na2S2O3在纺织、造纸等工业中用作除氯剂；在分析化学中用来测定碘含量。,硫代硫

10、酸钠,11.4 d区元素 11.4.1 d区元素的通性,d区元素包括IIIBVIIIB族所有元素，又称过渡系列元素，四、五、六周期分别称为第一、第二、第三过渡系列。,1电子构型,d区元素的价电子构型一般为(n-1)18ns12，与其它四区元素相比，其最大特点是具有未充满的d轨道（Pd除外）。由于(n-1)d轨道和ns轨道的能量相近，d电子可部分或全部参与化学反应。而其最外层只有12个电子，较易失去，因此，d区元素均为金属元素。,2物理性质,由于d区元素中的d电子可参与成键，单质的金属键很强，其金属单质一般质地坚硬，色泽光亮，是电和热的良导体，其密度、硬度、熔点、沸点一般较高。在所有元素中，铬的

11、硬度最大（9），钨的熔点最高（3407），锇的密度最大（22.61gcm-3），铼的沸点最高（5687）。,3化学性质,d区元素因其特殊的电子构型，从而表现出以下几方面特性： 可变的氧化值 由于(n-1)d、ns轨道能量相近，不仅ns电子可作为价电子，(n-1)d电子也可部分或全部作为价电子，因此，该区元素常具有多种氧化值，一般从+2变到和元素所在族数相同的最高氧化值。,较强的配位性 由于d区元素的原子或离子具有未充满的(n-1)d轨道及ns、np空轨道，并且有较大的有效核电荷；同时其原子或离子的半径又较主族元素为小，因此它们不仅具有接受电子对的空轨道，同时还具有较强的吸引配位体的能力。因而它

12、们有很强的形成配合物的倾向。例如，它们易形成氨配合物、氰基配合物、草酸基配合物等，除此之外，多数元素的中性原子能形成羰基配合物，如Fe(CO)5、Ni(CO)4等，这是该区元素的一大特性。,离子的颜色 d区元素的许多水合离子、配离子常呈现颜色，这主要是由于电子发生dd跃近所致。具有d、d10构型的离子，不可能发生dd跃迁，因而是无色的，而具有其它d电子构型的离子一般具有一定的颜色。,2重铬酸钾,重铬酸钾是铬的重要盐类，为橙红色晶体，俗称红钾矾。重铬酸钾不含结晶水，低温时溶解度小，易提纯，所以常用作定量分析中的基准物质。 重铬酸钾在酸性溶液中有强氧化性，是分析化学中常用的氧化剂之一，如： Cr2

13、O72-+6Fe2+14H+=2Cr3+5Fe3+7H2O Cr2O72-+6I-+14H+=2Cr3+3I2+7H2O,3高锰酸钾,高锰酸钾为紫黑色固体，易溶于水，呈现MnO4-离子的特征颜色即紫红色。受热或见光易分解： 2KMnO4 =K2MnO4+MnO2+O2 因此KMnO4固体或配好的KMnO4溶液应保存在棕色瓶中，置阴凉处。,高锰酸钾具有氧化性，其氧化能力随介质的酸碱性减弱而减弱，其还原产物也因介质的酸碱性不同而变化，如KMnO4与Na2SO3的反应： 2MnO4-+5SO32-+16H+=2Mn2+5SO42-+8H2O（酸性介质） 2MnO4-+3SO32-+H2O=2MnO2

14、+SO42-+2OH-（中性介质） 2MnO4-+SO32-+2OH-=2MnO42+SO42-+H2O（强碱性介质）,高锰酸钾的氧化性广泛应用于分析化学中的定量分析，如Fe2+、C2O42、H2O2、SO32-等： MnO4-+8H+5Fe2+=Mn2+5Fe3+4H2O 2MnO4-+6H+5H2O2=2Mn2+5O2+8H2O 高锰酸钾在化学工业中用于生产维生素C、糖精等，在轻化工业用作纤维、油脂的漂白和脱色，医疗上用作杀菌消毒剂和防腐剂。在日常生活中可用于饮食用具、器皿、蔬菜、水果等消毒。,11.5 ds区元素11.5.1 ds区元素的通性,ds区元素包括IB、IIB二族元素，主要指铜

15、族（Cu、Ag、Au）和锌族（Zn、Cd、Hg）六种元素，该区元素处于d区和p区之间，其性质有其独特之处。,1电子构型,ds区元素的价电子构型为（n-1）d10ns12，其最外层电子构型与s区相同，但是它们的次外层电子数却不同。s区元素只有最外层是价电子，原子半径较大；而ds区元素的最外层s电子和次外层部分的d电子都是价电子，np，nd有空的价电子轨道，原子半径较小。,2物理性质,ds区元素都具有特征的颜色，铜呈紫色，银呈白色，金呈黄色，锌呈微蓝色，镉和汞呈白色。 由于（n-1）d轨道是全充满的稳定状态，不参与成键，单质内金属键比较弱，因此，与d区元素比较，ds区元素有相对较低的熔、沸点。这种

16、性质锌族尤为突出，汞（Hg）是常温下唯一的液态金属，气态汞是单原子分子。,另外，ds区元素大多具有高的延展性、导热性和导电性。金是一切金属中延展性最好的，如1克金既能拉成长3Km的丝，也能压成1.010-4mm厚的金箔；而银在所有金属中具最好的导电性（铜次之）、导热性和最低的接触电阻。,3化学性质,铜族元素的原子半径小，ns1电子的活泼性远小于碱金属的ns1电子，因此具有极大的稳定性，且单质的稳定性以Cu、Ag、Au的顺序增大。铜族元素具有多种氧化值，即它们失去ns电子后，还能继续失去（n1）d电子，如Cu2+,Au3+等。,铜在干燥的空气中很稳定，有CO2及潮湿的空气时，则在表面生成绿色碱式

17、碳酸铜（俗称“铜绿”）；高温时，铜能与氧、硫、卤素直接化合。铜不溶于非氧化性稀酸，但能与HNO3及热的浓H2SO4作用。,银在空气中稳定，但银与含硫化氢的空气接触时，表面因生成一层Ag2S而发暗，这是银币和银首饰变暗的原因。 金是铜族元素中最稳定的，在常温下它几乎不与任何其它物质反应，只有强氧化性的“王水”才能溶解它。因此，金是最好的金属货币。,锌族元素的性质既不同于铜族元素又不同于碱土金属。 锌族元素的氧化值一般为+2，只有汞有+1氧化值的化合物，但以双聚离子Hg22+形式存在，如Hg2Cl2。锌族元素的化学活泼性比碱土金属要低得多，依Zn、Cd、Hg顺序依次降低。,锌与铝相似，具有两性，既

18、可溶于酸，也可溶于碱中。在潮湿的空气中，锌表面易生成一层致密的碱式碳酸锌而起保护作用。锌还可与氧、硫、卤素等在加热时直接化合。,汞俗称水银，常温下很稳定，加热至300时才能与氧作用，生成红色的HgO。汞与硫在常温下混合研磨可生成无毒的HgS。汞还可与卤素在加热时直接化合成卤化汞。汞不溶于盐酸或稀硫酸，但能溶于热的浓硫酸和硝酸中。汞还能溶解多种金属，如金、银、锡、钠、钾等形成汞的合金，叫汞齐，如钠汞齐、锡汞齐等。,必须指出，无论是铜族元素还是锌族元素，它们都能与卤素离子，氰根等形成稳定程度不同的配离子，其配位数通常是4或2。,氯化汞和氯化亚汞,氯化汞为针状晶体，可溶于水，有剧毒。氯化汞为共价型分子，熔融时不导电，它的熔点很低（549K）易升华，故俗称升