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1、第九章元素概论,元素概论The Elements,第九章,无机化学多媒体电子教案,元素的自然资源单质的性质和制备方法稀有气体的性质和用途氢气的性质氢化物的类型离子型氢化物的性质元素的发现、分类和存在形态,主要内容,元素的分类和存在形态单质物理性质递变规律氢气的性质氢化物的类型离子氢化物的性质,基本要求,目录,目 录,9-1 元素的发现、分类和存在,9-2 元素的自然资源,9-4 单质的制取方法,9-3 单质的晶体结构和物理性质,9-6 氢,9-7 稀有气体,第一节元素的发现、分类和存在形态,第一节,元素的发现、分类和存在 The discovery,classification and exi
2、stence of the elements,无机化学多媒体电子教案,9-1-1 元素的发现 The discovery of the elements,迄今为止，已发现的元素和人工合成的元素已有112种,其中天然存在的为92种，其余为人工合成元素。,元素周期表,111号元素于1994年12月在德国达斯塔特重离子研究中心(GSI)，由德国化学家P.Armbruster领导的多国科学家研究组人工合成。1996年2月9日又合成了112号元素。,9-1-2 元素的分类 The classification of the elements,1.按元素性质：分为金属(metal)(90种)和非金属(no
3、nmetal)(22种),元素周期表,斜线附近的元素如B、Si、Ge、As、Sb、Se、Te和Po等为准金属(metalloid)，它们既有金属的性质又有非金属的性质。,元素周期表,2.在化学上元素分为 普通元素和稀有元素两类,9-1-3 元素在自然界中的存在形态,第二节元素的自然资源,第二节,元素的自然资源,无机化学多媒体电子教案,1.在地壳中分布最广的10种元素为,O H Si Al NaFe Ca Mg K Ti,在组成地壳的原子总数中约占99%,9-2 元素的自然资源,iron,silicon,aluminum,sodium,calcium,magnesium,potassium,ti
4、tanium,2.主要存在于矿物和天然水系中,我国的矿物资源非常丰富,已探明的达148种,W(tungsten)、Li(lithium)、Sb(antimony)、Zn(zinc)及稀土居世界之首.,稀土矿总储量占世界的80%.,1.在地壳中分布最广的10种元素为：O、H、Si、Al、Na、Fe、Ca、Mg、K、Ti,9-2 元素的自然资源,2.主要存在于矿物和天然水系中,1.在地壳中分布最广的10种元素为：O、H、Si、Al、Na、Fe、Ca、Mg、K、Ti,9-2 元素的自然资源,Sn、Mo、Bi、Pb、Hg、Nb、Ta、Be等矿物储量均居世界前列钛铁矿居世界第一Al、Cu、Ni的储量也很
5、大,2.主要存在于矿物和天然水系中,1.在地壳中分布最广的10种元素为：O、H、Si、Al、Na、Fe、Ca、Mg、K、Ti,9-2 元素的自然资源,但我国铁矿、铜矿、磷矿多为贫矿钾盐、天然碱、天然硫、金刚石等资源少金、银、铂等更为稀少,2.主要存在于矿物和天然水系中,1.在地壳中分布最广的10种元素为：O、H、Si、Al、Na、Fe、Ca、Mg、K、Ti,9-2 元素的自然资源,非金属矿物如P、S、石墨矿和硼矿储量也很高,2.主要存在于矿物和天然水系中,1.在地壳中分布最广的10种元素为：O、H、Si、Al、Na、Fe、Ca、Mg、K、Ti,9-2 元素的自然资源,海水中含有O、H、Cl、N
6、a、Mg等约50余种元素大多数元素以离子形式存在，也有些沉积于海底如太平洋海底的锰结核矿,2.主要存在于矿物和天然水系中,1.在地壳中分布最广的10种元素为：O、H、Si、Al、Na、Fe、Ca、Mg、K、Ti,9-2 元素的自然资源,3.也存在大气中,第三节单质的晶体结构和物理性质,第三节,单质的晶体结构和物理性质The crystal structures and physical properties of the elements,无机化学多媒体电子教案,Main group elementsThe transition elementsRare earth elements,主族元素
7、单质,熔点、沸点：低高低,密度、硬度：小大小,导电性：导体半导体、非导体,副族元素单质均为金属晶体,1.一般具有较高的熔点和沸点,熔点最高的是 W 3410,其次是 Cr Re,副族元素单质均为金属晶体,2.具有较大的密度和硬度(B和B除外),密度最大的是 Os Ir Pt硬度最大的是 Cr(仅次于金刚石),1.一般具有较高的熔点和沸点,副族元素单质均为金属晶体,2.具有较大的密度和硬度(B和B除外),3.易导电,1.一般具有较高的熔点和沸点,Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Tc、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Zn、Cd、Hg、Al、Ge、In、Si、Ge、Sn、Pb、Li、Be
8、、La、Eu、Th、Pa、Am 等,具有超导性的有：,第四节单质的制取方法,第四节,单质的制取方法The preparation of the elements,无机化学多媒体电子教案,大致有五种方法：,物理分离法 热分解法电解法还原法氧化法,9-4 单质的制取方法,适用于分离、提取以单质存在，与其杂质在某些物理性质有显著差异的元素,如 氧气与氮气的分离：利用液氧和液氮的沸点不同,1.物理分离法,常用于制备一些高纯物质,如 Zr(粗)+2I2 ZrI4,600,1800,Zr(纯)+2I2,2.热分解法,用于制备活泼金属和非金属,如 H2和Cl2的制取,2NaCl+2H2O 2NaOH+H2+
9、Cl2,电解,3.电解法,用还原剂还原化合物制取金属单质一般常用焦炭、CO、H2、活泼金属等作还原剂,4.还原法,Ellingham(艾林罕姆)在1944年首先将氧化物的标准生成自由能对温度作图(以后又对硫化物、氯化物、氟化物等作类似的图形)，用以帮助人们：判断哪种氧化物更稳定 比较还原剂的强弱 估计还原反应进行的温度条件 选择还原方法,Ellingham图,以消耗1molO2生成氧化物的过程的自由能变作为标准来进行比较、判断哪一种氧化物更为稳定。,GHTS 当T0，GH，即直线的截距可近似地等于氧化物的标准生成焓，直线的斜率为S，它等于反应熵变的负值。如果反应物或生成物发生了相变，如熔化、气
10、化、相转变等，必将引起熵的改变，此时直线的斜率发生变化，,金属氧化物的线位置越低,氧化物越稳定,位于下面的金属还原性强,常见还原剂在1073K的相对强弱次序：CaMgA1TiSiMnNa 常见氧化剂在1073K的强弱次序:HgOAg2OFe2O3Cu2ONiOFe3O4CoO,氧化物热分解法,Ag2O,HgO,不活泼的金属氧化物,C还原法,很多金属氧化物都可在高温下被C还原,位于艾林罕姆图中下方的金属氧化物具有很低的标准生成自由能，这些金属可从上方的氧化物中将金属还原出来，常用的金属还原剂有Mg、Al、Na、Ca等,活泼金属还原法,H2并不是一个好的还原剂。只有少数几种氧化物如Cu2O、CoO
11、、NiO等可被H2还原。,在艾林罕姆图下方的金属氧化物有很低的标准生成自由能值，如Na、Mg、Al、Ca,氢还原法,电解还原法,用氧化剂氧化化合物制取单质,5.氧化法,第六节氢,第六节,氢 Hydrogen,无机化学多媒体电子教案,元素周期表,氢是宇宙间所有元素中含量最丰富的元素在自然界中主要以化合态存在是周期系中第一号元素,9-6 氢,符号 含量/%,1H（氕）H 99.98 2H（氘）Ddeuterium 0.016 3H（氚）T tritium 0.004,氢有三种同位素,9-6-1 氢原子的性质及其成键特征,1,1,1,符号 含量/%,1H H 99.982H D 0.0163H T
12、0.004,目前世界各地建造的实验性聚变反应堆用的是一种D和T构成的等离子体燃料,氢有三种同位素,1,1,1,符号 含量/%,1H H 99.982H D 0.0163H T 0.004,三种同位素质子数相同,中子数不同。它们的单质和化合物的化学性质基本相同，物理性质和生化性质则不同。,氢有三种同位素,1.失去价电子H+,2.结合一个电子:H-易与活泼金属形 成离子型氢合物,3.易与非金属通过 共用电子对形成 共价型氢化物,9-6-2 氢气的性质和用途 The properties and uses of hydrogen,氢气是无色、无味、无臭的可燃性气体,是所有气体中最轻的。,氢气球可携带
13、仪器作高空探测 也可携带干冰、碘化银等试剂进 行人工降雨。,9-6-2 氢气的性质和用途,熔、沸点极低，难液化。,液氢是重要的高能燃料。是美国宇宙航天飞机和我国“长征”三号火箭所用燃料液氢是超低温制冷剂，可将除氦外的所有气体冷冻成固体。,3.在水中的溶解度很小。可大量溶于镍、钯、铂等金属中。,利用此性质可制得极纯的氢气,9-6-2 氢气的性质和用途,4.氢分子在常温下不活泼，但当已解离的氢原子结合为分子时，可放出大量热：2H H2 rHm=-436 kJmol-1,利用此性质可作原子氢吹管，用于熔化难熔的金属(如W、Ta等),9-6-2 氢气的性质和用途,5.氢气在氧气或空气中燃烧，可得到温度
14、近3000的氢氧焰,可用于金属的切割或焊接,H2+O2 H2O rHm=-285.830 kJmol-1,9-6-2 氢气的性质和用途,5.氢气在氧气或空气中燃烧，可得到温度近3000的氢氧焰。,9-6-2 氢气的性质和用途,详见“氢化物”,6.氢气在加热时，可与许多金属或非金属反应，生成氢化物,9-6-2 氢气的性质和用途,7.氢气在高温下，可与氧化物氯化物反应，得到金属或非金属,9-6-2 氢气的性质和用途,8.高温下，氢分子可分解为原子氢 原子氢比分子氢活泼,9-6-2 氢气的性质和用途,9-6-3 氢气的制备 Preparation of hydrogen,用锌和盐酸或稀硫酸作用,Zn
15、+2H+Zn2+H2,实验室,9-6-3 氢气的制备,(1)天然气或焦炭与水蒸气作用,得到水煤气,(2)水煤气与水蒸气反应,得到CO2和H2的混合气,(3)除去CO2可得较纯的氢气,工业上：1.水煤气法 water gas reactions,9-6-3 氢气的制备,电解15%-20%氢氧化钠溶液,阴极：2H+2e-H2,阳极：4OH-4e-2H2O+O2,制得的氢气较纯净，但耗电量大,工业上：2.电解法 electrolysis,离子型氢化物,金属型氢化物,共价型氢化物,氢与其它元素形成的二元化合物,Li Be B C N O FNa Mg Al Si P S Cl K Ca Sc Ti V
16、 Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te ICs Ba La Hf Ta W Ir Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At,9-6-4 氢化物 Hydrides,9-6-4 氢化物,2M+H2 2MH(M代表碱金属）,M+H2 MH2(M代表碱土金属),形成,离子型(类盐型)氢化物Ionic hydrides,1.离子型(类盐型)氢化物,（1）纯的为白色晶体，不纯的为浅灰色至黑色,（2）具有离子化合物特征，如熔、沸点较高，熔融时能导电,（3）受热时能
17、分解为氢气和游离金属,性质,9-6-4 氢化物,1.离子型(类盐型)氢化物,（1）纯的为白色晶体，不纯的为浅灰色至黑色,（2）具有离子化合物特征，如熔、沸点较高，熔融时能导电,（3）受热时能分解为氢气和游离金属,性质,（4）与水反应产生氢气,MH+H2O MOH+H2,1.离子型(类盐型)氢化物,（1）纯的为白色晶体，不纯的为浅灰色至黑色,（2）具有离子化合物特征，如熔、沸点较高，熔融时能导电,（3）受热时能分解为氢气和游离金属,性质,（4）与水反应产生氢气,（1）大多数在固态时属分子晶体,（2）大多数为无色，熔、沸点较低,常温下除H2O、BiH3为液体外,其余均为气体,（3）化学性质差异较大
18、,PH3、AsH3、SbH3气体的毒性较大,2.共价型(分子型)氢化物 covalent hydrides,(1)在过渡型氢化物中,氢以三种形式存在。,(2)某些过渡金属和合金具有可逆吸收和 释放氢气的作用。,某些过渡金属或过渡金属合金可做储氢材料,3.金属型氢化物 metallic hydrides,H+实际上是氢原子核质子质子半径很小，具有很强的极化力，在水溶液中与H2O结合，形成水合氢离子（H3O+)。,返回,H失去1s电子H+,第七节稀有气体,第七节,稀有气体The noble gases,无机化学多媒体电子教案,1785年，H.Cavendish,1/120,1893年，L.Rayl
19、eigh,(N2)=1.2572 g/L 分离(N2)=1.2505 g/L 制取,W.Ramsay,Ar,第三位小数的胜利,9-7-1 稀有气体的发现,9-7-1 稀有气体的发现,9-7-2 稀有气体的存在、结构、性质和用途,存在,氦为2电子构型其它为稳定的8电子构型,结构,9-7-2 稀有气体的存在、结构、性质和用途,性质,9-7-2 稀有气体的存在、结构、性质和用途,用途,用途,当电流通过充氩灯管时，能产生蓝光，可用于霓红 灯、灯塔等照明工程；,氩,用途,用途,制造特种光源；,用途,用于恶性肿瘤的放射性治疗,用途,(1)1962年，由英国化学家N.Bartlett合成了第一个稀有气体化合物Xe+PtF6-,(2)至今已制成稀有气体化合物数百种,9-7-3 稀有气体化合物,稀有气体化合物,稀有气体化合物中 简单化合物甚少,2.大多数化合物的制备与氟化 物有关，有的化合物可看作 是氟化物的衍生物,3.XeF2、XeF4、XeF6的性质：,(1)为稳定的白色结晶状共价化合物,如 2XeF2+2H2O 2Xe+4HF+O2,(2)能与水反应,(3)是优良的氟化剂,如 2XeF6+SiO2 2XeOF4+SiF4,返回,稀有气体化合物,
