第二十一章p区金属教学教材

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1、第二十一章 P区金属,教学要求,1掌握 Al、Sn、Pb 的单质及其化合物的性质，了解其用途。 2了解锗分族、锑和铋单质及化合物的性质及变化规律。 3了解铝的冶炼原理及方法。 4. 掌握周期表中的对角线关系, 惰性电子对效应.,教学重点,1铝的氧化物、氢氧化物、铝盐、铝酸盐的性质。 2Pb 的氧化物、氢氧化物、卤化物的性质。 3. 周期表中的对角线关系, 惰性电子对效应.,教学难点,惰性电子对效应, Ge、Sn、Pb、Sb、Bi 的氢氧化物的性质。,p区金属的特性：,同族金属元素从上到下元素的金属性逐渐增强。,Tl、Pb和Bi的金属性较强，其它的单质、氧化物及其水合物均表现出两性。,p区金属元

2、素常有两种氧化态，且其氧化值相差为2；高价氧化态化合物多数为共价化合物，低氧化态的化合物中部分离子性较强。,21-1 p区金属概论,p区金属共有十种: Al、Ga、In、Tl、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi和Po；其中Po为放射性元素。,铝族元素的熔点 以镓的最低，但 它的沸点却很高,这两分族元素中以铝的密 度最小，铊和铅的最大,元素的自然存在和基本性质,元素 丰度 主要矿物,铝 8.05 铝矾土矿(不纯的水合三氧化二铝),镓 0.0019,主要存在于铝矾土矿中, 镓和锗 也存在于煤矿中, 所以烟道灰是提取它们的原料之一。,铟 2.510-5 主要存在于闪锌矿中 铊 110-4 主要存在于长石、

3、云母和闪锌矿中,锗 1.410-4,存在于硅酸盐矿硫化物矿和煤矿中，在烟道灰中的含量是煤中的1001000倍,锡 2.510-4 锡石矿(SnO2)、硫化物矿,铅 0.0016 硫化铅矿、白铅矿和硫酸铅矿,铝的丰度居于 第三位，在金 属中居于首位,21-2 铝族元素,原子成键特征:,ns2,np1,共价特点,缺电子特点,最高氧化数+3,Cl,Al,Cl,Cl,Cl,Al,Cl,Cl,铝族元素的原子为缺电子原子，与硼类似，在铝和镓的化合物中同样表现出缺电子特点。而随原子半径的增大，铟铊逐渐过渡为金属性质。,Al2Cl6中的氯桥键,铝是优良的导电体，镓和铟是制半导体的重要材料。,少数表现离子性,铝

4、是活泼金属，它的离子有很高的水合能，因此不能从水溶液中提取这个金属。但从干态的化合物制备铝又需要更活泼的金属如钠作还原剂，在经济上和操作上都是不利的。近代工业是用电解熔融氧化物的方法制备金属铝。 加入冰晶石做助熔剂。,金属铝的冶炼,熔融金属铝,铁槽阴极,石墨阳极,电解金属铝示意图,从铝矾土矿(Al2O3)冶炼金属铝的步骤:,碱溶铝矾土矿,通CO2于滤 液析出Al(OH)3,过滤,纯氧化铝 Al2O3,冰晶石 Na3AlF6,灼烧,电解混合 熔液,金属铝,Al2O32NaOH3H2O2NaAl(OH)4 2NaAl(OH)4+CO22Al(OH)3+Na2CO3+H2O Al(OH)3=Al2O

5、3+H2O,灼烧,2Al2O3 =4Al（ 阴极） + 3O2（阳极）,电解,P区元素的性质,概述： Al、Ga、In、Tl与非金属反应，易形成氧化物、硫化物、卤化物。 2M(s) + 3X2 = 2MX3(s) 4M(s) +3O2 (g) = 2M2O3(s) 2M(s) + 3S(l) = M2S3(s), 铝族元素易溶于稀酸和碱液中。 反应如下: 2M(s) + 6H+(aq) = 2M3+(aq) + 3H2(g) 2M(s) +2OH-(aq) + 6H2O(l) = 2M(OH)4-(aq) + 3H2(g) M=Al，Ga 铝还与N2形成AlN ，与碳形成Al4C3。,铝族元素

6、在形成固态化合物时，少数为离子型的，大部分为共价型的。,Why?,因为它们失去所有的价电子的电离势总和相当大。, 从AlTl，随着半径的加大，化合物的共价性减弱，离子性增强。Al、Ga化合物为共价性；In、Tl化合物为离子性。 在水溶液中，+III氧化态的本族元素，电荷高，半径小，水合焓较大，很容易离子化。这些离子平常皆为配离子，它们极易发生水解作用。,通性：, 本族元素变为+III氧化态的趋势是从铝到铊递减。 Tl3+离子是较强的氧化剂，很易被还原为Tl+离子，因此Tl+ 离子稳定。 Al+、Ga+、In+在水溶液中稳定性极差，很易歧化为母体金属和该金属的+III氧化态化合物。,氧化物和氢氧

7、化物： 除了低氧化态的Tl2O和TlOH是碱性、易溶于水以外，其他的都是难溶于水的两性物质。 酸性： Ga(OH)3Al(OH)3或In(OH)3, 铝的亲氧性表现在： * 铝一接触空气即形成致密的氧化膜； * 氧化铝有很高的生成焓（-1676 kJ/mol）； * 可用做许多氧化物的还原剂，且反应放出大量的热。铝热法 2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fe, 铝是亲氧物质，又是典型的两性元素。,铝的性质, 两性表现在：金属铝、氧化铝和氢氧化铝都能与酸、碱反应：, 铝能被冷的浓H2SO4及浓、稀HNO3所钝化。所以常用铝桶装运浓H2SO4、浓HNO3。, 铝能同热的浓H2SO4反应

8、。,2Al+6H2SO4(浓)=Al2(SO4)3+3SO2+6H2O, 铝比较易溶于强碱中！ 2Al+2OH-+6H2O=2Al(OH)-4 +3H2,还原剂铝热法 脱氧剂 制取耐高温金属陶瓷 (亲氧性) 4Al+3TiO2 +3C=2Al2O3 +3TiC 结构材料，导电材料,金属用途,铝是丰度最大的金属，具有延展性强，导电性能优良，密度轻，应用最广泛的金属。,金属铝用于制电缆、电线,镓、铟多用于电子工业，如作半导体材料,铝用于制日常用品,二、氧化铝和氢氧化铝,一)、三氧化二铝,-Al2O3不溶于水，也不溶于酸和碱，熔点高，硬度大，由铝和氧气燃烧或高温灼烧Al(OH)3得到。自然界存在的刚

9、玉是指这种氧化铝。,-Al2O3不溶于水，溶于酸，具有很强的吸附能力和催化活性，所以又称活性氧化铝，用于作吸附剂和催化剂。由氢氧化铝或铝铵矾加热分解得到。把它强热至1273K时，转变为-Al2O3。,-Al2O3具有离子传导能力，用于作钠硫蓄电池的电解质，这种电池蓄电量大，具有广阔的应用前景。,二、氢氧化铝,铝盐：Al3+,白 水合 Al(OH)3,铝酸盐 Al(OH)4-,白 结晶 Al(OH)3,加入氨水,通入CO2,在铝盐中加入氨水或在铝酸盐中通入CO2，都可得到Al(OH)3 沉淀:,水合氢氧化铝易溶于酸，也溶于碱，加热易脱水。但结晶氢氧化铝难溶于酸，加热到373K时也不脱水。在573

10、K时转变为偏氢氧化铝AlOOH，灼烧得电解铝用的氧化铝,放置,偏铝酸盐 AlO(OH),氧化铝 Al2O3,加热,灼烧,金属铝,电解,Al3+ + 3NH3 + H2O = Al(OH)3 + 3NH4+ 2Al(OH)4- + CO2 =2Al(OH)3 + CO32- +H2O,氢氧化铝是两性化合物。,酸：Al(OH)3+3HNO3=Al(NO3)3+3H2O,碱：Al(OH)3+KOH=KAl(OH)4 +2H2O,氢氧化铝易溶于酸也易溶于碱：,三、铝盐和铝酸盐,金属铝Al,酸,+,铝盐,氯化铝Al2Cl6,硫酸铝Al2(SO)3,硝酸铝Al(NO3)3,HCl,H2SO4,HNO3,金

11、属铝或 氧化铝,碱,+,铝酸盐 Al(OH)4-,Al(OH)3 +OH-,H+,OH-,OH-,H+,金属铝、氧化铝、氢氧化铝等都表现出典型的两性。,铝盐和铝酸盐 的突出性质就 是水解性,Al(H2O)63+H2O = Al(H2O)5(OH)2+ H3O+ Al(H2O)5(OH)2+ +H2O = Al(H2O)4(OH)2+ +H3O+ Al(OH)4- = Al(OH)3 + OH-,加碱或弱酸强碱盐 于铝盐溶液中,都会 促进水解完全进行,2Al3+ + 3CO32- +3H2O =2Al(OH)3 + 3CO2,物理性质,氟化物的熔点最高，其它的较低，这是因为氟化物为离子晶体，其他

12、的是以共价键为主的卤化物,水溶液中析出来的氯化铝是AlCl36H2O，由于Al3+的极化能力很强，不能用加热的方法使它脱水，无水盐是下列反应制备的： 高温 Al2O33C3Cl2 2AlCl33CO,无水三氯化 铝的制备,2、几种重要的盐,（1）卤化物,AlCl3溶于有机溶剂或处于熔融状态时都以共价的二聚分子 Al2Cl6形式存在。,为什么?,因为AlCl3为缺电子分子, Al 倾向于用sp3 杂化轨道接受电子对形成四配位化合物。,两个AlCl3 分子间发生 ClAl 的电子对授予而配位，形成 Al2Cl6 分子。 在这种分子中有氯桥键(三中心四电子键)，与B2H6的桥式结构形式上相似，但本质

13、上不同。, 当Al2Cl6溶于水中时，立即解离为Al(H2O)63+和Cl-离子并强烈的水解。 AlCl3还容易与电子对给予体形成配离子(如AlCl4-, Al2(OH)nCl6-nm)和加合物(如AlCl3NH3)。AlCl3是有机合成中常用的催化剂（与BF3类似）。 AlBr3 和AlI3 在结构和性质上与AlCl3相似。,制法： 工业上：用熔融的Al与Cl2反应制取无水AlCl3。 通Cl2于Al2O3和炭的混合物中制取AlCl3。 Al2O3+3C+3 Cl2 =2 AlCl3 +3CO 用湿法只能制得AlCl36H2O。,无水硫酸铝Al2(SO4)3为白色粉末。 从水溶液中得到的为A

14、l2(SO4)3 18H2O，它是无色针状结晶。,(2) 硫酸铝和明矾,制法： 将纯铝溶于热的浓的H2SO4 2Al(OH)3+3H2SO4=Al2(SO4)3+6H2O 用H2SO4直接处理铝土矿或粘土制得Al2(SO4)3. Al2O32SiO22H2O(粘土)+ 3H2SO4= Al2(SO4)3+2H4SiO4+H2O,通式：MAl(SO4)212H2O。 结构：6个H2O分子与Al3+配位，形Al(H2O)63+离子；余下的为晶格中的水分子，在Al(H2O)63+与SO42-之间形成氢键。 明矾：铝钾矾 KAl (SO4)212H2O ，无色晶体。,硫酸铝易与碱金属（除锂外）及铵的硫

15、酸盐可形成溶解度相对较小的复盐，称为矾。,硫酸铝或明矾易溶于水，Al3+在水中水解形成的碱式盐到Al(OH)3 的胶状沉淀均有吸附和凝聚作用, 因此硫酸铝和明矾被用做净水剂或絮凝剂。,21-2-2 铝和铍的相似性 铝和铍有许多相似的化学性质： 原因：在元素周期表中处于对角线位置，两者的离子势相近， Ea0 (Al3+/Al)=-1.706V Ea0 (Be2+/Be)=-1.85V 。 表现： 1、两者都是活泼金属，在空气中， 均形成致密的氧化膜保护层而不易被腐蚀，与酸的作用也比较缓慢，都为浓硝酸所钝化。 2、两者都是两性元素，其氢氧化物也属两性。,3、两者的氧化物的熔点和硬度都很高。 4、两

16、者都有共价型的卤化物。它们的卤化物都是路易斯酸，易与电子给予体形成配合物或加合物；本身则通过桥键形成聚合分子(这两种聚合分子的结构是不同的)。 5、铍盐、铝盐都易水解。 6、Be2C象Al4C3，与水反应而生成甲烷： Be2C + 4H2O =2Be(OH)2 + CH4 Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4,21-3-1 金属的冶炼,21-3 锗 分 族,Sn的冶炼,Pb的冶炼,以锡石为原料，先焙烧，使砷和硫变成氧化物除去，然后加盐酸溶解其它金属氧化物，再以焦碳为还原剂，在高温下可制得粗锡；以氟硅酸和硫酸做电解液，经过电解可得到纯锡。 SnO2 + C =Sn +2CO,2PbS + 3O2 =2PbO +2SO2 PbO + C =Pb + CO PbO + CO =Pb