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1、第第9章章 元素概元素概论9.1 元素概述元素概述9.2 氢9.3 稀有气体稀有气体9.4 氢化物化物迄今为止，已经发现的与人工合成的元素迄今为止，已经发现的与人工合成的元素112种，自然界天种，自然界天然存在然存在92种，其余为人工合成元素。种，其余为人工合成元素。元素的发现元素的发现元素概述元素概述9.1.1 元素的分类元素的分类v性质性质金属元素，金属元素，90种种 4/5非金属元素，非金属元素，22种种 1/5元素概述元素概述112Uub111Uuu110Uun109Mt108Hs107Bh106Sg105Db104Rf89-103An88Ra87Fr786Rn85At84Po83Bi
2、82Pb81Tl80Hg79Au78Pt77Ir76Os75Re74W73Ta72Hf57-71Ln56Ba55Cs654Xe53I52Te51Sb50Sn49In48Cd47Ag46Pd45Rh44Ru43Tc42Mo41Nb40Zr39Y38Sr37Rb536Kr35Br34Se33As32Ge31Ga30Zn29Cu28Ni27Co26Fe25Mn24Cr23V22Ti21Sc20Ca19K418Ar17Cl16S15P14Si13AlBBBBBBB12Mg11Na310Ne9F8O7N6C5B4Be3Li22HeAAAAAA1H10IA轻稀有元素轻稀有元素铂系元素铂系元素稀土元素稀土元
3、素分散稀有元素分散稀有元素稀有气体稀有气体高熔点稀有元素高熔点稀有元素亮绿色符号亮绿色符号 放射性稀有元素放射性稀有元素v存在的数量存在的数量普通元素普通元素稀有元素稀有元素含量少，发现晚含量少，发现晚研究少，应用晚研究少，应用晚元素概述元素概述HeNeArKrXeRnHLiNaKRbCsFrBeMgCaSrBaRaScYLa系系Ac系系TiZrHfVNbTaCrMoWMnTcReFeRhOsCoRhIrNiPdPtCuAgAuZnCdHgBAlGaInTlCSiGeSnPbOSSeTePoFClBrIAtNPAsSbBi金属晶体金属晶体分子晶体分子晶体原子晶体原子晶体金属晶体金属晶体原子晶体
4、原子晶体层状或链状层状或链状分子晶体分子晶体元素概述元素概述主族元素单质主族元素单质典型金属晶体典型金属晶体原子晶体、层状或链状晶体原子晶体、层状或链状晶体分子晶体分子晶体v同周期元素同周期元素，自左向右，自左向右熔点、沸点：熔点、沸点： 低低高高低低密度、硬度：密度、硬度： 小小大大小小导电性：导电性： 导体导体半导体、非导体半导体、非导体v同族元素同族元素，自上而下，自上而下分子晶体或原子晶体分子晶体或原子晶体金属晶体金属晶体熔点和沸点决定于物质的晶体类型熔点和沸点决定于物质的晶体类型元素概述元素概述v均为金属晶体均为金属晶体副族元素单质副族元素单质v一般具有较高的熔点和沸点一般具有较高的
5、熔点和沸点熔点最高的是熔点最高的是 W 3410v具有较大的密度和硬度具有较大的密度和硬度(IIIB和和IIB除外除外)硬度最大的是硬度最大的是Cr(仅次于金刚石仅次于金刚石)密度最大的依次是密度最大的依次是Os、Ir、Ptv易导电易导电Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Tc、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Zn、Cd、Hg、Al、Ge、In、Si、Ge、Sn、Pb、Li、Be、La、Eu、Th、Pa、Am 等等具有超导性质的元素具有超导性质的元素元素概述元素概述v游离态游离态气态非金属单质，如：气态非金属单质，如：N2、O2、H2、稀有气体等；、稀有气体等；固态非金属单质，如：固态
6、非金属单质，如：C，S等；等；金属单质，如：金属单质，如：Hg、Ag、Au等；等；9.1.2 元素在自然界中的存在形态元素在自然界中的存在形态石膏石膏 CaSO4重晶石重晶石 BaSO4芒硝芒硝 Na2SO4.10H2O 等等IIA元素难溶的碳酸盐，元素难溶的碳酸盐， IIA元素硫酸盐元素硫酸盐菱镁矿菱镁矿 MgCO3白云石白云石 CaMg(CO3)2方解石方解石 CaCO3等等v化合态化合态IA、IIA中的中的Mg与与VIIA形成的离子化合物形成的离子化合物NaCl、KCl、CaF2等等元素概述元素概述准金属（准金属（B除外）及除外）及IB和和IIB的难溶硫化物的难溶硫化物辉锑矿辉锑矿 Sb
7、2S3 辉铜矿辉铜矿 Cu2S、闪锌矿闪锌矿 ZnS 辰沙矿辰沙矿 HgS等。等。IIIBVIIB族过渡元素主要以稳定的氧化物形式存在族过渡元素主要以稳定的氧化物形式存在金红石金红石 TiO2 铬铁矿铬铁矿 FeO Cr2O3软锰矿软锰矿 MnO2 磁铁矿磁铁矿 Fe3O4赤铁矿赤铁矿 Fe2O3等。等。元素概述元素概述9.1.3 元素的分布和我国的自然资源元素的分布和我国的自然资源各种元素在地球上的含量相差极为悬殊：各种元素在地球上的含量相差极为悬殊： 较轻较轻的元素含量较的元素含量较多多，较重较重的元素含量较的元素含量较少少； 原子序数为原子序数为偶数偶数的含量较的含量较多多，原子序数为，
8、原子序数为奇数奇数的含量较的含量较少少各元素在地壳中平均含量的百分数各元素在地壳中平均含量的百分数 丰度丰度丰度表示方法丰度表示方法质量百分数质量百分数原子百分数原子百分数质量质量clarke值值原子原子clarke值值上述上述10种元素在组成地壳的原子总数中约占种元素在组成地壳的原子总数中约占99 %1.08K0.221.391.481.501.955.5316.6716.9552.32含量含量%TiMgCaFeNaAlSiHO元素元素v地壳中分布最广的地壳中分布最广的10种元素种元素元素概述元素概述v我国元素资源我国元素资源我国的矿物资源非常丰富，已探明的达我国的矿物资源非常丰富，已探明的
9、达148种，其中种，其中W、Li、Sb、Zn及稀土居世界之首，稀土矿总储量占世界的及稀土居世界之首，稀土矿总储量占世界的80%。Sn、Mo、Bi、Pb、Hg、Nb、Ta、Be等矿物储量均居世等矿物储量均居世界前列，钛铁矿居世界第一。界前列，钛铁矿居世界第一。Al、Cu、Ni的储量也很大的储量也很大我国铁矿、铜矿、磷矿多为贫矿，钾盐、天然碱、天然硫、我国铁矿、铜矿、磷矿多为贫矿，钾盐、天然碱、天然硫、金刚石等资源少，金、银、铂等更为稀少金刚石等资源少，金、银、铂等更为稀少非金属矿物如非金属矿物如P、S、石墨矿和硼矿储量也很高、石墨矿和硼矿储量也很高元素概述元素概述v物理分离法物理分离法适用于分离
10、或提取在物理性质（如密度、沸点）上有显著差适用于分离或提取在物理性质（如密度、沸点）上有显著差异的混合物。异的混合物。如：氧气、氮气的分离如：氧气、氮气的分离在加热的情况下，热稳定性差的某些金属化合物分解为金属在加热的情况下，热稳定性差的某些金属化合物分解为金属单质，这种方法主要用于过度元素单质的制备。单质，这种方法主要用于过度元素单质的制备。如：精制如：精制Ni循环使用循环使用v热分解法热分解法v电解法电解法适用于适用于活泼的金属和活泼的金属和非金属单质的制备。非金属单质的制备。如：如：9.1.4 单质的制取方法单质的制取方法元素概述元素概述采用氧化剂氧化化合物来制取单质。采用氧化剂氧化化合
11、物来制取单质。v化学氧化法化学氧化法v化学还原法化学还原法如：用空气氧化法从黄铁矿中提取硫如：用空气氧化法从黄铁矿中提取硫元素概述元素概述9.2.1 氢原子的性质及其成键特征氢原子的性质及其成键特征16世纪，注意到氢的存在，但并没有重视。世纪，注意到氢的存在，但并没有重视。v氢气的发现氢气的发现1766年，英国物理学家和化学家卡文迪什（年，英国物理学家和化学家卡文迪什（Cavendish H）用六种相似的反应制出了氢气。）用六种相似的反应制出了氢气。锌、铁、锡分别与盐酸或稀硫酸反应锌、铁、锡分别与盐酸或稀硫酸反应由于他是燃素学说的虔诚信徒，认为这是金属中含有的燃由于他是燃素学说的虔诚信徒，认为
12、这是金属中含有的燃素在金属溶于酸后放出，形成了这种素在金属溶于酸后放出，形成了这种“可燃空气可燃空气”，而不，而不是一种新气体是一种新气体 。1785年，化学家拉瓦锡（年，化学家拉瓦锡（Lavoisier A L）首次明确指出水）首次明确指出水是氢和氧的化合物，氢是一种元素。是氢和氧的化合物，氢是一种元素。将将“可燃空气可燃空气”命名为命名为“Hydrogen”水之源水之源希腊文希腊文Hydro 水，水，gene源源氢氢中文名中文名 英文名称英文名称 表示方法表示方法 符号符号 说明说明 含量含量%氕氕 (音撇音撇) protium 1H H 稳定同位素稳定同位素 99.98氘氘 (音刀音刀)
13、 deuterium 2H D 稳定同位素稳定同位素 0.016氚氚(音川音川) tritium 3H T 放射性同位素放射性同位素 0.004 * * 氕这个名称只在个别情况下使用，通常直接叫氢；氘有时又叫氕这个名称只在个别情况下使用，通常直接叫氢；氘有时又叫“重氢重氢”v氢的同位素氢的同位素2.20电负性电负性 72.8电子亲合能电子亲合能 (kJmol 1)1312电离能电离能(kJmol 1)37原子半径原子半径/pm 1, 0, +1氧化数氧化数1s1价层电子构型价层电子构型v成键特征成键特征失去价电子失去价电子H+结合一个电子结合一个电子H 与活泼金属形成离子型氢合物与活泼金属形成
14、离子型氢合物如：如：CaH2，NaH，KH等等与非金属形成共价型氢化物与非金属形成共价型氢化物如：如：H2S，H2O，HF等等氢氢9.2.2. 氢气的性质和用途氢气的性质和用途vv 物理性质物理性质0.187(空气的空气的5倍倍)热导率热导率(Wm 1K 1)903.74 vapHm(Jmol 1)117.15 fusHm(Jmol 1)8.98810 5(空气的空气的1/4倍倍)气体密度气体密度 (gcm-3) 252.77沸点沸点/ 259.23熔点熔点/无色、无臭、无味、密度小。无色、无臭、无味、密度小。熔、沸点低、难液化。熔、沸点低、难液化。扩散性好、导热性强、难溶扩散性好、导热性强、
15、难溶于水（于水（0 OC时时19.9 ml/L水水) )。氢氢氢分子在常温下不活泼。氢分子在常温下不活泼。H2的解离能相当大：的解离能相当大：氢气与非金属元素反应直接形成相应的氢化物氢气与非金属元素反应直接形成相应的氢化物 rHm = 92.1 kJ mol 1 rHm = 571.8 kJ mol 1 H22HD = 436 kJ.mol -1 氢气可氧化物或卤化物在高温下发生氧化还原反应氢气可氧化物或卤化物在高温下发生氧化还原反应v化学性质化学性质氢氢 氢气与活泼的金属在高温下反应生成离子化合物氢气与活泼的金属在高温下反应生成离子化合物 氢气可以参与一些重要的有机反应氢气可以参与一些重要的
16、有机反应高温下（高温下（2000K上上) ) H2分解为分解为H，常温下，常温下H将一些将一些金属氧金属氧化物或氯化物还原为金属化物或氯化物还原为金属2H + CuCl2 Cu + 2HClH能直接与硫作用能直接与硫作用2H + S H2S氢氢v用途用途 氢气作为能源的一个难题是氢的储存，氢气作为能源的一个难题是氢的储存，可利用某些过渡金属可逆地吸收和释放氢可利用某些过渡金属可逆地吸收和释放氢气的特性，达到储氢的目的。气的特性，达到储氢的目的。 目前研究较多的是目前研究较多的是Ti-Fe、Ti-Ni、La-Mg、La-Ni氢氢氨氨氮肥氮肥甲醇甲醇氢化油氢化油燃料电池燃料电池燃料燃料vv电解法电
17、解法电解法电解法电解电解15% 20% NaOH( KOH)水溶液，耗能大，效率仅水溶液，耗能大，效率仅32%文献报道，文献报道，383423K、10133039kPa下，效率可达下，效率可达 90%vv天然气，焦碳制氢气天然气，焦碳制氢气天然气，焦碳制氢气天然气，焦碳制氢气水煤气水煤气水煤气水煤气rHm =131.3kJ.mol-1 rHm = -41.4kJ.mol-1 水煤气与水蒸气一起通过红热的氧化铁，水煤气与水蒸气一起通过红热的氧化铁，CO变成变成 CO22106 Pa下，水洗涤下，水洗涤 CO2 、 H2 混合气体，分离出混合气体，分离出 H2 9.2.3 氢的制备方法氢的制备方法
18、氢氢用焦炭或天然气与水反应制用焦炭或天然气与水反应制 H2 ，都需在高温下进行。都需在高温下进行。供热方式：靠供热方式：靠“内部燃烧内部燃烧”放热。放热。 rHm = 393.7 kJ mol1 rHm = 803.3 kJ mol1 v光化学催化、太阳能分解水光化学催化、太阳能分解水三三(2,2联吡啶联吡啶) 合钌合钌()(a a) a*a*(已活化已活化) h光能光能v金属氢化物金属氢化物v两性金属两性金属Zn，Al或或B与碱液反应与碱液反应v实验室实验室甲烷转化甲烷转化 rHm =206.1 kJ mol 1氢氢9.3.1 稀有气体的存在和发现稀有气体的存在和发现6种稀有气体元素是在种稀
19、有气体元素是在1894-1900年间陆续被发现的。年间陆续被发现的。 1894年，英国物理学家瑞利（年，英国物理学家瑞利（Rayleigh J W S）与化学）与化学家家Ramsay 合作，除去空气中的合作，除去空气中的N2和和O2 ，用光谱分析鉴定，用光谱分析鉴定剩余气体，发现了剩余气体，发现了氩氩，被命名为，被命名为argon “懒惰懒惰”。1868年，法国天文学家简森年，法国天文学家简森(Janssen P J C)观察日全蚀时，观察日全蚀时，在太阳光谱上观察到一条黄线在太阳光谱上观察到一条黄线D3，这和钠光谱的，这和钠光谱的D1和和D2两条两条线不相同。同时，英国天文学家洛克耶尔线不相
20、同。同时，英国天文学家洛克耶尔(Lockyer J N)也观也观测到测到D3 。当时天文学家认为这条线只有太阳才有，并且还。当时天文学家认为这条线只有太阳才有，并且还认为是一种金属元素。认为是一种金属元素。 Lockyer把这个元素取名为把这个元素取名为helium，helio太阳神，太阳神，ium金属元素。金属元素。1895年，英国化学家莱姆赛（年，英国化学家莱姆赛（Ramsay W) 与特拉弗斯与特拉弗斯(Travers M W)用硫酸处理沥青铀矿时，产生一种不活泼的用硫酸处理沥青铀矿时，产生一种不活泼的气体，用光谱鉴定为气体，用光谱鉴定为氦氦，证实了氦也是一种稀有气体，这，证实了氦也是一
21、种稀有气体，这种元素地球上也有，并且是非金属元素。种元素地球上也有，并且是非金属元素。稀有气体稀有气体1898年年5月月30日，莱姆赛和特拉弗斯在大量液态空气蒸发后的日，莱姆赛和特拉弗斯在大量液态空气蒸发后的残余物中，发现了残余物中，发现了氪氪，他们把它命名为，他们把它命名为Krypton，即，即“隐藏隐藏”之意。隐藏于空气中多年才被发现。之意。隐藏于空气中多年才被发现。1898年年6月，莱姆赛和特拉弗斯在蒸发液氩时，收集了最先逸月，莱姆赛和特拉弗斯在蒸发液氩时，收集了最先逸出的气体，发现了出的气体，发现了氖氖，被命名为，被命名为neon“新的新的”，即从空气，即从空气中发现的新气体，也就是现
22、在中发现的新气体，也就是现在“霓虹霓虹”灯里的气体。灯里的气体。1898年年7月月12日，莱姆赛和特拉弗斯分馏液态空气，制得氪和日，莱姆赛和特拉弗斯分馏液态空气，制得氪和氖后，又把氪反复地分次萃取，又分离出比氪更重的新气体，氖后，又把氪反复地分次萃取，又分离出比氪更重的新气体，被命名为被命名为xenon陌生的。陌生的。1899年，英国物理学家欧文斯年，英国物理学家欧文斯(Owens R B)和卢瑟福和卢瑟福(Rutherford E) 研究钍的放射性时，发现钍射气研究钍的放射性时，发现钍射气氡氡-220。1900年，德国道恩年，德国道恩(Dorn F E)研究镭的放射性时，发现镭射气研究镭的放
23、射性时，发现镭射气氡氡-222。1902年，德国人吉赛尔年，德国人吉赛尔(Giesel F O)在锕的化合物中发现锕射在锕的化合物中发现锕射气气氡氡-219。稀有气体稀有气体1908年，莱姆赛确定镭射气是一种新元素，与已发现的其它年，莱姆赛确定镭射气是一种新元素，与已发现的其它稀有气体一样，是一种化学惰性的稀有气体元素。其它两种射稀有气体一样，是一种化学惰性的稀有气体元素。其它两种射气，是它的同位素。气，是它的同位素。1923年国际化学会议上命名这种新元素为年国际化学会议上命名这种新元素为radon，中文音译成，中文音译成氡氡，化学符号为，化学符号为Rn。氦、氖、氩、氪、氙、氡六种稀有气体位于
24、元素周期表的零族。氦、氖、氩、氪、氙、氡六种稀有气体位于元素周期表的零族。由于化学惰性，很久以来，它们被称为由于化学惰性，很久以来，它们被称为“惰性气体元素惰性气体元素”。1962年，加拿大工作的英国青年化学家巴特列特年，加拿大工作的英国青年化学家巴特列特(Bartlett N)首先合成出六氟合铂酸氙首先合成出六氟合铂酸氙XePtF6，动摇了长期禁锢人们思，动摇了长期禁锢人们思想的想的“惰性气体惰性惰性气体惰性”的形而上学的观念。的形而上学的观念。“惰性气体惰性气体”也随也随之改名为之改名为“稀有气体稀有气体”。稀有气体稀有气体9.3.2 稀有气体的原子结构、性质和用途稀有气体的原子结构、性质
25、和用途 稀有气体都是单原子分子，其熔点、沸点、溶解度、密度、稀有气体都是单原子分子，其熔点、沸点、溶解度、密度、临界温度等随原子序数增大而临界温度等随原子序数增大而递增递增。一种一种超流体超流体，表面张力很小，粘度为氢气的千分之一，可以，表面张力很小，粘度为氢气的千分之一，可以流过普通液体无法流过的毛细管。能沿敞口容器内壁向上流流过普通液体无法流过的毛细管。能沿敞口容器内壁向上流动，甚至超过容器的边缘沿外壁流出，产生动，甚至超过容器的边缘沿外壁流出，产生超流效应超流效应。导热性导热性很高，室温时为铜的很高，室温时为铜的600倍。倍。一种一种超导体超导体，电阻接近于零。，电阻接近于零。vHe临界
26、温度最低临界温度最低所有气体中最难液化的气体所有气体中最难液化的气体唯一没有唯一没有g-s-l三固平衡点的物质三固平衡点的物质温度降低到温度降低到2.178K时，时，He()He()，这个温度称，这个温度称 点，点， 点跟压力有关。点跟压力有关。 点以下，点以下，He()具有许多具有许多反常的性质反常的性质。稀有气体稀有气体用途用途除氢以外最轻的气体，可用它除氢以外最轻的气体，可用它取代氢气填充气球和汽艇。取代氢气填充气球和汽艇。可利用氦和氧的混合物可利用氦和氧的混合物制成制成“人造空气人造空气”供潜水员呼吸，以供潜水员呼吸，以防得潜水病。防得潜水病。可作超低温研究中的可作超低温研究中的制冷剂
27、，制冷剂，还可作低温温度计的填充气体。还可作低温温度计的填充气体。可用做电弧焊中的可用做电弧焊中的惰性保护气体。惰性保护气体。vNe能产生鲜艳的红光，可用于能产生鲜艳的红光，可用于霓红灯、灯塔等照明工程霓红灯、灯塔等照明工程氖也可作氖也可作冷冻剂，冷冻剂，致冷温度为致冷温度为25-40KvAr电流通过充氩灯管时，能产生蓝光，可用于电流通过充氩灯管时，能产生蓝光，可用于霓红灯、灯塔等霓红灯、灯塔等照明工程照明工程氩和氦的混合气体氩和氦的混合气体 充填灯泡充填灯泡常用作常用作 保护气体保护气体稀有气体稀有气体vKr制造制造特种光源、高效灯泡特种光源、高效灯泡其同位素在医学上用于其同位素在医学上用于
28、测量脑血流量和研究肺功能、测量脑血流量和研究肺功能、计算胰岛素分泌量等计算胰岛素分泌量等vXe制造制造特种光源特种光源用于用于充填光电管和闪光灯充填光电管和闪光灯，“小太阳小太阳”其同位素在医学上用于其同位素在医学上用于测量脑血流量和研究肺功能、测量脑血流量和研究肺功能、计算胰岛素分泌量等计算胰岛素分泌量等vRn用于恶性肿瘤的放射性治疗。用于恶性肿瘤的放射性治疗。稀有气体稀有气体1. Xe氟化物氟化物 三种氟化物都具有挥发性，在室温下易升华。它们可保存三种氟化物都具有挥发性，在室温下易升华。它们可保存在镍容器中，但在镍容器中，但XeF4和和XeF6对水特别敏感。对水特别敏感。(1) XeF2
29、XeF2在稀酸溶液中水解较慢，但在碱性溶液中迅速水解。在稀酸溶液中水解较慢，但在碱性溶液中迅速水解。9.3.3 稀有气体化合物稀有气体化合物三种氟化物均为三种氟化物均为强氧化剂强氧化剂：稀有气体稀有气体(2) XeF4 是最易制得的氟化物，当是最易制得的氟化物，当Xe和和F2按按1：5混合在镍容器中混合在镍容器中于于400和和6atm下加热几小时便可生成下加热几小时便可生成XeF4，XeF4能迅速跟能迅速跟氢反应生成氢反应生成Xe和和HF。在一定的压力下在一定的压力下XeF4与与F2反应生成反应生成XeF4。 (3) XeF6 XeF6固体是无色的，加热时先变黄，然后变成黄色的液固体是无色的，
30、加热时先变黄，然后变成黄色的液体和蒸气，迅速与石英反应。体和蒸气，迅速与石英反应。稀有气体稀有气体2. 氟化氙的配合物氟化氙的配合物Xe的二、四、六氟化物均能作为氟化物给予体，而的二、四、六氟化物均能作为氟化物给予体，而XeF6还还能作为接受体，因此这些氟化物与能作为接受体，因此这些氟化物与AsF5、SbF5、RuF5反应反应生成加合物。生成加合物。 除除 为分子晶体为分子晶体外，其它加合物公认是外，其它加合物公认是离子型离子型的。含有的。含有XeF+和和 离子。离子。X射线研究指出射线研究指出 具有平面结构。具有平面结构。FXeFXeF1512.14A1.90A稀有气体稀有气体高氙酸与浓硫酸
31、作用可生成高氙酸与浓硫酸作用可生成XeO4 XeO3是白色潮解性固体，并是白色潮解性固体，并易爆炸易爆炸。XeO3能被碘定量还原。能被碘定量还原。 3. 氙氙-氧化合物氧化合物 在碱性溶液中在碱性溶液中 缓慢水解歧化为高氙酸和缓慢水解歧化为高氙酸和Xe。pH10.5时，时， XeO3与碱作用生成与碱作用生成 离子。离子。 或或稀有气体稀有气体 9.3.4 稀有气体化合物结构举例稀有气体化合物结构举例1. XeF2Bp=2Lp=3Vp=5XeF2 直线形直线形2. XeF4Vp=6Bp=4Lp=2XeFFFFXeF4 平面四方形平面四方形FXeF3. XeO3Vp=4Bp=3Lp=1XeOOOXeO3 分子构型为三角锥型分子构型为三角锥型稀有气体稀有气体
