第五章 单质及无机化合物 - PowerPoint PPT Presentation

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第五章 单质及无机化合物

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第五章 单质及无机化合物

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  1. 第五章单质及无机化合物 第二节:非金属元素及其化合物 本节要点  非金属元素概论  氯化物的水解  氧化物的硬度(熔点)、酸碱性  硫化物的溶解度  碳酸盐的热稳定性与离子极化  硝酸盐的热分解  硅酸盐的结构、水泥的主要成分

  2. 一、非金属元素概论  已发现的非金属元素共16种,位于周期表的右上角。  非金属元素的价电子结构:ns2np1~5 (位于p区)  在化合物中常表现负价,容易形成单原子负离子或多原子负离子,如:Cl-, O2- , NO3-等

  3. 人造金刚石 碳-碳复合材料 分子筛 高能燃料 光子带隙材料 硅单晶材料 太阳电池材料 纳米半导体材料

  4. 碳的同素异形体 富勒烯中以C60 最稳定,其笼状结构酷似足球,相当于一个由二十面体截顶而得的三十二面体. 32个面中包括12个五边形面和20个六边形面,每个五边形均与5个六边形共边,而六边形则将12个五边形彼此隔开. C60 分子中每个 C 原子成键与石墨相似.

  5. 二、氯化物的水解 氯化物的水解,主要是与Cl-共存的正离子与水的作用。氯化物的水解主要分为四种类型: (1)活泼金属如钾、钠、钡的氯化物,在水中只发生电离,并不发生水解: KCl = K+ + Cl- (2) +2价的金属离子如镁、锌等,发生不完全水解,生成碱式盐: MgCl2 + H2O = Mg(OH)Cl + HCl (3) +3价的金属离子如铁、铝等,发生完全水解,生成氢氧化物: FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 + 3HCl (4) 硅、磷等非金属元素的氧化物,发生强烈水解,生成两种酸: SiCl4 + 3H2O = H2SiO3 + 4HCl

  6. 水解作用的强弱可用极化理论解释: H H 正离子极化能力增强、氯化物水解程度增大 O Rx+ O 水分子发生取向,生成水合离子 H H 水解后溶液的酸性增强 H H + H+ O Rx+ O- 氢氧键断裂,生成碱式盐和酸 H H H + 2H+ O- Rx+ O - 再断裂,生成氢氧化物和酸 H + 3H+ 再断裂,生成两种酸 O - Rx+ O 2-

  7. 三、氧化物的物理化学性质 1、氧化物的硬度(熔点) 氧化物指的是氧与电负性比氧小的元素形成的二元化合物。氧在其中显-2价态。几乎所有元素都能与氧形成氧化物。  活泼金属氧化物是离子型化合物,形成离子晶体,熔点和沸点都较高。  非金属元素氧化物是共价型化合物(如CO2、SO2)形成分子晶体,熔点和沸点较低。少数形成原子晶体如SiO2,熔点和沸点都较高。  不活泼金属元素的氧化物,是离子型和共价型之间的过渡型化合物。  同一金属元素不同价态的氧化物,低价态的,是离子型的,熔点和沸点都较高。高价态的是共价型的,熔点和沸点都较低。 锰氧化物的熔点 MnO Mn3O4 Mn2O3 MnO2 Mn2O7 1785 1564 1080 535 5.9  硬度较大的氧化物(离子型或偏离子型的): Cr2O3 、 Al2O3等。

  8. (2)氧化物的酸碱性 根据氧化物对酸、碱、水的反应不同,可将氧化物分为四类: 酸性氧化物:非金属氧化物,以及高价的金属氧化物; 碱性氧化物:碱金属、以及碱土金属(BeO除外)氧化物; 两性氧化物:主要是铝、锡、铅的氧化物。 不成盐氧化物:CO、NO等,它们与酸、碱、水都不起反应。 (3)氧化物及其水合物酸碱性强弱的一般规律 同一周期内从左到右,酸性增强,碱性减弱。 同一族内从上到下,酸性减弱,碱性增强。 (4)对酸碱性递变规律的解释 R+ O H 碱式电离 酸式电离

  9. 四、硫化物的溶解度 硫化物是指硫与电负性比硫小的元素所形成的化合物。一般常指金属硫化物(包括(NH4)2S)。 硫化物大多数具有特定的颜色: PbS Bi2S3 CuS CdS Sb2S3 SnS2 As2S3 HgS

  10. 金属硫化物大多数不溶于水,有的可溶于稀酸,有的不溶于稀酸,但可溶于浓酸或氧化性的酸,有的只能溶于王水。故一般可按溶解性能将硫化物分为三类:金属硫化物大多数不溶于水,有的可溶于稀酸,有的不溶于稀酸,但可溶于浓酸或氧化性的酸,有的只能溶于王水。故一般可按溶解性能将硫化物分为三类: 1)溶于水的硫化物 第IA,IIA族元素的硫化物(除BeS难溶)及(NH4)2S可溶于水,并发生水解反应。 Na2S + H2O = NaHS + NaOH (NH4)2S + 2H2O = 2NH3.H2O + H2S

  11. 2)不溶于水而溶于稀酸的硫化物 MnS(肉红色)、ZnS(白色)、FeS、CoS、NiS(黑色)均属这一类。稀酸指用0.3 mol.dm-3的稀盐酸,此类金属硫化物溶度积 Ksp一般大于10-24,在溶液中存在着两种离子平衡:一种为硫化物的沉淀-溶解平衡 ,另一种为H2S的酸碱电离平衡。 若调节溶液中的酸度,可控制溶液中S2-离子的浓度,来控制这类硫化物沉淀或者溶解。例如要制备FeS,不能单纯用H2S通入FeCl2溶液来制备,因为反应中有酸生成: FeCl2 + H2S = FeS + 2HCl FeS溶于稀酸而不会生成FeS。 只有直接用沉淀剂Na2S或(NH4)2S(由于沉淀剂本身呈碱性),才能使金属离子沉淀下来: FeCl2 + Na2S = FeS + 2NaCl

  12. 3)既不溶于水又不溶于稀酸的硫化物 此类金属硫化物的溶度积一般都很小,如CdS的Ksp为10-29, CuS的Ksp为10-36,而HgS的Ksp更小(10-53)。 这类难溶金属硫化物可通过将H2S气体通入金属盐溶液来制备。 CuCl2 + H2S = CuS  + 2HCl 要使此类型的金属硫化物溶解,则必须使用更强烈的化学气氛,例如浓硝酸、王水(一份浓硝酸与三份浓盐酸的混合酸)等。 例如CuS可溶于浓硝酸: 3CuS + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 3S  + 2NO + 4H2O 在硝酸中、硝酸的氧化性使S2-被氧化成S单质,从而使S2-浓度大大下降,结果使该金属硫化物溶解。 再如HgS其Ksp仅为6.44×10-53,仅仅利用浓硝酸的氧化作用使S2-浓度降低还不足以使其溶解,还必须借助浓盐酸中的大量Cl-与Hg2+的配位作用,使Hg2+离子的浓度也大大降低,才能使其溶解: 3HgS + 2HNO3 + 12HCl = 3H2[HgCl4] + 3S  + 2NO + H2O

  13. 五、碳酸盐的热稳定性与离子极化 1、热稳定性: 碳酸盐 > 碳酸氢盐 > 碳酸。 例如Na2CO3分解温度为2073K;而NaHCO3分解温度仅为543K;但H2CO3常温常压即可分解。 2、除活泼金属外,其他金属的碳酸盐的热稳定性都较差,一般尚未加热到熔点就分解了。 3、一般来说,碳酸盐中金属离子的电荷越高,半径越小,即金属离子的极化能力越强,该碳酸盐的热稳定性就越差。 4、碳酸盐的热分解是一种气固两相间的平衡。 CaCO3 = CaO + CO2 Kp = p CO2

  14. 六、硝酸盐、亚硝酸盐的热分解 1、热稳定差 硝酸盐和亚硝酸盐的热稳定性很差,容易受热分解。在所有无机含氧酸盐中,对同一金属的盐而言,其硝酸盐和亚硝酸盐的熔点通常是最低的。而且除钾钠等少数活泼金属外,其它金属的硝酸盐和亚硝酸盐在受热时,大多未到熔点就发生了热分解反应。 2、热分解的特点 硝酸盐和亚硝酸盐热分解反应与碳酸盐热分解反应不同,硝酸盐和亚硝酸盐热分解伴随有氮的氧化态的改变,属于氧化还原反应。例如: 2KNO3(S) = 2KNO2(S)+O2(g) 4NaNO2(S) = 2Na2O(S) + 4NO(g) + O2(g) 反应中有N的氧化态改变,有氧气放出(除NH4NO3外),因而可认为硝酸盐是一种供氧剂。硝酸盐和亚硝酸盐不稳定性也与其氧化还原性质有关。亚硝酸盐一般都溶于水(除AgNO2外),而且亚硝酸盐一般均有毒,并且是一种致癌物质,使用时务必小心。 3、硝酸盐、亚硝酸盐都具有氧化性,在酸性条件下,显示出较强的氧化能力。亚硝酸盐既有氧化性,也有还原性(当遇到强氧化剂如KMnO4)

  15. 通常,硝酸盐热分解的产物,随金属离子的活泼性不同而分为三种类型:通常,硝酸盐热分解的产物,随金属离子的活泼性不同而分为三种类型: 1、金属活泼顺序在Mg以前的活泼金属的硝酸盐,受热分解成其亚硝酸盐和氧气。如 2NaNO3(S) = 2NaNO2(S)+O2(g) 2、金属活泼顺序介于Mg与Cu之间的金属(包括Mg和Cu)的硝酸盐,受热分解生成相应的金属氧化物及NO2(g)和O2(g)。如: 2Pb(NO3)2(S) = 2PbO(S) + 4NO(g) + O2(g) 3、金属活泼顺序在Cu以后的不活泼金属的硝酸盐,受热分解生成相应的单质及NO2(g)和O2(g)。如: 2AgNO3(S) = 2Ag(S) + 2NO2(g) + O2(g) NH4NO3的热分解可是一种特例。这是因为NH4NO3中有两种不同氧化态的N,在热分解过程中它们之间发生氧化还原反应,最后得到的产物只有一种氧化态的N,而且不像其它硝酸盐热分解时能放出氧气: NH4NO3(S) = N2O(g) + 2H2O 上面仅是硝酸盐热分解的一般规律和基本类型,实际上有些例外,何况同一金属的硝酸盐的热分解也可能出现不止一种的分解方式。

  16. ●二氧化硅—硅石 无定型体:石英玻璃,硅藻土,燧石 晶 体:天然为石英(原子晶体) 纯 石 英:水晶 含有杂质的石英:玛瑙 缟玛瑙 石英盐 黑曜石 水晶 紫晶 玛瑙 七、硅酸盐的结构、水泥的主要成分

  17. H4SiO4原硅酸(正硅酸) H2SiO3偏硅酸,二元弱酸 xSiO2·yH2O 多硅酸 硅酸 几种不同的多硅酸(x SiO2·y H2O ) 名 称 化学组成 x 值 y 值 正硅酸 H4SiO4 1 2 偏硅酸 H2SiO3 1 1 二偏硅酸 H2Si2O5 2 1 焦硅酸 H6Si2O7 2 3 三硅酸 H4Si3O8 3 2 ● 硅酸及硅酸盐(silicic acid & silicate)

  18. 共用一个顶点的二硅酸根离子[Si2O7]6- 正硅酸根离子[SiO4]4- 共用两个顶点的链状翡翠NaAl(SiO3)2 绿柱石中共用两个顶点的环状[Si6O18]12- ●硅酸盐的结构------硅氧四面体:Si 采用 sp3 杂化轨道与 O 形成硅氧四面体, 处于四面体顶 端的 氧原子均为周围的四面体共用,这种结构导致其化学性质很稳定 .

  19. ●水泥的主要成分------水泥熟料的主要化学成分有:●水泥的主要成分------水泥熟料的主要化学成分有: 硅酸三钙(3CaO.SiO2) 硅酸二钙(2CaO.SiO2) 铝酸三钙(3CaO.Al2O3)等