大学化学第8章元素化学与无机材料1.ppt

1,第八章 元素化学与无机材料,§8.1 单质的物理性质 §8.2 单质的化学性质 §8.3 无机化合物的物理性质 §8.4 无机化合物的化学性质,2,§8.1 单质的物理性质,在目前发现的117种元素中，单质的存在状态各异，有气态、液态和固态三种思考：单质的物理性质主要与什么因素有关？,答：单质的物理性质与它们的原子结构或晶体结构有关由于原子结构或晶体结构具有一定的规律性，因此单质的物理性质也有一定的规律性3,8.1.1 熔点、沸点和硬度,单质的熔点、沸点和硬度概述,单质的熔点、沸点和硬度一般具有相同的变化趋势，即熔点高的单质其沸点一般也高，硬度也较大第2、3周期元素的单质 从左到右，逐渐升高，第四主族的元素最高，随后降低；,第4、5、6周期元素的单质 从左到右，逐渐升高，第六副族的元素最高，随后总趋势是逐渐降低即：高熔点、高硬度单质集中在中部，其两侧较低4,1. 单质的熔点,图8.1 单质的熔点(°C),5,2. 单质的沸点,图8.2 单质的沸点(°C),6,3. 单质的硬度,图8.3 单质的硬度(莫氏),7,4. 主族元素的晶体类型,附表8.1 主族元素的晶体类型,8,5. 非金属单质的晶体结构,附图8.1 非金属单质的分子和晶体结构示意图,金属晶体,9,C60的发现,图6.5 C60结构图,1996年 Kroto, Smalley及Curl三位教授因首先发现C60而荣获瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔化学奖。

H. W. 克鲁托 Harold W. Kroto,R. E. 史沫莱 Richard E. Smalley,R. F. 柯尔 Robert F. Curl,附图8.2 发现C60的三位科学家,10,碳的同素异形体,金刚石：sp3 网格状 硬度大 石墨：sp2 片层状 润滑性、导电性 C60：类sp2 球烯 多种优异性能,附图8.3 碳的同素异形体,石墨,C60,,金刚石,11,8.1.2 导电性,单质的导电性 金属能三维导电，是电的良导体；许多非金属单质不能导电，是绝缘体；介于导体与绝缘体之间的是半导体，例如Si、 Ge等思考：单质中最好的导体是谁？,答：Ag、Cu、Au、Al等是最好的导电材料金属的纯度以及温度等因素对金属的导电性能影响相当重要12,图8.6 单质的电导率(MS·m-1),13,§8.2 单质的化学性质,单质的化学性质通常表现为氧化还原性,非金属单质的特征是化学反应中能获得电子而表现出氧化性，但不少非金属单质有时也能表现出还原性金属单质最突出的性质是它们容易失去电子而表现出还原性,14,8.2.1 金属单质的还原性,思考1：金属单质的还原性主要与哪些因素有关？,答：从结构因素考虑，主要与元素的核电荷数、原子半径和最外层电子数有关。

思考2：金属单质的还原性主要体现在哪些反应上？,金属与氧的作用,金属置换氢的能力,15,1. 金属单质活泼性规律,同一周期 在短周期中，从左到右金属单质的还原性逐渐减弱在长周期中的递变情况和短周期一致，但较为缓慢，也有例外同一族 自上而下主副族变化规律相反（ⅢB与相邻的主族一致）附图6.3 金属单质活泼性规律,16,金属与氧的作用,过氧化物和超氧化物都是固体储氧物质，它们与水反应会放出氧气，又可吸收CO2并产生O2气，所以较易制备的KO2常用于急救器或装在防毒面具中:,s区金属与空气作用生成正常的氧化物，也生成部分过氧化物(Li、Be、Mg除外) ，在纯氧气中生成过氧化物 K、Rb、Cs、Ca、Sr、Ba等在过量的氧气中燃烧可以生成超氧化物2Na2O2(s) + 2CO2(g) = 2Na2CO3(s) + O2(g) 4KO2(s) + 2H2O(g) = 3O2(g) + 4KOH(s) 4KO2(s) + 2CO2(g) = 2K2CO3 + 3O2(g),17,金属与氧的作用 （续）,p区金属元素中只有Al比较活泼，能在空气中与氧反应，但生成致密的氧化膜d区元素也比较不活泼，第四周期元素除Cu外可以与氧反应，但Cr、Zn也形成致密的氧化膜。

思考：副族元素与氧反应的活泼性递变规律同主族元素相比，有何不同？,答：同一周期：活泼性递变规律基本一致，但副族元素的变化很小，性质比较类似 同一族：主族元素随周期数增加而增加； 副族元素（除Sc副族）随周期数增加而降低18,3. 金属的溶解,s区金属与水剧烈反应，置换出水中的氢p区金属(除锑、铋外)和第四周期副族金属( 铜除外 )的电极电势比氢低，可以与盐酸和稀硫酸反应d区第五和第六周期金属的电极电势比氢高，只能与氧化性的酸(浓硫酸、浓硝酸、王水等)反应铌、钽、钌、铑、锇、铱等不能溶于王水，可以溶于浓硫酸和氢氟酸的混合酸p区金属中的铝、镓、锡、铅等可以溶解于氢氧化钠19,4. 金属的钝化,金属在空气中会自动氧化生成具有较强保护作用的氧化膜，称为金属的钝化最易产生钝化作用的有Al、Cr、Ni和Ti以及含有这些金属的合金金属的钝化必须满足两个条件：,金属所形成的氧化膜在金属表面必须是连续的，即所生成的氧化物的体积必须大于金属原有的体积氧化膜的结构致密，而且具有较高的稳定性，氧化膜与金属的热膨胀系数相差不能太大20,8.2.2 非金属单质的氧化还原性,较活泼的非金属单质如F2、O2、Cl2、Br2具有强氧化性，常用作氧化剂。

5Cl2 + I2 + 6H2O = 10Clˉ+ 2IO3ˉ+ 12H+,较不活泼的非金属单质如C、H2、Si常用做还原剂，如： C + 2H2SO4(浓) = CO2(g) + 2SO2(g) + 2H2O 3Si + 18HF + 4HNO3 = 3H2[SiF6] + 4NO(g) + 8H2O Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2(g),一些不活泼的非金属单质如稀有气体、N2等通常不与其他物质反应，常用做惰性介质保护气体21,值得注意的问题：,歧化反应 有些非金属单质既具有氧化性又具有还原性，其Cl2、Br2、I2、P4、S8等能发生岐化反应 Cl2 + H2O = HCl + HClO Cl2 + 2NaOH = NaCl + NaClO + H2O,溴和碘在氢氧化钠中倾向于生成溴酸钠和碘酸钠： Br2 + 6NaOH = 5NaBr + NaBrO3 +3H2O,次氯酸钠 次氯酸钠可以释放出原子氯，后者有极强的杀菌和漂白作用因此广泛地用作消毒液和漂白剂 次氯酸钠在工业上用作氧化剂，可以将芳酮氧化为羧酸： ArCOCH3 + NaOCl = ArCOONa +CH3Cl,22,§8.3 无机化合物的物理性质,无机化合物种类繁多， 情况比较复杂。

这里依照元素的周期性规律和物质结构，尤其是晶体结构理论为基础，讨论具有代表性的氯化物和氧化物的熔点、沸点等物理性质以及规律23,8.3.1 氯化物的熔点、沸点,氯化物是指氯与电负性比氯小的元素所组成的二元化合物氯化物概述 NaCl、KCl、BaCl2等离子型氯化物熔点较高、稳定性好的氯化物在熔融状态可用作高温介质(盐浴剂)，CaF2、NaCl、KCl等可以用作红外光谱仪的棱镜过渡型的无水氯化物如AlCl3、ZnCl2、FeCl3等可以在极性有机溶剂中溶解，常用作烷基化反应或酰基化反应的催化剂性质较稳定的无水氯化物如CaCl2等常用作干燥剂24,氯化物的熔点和沸点,氯化物的熔点和沸点大致分为三种情况： 活泼金属的氯化物如NaCl、KCl、BaCl2等是离子晶体,熔点、沸点较高,非金属的氯化物如PCl3、CCl4、SiCl4等是分子晶体，熔点、沸点都很低,位于周期表中部的金属元素的氯化物如AlCl3、FeCl3、CrCl3、ZnCl2等是过渡型氯化物,熔点、沸点介于两者之间,25,氯化物熔点,表8.2 氯化物的熔点 (单位为°C) 注1：IB~VB，IA~IVA族价态与族数相同；VIA族为四氯化物，VIB、VA族为三氯化物。

VIIB和VIII族为二氯化物 注2：Tl、Pb、Bi分别为+1、+2、+3价26,表8.3 氯化物的沸点(单位为°C) s表示升华; d表示分解；LiCl，ScCl3的数据有一个温度范围，本表取平均值27,8.3.2 氧化物的熔点、沸点和硬度,金属性强的元素的氧化物是离子型化合物，如Na2O、MgO，熔点、沸点大都较高大多数非金属氧化物是共价化合物，如CO2、N2O5，固态时是分子晶体，熔点、沸点低；SiO2则是原子晶体，熔点高，硬度大金属性弱的元素的氧化物属过渡型晶体：其中 低价偏向离子晶体或原子晶体，如Cr2O3、 Fe2O3、Al2O3 高价偏向共价型分子晶体，如V2O5、 CrO3、MoO3,原子型、离子型和某些过渡型的氧化物晶体，由于具有熔点高、硬度大、对热稳定性高的共性，工程中常可用作磨料、耐火材料及耐高温无机涂料等28,表8.5 氧化物的熔点(单位为°C),除标有*、**和VIII族的元素外，所有元素氧化物的价态与族数一致 *：Rh2O3 ；**：Au2O3; VIII族：+2价 VA族有下划线的为+3价29,§8.4 无机化合物的化学性质,本节选择科学研究和实际工程中应用较多的高锰酸钾、重铬酸钾、亚硝酸盐、过氧化氢为代表，介绍氧化还原性、介质的影响及产物的一般规律。

无机化合物的化学性质涉及范围很广现联系周期系和化学热力学，着重讨论氧化还原性和酸碱性8.4.1 氧化还原性,30,高锰酸钾 暗紫色晶体,常用强氧化剂氧化能力随介质的酸度的减弱而减弱，还原产物也不同酸性介质中是很强的氧化剂还原产物为Mn2+ MnO4–＋8H+＋5e＝Mn2+ + 4H2O EƟ(MnO4ˉ/ Mn2+)＝1.506V,在中性或弱碱性的溶液中，还原为MnO2(棕褐色沉淀)在强碱性溶液中，被还原为MnO42-（绿色）,31,重铬酸钾 橙色晶体,常用氧化剂重铬酸钾的氧化性示例： Cr2O72ˉ+ 6Fe2+ + 14H+ ＝ 2Cr3+＋6Fe3+ + 7H2O,+6价的铬可以铬酸钾的形式存在，也可以重铬酸钾的形式存在： 2CrO42ˉ(aq) + 2H+(aq) = Cr2O72ˉ(aq) + H2O (黄色) (橙色),酸性介质中以Cr2O72-形式存在, 重铬酸钾具有较强的氧化性 EƟ (Cr2O72-/Cr3+)＝1.232V,32,亚硝酸钠 无色透明晶体,一般用作氧化剂，有弱毒性、致癌作为氧化剂： 2NO2ˉ+ 2Iˉ+ 4H+ = 2NO(g) + I2 + 2H2O,作为还原剂 Cr2O72ˉ + 3NO2ˉ + 8H+ = 2Cr3+ + 3NO3ˉ + 4H2O,亚硝酸盐中氮的氧化值为+3，处于中间价态，既有氧化性又有还原性。

在酸性介质中的电极电势: EƟ(HNO2 /NO)＝0.983V EƟ (NO3ˉ/HNO2)＝0.934V,33,过氧化氢,过氧化氢中氧的氧化值为-1，既有氧化性又有还原性 H2O2 + 2Iˉ + 2H+ = I2 + 2H2O 2MnO4ˉ + 5H2O2 + 6H+ = 2Mn2+ + 5O2 + 8H2O,过氧化氢的应用 漂白剂：漂白象牙、丝、羽毛等； 消毒剂：3%的H2O2做外科消毒剂； 氧化剂：90%的H2O2做火箭燃料的氧化剂,34,8.4.2 酸碱性,氧化物及其水合物的酸碱性强弱的一般规律：,氧化物及其水合物的酸碱性 根据氧化物对酸、碱的反应不同可将氧化物分成酸性、碱性、两性和不成盐四类，氧化物的水合物可用一个简化通式R(OH)x来表示周期系各族元素最高价态的氧化物及其水合物 从左到右(同周期)：酸性增强，碱性减弱 自上而下(同族)：酸性减弱，碱性增强,同一元素形成不同价态的氧化物及其水合物 高价态的酸性比低价的态强；低价态的碱性比高价的态强35,,,,,表6.8 氧化物及水合物的酸碱性,36,图6.11 相同元素不同价态的氧化。