第十一章 元素化学（Chemistry of Element） 11.1 元素概述 11.2 s区元素 11.3 p区元素 11.4 d区元素 11.5 ds区元素学习要求l1．了解元素的分布及其分类l2．熟悉重要元素及其化合物的性质l3．掌握s区、p区、d区、ds区元素性质 的一般规律l4．了解元素化学的一些新进展l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 影响义本章仅对各区元素的性质 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 l11.1.1 元素分布l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种元素在地壳中的含量 称为丰度，常用质量分数来表示l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 l 表11-1 地壳中主要元素的质量百分数l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。
元素 O Si Al Fe Ca Na K Mg H Ti 质量百分数 48.6 26.3 7.73 4.75 3.45 2.74 2.47 2.00 0.76 0.42l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） l表11-2 海水中元素含量（未计水和溶解气体量）元素 Cl Na Mg S Ca K Br 质量百分数 1.8980 1.0561 0.1272 0.0884 0.0400 0.0380 0.0065 l除上表所列元素外，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余种元素这些元素大多与其它 元素结合成无机盐的形式存在于海水中 由于海水的总体积（约1.4×109Km3） 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7.0×1013Kg（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l大气也是元素的重要自然资源，世界上向 大气索取的O2、N2、稀有气体等物资， 每年数以万吨计l 表11-3 大气的主要成份（未计入水蒸气的量） 气体体积积分数﹪ ﹪质质量分数 ﹪ ﹪气体体积积分数﹪ ﹪质质量分数 ﹪ ﹪ N278.0975.51CH40.000220.00012 O220.9523.15Kr0.000110.00029Ar0.9341.28N2O 0.00010.00015 CO20.03140.046H20.000050.000003 Ne0.001820.00125Xe0.00000870.000036 He0.000520.000072O30.0000010.00003611.1.2.元素分类l根据研究目的的不同，元素的分类常见的有三种 ：l1．金属与非金属l根据元素的性质进行分类，分为金属与非金属l在元素周期表中，以B—Si—As—Te—At和Al— Ge—Sb—Po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。
l2．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，将元 素分为普通元素和稀有元素稀有元素一般指在 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l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l3．生命元素与非生命元素l根据元素的生物效应不同，又分为有生 物活性的生命元素和非生命元素l生命元素又可根据在人体中的含量及作 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ls区元素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ls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）。
它们的化合物（ 除Li、Be外）均为离子型化合物2．物理性质ls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ls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 原性依次增强它们可以与氧、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l碱金属与具有相同电子层的碱土金属相 比，碱金属的核电荷少，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 土金属的还原性强11.2.2重要元素及其化合物l1．金属钠l在自然界中，钠元素都以化合物的形式存在 金属钠常用电解熔融的氯化钠或氢氧化钠的方 法制得l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2．氢氧化钠（钾）l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．碳酸钠与碳酸氢钠l碳酸钠俗称纯碱或苏打，通常是含10个 结晶水的白色晶体（Na2CO3·10H2O）， 在空气中易风化而逐渐碎裂为疏松的粉 末，易溶于水，其水溶液有较强的碱性 ，可在不同反应中作碱使用，这也是人 们称其为纯碱的原因l碳酸钠是一种基本化工原料，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，它还是制备其 它钠盐或碳酸盐的原料l工业上常用氨碱法生产碳酸钠：lNaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3↓+NH4Cll2NaHCO3=Na2CO3+H2O↑+CO2↑l碳酸氢钠俗称小苏打，白色粉末，可 溶于水，但溶解度不大，其水溶液呈 弱碱性主要用于医药和食品工业中 4．氯化钠l氯化钠俗称食盐，是日常生活中和工业 生产中不可缺少的化合物。
氯化钠也是 制造其它钠、氯化合物的常用原料在 自然界中，氯化钠资源非常丰富，海水 、内陆盐湖、地下卤水及盐矿都蕴藏着 丰富的盐资源l氯化钠为透明晶体，味咸，易溶于水， 其溶解度受温度影响较小它是人和动 物所必需的物质，在人体中NaCl的含量 约占0.9%NaCl可作食品调味剂和防腐 剂，其冰盐混合物还可作致冷剂它是 制取金属Na、NaOH、Na2CO3、Cl2和 HCl等多种化工产品的基本原料5．氧化镁与氧化钙l氧化镁俗称苦土，是一种白色粉末，具 有碱性氧化物的通性，难溶于水，熔点 约为2850℃，可作耐火材料，制备坩埚 、耐火砖、高温沪的衬里等；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 （3MgO·4SiO2·H2O）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l氧化钙俗称生石灰，是一种白色块状或粉末状 固体，熔点为2615℃，也可作耐火材料氧化 钙吸湿性强，可作干燥剂它微溶于水，并与 水作用生成Ca(OH)2，放出大量的热氧化钙 也具有碱性氧化物的通性，高温下能与SiO2、 P2O5等化合：lCaO+SiO2 → CaSiO3l3CaO+P2O5 → Ca3(PO4)2l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l氧化镁与氧化钙通常都用煅烧相应的碳 酸盐矿的方法来制备6．氯化镁与氯化钙l氯化镁常以MgCl2·6H2O形式存在，其为无色 晶体，味苦，易吸水MgCl2·6H2O受热到 530℃以上，分解为MgO和HCl气体lMgCl2·6H2O MgO+2HCl↑+5H2Ol因此，欲得到无水MgCl2，必须在干燥的HCl 气流中加热MgCl2·6H2O，使其脱水无水 MgCl2是制取金属镁的原料纺织工业中用 MgCl2来保持棉纱的湿度而使其柔软从海水 中制得不纯MgCl2·6H2O的盐卤块，工业上常 用于制造MgCO3和其它镁的化合物l氯化钙极易溶于水，也溶于乙醇将 MgCl2·6H2O加热脱水，可得到白色多孔 的无水CaCl2无水CaCl2有很强的吸水 性，实验室常用作干燥剂但不能干燥 NH3气及酒精，因为它们会形成 CaCl2·4NH3、CaCl2·4C2H5OH等 CaCl2水溶液的冰点很低（当质量分数为 32.5%时，其冰点为-50℃），它是常用 的冷冻液，工业上称其为冷冻盐水7．硫酸钙和碳酸钙l硫酸钙常含结晶水，CaSO4·2H2O俗称石膏， 为无色晶体，微溶于水，将其加热到120℃左 右，部分脱水转变为熟石膏。
l2CaSO4·2H2O （CaSO4）2·H2O+3H2Ol此为可逆反应，若将熟石膏加水混合成糊状后 放置一段时间，又会变成CaSO4·2H2O，逐渐 硬化并膨胀，故用以制模型、塑像、粉笔和石 膏绷带还用于生产水泥和轻质建筑材料l碳酸钙为白色粉末，难溶于水，溶于酸 和NH4Cl溶液碳酸钙也很容易溶解在含 有二氧化碳的水中形成易溶于水的碳 酸氢钙：lCaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2l而在一定条件下，含 有Ca(HCO3)2的水流 经岩石又会分解：lCa(HCO3)2=CaCO3+CO2 +H2Ol石灰岩溶洞及钟乳石 的形成就是基于上述 反应碳酸钙常用于 制CaO、CO2、发酵 粉和涂料等11.3 p区元素11.3.1 p区元素的通性lp区元素包括ⅢA至VⅢA六个主族，目前 共有31个元素，是元素周期表中唯一包 含金属和非金属的一个区因此，该区 元素具有十分丰富的性质1．电子构型lp区元素价电子构型为ns2np1~6，在同周 期元素中，由于p轨道上电子数的不同而 呈现出明显不同的性质，如13号元素铝 是金属，而16号元素硫却是典型的非金 属在同一族元素中，原子半径从上到 下逐渐增大，而有效核电荷只是略有增 加。
因此，金属性逐渐增强，。