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在s区和p区元素中,除了同族元素的性质相似外,还有一些元素及其化合物的性质呈现出“对角线”相似性。
即IA族的Li与IIA族的Mg、IIA族的Be与IIIA族的Al,IIIA族的B与IVA族的Si这三对元素在周期表中处于对角线位置:
LiBeBC
NaMgAlSi
相应的两元素及其化合物的化学性质有很多相似之处,这种相似性称为对角线规则。
3.单质的物理性质
有金属光泽,密度小,硬度小,熔点低,导电、导热性好的特点。
4.单质的化学性质
(1)与氧反应
单质在空气中燃烧,形成相应的氧化物:
Li2ONa2O2KO2RbO2CsO2
BeOMgOCaOSrOBaO2
(2)与硫反应
M+S→M2S(MS)
(3)与水反应
M+H2O→MOH[M(OH)2]+H2
碱土金属与水的反应远不如相邻碱金属那样剧烈,镁和铍在水和空气中因生成致密的氧化物保护膜而显得十分稳定。
(4)与氢反应
M+H2→MH(MH2)
(5)与卤素反应
M+X2→MX(MX2)
(6)与氮反应
M+N2→M3N(M3N2)
(7)焰色反应
二、氢
1.氢的性质
(1)氢是宇宙中丰度最大的元素,按原子数计占90%,按质量计则占75%。
(2)氢的三种同位素质量之间的相对差值特别高,并因此而各有自己的名称,这在周期表元素中绝无仅有。
(3)氢原子是周期表中结构最简单的原子。
(4)氢化学是内容最丰富的元素化学领域之一。
(5)氢形成氢键。
如果没有氢键,地球上不会存在液态水!
人体内将不存在现在的DNA双螺旋链!
(6)氢是周期表中唯一尚未找到确切位置的元素
(具有卤素的性质,亦可排列在VIIA族)。
2.氢的用途
(1)氢能源——21世纪的清洁能源。
(2)人和动、植物所必需的宏量元素。
(3)一切有机体不可缺少的重要元素。
(4)其他用途
三、钠和钾
1.钠和钾的性质
(1)极易被氧化,自然界中以化合物存在。
(2)质软可切,是电、热良导体。
(3)潮湿空气中立即失去金属光泽,可与水和酸剧烈反应,并放出大量热。
2.钠和钾的重要化合物
(1)卤化物和硫化物
其中,NaCl为典型代表,为透明晶体,是人和动物体所必需的营养物质,在人体中NaCl的含量约占0.9%,NaCl也是重要的化工原料,可用于合成氢气、氯气、氢氧化钠和碳酸钠等。
(2)氧化物和氢氧化物
①氧化物
可用过氧化物或超氧化物作氧气的发生剂和漂白剂。
②氢氧化物
氢氧化钠和氢氧化钾均为强碱,与同组其他元素形成的碱的相互强弱关系如图。
(3)碳酸盐
钠和钾均可生成相应的碳酸盐,但钠的碳酸盐在工业上的用途更为广泛。
3.钠和钾的生物效应
(1)钠
大多数分布于细胞外液,维持细胞外液的渗透压和体液的酸碱平衡,参与神经信息的传递过程。
(2)钾
存在于细胞内部,维持细胞内液的渗透压,参与神经信息的传递,同时也是某些酶的激活剂。
在植物体内,钾对碳水化合物的形成起着非常重要的作用。
除此,它可促进纤维管束的发育,使植物茎秆更加坚固,增强其抗倒伏能力。
四、镁和钙
1.镁和钙的性质
(1)在空气中其表面可迅速形成一种氧化膜,不再继续氧化。
(2)可与冷水、酸作用。
(3)碱土金属形成配合物(镁除外)的能力较弱,与氧化合可形成氧化物、过氧化物和超氧化物,而镁一般形成氧化物。
(4)钙、镁与碱一般不起作用。
2.镁和钙的重要化合物
(1)氧化物和氢氧化物
工业上生产镁和钙的氧化物主要是用菱镁矿和石灰石煅烧进行。
其氢氧化物则由相应的氧化物与水反应生成。
(2)碳酸盐
碳酸镁和碳酸钙在水中的溶解度较小,但有二氧化碳存在时其溶解度会增加,主要是由于转化成碳酸氢镁和碳酸氢钙,加热后又可析出相应的碳酸盐,这就是产生水垢的原因。
3.镁和钙的生物效应
(1)镁
镁是许多酶的激活剂。
Mg2+在细胞内与核苷酸以配合物形式存在,对于DNA复制和蛋白质的生物合成必不可少。
(2)钙
存在于细胞外,参与血液凝结、激素释放、神经传导等重要生理过程。
钙还是细胞膜的组织成分,含钙较多时,细胞膜不易被分解。
5-3p区元素
一、p区元素的通性
1.唯一同时包括金属和非金属元素的一个区。
2.无机非金属材料库
3.p区元素共同特性
最后剩余的电子均填充于p轨道上,其数量为1~4不等。
与其他元素化合时,常为两种情况:
(1)仅有p电子参与反应。
(2)s,p电子全部参与反应。
因此经常出现两种或两种以上的氧化态。
二、硼族元素
1.硼和铝的性质
(1)具有银白色金属光泽,其金属性明显弱于IIA和IVA族。
(2)硼的高熔点和液态反应性决定了它很难制得高纯度单质硼。
(3)铝不能从水中置换出氢,因为表面形成难溶氢氧化铝。
(4)铝在冷浓硫酸、浓硝酸中呈钝化状态,因此可用铝制品贮运浓硫酸、浓硝酸。
(5)铝可与稀硫酸、稀盐酸及碱反应。
(6)铝热法:
强还原剂铝可从金属氧化物中将金属还原出来,如:
2Al(s)+Cr2O3(s)→Al2O3(s)+2Cr(s)
2.硼和铝的重要化合物
(1)硼在自然界主要以硼酸和硼酸盐存在。
硼酸钠盐的年消耗量约占总硼消耗量的80%。
硼砂:
Na2B4O7·
10H2O
实际结构为Na2B4O5(OH)4·
8H2O
(2)氧化铝和氢氧化铝
①氧化铝
②氢氧化铝
氢氧化铝既溶于酸又溶于碱,分别形成铝盐和铝酸盐。
(3)铝盐
①AlCl3——缺电子化合物,易形成二聚体。
水解激烈:
AlCl3+3H2O→Al(OH)3+3HCl
②铝的硫酸盐主要有:
Al2(SO4)3·
nH2O其饱和溶液可应用于泡沫灭火器
KAl(SO4)2·
12H2O可作印染工业的媒染剂
3.硼和铝的生物效应
(1)硼
是植物生长发育所必需的微量元素。
(2)铝
可以和磷形成不溶性磷酸铝,阻止有机体对磷的吸收。
三、碳族元素
1.、性质
(1)可不受限制的连接。
(2)能形成重键。
(3)碳氢化合物相当稳定,各种基团可接枝到稳定的碳氢化合物骨架上。
2.重要化合物
(1)碳和硅的含氧化合物
①CO
②CO2
实验室制法
CaCO3+2HCl→CaCl2+H2O+CO2↑
固体CO2称“干冰”,是一种方便的制冷剂。
③SiO2
晶态SiO2是Si采用sp3杂化轨道与O形成硅氧四面体,处于四面体顶端的氧原子均为周围的四面体共用,这种结构导致其化学性质很稳定。
(2)碳和硅的含氧酸及其盐
①H2CO3——二元弱酸,能与许多金属形成碳酸盐和碳酸氢盐。
②H4SiO4
SiCl4+4H2OH4SiO4+4HCl
H4SiO4分子易聚合成多硅酸(xSiO2·
yH2O)凝胶而溶于水,该物质含水较多,富有弹性,在60~70º
C烘干,300º
C活化即得硅胶,硅胶常作吸附剂和干燥剂。
(3)锗、锡、铅的氧化物和氢氧化物
GeO2SnO2PbO2
Ge(OH)4Sn(OH)4Pb(OH)4
GeOSnOPbO
Ge(OH)2Sn(OH)2Pb(OH)2
(4)锗、锡、铅的卤化物
锗、锡、铅的卤化物主要有二卤化物和四卤化物。
由于Pb4+的氧化性,所以不存在PbI4和PbBr4。
SnCl2是最常用的二卤化物,易水解生成碱式盐沉淀。
SnCl2+H2O→Sn(OH)Cl+HCl
3.生物效应
碳是构成生命的六大要素之一;
硅是人和动、植物所必需的微量元素,能维持骨骼、软骨和结缔体组织的正常生长,同时还参与一些重要的生命代谢;
锗对生物体携氧功能具有促进作用;
锡对大鼠具有促长作用;
铅能阻碍植物生长。
四、氮族元素
1.性质
(1)金属性从上到下逐渐增加。
(2)常以+3价、+5价为主要氧化态。
(1)NH3
(2)HNO3和HNO2
硝酸是重要的工业三酸之一,是制造炸药、硝酸盐和许多其他化学品的重要原料。
工业上利用NH3的氧化产物NO2制HNO3。
硝酸是相当强的氧化剂,可以氧化许多金属和非金属。
硝酸和金属铜的反应
HNO2的酸性弱得多(与HAc相近),很不稳定。
氧化性也不如HNO3强,但还可用作还原剂。
只能存在于水溶液中,易发生歧化反应:
3HNO2→HNO3+2NO+H2O
绝大多数亚硝酸盐易溶于水,白色结晶状的NaNO2大量用于染料工业和有机合成工业中。
亚硝酸盐一般有毒,而且是致癌物质。
(3)常见氮肥
①铵态氮肥:
硫酸铵、氯化铵、碳酸氢铵、氨水
②硝态氮肥:
硝酸铵、硝酸钙、硝酸钾
③尿素氮肥:
尿素
④氰胺氮肥:
石灰氮(氰胺化钙)
(4)磷的含氧酸盐
STPP是洗涤剂的主要成分,其作用是与Ca2+、Mg2+等形成可溶性配合物。
但排入下水道的STPP是造成水质富营养化的主要来源之一。
(5)砷、锑、铋的氢化物
①热不稳定性
AsH3SbH3BiH3
减小
②马希检验法
加热的玻璃管形成亮黑色“砷镜”
(6)砷、锑、铋的卤化物
均能生成三卤化物,五卤化物仅有AsF5,SbF5,BiF5和SbCl5。
卤化物水解可生成相应的含氧酸和氢卤酸。
(7)砷、锑、铋的氧化物
砷、锑、铋的氧化物有As2O3,Sb2O3,Bi2O3及As2O5,Sb2O5,Bi2O5。
其中,As2O3为白色粉末状剧毒物,微溶于水,在热水中溶解度稍大,溶解后生成亚砷酸溶液。
用于制造杀虫剂、除草剂和含砷的药物。
氮、磷是动、植物组织构成的最基本成分。
砷对植物生长具有促进作用虽有报道,但迄今为止还没有砷就是植物生长所必需元素的定论。
相反,砷中毒对作物的危害已确定无疑。
目前认为砷不是人和动物所必需的元素。
锑是人和动物的有毒元素。
五、氧族元素
趋于得两个电子而形成阴离子。
(1)H2O2
俗称双氧水,用途最广的过氧化物。
酸性介质:
H2O2+2H++2e-→2H2O
O2+2H++2e-→H2O2
碱性介质:
HO2-+H2O+2e-→3OH-
O2+H2O+2e-→HO2-+OH-
H2O2+2HCl+2KI→I2+2H2O+2KCl常用于测定过氧化氢含量
PbS(黑)+4H2O2→PbSO4(白)+4H2O常用于字画的修复
H2O2+Cl2→2HCl+O2用于工业除氯
过氧化氢的使用依赖于其氧化性,不同浓度的过氧化氢具有不同的用途:
一般药用双氧水的含量为3%,美容用品中双氧水的含量为6%,试剂级双氧水的含量为30%,食用级双氧水的含量为35%,含量在90%以上的双氧水可用于火箭燃料的氧化剂,若90%以上浓度的双氧水遇热或受到震动就会发生爆炸。
在食品工业中,它主要用于软包装纸的消毒、罐头厂的消毒、奶和奶制品杀菌、面包发酵、食品纤维的脱色、饮用水处理等。
(2)H2S
H2S是无色,有腐蛋味,剧毒气体,稍溶于水;
水溶液呈酸性,为二元弱酸;
具有还原性。
(3)SO2及SO3
①SO2
SO2为无色有强烈刺激性气味的气体,易溶于水,有毒,既有氧化性又有还原性。
②SO3
SO3为无色易挥发固体。
(4)硒的化合物
H2Se为无色恶臭气体,在空气或氧气中可燃烧生成SeO2;
SeO2溶于水生成H2SeO3;
SeO3强烈吸水生成H2SeO4。
5H2SeO3+2HClO35H2SeO4+Cl2+H2O
氧参与生命体的呼吸到有机物的氧化分解;
硫是构成蛋白质不可缺少的重要元素;
低浓度的硒对部分植物生长具有刺激作用,但浓度高于一定范围时,反而会对植物的生长产生危害。
六、卤素
卤素主要以卤化物形式存在于自然界。
氟的资源是CaF2(荧石)和磷灰石;
氯、溴的资源是海水和盐湖卤水;
碘的资源是碘酸盐沉积。
Cl2,Br2,I2的单质
(1)卤素的氢化物
卤素的氢化物的实验室制法
(2)卤素的含氧酸
①各类卤素含氧酸根的结构(X为sp3杂化)
氧化值:
+1+3+5+7
HXOHClO2HXO3HXO4
次卤酸亚卤酸卤酸高卤酸
②含氧酸的酸性
③次氯酸及其盐
次氯酸酸性很弱且不稳定。
次氯酸钙是漂白粉的主要成分。
④氯酸及其盐
氯酸是强酸。
固体氯酸钾与硫、磷等易燃物混合,受撞击会立即爆炸。
3S+2KClO3→3SO2+2KCl
⑤高氯酸及其盐
高氯酸是极强无机酸。
其浓溶液不稳定,是强氧化剂,易爆炸和受热分解。
其盐较稳定。
氟是植物的有害元素,是人和动物必需的微量元素;
氯是生命必需的宏量元素,在机体内氯离子除与钾、钠使用参加生理作用外,还是多种组织液的成分;
溴对人的作用目前只了解到它可替代甲状腺激素中的碘;
碘是人和动物所必需的微量元素。
5-4d区元素
一、d区元素的通性
1.独特的相似性
都是金属,是电和热的良导体,有较高的熔、沸点。
2.氧化态的可变性
3.有形成配合物的倾向性
化学家制备成功的第一个金属配合物就是过渡元素形成的配合物CoCl3·
6NH3。
二、重要化合物
1.铜、锌族
(1)氢氧化物
铜、锌族元素的化合物与强碱作用时,只有铜、锌、铬能生成较稳定的氢氧化物。
氢氧化物中,氢氧化铬偏碱性,氢氧化锌和氢氧化铜具有明显的两性。
(2)氧化物
铜、锌族元素的氧化物除氧化铜、氧化锌为两性外,其余均为碱性。
(3)硫化物
铜、锌族元素的硫化物除硫化锌为白色,硫化镉为黄色外,其余均为黑色。
硫化物不溶于盐酸、硫酸,可溶于硝酸。
但硫化汞只能溶于硫化钠、盐酸和碘化钾的混合物。
(4)配合物
铜、锌族元素形成一系列sp、sp2、sp3、dsp2及sp3d2配合物。
2.钒
钒在地壳中含量很少,属稀有元素,有+2,+3,+4和+5四种氧化态。
常见化合物有V2O5和NH4VO3(偏钒酸铵)。
其中,V2O5是制备H2SO4的催化剂。
3、铬
铬有+2,+3和+6三种氧化态。
常见化合物有Cr2O3、Cr(OH)3和K2Cr2O7等。
Cr2O72-+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2O
Cr2O72-+6I-+14H+=2Cr3++3I2+7H2O
可测铁和碘含量。
4.锰
锰有+2,+4,+6和+7四种氧化态。
常见化合物有MnO2和KMnO4等。
MnO2可作KClO3、H2O2分解为O2的催化剂。
KMnO4的主要用途是作氧化剂和消毒剂。
利用其在酸性溶液中的氧化性,可测定Fe2+、C2O42-、NO2-、SO32-、H2O2等的含量。
5.铁、钴、镍——铁质元素
NO3-和NO2-的检验
先在溶液中加入FeSO4,然后沿试管上口慢慢加入浓H2SO4,如在浓H2SO4与待测液交界处出现棕色环表示有NO3-存在。
NO3-+3Fe2++4H+=NO+3Fe3++2H2O
SO42-+Fe2++NO=Fe(NO)SO4(棕色)
三、生物效应
铜、锌、铬和锰是人和动、植物所必需的微量元素.钒广泛存在于植物、动物和人的脂肪中,是动物和人所必需的微量元素;
铁是植物、动物和人的必需元素;
钴对一些农作物很有益;
镍是人和动物必需微量元素,其对人体的危害主要是在空气中的镍经呼吸道或皮肤吸收时产生。
5-5f区元素
f区元素:
包括除镧、锕以外的所有镧系(58~71号)及锕系(90~103号)元素。
共28种元素。
稀土元素:
稀土的英文是“RareEarths”,18世纪得名,“稀”原指稀贵,“土”是指其氧化物难溶于水的“土”性。
其实稀土元素在地壳中的含量并不稀少,性质也不像土,而是一组活泼金属,“稀土”之称只是一种历史的习惯,以RE表示。
一、镧系元素的电子排布及颜色
元素价电子结构常见氧化态EӨ/V三价离子颜色
三价离子大多具有颜色,主要是因为这些元素吸收可见光后使4f电子发生跃迁。
二、镧系收缩
1.概念
指镧系元素的离子半径随原子序数的增加而依次减小的现象。
有人也把这叫做“单向变化”。
2.原因
随原子序数增大,电子填入4f层,f电子云较分散,对5d和6s电子屏蔽不完全,Z*增大,对外层电子吸引力增大,使电子云更靠近核,造成了半径逐渐减小而产生了所谓“镧系收缩效应”。
3.双峰效应
镧系原子4f电子受核束缚,只有5d和6s电子才能成为自由电子,RE(g)有3个电子(5d16s2)参与形成金属键,而Eu(g)和Yb(g)只有2个电子(6s2)参与,自然金属键弱些,显得半径大些。
有人也把这叫做“双峰效应”。
三、镧系元素的生物效应
1.增产作用
20世纪70年代初,我国首次将稀土硝酸盐(Re(NO)3·
nH2O)应用于农业生产,发现它具有提高作物产量的作用。
目前稀土在农业生产上作为一项增产措施已被广泛推广使用。
可应用于冬小麦、棉花、麻类、玉米、马铃薯、紫云英及果树等作物增产。
2.医用效果
稀土化合物作为药物已有不少通过临床试验,有的已被列入国家的药典。
如:
止吐剂:
草酸铈
结核患者静脉注射:
硫酸铈(钕、镨)
抗凝血:
稀土3-碘基异烟酸盐的乙酰丙酸盐
抗炎、杀菌、镇痛、镇静、解热:
磺基水杨酸
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