第十一章元素化学

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 • 1．了解元素的分布及其分类 • 2．熟悉重要元素及其化合物的性质 • 3．掌握s区、p区、d区、ds区元素性质的一般规律 • 4．了解元素化学的一些新进展

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。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 • 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）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）

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。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。

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。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。 • 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 • 根据元素的性质进行分类，分为金属与非金属。 • 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。

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，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。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，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。 • 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，又分为有生物活性的生命元素和非生命元素。 • 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 • s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 • 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。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。

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。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 • 1．金属钠 • 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。 • 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） • 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 • 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。

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。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。 • 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，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。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 • 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。

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。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 • 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。

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：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： • 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。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 • 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。 • MgCl2·6H2O MgO+2HCl↑+5H2O • 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。

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。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 • 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。 • 2CaSO4·2H2O （CaSO4）2·H2O+3H2O • 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。

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：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： • CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

而在一定条件下，含有Ca(HCO3)2的水流经岩石又会分解：而在一定条件下，含有Ca(HCO3)2的水流经岩石又会分解： • Ca(HCO3)2=CaCO3+CO2+H2O • 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 • p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 • p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，非金属性逐渐减弱。

2．物理性质 • p区元素由于其电子构型的特殊性，因而既包含有金属固体、非金属固体，也有非金属液体及非金属气体（双原子分子）。因此，它们的物理性质差异很大。一般地，同周期元素中，熔、沸点从左到右逐渐减小，同族元素中，熔、沸点从上到下逐渐增大。

3．化学性质 • p区元素的电负性较s区元素的大，所以，p区元素在许多化合物中常以共价键结合。 • p区元素大多具有多种氧化值，其最高正氧化值等于其最外层电子数（即族数）。除此之外，还可显示可变氧化值，且正氧化值彼此之间的差值为2，例如，硫原子的正氧化值分别为+2、+4、+6等。

p区非金属元素（除稀有气体外），在单质状态以非极性共价键结合。当非金属元素的原子半径较小，成单价电子数较小时，可形成独立的少原子分子，如Cl2、O2、N2等；而当非金属元素的原子半径较大，成键电子较多时，则形成多原子的巨形分子，如C、Si、B等。p区非金属元素（除稀有气体外），在单质状态以非极性共价键结合。当非金属元素的原子半径较小，成单价电子数较小时，可形成独立的少原子分子，如Cl2、O2、N2等；而当非金属元素的原子半径较大，成键电子较多时，则形成多原子的巨形分子，如C、Si、B等。

p区金属元素由于其电负性相对s区元素要大，所以其金属性比碱金属和碱土金属要弱。某些元素甚至表现出两性。如Si、Al等。p区金属元素由于其电负性相对s区元素要大，所以其金属性比碱金属和碱土金属要弱。某些元素甚至表现出两性。如Si、Al等。

11.3.2重要元素及其化合物 • 1．铝 • 铝是典型的两性金属，具有银白色光泽，质软。具有良好的导电导热和延展性能。铝的电离能较小，电负性为1.5。铝的标准电极电位为-1.66V，但却不能从水中置换出氢气，因为它与水接触时表面易生成一层难溶解的氢氧化铝。铝与氧气的结合能力很强，铝暴露在空气中，其表面会形成一层致密的氧化膜。

铝在冷的浓H2SO4、浓HNO3中呈钝化状态，因此常用铝制品贮运浓H2SO4、浓HNO3。但铝可与稀HCl、稀H2SO4及碱发生反应放出氢气：铝在冷的浓H2SO4、浓HNO3中呈钝化状态，因此常用铝制品贮运浓H2SO4、浓HNO3。但铝可与稀HCl、稀H2SO4及碱发生反应放出氢气： • 2Al+6HCl====2AlCl3+3H2↑ • 2Al+3H2SO4====Al2（SO4）3+3H2↑ • 2Al+NaOH+2H2O====2NaAlO2+3H2↑

铝是一种很重要的金属材料，广泛用来作导线、结构材料和日用器皿。特别是铝合金质轻而又坚硬，大量用于飞机制造和其它构件上。铝是一种很重要的金属材料，广泛用来作导线、结构材料和日用器皿。特别是铝合金质轻而又坚硬，大量用于飞机制造和其它构件上。

2．氧化铝 • 氧化铝可由氢氧化铝加热脱水而制得。在不同的温度条件下，制得的Al2O3可以有不同的形态和不同的用途。一般常用希腊字母分别表示α、β、γ…等Al2O3。氧化铝是离子晶体，具有很高的熔点和硬度。

自然界存在的结晶氧化铝是α-Al2O3，称为刚玉。而Al（OH）3热分解得到的α- Al2O3称人造刚玉。α- Al2O3不溶于水，也不溶于酸，在催化剂中常用作载体。

含有少量杂质的- Al2O3常呈鲜明的颜色。如红宝石就是含极微量Cr2O3的α- Al2O3，常用作制造耐磨的微型轴承（如手表中的“钻”）。蓝宝石则是含铁和钛氧化物的α- Al2O3。

α- Al2O3是一种多孔性物质，有很大的表面积，并有优异的吸附性、表面活性和热稳定性，因而常常被用作催化剂的活性成分，又称活性氧化铝。γ- Al2O3不溶于水，但能溶于稀酸。

3．二氧化碳 • CO2为无色、无臭的气体。大气中含有约0.03%（体积）的CO2，它主要来自于生物的呼吸，有机化合物的燃烧，动植物的腐败分解等。同时又通过植物的光合作用、碳酸盐岩石的形成等而消耗。目前，世界各国工业生产的迅速发展使空气中CO2浓度逐渐增加，这已被认为是造成“温室效应”的主要原因之一。

固态CO2是分子晶体，它的熔点很低（-78.5℃），固态CO2会直接升华，故称干冰。干冰常用作致冷剂，其冷冻温度可达-70℃到-80℃；干冰还常被用于易腐食品的保存和运输中。固态CO2是分子晶体，它的熔点很低（-78.5℃），固态CO2会直接升华，故称干冰。干冰常用作致冷剂，其冷冻温度可达-70℃到-80℃；干冰还常被用于易腐食品的保存和运输中。

CO2不能自燃，又不助燃。密度比空气大，可使物质与空气隔绝，所以常用作灭火剂，也可作为防腐剂和灭虫剂。CO2不能自燃，又不助燃。密度比空气大，可使物质与空气隔绝，所以常用作灭火剂，也可作为防腐剂和灭虫剂。 • CO2还是一种重要的化工原料。如CO2与盐可制成碱；CO2与氨可制成尿素、碳酸氢铵；CO2也可用于制甲醇等。 • CO2可溶于水，溶于水的CO2部分与水作用生成碳酸。因而敞口贮放的蒸馏水会因溶入空气中的CO2而显微酸性。

4．硼砂 • 硼砂为无色透明晶体，在空气中容易失去部分水而风化，加热至380~400℃，完全失水成为无水盐Na2B4O7，若加热到878℃，则熔化为玻璃状物。溶化的硼砂能溶解许多金属氧化物，生成具有特征颜色的偏硼酸的复盐。例如： • Na2B4O7 +CoO=====2Na2BO2.Co（BO2）2（宝蓝色） • 硼砂的这一性质用在定性分析上鉴定某些金属离子，称为硼砂珠试验。

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