金屬及非金屬元素

關(guān)于金屬及非金屬元素一、金屬元素在周期表中的位置和金屬的分類(lèi)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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天●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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天金屬單質(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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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?；a(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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、各類(lèi)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(chē)、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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(lèi)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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(chēng)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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天納米半導(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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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(lèi)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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天水解作用的強(qiáng)弱可用極化理論解釋?zhuān)篐HORx+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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天第19頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天（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(lèi)：

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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(lèi)：第22頁(yè),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(lèi)。稀酸指用0.3mol.dm-3的稀鹽酸，此類(lèi)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(lèi)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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天3）既不溶于水又不溶于稀酸的硫化物此類(lèi)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(lèi)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(lèi)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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天通常,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(lèi)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(lèi)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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天

●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),共32頁(yè)，2024年2月25日，星期天●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(chēng)化學(xué)組成x值y值正硅酸H4SiO412偏硅酸