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1、第十一章 金属元素,11.1 元素概述 11.2 s区元素 11.3 ds区元素 11.4 d区元素,学习要求,1掌握s区元素的通性和重要化合物的性质 2熟悉ds区重要元素及其化合物的性质 3掌握d区元素的特性和重要化合物性质,元素化学是研究元素所组成的单质和化合物的制备、性质及其变化规律的一门学科，它是各门化学学科的基础。 元素及其化合物性质对工农业生产及人类生活产生着巨大的影响义。本章仅对一些金属元素的性质作一概述，并对一些重要元素及其化合物作简单介绍。,11.1 元素概述,11.1.1 元素分布 迄今为止，人类已经发现的元素和人工合成的元素共112种，其中地球上天然存在的元素有92种。元
2、素在地壳中的含量称为丰度，常用质量分数来表示。 地壳包括岩石圈、水圈、大气圈，约占地球总重量的0.7%。地壳中含量居前十位元素见表11-1。,表11-1 地壳中主要元素的质量百分数 由表可知，这10种元素占了地壳总质量的99.2%。而且轻元素含量较高，重元素含量较低。,海洋是元素资源的巨大宝库，人类一直在探索、开发海洋资源。表11-2列出海水中含量较大的前7种元素（不包括H、O） 表11-2 海水中元素含量（未计水和溶解气体量）,另外，海水中尚含有C、Sr、B、Si、Al、F、N、Rb、Li、I及微量的U、Zn、Cu、Mn、Ag、Au、Ra等，共约50余种元素。大多以无机盐形式存在于海水中。
3、由于海水的总体积（约1.4109km3）十分巨大，虽然某些元素的百分含量极低，但在海水中的总含量却十分惊人，如I2总量达7.01013Kg（而I元素的质量百分数仅为0.000005）。因此，海洋是一个巨大的物资库。,大气也是元素的重要自然资源，世界上向大气索取O2、N2、稀有气体等物资，每年数以万吨计。 表11-3 大气的主要成份（未计入水蒸气的量）,11.1.2.元素分类,根据研究目的的不同，元素的分类常见的有三种： 1金属与非金属 在元素周期表中，以BSiAsTeAt和AlGeSbPo两条对角线为界： 处于对角线左下方元素的单质均为金属，包括s区、ds区、d区、f区及部分p区元素； 处于对
4、角线右上方元素的单质为非金属，仅为p区的部分元素； 处于对角线上的元素称为准金属，其性质介于金属和非金属之间，大多数的准金属可作半导体。,2普通元素和稀有元素 根据元素在自然界中的分布及应用情况来分： 稀有元素一般指在自然界中含量少，或被人们发现的较晚，或对它们研究的较少，或提炼它们比较困难，以致在工业上应用也较晚的元素。 前四周期（Li，Be，稀有气体除外），ds区元素为普通元素，其余为稀有元素。 通常稀有元素也可继续分为：轻稀有金属、高熔点稀有金属、分散稀有元素、稀有气体、稀土金属、放射性稀有元素等。,3生命元素与非生命元素 根据元素的生物效应不同来分。 生命元素又可根据在人体中的含量及作
5、用再进行细分，可分为人体必需元素（essential elements）（包括宏量元素和微量元素）和有毒元素（toxic elements）。,11.2 s区元素,11.2.1 s区元素的通性 位于元素周期表中的IA族和IIA族，分别称为碱金属和碱土金属。 IA族除H外，有Li，Na，K，Rb，Cs，Fr共6个元素； IIA族有Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Ra共6个元素。其中Fr和Ra为放射性元素。,1电子构型,s区元素（除H外）的价电子构型分别为ns1、ns2 在同周期中，它们具有较小的电离能、较大的原子半径，易失去外层电子，表现出金属性，其稳定氧化值为+1（IA）和+2（IIA）。 它们
6、的化合物（除Li、Be外）均为离子型化合物。,2物理性质,s区元素（除H外）的单质均为金属，具有金属光泽。 它们的金属键较弱，因此，具有熔点低、硬度小、密度小等特点。 另外，s区元素还具有良好的导电性能和传热性质。,3化学性质,s区元素（除H外）的电负性和电离能均较小，表现出典型的金属性。 在同周期中，它们是最活泼的金属，在同族中，其金属活泼性从上到下依次增大，即还原性依次增强。 可以与氧、卤素、氢、水和酸等多种物质发生反应，在反应中，它们均是强还原剂。 碱金属与具有相同电子层的碱土金属相比，核电荷少，原子半径大，原子核吸引外层电子的能力弱，最外层电子更易失去，即碱金属的还原性比碱土金属的还原
7、性强。,A A Li Be 原子半径增大 Na Mg 电离能、电负性减小 K Ca 金属性、还原性增强 Rb Sr Cs Ba 原子半径减小 电离能、电负性增大 金属性、还原性减弱,11.2.2 重要元素及其化合物,金属钠 在自然界中，钠元素都以化合物的形式存在。 金属钠的制备：电解熔融的氯化钠或氢氧化钠。 钠质软可切，呈银白色，是电、热的良导体。 在潮湿的空气中，金属钠会马上失去金属光泽。 钠比水轻，可以浮在水的表面与水发生剧烈反应，并放出大量的热。它还可与酸、卤素、氧、氢、醇等剧烈反应。因此，金属钠通常存放于煤油中。,1. 氧化物,（1）正常氧化物,锂和所有碱土金属在空气中燃烧： 4Li
8、+ O2 = 2Li2O 2M + O2 = 2MO,其它碱金属：用金属与它们的过氧化物或硝酸盐作用而得到。例如： Na2O2 + 2Na = 2Na2O 2KNO3 + 10K = 6K2O + N2 碱土金属的碳酸盐、硝酸盐、氢氧化物等热分解。 例如： MCO3 = MO + CO2 碱土金属氧化物具有较大的晶格能，熔点都很高，硬度也很大。除BeO外，由MgO到BaO，熔点依次降低。 BeO和MgO可作耐高温材料，CaO是重要的建筑材料，也可由它制得价格更便宜的碱Ca(OH)2。,氧化镁,氧化镁俗称苦土，白色粉末，碱性氧化物，难溶于水，熔点约为2850，可作耐火材料，制备坩埚、耐火砖、高温
9、炉的衬里等； 医学上将纯的MgO用作抑酸剂，以中和过多的胃酸，还可作轻泻剂。 含有MgO的滑石粉（3MgO4SiO2H2O）广泛用于造纸、橡胶、颜料、纺织、陶瓷等工业，也作为机器的润滑剂。,俗称生石灰，熔点2615，也可作耐火材料。 吸湿性强，可作干燥剂。微溶于水，并与水作用生成Ca(OH)2，放出大量的热。 具有碱性氧化物的通性，高温下能与SiO2等化合： CaO+SiO2 CaSiO3 3CaO+P2O5 Ca3(PO4)2 在冶金工业中，利用这两个反应，可将矿石中的Si、P等杂质以炉渣形式除去。 氧化钙还广泛地用于制造漂白粉、电石及建筑方面。 氧化镁与氧化钙的制备：煅烧相应的碳酸盐矿。,
10、氧化钙,（2）过氧化物,过氧化钠Na2O2是最常见的碱金属过氧化物。将金属钠在铝制容器中加热到300，并通入不含二氧化碳的干燥空气，得到淡黄色的Na2O2粉末： 2Na + O2 = Na2O2,过氧化钠与水或稀酸在室温下反应生成过H2O2，由于反应放出大量的热，而使H2O2迅速分解： Na2O2 + 2H2O = 2NaOH + H2O2 Na2O2 + 2H2SO4（稀） = Na2SO4 + H2O2 2 H2O2 = 2 H2O + O2,Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2 该反应用于防毒面具、高空飞行和潜水作业等 Na2O2本身相当稳定，但遇到棉花、木炭或铝粉等还
11、原性物质时，就会引起燃烧或发生爆炸，因此使用Na2O2时应当注意安全，工业上Na2O2被列为强氧化剂。 在碱性介质中，它也可体现出很强的氧化性，在分析化学中常用作分解矿石的溶剂。例如： Cr2O3 + 3Na2O2 = 2Na2CrO4 + Na2O MnO2 + Na2O2 = Na2MnO4,过氧化钠的主要用途是作氧化剂和氧气发生剂，此外，还用作消毒剂以及纺织、纸浆的漂白剂等。 钙、锶、钡的氧化物与过氧化物作用，得到相应的过氧化物： MO + H2O2 +7H2O = MO28H2O 工业上过氧化钡的制备： 2BaO + O2 = 2BaO2,600-800,(3) 超氧化物,钾、铷、铯在
12、过量的氧气中燃烧可直接生成超氧化物。 如： K + O2 = KO2,超氧化物与水反应生成H2O2，同时放出O2。例如： 2KO2 + 2H2O = 2KOH + H2O2 +O2 Ba(O2) 2 + 2H2O = Ba(OH) 2 + H2O2 + O2,与CO2作用也会有O2放出。例如： 4KO2 + CO2 = 2K2CO3 + 3O2 2Ba(O2) 2+ 2CO2 = 2BaCO3 + 3O2,超氧化物可作供氧剂，还可作氧化剂。,2氢氧化物,白色固体，易吸收空气中的CO2变为相应的碳酸盐，也易在空气中吸水而潮解，故固体NaOH和Ca(OH)2常用作干燥剂。 碱金属的氢氧化物在水中都
13、是易溶的，溶解时放出大量的热。 碱土金属的氢氧化物的溶度则较小，其中Be(OH)2和Mg(OH)2是难溶的氢氧化物。 这两族氢氧化物的碱性递变次序如下:,LiOH NaOH KOH RbOH CsOH 中强碱 强碱 强碱 强碱 强碱 Be(OH) 2 Mg(OH) 2 Cs(OH) 2 Sr(OH) 2 Ba(OH) 2 两性 中强碱 强碱 强碱 强碱,碱金属、碱土金属氢氧化物的碱性和溶解度递变规律可以归纳如下： 溶 碱 LiOH Be(OH) 2 解 性 NaOH Mg(OH) 2 性 增 KOH Ca(OH) 2 增 强 RbOH Sr(OH)2 大 CsOH Ba(OH)2 碱性增强 溶
14、解度增大（溶解度为质量分数）,氢氧化钠（钾）,氢氧化钠（钾）俗称苛性钠（钾）也称烧碱，工业上通常是电解氯化钠（钾）溶液而制得。 NaOH(KOH)是白色固体，极易吸水和空气中的CO2，吸收CO2后变成Na2CO3（K2CO3）。所以固体NaOH是常用的干燥剂。 NaOH(KOH)的水溶液呈强碱性，可以与酸反应，也可与许多金属和非金属的氧化物反应生成钠（钾）盐。 NaOH(KOH)既是重要的化学实验试剂，也是重要的化工生产原料。主要用于精炼石油、肥皂、造纸、纺织、洗涤剂等生产。,3. 重要盐类,（1）晶型 它们的卤化物多为离子型晶体，熔点均较高。碱金属氟化物或氯化物的熔点在同一族中从上到下逐渐降
15、低（除Li外），而碱土金属氟化物或氯化物的熔点从上到下逐渐升高 。 (2) 溶解性 碱金属的盐类大多数易溶于水，仅少数碱金属盐是难溶的。 碱土金属的盐比相应碱金属的盐溶解度小。除卤化物和硝酸盐外，多数碱土金属的盐溶解度较小，而且不少是难溶的。,(3) 热稳定性 碱金属盐一般具有较高的热稳定性，唯有硝酸盐的热稳定性差，加热易分解。例如： 4LiNO3 = 2Li2O + 2NO2+ O2 2NaNO3 = 2NaNO2 + O2 碱土金属盐类的热稳定性较碱金属相应盐类的差，但在常温下也都是稳定的。,650,830,碳酸钠与碳酸氢钠,碳酸钠（Na2CO310H2O）俗称纯碱或苏打，易溶于水，水溶液有较强的碱性。 碳酸钠大量用于玻璃、搪瓷、肥皂、造纸、纺织、洗涤剂的生产和有色金属的冶炼中，是制备其它钠盐或碳酸盐的原料。 工业上常用氨碱法生产碳酸钠： NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3+NH4Cl 2NaHCO3=Na2CO3+H2O+CO2 碳酸氢钠俗称小苏打，白色粉末，在水中溶解度不大，水溶液呈弱碱性。主要用于医药和食品工业中。,氯化钠,俗称食盐，易溶于水，溶解度受温度影响较小。 在人体中NaCl的含量约占0.9%。 可作食品调味剂和防腐剂，其冰盐混合物还可作致冷剂。 是
