第8章非金属元素

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1、非金属元素,第8章,第8章 非金属元素,8.3 碳和硅,8.2 硼,8.1 氢,8.4 氮,8.5 磷和砷,8.6 氧,8.7 硫、硒和碲,8.8 卤素,8.1 氢,8.1.1 氢的成键特征和氢化物,8.1.2 氢能源,氢有三种同位素：,1.存在,(1) 氢原子失去1个电子成为H+(质子)。如酸在水中的解离反应。,8.1.1 氢的成键特征和氢化物,2.成键特征,(2) 氢原子得到1个电子成为H-。主要存在于氢和A、A的金属所形成的离子型氢化物的晶体中。如MgH2、LiH等。(3) 氢与其他电负性不大的非金属原子通过共用电子对形成共价型氢化物。如CH4、H2O等。(4) 形成氢键，影响物质的理化

2、性质。(5) 形成非整比化合物。 (6) 形成氢桥键，如硼氢桥键。,单质氢是无色无嗅的气体，沸点20.28K，在标况下的密度0.08987kgL-1，是所有气体中密度最低的。将氢气深度冷冻并加压可转变成液体，在13.84K时转变为透明固体。,3.单质性质,主要化学性质： 氢的可燃性,(2) 氢的还原性 氢可以和许多金属氧化物，卤化物等在加热的情况下相互发生反应，显示氢的还原性。 PdCl2(aq) + H2 = Pd(s) + 2HCl(aq)(3) 氢的氧化性 氢可以和A族A族(除Be，Mg)活泼金属相互反应，生成离子型氢化物。 H2 + 2Li = 2LiH,(4) 加合反应2H2 + C

3、O = CH3OH CHCH + H2 = CH2=CH2(5) 氢与某些金属生成金属型氢化物 氢气可以与某些金属反应生成一类外观似金属的金属型氢化物，在这类氢化物中，氢与金属的比值有的是整数比，有的是非整数比的。,氢与其它元素形成的二元化合物称为氢化物。根据与氢化合的元素电负性不同,生成的氢化物可划分为如下三种类型：离子型：A和A的氢化物;金属型(过渡型)：B到B的氢化物;分子型：A到A的氢化物。,4.氢化物,离子型氢化物一般稳定性较差，在熔融温度以前分解为单质(除LiH、BaH2外)，遇水分解成金属氢氧化物和氢气。均属强还原剂，在高温下可以还原金属氯化物、氧化物及含氧酸盐。 分子型氢化物属

4、于分子晶体，具有低熔沸点。有的可与水反应,而有的解离显酸性或碱性。,金属型氢化物有金属光泽，密度比相应的金属要小。从化学性质上，铍、镁、镧系金属、锕系金属等的氢化物多类似于离子型氢化物；而In、Tl、铜族、锌族金属的氢化物则多类似于共价型氢化物，从而这类氢化物也称为过渡型氢化物。,8.1.2 氢能源,（1）资源丰富。氢能源原料来源于地球上储量丰富的水。（2）氢气燃烧时放出大量热量（3）干净、无毒。燃烧产物是水，不会造成环境污染。（4）能量利用效率高。,优点：,关键点：H2的制备和储存,澳大利亚新南威尔士大学的物质能源实验室，成功试验了利用水和光生成了氢能源,8.2 硼,8.2.1 硼的成键特征

5、和单质硼的结构,8.2.2 硼的氢化物与卤化物,8.2.3 硼的含氧化合物,8.2.1 硼的成键特征和单质硼的结构,1.存在,硼砂(Na2B4O710H2O)， 四水硼砂(Na2B4O74H2O)， 天然硼酸(H3BO3)， 硼镁矿(Mg2B2O5H2O)。,在自然界中硼的存在形式有：,（1）共价性常采用sp2或sp3杂化，不能形成多重键。（2）缺电子性可与具有孤对电子的配体形成配键，还可形成多中心少电子键。（3）多面体习性晶态硼和许多硼的化合物为多面体或多面体的碎片而成笼状或巢状等结构。 硼的化学主要表现在缺电子性质上。,2.成键特征,3.单质硼,单质硼有无定形硼和晶体硼两种。,B12二十面

6、体,晶体硼,无定形硼粉,单质硼的化学性质,（1）在高温下能与非金属单质如O2、X2、S、N2等反应 （2）赤热的硼与水蒸气反应: 2B+6H2O(g)=2B(OH)3+3H2（3）只能与氧化性酸如浓硝酸,浓硫酸反应: B+3HNO3=H3BO3+3NO2（4）与浓碱反应: 2B+2NaOH(浓)+2H2O=2NaBO2+3H2 2B+6NaOH(熔融)=2Na3BO3+3H2,1.硼烷的结构和性质,（1）乙硼烷的结构,在B2H6分子中,每个B原子都采用sp3杂化.每个B原子的4条杂化轨道中2条与两个H原子形成键.B2H6分子中4个键在同一平面.另外 由一个氢原子的1s轨道与两个硼原子的sp3杂

7、化轨道共用2个电子形成的两个垂直于键组成的平面的三中心二电子键,又称 硼氢桥键.,8.2.2 硼的氢化物与卤化物,简化成,综上所述：在B2H6分子中共有两种键：B-H(2c-2e)硼氢键(键)和(3c-2e)硼氢桥键。,(2) 乙硼烷的性质,B2H6具有强还原性，能与卤素、氧气反应，在空气中易燃易爆，放出大量热量。,容易水解,加合反应,（1）三卤化硼,B采用sp2杂化,同时还存在1个46的大键,分子构型为平面正三角形.,均为共价化合物,熔沸点都较低,易溶于非极性溶剂.都易于水解,是强的路易斯酸.BX3+3H2O=B(OH)3+3HX(X=Cl,Br,I)4BF3+3H2O=3HBF4+B(OH

8、)3,2.硼的卤化物,3.氟硼酸,氟硼酸是一种强酸,仅存在于溶液中。,已知:BF3+HF=HBF4,但CF4HF不反应,请简单说明原因.,解:因BF3中B原子具有1条空轨道,作为中心原子,可与具有孤对电子的配体(如F-)形成配合物.而CF4中C所有价轨道已经用完，不具有空轨道, 所以不能与HF发生配位反应.,问题,1.硼的氧化物及含氧酸,（1）硼酸的结构,在H3BO3的晶体中,每个硼原子用3个sp2杂化轨道与3个氢氧根中的氧原子以共价键相结合(见下图b)。每个氧原子除以共价键与一个硼原子和一个氢原子相结合外，还通过氢键同另一H3BO3单元中的氢原子结合而连成片层结构(如下图C)，层与层之间则以

9、范德华力相吸引。,8.2.3 硼的含氧化合物,(c)H3BO3结构,它显酸性并不是因为它本身给出质子，而是由于硼是缺电子原子，它加合了来自H2O分子的OH-(其中氧原子有孤电子对)而释出H+离子。,（2）性质, H3BO3是一元弱酸, Ka610-10。, 与醇的反应,H3BO3与多羟基化合物(如甘油或甘露醇等)反应,可使硼酸的酸性大为增强.,硼酸根的鉴别反应,H3BO3+3CH3OH=B(OCH3)3+3H2O,在浓H2SO4存在条件下, 生成挥发性硼酸酯燃烧所特有的绿色火焰来鉴别硼酸根.,2.硼酸盐,（1）硼砂：分子式:Na2B4O5(OH)48H2O或简写为Na2B4O7,硼酸根的结构：

10、,（3）硼砂珠试验Na2B4O7+CoO=2NaBO2Co(BO2)2(蓝宝石色)（4）硼砂水解 硼砂是弱酸强碱盐,水溶液呈碱性： B4O5(OH)42-+5H2O=2H3BO3+2B(OH)4-其稀溶液可作缓冲溶液,pH为9.23.,（2）与酸反应制H3BO3,8.3 碳和硅,8.3.1 碳的成键特征和碳单质,8.3.2 碳的含氧化合物,8.3.3 碳的其它化合物,8.3.4 硅的成键特征和硅单质,8.3.5 硅的含氧化合物,8.3.6 硅的其它化合物,1.碳的成键特征,碳的价电子构型为2s22p2，只有sp、sp2、sp3三种杂化。因碳碳单键键能特别大(374 kJmol1)，易形成同原子

11、长链分子，构成种类繁多的有机物。另外C易形成双键、叁键，其最高配位数为4。,8.3.1碳的成键特征和碳单质,sp杂化,sp2杂化,sp3杂化,(1) 单质的物理性质,2.单质,碳常温下很稳定，但高温下既可与氧,氢,硫,硅,硼等非金属化合,又可与钙,铁,铝或它们的氧化物共同强热生成碳化物。工业上常用做还原剂,冶炼金属和制造水煤气: CaO + 3C = CaC2 + CO 3C + Fe2O3 = 2Fe + 3CO C(红热) + H2O(g) = H2 + CO 单质碳不和一般酸,碱反应,但氧化性的浓酸可以使其氧化,如: C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O,（2）单质

12、的化学性质,8.3.2.1 氧化物,1.一氧化碳,（1）结构,8.3.2 碳的含氧化合物,一氧化碳分子偶极矩（0.112 D）很小。,（2）性质,CO在常温下可作还原剂,在高温下为强还原剂.它也是很好的无机配体,能与一些金属原子或离子形成配合物,如Fe(CO)5、Ni(CO)4和Cr(CO)6等。CO可被亚铜盐的氨水溶液或盐酸溶液吸收。 Fe2O3+3CO = 2Fe+3CO2Cu(NH3)2CH3COO+CO+NH3=Cu(NH3)3COCH3COO醋酸二氨合铜(I)醋酸羰基三氨合铜(I),CO+PdCl2+H2O CO2+2HCl+Pd,2.二氧化碳,（1）结构,（2）性质,化学性质不活泼

13、，高温下能与碳或活泼金属镁、钠等反应。是酸性氧化物，它能与碱反应。,CO2 + 2Mg = 2MgO+ C,CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O,8.3.2.2 碳酸和碳酸盐,1.碳酸,（1）结构,（2）性质,二元弱酸，其饱和溶液的浓度为0.04mol/L, pH为3.9。Ka1= 4.2107、Ka2=4.71011,分子构型,2.碳酸盐,（1）结构,HCO3-,HCO32-,一个34,一个46,（2）性质,（A）溶解性：所有碳酸氢盐都溶于水。正盐中只有铵盐和碱金属的盐溶于水。 反常现象：可溶性碳酸氢盐的溶解度反小于其正盐.,（B）水解性,Al3+,Cr3+和Fe3+等的碳酸

14、盐完全水解 2M3+3CO32-+3H2O=2M(OH)3+3CO2 (M=Al,Cr,Fe) 有些金属离子如Cu2+,Zn2+,Pb2+和Mg2+等,与CO32-反应得到碱式碳酸盐. 2Cu2+2CO32-+H2O=Cu2(OH)2CO3+CO2,加入CaCl2，立即产生白色沉淀的是Na2CO3；刚加入后无现象，但再加入NH3水后出现白色沉淀的是NaHCO3。Ca2+ + CO32-=CaCO3加入NH3 Ca2+HCO3-+NH3=NH4+CaCO3配制成溶液，用pH试纸检测，pH值大的是Na2CO3，小的是NaHCO3(不是太准确).,加热有利于HCO3-解离出CO32-而生成沉淀. 2

15、Mg2+4HCO3=Mg(OH)2MgCO3+3CO2+H2O,8.3.3 碳的其它化合物,（1）CS2：非极性溶剂,结构与CO2相似.分子中存在2个34大键。二硫化碳是一种重要的非极性溶剂。,（2）CCl4：非极性分子, 对称性好, 稳定性高,不水解, 不与酸碱反应, 对金属铁、铝等有腐蚀作用.CCl4是实验室常用的不燃溶剂,可溶解树脂和油脂，也可作为灭火剂.,常采用sp3或sp3d2杂化,较难自相成键,最高配位数为6.不能形成p-p键,无多重键,而倾向于以较多的单键形成聚合体.与氧结合能力非常强,又叫亲氧元素.,2.成键特征,8.3.4 硅的成键特征和硅单质,自然界中硅的丰度为25.9%，在所有元素中含量居第二位。因硅易与氧结合，在自然界中以化合物，如二氧化硅或硅酸盐等的形式存在。,1.存在,3.性质,单质硅可与金属，非金属反应，与酸和碱均可作用。3Si+4HNO3+18HF=3H2SiF6+4NO+8H2O Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2,