金屬及非金屬元素

關(guān)于金屬及非金屬元素第1頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三一、金屬元素在周期表中的位置和金屬的分類輕金屬貴金屬低熔金屬黑色金屬稀有金屬重金屬第2頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三1、熱還原法——鐵、銅、錫、鈷等，可用碳、氫氣、活潑金屬作還原劑，還原氧化物獲得。2、熱分解法——鈦、鋯、鉿、釩、鉻等金屬，都可從它們的碘化物熱分解得到。3、電解——最強(qiáng)的還原手段。鋁及活潑金屬常用此法。二、金屬的提煉第3頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三

物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)

它們都有金屬光澤，密度小，硬度小，熔點(diǎn)低，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好的特點(diǎn).LiNaKRbCsBeMgCaSrBa第4頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三●熔、沸點(diǎn)高，硬度、密度大的金屬大都集中在這一區(qū)●不少元素形成有顏色的化合物●許多元素形成多種氧化態(tài)從而導(dǎo)致豐富的氧化還原行為●形成配合物的能力比較強(qiáng)，包括形成經(jīng)典的維爾納配合物和金屬有機(jī)配合物●參與工業(yè)催化過(guò)程和酶催化過(guò)程的能力強(qiáng)d

區(qū)元素顯示出許多區(qū)別于主族元素的性質(zhì)：三、過(guò)渡金屬通性(Generalsurvey)

d區(qū)元素所有這些特征不同程度上與價(jià)層d電子的存在有關(guān)，因而有人將d區(qū)元素的化學(xué)歸結(jié)為d電子的化學(xué).第5頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三金屬單質(zhì)的物理性質(zhì)●硬度大

硬度最大的金屬：鉻(Cr)摩氏9.0 ●導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性，延展性好●熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高熔點(diǎn)最高的單質(zhì)：鎢(W)3683±20℃●密度大密度最大的單質(zhì)：鋨(Os)22.48g·cm-3第6頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三無(wú)機(jī)化合物生色機(jī)理—d-d

躍遷

顏色的互補(bǔ)青紅黃橙綠紫青藍(lán)藍(lán)白光第7頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三

同周期元素族氧化態(tài)穩(wěn)定性變化趨勢(shì)

多種氧化態(tài)第8頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三

過(guò)渡金屬與工業(yè)催化某些重要的無(wú)機(jī)和金屬有機(jī)工業(yè)過(guò)程中的d

區(qū)金屬催化劑多相催化生產(chǎn)硫酸合成氨制造硝酸氯堿工業(yè)合成氣制汽油均相催化氫甲酰化生產(chǎn)正構(gòu)醛乙烯氧化制乙醛甲醇羰基化制乙酸合成氣制乙酐2SO2+O2=2SO3N2+3H2=2NH34NH3+5O2=4NO+6H2O2NaCl+2H2O=Cl2+2NaOH+H2CO+H2

烷烴混合物RCH=CH2+CO+H2=RCH2CH2CHOH2C=CH2+(1/2)O2=CH3CHOCH3OH+CO=CH3COOHCO+H2

乙酐V2O5

Fe3O4PtRh(90:10)合金或PtRhPd(90:5:5)合金RuO2陽(yáng)極(電解)Fe催化劑Co(+1)或Rh(+1)羰基化合物Pd(+2)和Cu(+2)[RhI2(CO)2]-[RhI2(CO)2]-工業(yè)過(guò)程被催化的反應(yīng)催化劑第9頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三四、各類的用途1．堿金屬和堿土金屬（s區(qū)金屬）:是化學(xué)活潑性最大的金屬，是極好的還原劑、脫鹵劑。鈉汞齊、金屬鎂在有機(jī)合成中有著重要的用途。有些金屬，如銫，經(jīng)過(guò)照射后會(huì)產(chǎn)生電流，即能產(chǎn)生光電效應(yīng)。因而銫、鉀、銣常被用作光電材料,制成的光電管在科學(xué)技術(shù)上有重要的應(yīng)用。2．S區(qū)金屬及鋁屬于輕金屬：是制造輕質(zhì)合金的重要原料。鈹、鎂、鋁適于制造輕質(zhì)合金，其余金屬單質(zhì)都比較軟而且太活潑。鎂合金、鋁合金和鈹合金密度小而強(qiáng)度大，是重要的輕型結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于宇宙飛船、航空、汽車、機(jī)械工業(yè)方面。3．堿金屬及P區(qū)金屬單質(zhì)：大多數(shù)熔點(diǎn)低，是制造低熔合金的重要原料，通常用于制造低熔合金的主要為錫、鉛、鉍等。其中鉍是許多重要的低熔合金的主要成分。第10頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三4．分布于周期表中金屬與非金屬交界區(qū)的一些金屬元素，是典型的半導(dǎo)體材料：如鎵、銦、鍺等，大量用于制造各類半導(dǎo)體器件及電子元件。上世紀(jì)七十年代，一些IIIA－VA、IIB－VIA族化合物，如CdSe、GaAs等也被發(fā)現(xiàn)又半導(dǎo)體性質(zhì)。此外，含有這些元素的某些合金，是具有實(shí)用價(jià)值的超導(dǎo)材料，如Nb3Ge(Te:23.3k)、Nb3Sm(Te:18.3k)、V3Ga(Te:15.4k)。5．銀、銅、金、鋁是所有金屬中導(dǎo)電性最好的。銀和金的化學(xué)穩(wěn)定性高，但價(jià)格貴，通常在要求較高的場(chǎng)合用作導(dǎo)電元部件，而銅和鋁（尤其是鋁、質(zhì)輕價(jià)廉）則廣泛用于電器工業(yè)，制造各種導(dǎo)線、電纜、電極及導(dǎo)電元部件。6．金、銀、銅自古以來(lái)就是制造貨幣的主要材料：直至今天仍是一些國(guó)家造幣合金的成份。此外制造各種飾物，器皿以及精美的工藝品、收藏品也是金和銀的一個(gè)重要用途。第11頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三7．鐵是所有金屬中用途最廣、用量最大的一種金屬，從遠(yuǎn)古鐵器時(shí)代起，鐵就是制造生產(chǎn)工具、生活用具和武器的基本材料。今天，鐵仍是各種不同性能的鋼材的基本成分。鐵、鈷、鎳有順磁性，它們是許多磁性材料的主要成分。

8．鉑系金屬有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，且耐高溫?；瘜W(xué)工業(yè)中用它們制造特殊用途的反應(yīng)器皿、蒸發(fā)皿、坩堝。鉑、釕、銠、鈀也是制造耐腐蝕電極及熱電偶的重要材料。鉑銥合金用于制造標(biāo)準(zhǔn)度量衡的校準(zhǔn)器，鋨銥合金還用于制造指南針的主要零件及自來(lái)水筆等。大多數(shù)鉑系金屬能吸收氣體，尤其是氫氣，其中鈀吸收氫氣的功能特別強(qiáng)。9．高熔金屬鎢和鉻還是用作金屬陶瓷的重要原料。是一種很有用的新型結(jié)構(gòu)材料。此外，鎢、鉬等高熔金屬還常被用作電子儀器中的熱電子發(fā)射（陰極）材料，10.稀土金屬：微量稀土金屬可大大改善甚至根本改變合金的性質(zhì)，被稱為冶金工業(yè)的維生素，是重要的合金成分。在玻璃、陶瓷工業(yè)中，稀土元素常作為添加劑。此外，由于具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)，稀土金屬還廣泛應(yīng)用于制造磁性材料、發(fā)光材料和原子能材料等方面。第12頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三

第七章

單質(zhì)及無(wú)機(jī)化合物本節(jié)要點(diǎn)非金屬元素概論氯化物的水解氧化物的硬度（熔點(diǎn)）、酸堿性硫化物的溶解度碳酸鹽的熱穩(wěn)定性與離子極化硝酸鹽的熱分解硅酸鹽的結(jié)構(gòu)、水泥的主要成分第二節(jié)：非金屬元素及其化合物第13頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三已發(fā)現(xiàn)的非金屬元素共16種，位于周期表的右上角。非金屬元素的價(jià)電子結(jié)構(gòu)：ns2np1~5(位于p區(qū)）在化合物中常表現(xiàn)負(fù)價(jià)，容易形成單原子負(fù)離子或多原子負(fù)離子，如：Cl-,O2-,NO3-等一、非金屬元素概論第14頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三納米半導(dǎo)體材料太陽(yáng)電池材料光子帶隙材料硅單晶材料分子篩碳-碳復(fù)合材料高能燃料人造金剛石第15頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三

富勒烯中以C60最穩(wěn)定，其籠狀結(jié)構(gòu)酷似足球，相當(dāng)于一個(gè)由二十面體截頂而得的三十二面體.32個(gè)面中包括12個(gè)五邊形面和20個(gè)六邊形面，每個(gè)五邊形均與5個(gè)六邊形共邊，而六邊形則將12個(gè)五邊形彼此隔開(kāi).C60分子中每個(gè)C原子成鍵與石墨相似.碳的同素異形體第16頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三

氯化物的水解，主要是與Cl-共存的正離子與水的作用。氯化物的水解主要分為四種類型：（1）活潑金屬如鉀、鈉、鋇的氯化物，在水中只發(fā)生電離，并不發(fā)生水解：

KCl=K++Cl-(2)+2價(jià)的金屬離子如鎂、鋅等，發(fā)生不完全水解，生成堿式鹽：

MgCl2+H2O=Mg(OH)Cl+HCl

(3)+3價(jià)的金屬離子如鐵、鋁等，發(fā)生完全水解，生成氫氧化物：

FeCl3+3H2O=Fe(OH)3+3HCl(4)硅、磷等非金屬元素的氧化物，發(fā)生強(qiáng)烈水解，生成兩種酸：

SiCl4+3H2O=H2SiO3+4HCl二、氯化物的水解第17頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三水解作用的強(qiáng)弱可用極化理論解釋：HHORx+HO-HHORx+HHOHO-Rx+HO-HO-Rx+O2

-+H++2H++3H+水分子發(fā)生取向，生成水合離子氫氧鍵斷裂，生成堿式鹽和酸再斷裂，生成氫氧化物和酸再斷裂，生成兩種酸正離子極化能力增強(qiáng)、氯化物水解程度增大水解后溶液的酸性增強(qiáng)第18頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三第19頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三（2）氧化物的酸堿性根據(jù)氧化物對(duì)酸、堿、水的反應(yīng)不同，可將氧化物分為四類：

酸性氧化物：非金屬氧化物，以及高價(jià)的金屬氧化物；

堿性氧化物：堿金屬、以及堿土金屬（BeO除外）氧化物；

兩性氧化物：主要是鋁、錫、鉛的氧化物。

不成鹽氧化物：CO、NO等，它們與酸、堿、水都不起反應(yīng)。（3）氧化物及其水合物酸堿性強(qiáng)弱的一般規(guī)律同一周期內(nèi)從左到右，酸性增強(qiáng)，堿性減弱。同一族內(nèi)從上到下，酸性減弱，堿性增強(qiáng)。（4）對(duì)酸堿性遞變規(guī)律的解釋

酸式電離R+OH堿式電離第20頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三

硫化物是指硫與電負(fù)性比硫小的元素所形成的化合物。一般常指金屬硫化物（包括(NH4)2S）。

硫化物大多數(shù)具有特定的顏色：PbSBi2S3CuSCdSSb2S3SnS2As2S3HgS四、硫化物的溶解度第21頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三1）溶于水的硫化物第IA,IIA族元素的硫化物（除BeS難溶）及(NH4)2S可溶于水，并發(fā)生水解反應(yīng)。

Na2S+H2O=NaHS+NaOH

(NH4)2S+2H2O=2NH3.H2O+H2S

金屬硫化物大多數(shù)不溶于水，有的可溶于稀酸，有的不溶于稀酸，但可溶于濃酸或氧化性的酸，有的只能溶于王水。故一般可按溶解性能將硫化物分為三類：第22頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三2）不溶于水而溶于稀酸的硫化物

MnS(肉紅色)、ZnS(白色)、FeS、CoS、NiS(黑色)均屬這一類。稀酸指用0.3mol.dm-3的稀鹽酸，此類金屬硫化物溶度積Ksp一般大于10-24，在溶液中存在著兩種離子平衡：一種為硫化物的沉淀-溶解平衡，另一種為H2S的酸堿電離平衡。若調(diào)節(jié)溶液中的酸度，可控制溶液中S2-離子的濃度，來(lái)控制這類硫化物沉淀或者溶解。例如要制備FeS，不能單純用H2S通入FeCl2溶液來(lái)制備，因?yàn)榉磻?yīng)中有酸生成:FeCl2+H2S=FeS+2HClFeS溶于稀酸而不會(huì)生成FeS。

只有直接用沉淀劑Na2S或(NH4)2S（由于沉淀劑本身呈堿性）,才能使金屬離子沉淀下來(lái)：

FeCl2+Na2S=FeS+2NaCl

第23頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三3）既不溶于水又不溶于稀酸的硫化物此類金屬硫化物的溶度積一般都很小，如CdS的Ksp為10-29,CuS的Ksp為10-36，而HgS的Ksp更小(10-53)。這類難溶金屬硫化物可通過(guò)將H2S氣體通入金屬鹽溶液來(lái)制備。

CuCl2+H2S=CuS+2HCl

要使此類型的金屬硫化物溶解，則必須使用更強(qiáng)烈的化學(xué)氣氛，例如濃硝酸、王水（一份濃硝酸與三份濃鹽酸的混合酸）等。

例如CuS可溶于濃硝酸：

3CuS+8HNO3=3Cu(NO3)2+3S+2NO+4H2O

在硝酸中、硝酸的氧化性使S2-被氧化成S單質(zhì)，從而使S2-濃度大大下降，結(jié)果使該金屬硫化物溶解。

再如HgS其Ksp僅為6.44×10-53，僅僅利用濃硝酸的氧化作用使S2-濃度降低還不足以使其溶解，還必須借助濃鹽酸中的大量Cl-與Hg2+的配位作用，使Hg2+離子的濃度也大大降低，才能使其溶解：

3HgS+2HNO3+12HCl=3H2[HgCl4]+3S+2NO+H2O

第24頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三1、熱穩(wěn)定性:碳酸鹽>碳酸氫鹽>碳酸。例如Na2CO3分解溫度為2073K；而NaHCO3分解溫度僅為543K；但H2CO3常溫常壓即可分解。2、除活潑金屬外，其他金屬的碳酸鹽的熱穩(wěn)定性都較差，一般尚未加熱到熔點(diǎn)就分解了。3、一般來(lái)說(shuō)，碳酸鹽中金屬離子的電荷越高，半徑越小，即金屬離子的極化能力越強(qiáng)，該碳酸鹽的熱穩(wěn)定性就越差。4、碳酸鹽的熱分解是一種氣固兩相間的平衡。

CaCO3=CaO+CO2Kp=pCO2五、碳酸鹽的熱穩(wěn)定性與離子極化第25頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三1、熱穩(wěn)定差

硝酸鹽和亞硝酸鹽的熱穩(wěn)定性很差，容易受熱分解。在所有無(wú)機(jī)含氧酸鹽中，對(duì)同一金屬的鹽而言，其硝酸鹽和亞硝酸鹽的熔點(diǎn)通常是最低的。而且除鉀鈉等少數(shù)活潑金屬外，其它金屬的硝酸鹽和亞硝酸鹽在受熱時(shí)，大多未到熔點(diǎn)就發(fā)生了熱分解反應(yīng)。2、熱分解的特點(diǎn)硝酸鹽和亞硝酸鹽熱分解反應(yīng)與碳酸鹽熱分解反應(yīng)不同，硝酸鹽和亞硝酸鹽熱分解伴隨有氮的氧化態(tài)的改變，屬于氧化還原反應(yīng)。例如：

2KNO3(S)=2KNO2(S)+O2(g)4NaNO2(S)=2Na2O(S)+4NO(g)+O2(g)

反應(yīng)中有N的氧化態(tài)改變，有氧氣放出（除NH4NO3外），因而可認(rèn)為硝酸鹽是一種供氧劑。硝酸鹽和亞硝酸鹽不穩(wěn)定性也與其氧化還原性質(zhì)有關(guān)。亞硝酸鹽一般都溶于水（除AgNO2外），而且亞硝酸鹽一般均有毒，并且是一種致癌物質(zhì)，使用時(shí)務(wù)必小心。3、硝酸鹽、亞硝酸鹽都具有氧化性，在酸性條件下，顯示出較強(qiáng)的氧化能力。亞硝酸鹽既有氧化性，也有還原性（當(dāng)遇到強(qiáng)氧化劑如KMnO4)六、硝酸鹽、亞硝酸鹽的熱分解第26頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三通常,硝酸鹽熱分解的產(chǎn)物，隨金屬離子的活潑性不同而分為三種類型：1、金屬活潑順序在Mg以前的活潑金屬的硝酸鹽，受熱分解成其亞硝酸鹽和氧氣。如

2NaNO3(S)=2NaNO2(S)+O2(g)2、金屬活潑順序介于Mg與Cu之間的金屬（包括Mg和Cu）的硝酸鹽，受熱分解生成相應(yīng)的金屬氧化物及NO2(g)和O2(g)。如：

2Pb(NO3)2(S)=2PbO(S)+4NO(g)+O2(g)3、金屬活潑順序在Cu以后的不活潑金屬的硝酸鹽，受熱分解生成相應(yīng)的單質(zhì)及NO2(g)和O2(g)。如：

2AgNO3(S)=2Ag(S)+2NO2(g)+O2(g)NH4NO3的熱分解可是一種特例。這是因?yàn)镹H4NO3中有兩種不同氧化態(tài)的N，在熱分解過(guò)程中它們之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)，最后得到的產(chǎn)物只有一種氧化態(tài)的N，而且不像其它硝酸鹽熱分解時(shí)能放出氧氣：

NH4NO3(S)=N2O(g)+2H2O

上面僅是硝酸鹽熱分解的一般規(guī)律和基本類型，實(shí)際上有些例外，何況同一金屬的硝酸鹽的熱分解也可能出現(xiàn)不止一種的分解方式。第27頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三

●二氧化硅—硅石無(wú)定型體：石英玻璃，硅藻土，燧石晶體：天然為石英(原子晶體)

純石英：水晶含有雜質(zhì)的石英：瑪瑙縞瑪瑙紫晶石英鹽水晶黑曜石瑪瑙七、硅酸鹽的結(jié)構(gòu)、水泥的主要成分第28頁(yè)，講稿共32頁(yè)，2023年5月2日，星期三●硅酸及硅酸鹽

(silicicacid&silicate)硅酸H4SiO4

原硅酸（正硅酸）H2SiO3

偏硅酸，二元弱酸xSiO2·yH2O多硅酸名稱化學(xué)組成x值y值正硅酸H4SiO412偏硅酸