非金屬元素化學

本文檔相關(guān)內(nèi)容參見視頻12-17元素化學教學的思考與實踐孟長功大連理工大學元素化學的教學目標

知識的掌握：深入-前沿、系統(tǒng)-框架能力的提高：歸納總結(jié)、理論聯(lián)系實際和研究問題的能力素質(zhì)的養(yǎng)成：質(zhì)疑與求證的科學素養(yǎng)實現(xiàn)知識、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展通過化合物性質(zhì)的類比發(fā)現(xiàn)問題：所謂研究，就是科學的類比。元素及其化合物之間性質(zhì)的類比，發(fā)現(xiàn)問題并予以求證，可以培養(yǎng)學生的科學研究能力。元素化學是一個很好的載體學起于思，思源于疑。學貴有疑，小疑則小進，大疑則大進。課堂教學應以問題為中心，通過“提出問題—解決問題—延伸思考”，使問題成為知識的紐帶，通過設計具有挑戰(zhàn)性的問題情境，引導學生參與、思考，喚起學生解決問題的欲望，激發(fā)學生的探究興趣，培養(yǎng)學生勤于思考的習慣，使其養(yǎng)成質(zhì)疑與求證的科學素養(yǎng)。碳和硅

(CarbonandSilicon)主要內(nèi)容一、碳族元素概述二、碳族元素的單質(zhì)三、碳的化合物四、硅的化合物碳族元素概述價電子構(gòu)型：ns2np2氧化值最大配位數(shù)單質(zhì)可形成原子晶體

金屬晶體碳族(IVA)：C,Si,Ge,Sn,Pb存在形式：碳：金剛石、石墨；煤、石油、天然氣；碳酸鹽；CO2。硅：SiO2和各種硅酸鹽。鍺：硫銀鍺礦4Ag2S?GeS2

，硫鉛鍺礦2PbS?GeS2。錫：錫石SnO2。鉛：方鉛礦PbS，白鉛礦PbCO3。錫石SnO2方鉛礦PbS以不同比例與孔雀石、木炭共熱，可制作青銅器碳族元素的單質(zhì)金剛石：原子晶體,硬度最大,

熔點最高，sp3雜化。石墨：層狀晶體，質(zhì)軟，有金屬光澤，sp2雜化。碳單質(zhì)的同素異形體：碳纖維碳納米管富勒烯：C60

是1985年用激光轟擊石墨作碳的氣化實驗時發(fā)現(xiàn)的。C60

是由12個五邊形和20個六邊形組成的32面體。穩(wěn)定性順序為：線型碳(α型)>石墨>金剛石>富勒烯C60

硅單質(zhì)有無定形體和晶體兩種，其晶體類似金剛石。

鍺單質(zhì)是灰白色金屬，硬而脆，結(jié)構(gòu)類似于金剛石。錫單質(zhì)有三種同素異形體：

鉛單質(zhì)：質(zhì)軟，能阻擋X射線?？勺麟娎|的包皮，核反應堆的防護屏。13.2℃161℃灰錫(α錫)白錫(β錫)脆錫

白錫變?yōu)榉勰罨义a，此現(xiàn)象叫“錫疫”碳的化合物結(jié)構(gòu)：

CO(6+8=14e-)與N2（2×7=14e-）是等電子體,結(jié)構(gòu)相似。一個σ鍵兩個π鍵:CO:1.碳的氧化物(1)一氧化碳(CO):CO:性質(zhì)：①作配位體，形成羰基配合物

Fe(CO)5,Ni(CO)4,Co2(CO)8

其中C是配位原子。②還原劑：③劇毒(2)二氧化碳(CO2)

：OCO：經(jīng)典的分子結(jié)構(gòu)：O=C=OOC=O雙鍵鍵長124pm(在CH3--C--CH3中)CO叁鍵鍵長113pmCO2中，碳、氧之間鍵長116pmC：sp雜化固體二氧化碳干冰

2.碳酸及其鹽CO2溶于水，大部分為CO2?H2O，極小部分為H2CO3CO32-的結(jié)構(gòu)：CO32-(6+3×8+2=32e-)與BF3(5+3×9=32e-)為等電子體。C：sp2雜化2--71-332104.4

HCOH

COH×=++K11-2-23-3104.7

COH

HCO×=++K碳酸及其鹽的熱穩(wěn)定性：

①H2CO3<MHCO3<M2CO3

②同一族金屬的碳酸鹽穩(wěn)定性從上到下增加

BeCO3MgCO3CaCO3SrCO3BaCO3分解T/℃10054090012901360③過渡金屬碳酸鹽穩(wěn)定性差

CaCO3PbCO3ZnCO3FeCO3

分解T/℃900315350282價電子構(gòu)型8e_(18+2)e_18e_(9-17)e_離子極化觀點：[]2-M2+MCO3MO+CO2

r(M2+)愈小，M2+極化力愈大，MCO3

愈不穩(wěn)定；M2+為18e_，(18+2)e_，(9-17)e_構(gòu)型相對于8e_構(gòu)型的極化力大，其MCO3

相對不穩(wěn)定。碳酸鹽的溶解度：

易溶鹽：Na2CO3NaHCO3K2CO3KHCO3100℃溶解度451615660(g/100gH2O)

---

其它金屬(含Li)碳酸鹽難溶于水，且酸式鹽溶解度大于正鹽。氫鍵存在，形成二聚物或多聚物2-可溶性碳酸鹽與金屬離子作用的產(chǎn)物類型：水溶液中存在碳酸鹽的水解：

)(

OHHCO

OHCO--32-23強堿性++

OHCOHOHHCO-322-3++)CO(H)CO(322W231KKK=-)CO(H)CO(

321W232KKK=-①

氫氧化物堿性較強的金屬離子與之反應生成碳酸鹽沉淀。

例如：Ba2+、Sr2+、Ca2+和Ag+等。

金屬離子加入可溶性碳酸鹽時，生成沉淀的類型：②氫氧化物堿性較弱的金屬離子與之反應生成碳酸羥鹽(堿式碳酸鹽)沉淀。例如：Pb2+、Bi3+、Cu2+、Cd2+、Zn2+、Hg2+、Co2+、Ni2+和Mg2+等。③

水解性強、兩性的金屬離子與之反應生成氫氧化物沉淀。例如：Al3+、Fe3+、Cr3+、Sn2+、Sn4+和Sb3+等。(g)3CO(s)Al(OH)2O3H3COAl2232-233++++(g)CO(s)CO(OH)MgOH2CO2Mg23222-232++++(g)CO(s)CO(OH)CuOH2CO2Cu23222-232++++硅的化合物1.硅的氧化物無定形體：石英玻璃、硅藻土、燧石晶體：天然晶體為石英，屬于原子晶體純石英：水晶含有雜質(zhì)的石英：瑪瑙，紫晶為什么二氧化碳不像二氧化硅那樣以原子晶體存在？---鍵能的數(shù)據(jù)可以給出解釋：C—O360kJ/molC==O803kJ/molSi--O464kJ/molSi==O640kJ/mol碳氧之間形成兩個雙鍵比形成四個單鍵穩(wěn)定，因此以二氧化碳的形式存在，氧用去全部的兩個價鍵后不再以無限的聚合狀態(tài)存在；硅氧之間形成四個單鍵比形成兩個雙鍵更穩(wěn)定，因此硅氧單鍵中的氧還剩余一個價鍵與另外一個硅原子結(jié)合，形成無限的聚合狀態(tài)。為什么碳氧鍵和硅氧鍵的鍵能會有差別？哪些因素影響鍵能的大小？1、原子半徑（原子性質(zhì)）或鍵長（鍵性質(zhì)）：原子半徑越大，鍵能越??；2、成鍵原子軌道的種類：p軌道形成的單鍵較s軌道形成的單鍵強；p-d鍵的影響；3、孤對電子的排斥作用：由于孤對電子間排斥力的存在將使鍵的強度降低；4、原子間用于成鍵的電子數(shù)目：電子越多，鍵的強度越大。5、成鍵原子的電負性差。原子之間選擇哪一種方式成鍵，要綜合考慮各種因素。一般情況下，半徑小的原子間成鍵，雙鍵或三鍵有優(yōu)勢。因為原子體積小，有利于p軌道的重疊形成雙鍵，而且形成雙鍵后又降低了電子之間的斥力。因為氫原子除成鍵電子外沒有其它電子，其所形成的共價鍵情況特殊。H—F562.6kJ/molH—Cl431.4kJ/molH—Br365.7kJ/molH—I298.4kJ/molH—H435.6kJ/mol水晶石英鹽黑曜石紫晶縞瑪瑙瑪瑙Si采用sp3雜化軌道與氧形成硅氧四面體硅氧四面體二氧化硅結(jié)構(gòu)：

原料為天然結(jié)晶石英(水晶或純的二氧化硅)或合成硅烷，經(jīng)高溫在1600℃時熔化成粘稠液體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變?yōu)椴灰?guī)則狀態(tài)，若急劇冷卻，因粘度大不易再結(jié)晶而形成石英玻璃。

石英玻璃高純石英玻璃可制光導纖維性質(zhì)：①與堿作用②與HF作用2.硅酸及其鹽

H4SiO4

原硅酸硅酸H2SiO3

偏硅酸

xSiO2?yH2O多硅酸性質(zhì)：12210132106.1107.1

SiOH--×=×=，，溶解度小，是二元弱酸KK第三周期主族元素含氧酸的聚合有何規(guī)律?能否給出解釋？Si—O(SiO44-)P—O(PO43-)S—O(SO42-)Cl—O(ClO4-)實測1.611.541.491.44單鍵1.771.731.701.69差值-0.16-0.19-0.21-0.25四面體型酸根離子中的M—O距離（埃）制備：浸透過CoCl2的硅膠為變色硅膠。膠凍狀硅酸硅膠-H2O2NaClSiOH2HClSiONa3232++(g)2NH2NaClSiOHCl2NHSiONa332432+++可溶性：Na2SiO3(水玻璃)

、K2SiO3不溶性：大部分硅酸鹽難溶于水，且有特征顏色。硅酸鹽水中花園

硅酸鹽結(jié)構(gòu)復雜,一般寫成氧化物形式，它的基本結(jié)構(gòu)單位為硅氧四面體。白云石：K2O·3Al2O3·

6SiO2·2H2O泡沸石：Na2O·Al2O3·

2SiO2·nH2O4.硅的鹵化物SiX4

SiF4SiCl4SiBr4SiI4聚集態(tài)glls（氟硅酸）水解：熔沸點低 高

分子量小大金剛砂（SiC）：用石英和焦碳在電爐中反應制得SiO2+3C→SiC+2CO化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，機械強度大，熱膨脹率低，可做高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料氮和磷

(NitrogenandPhosphorus)主要內(nèi)容一、氮族元素概述二、氮族元素的單質(zhì)三、氮的化合物四、磷的化合物氮族(VA)：N，P，As，Sb，Bi價電子構(gòu)型：ns2np3NH3PH3

AsH3

SbH3

BiH3

氮族元素概述N、P：非導電體，能形成酸性氧化物；As：金屬外貌/非金屬同素異形體，能形成兩性氧化物，歸類于準金屬或非金屬均可；Sb、Bi：電阻高于金屬，具有特征的相當長的液態(tài)金屬溫度范圍；熔點：從N到As依次遞增，從Sb到Bi熔點下降；As、Sb、Bi可以形成共價化合物；

氮氣是無色、無臭、無味的氣體。沸點為-195.8°C。微溶于水。常溫下化學性質(zhì)極不活潑，加熱時與活潑金屬Li，Ca，Mg等反應，生成離子型化合物。氮族元素的單質(zhì)白磷紅磷磷的同素異形體

P4化學性質(zhì)活潑，空氣中自燃，溶于非極性溶劑。

較穩(wěn)定，400℃以上燃燒，不溶于有機溶劑。磷的燃燒紅磷的結(jié)構(gòu)AsSbBi

氮、磷為非金屬，砷、銻為準金屬，鉍為金屬。結(jié)構(gòu)：N：sp3雜化，三角錐形1.氮的氫化物100.8pm107.3o(1)氨(NH3)氮的化合物工業(yè)：制備：實驗室：性質(zhì)：①

易溶于水，易形成一元弱堿②

強還原性_OHNH

OHNH

OHNH42323+++④

取代反應

催化NH2-NH2聯(lián)氨(肼)，NH亞氨基，N氮化物③

加合反應①銨鹽一般為無色晶體，絕大多數(shù)易溶于水(2)銨鹽石蕊試紙法

(紅→藍)的結(jié)構(gòu)：現(xiàn)象：紅棕到深褐Nessler試劑法

(K2HgI4)N：sp3雜化，正四面體的鑒定：O3H7I]I(s)NH

HgHg

[O4OH]2[HgINH22244++++---+水解：+H2OH3O++NH3揮發(fā)性非氧化性酸銨鹽非揮發(fā)性，非氧化性酸銨鹽②

熱穩(wěn)定性差氧化性酸銨鹽催化劑2.氮的氧化物鉑絲網(wǎng)(1)一氧化氮(NO)制備：性質(zhì)：無色氣體，水中溶解度較小。

(2)二氧化氮(NO2)N：價電子2s22p3，sp2雜化后①有毒，有特殊臭味的紅棕色氣體③溶于水④用堿吸收結(jié)構(gòu)：性質(zhì)：②（無色）（紅棕色）422ON

2NO冷卻3.氮的含氧酸及其鹽N：sp2雜化后：(1)亞硝酸及其鹽制備：結(jié)構(gòu)：亞硝酸（HNO2）亞硝酸(HNO2)NO+NO2性質(zhì)：②弱酸(藍色)①不穩(wěn)定22_NOH

HNO++4_100.6×=223222NONOOH

ONOH

2HNO+++亞硝酸鹽制備：堿吸收法

性質(zhì)：①絕大部分無色,易溶于水,(AgNO2

淺黃色不溶)極毒是致癌物。③金屬活潑性差,對應亞硝酸鹽穩(wěn)定性差主AgNO2<NaNO21.04V)/NO)(HNO(2A=EO2HI2NO

4H2I2NO22--2+++++OHFeNO

2HFeNO232-2+++++++O3H2Mn5NO

6H2MnO5NO22-3

-4-2++++++②

氧化還原性(2)硝酸及其鹽結(jié)構(gòu)：物理性質(zhì)：純硝酸：無色液體，密度為1.53g·cm-3濃硝酸：含HNO369%，密度1.4g·cm-3

硝酸揮發(fā)而產(chǎn)生白煙——發(fā)煙硝酸，溶有過量NO2的濃硝酸產(chǎn)生紅煙，且硝酸常帶黃色或紅棕色。硝酸(HNO3)N：sp2雜化后HNO3的化學性質(zhì)①強氧化性

大部分金屬可溶于硝酸，硝酸被還原的程度與金屬的活潑性和硝酸的濃度有關(guān)。O2H2NO)Cu(NO)濃(4HNOCu22233+++O4H2NO)3Cu(NO)稀(8HNO3Cu2233+++銅與濃硝酸反應規(guī)律：HNO3越稀，金屬越活潑，HNO3

被還原的氧化值越低?；顫娊饘伲篛2H2NO)Zn(NO)(4HNOZn22233+++濃O4H2NO)3Zn(NO)2:1(HNO83Zn2233+++稀·+OH5ON)4Zn(NO)L,2mol(0HNO14Zn22231-3++較稀O3HNONH)4Zn(NO10):1,(0HNO14Zn234233+++很?、叟c有機化合物發(fā)生硝化反應多為黃色TNT(三硝基甲苯)△②熱穩(wěn)定性差，保存在棕色瓶中冷的濃硝酸使Fe,Al,Cr鈍化王水：（氧化配位溶解）硝酸鹽的結(jié)構(gòu)：N：sp2雜化后性質(zhì)：①易溶于水；

②水溶液在酸性條件下才有氧化性， 固體在高溫時有氧化性；

③熱穩(wěn)定性差。亞硝酸、硝酸及其鹽的性質(zhì)對比●酸性：●熱穩(wěn)定性：●氧化性：活潑金屬MNO2>MNO31.04V/NO)(HNO2=E0.96V/NO)(NO-3=E1.磷的氫化物(膦PH3)結(jié)構(gòu)：與NH3相似性質(zhì)：無色氣體，似大蒜臭味，劇毒 強還原性：制備：次磷酸鉀22324PO3KHPHO3H3KOHP+++磷的化合物2.磷的氧化物O2(足)性質(zhì)：P4O6白色易揮發(fā)的蠟狀晶體，易溶于有機溶劑。P4O10白色雪花狀晶體，強吸水性。歧化(1)次磷酸(H3PO2)及其鹽性質(zhì)：一元中強酸3.磷的含氧酸及其鹽結(jié)構(gòu)：AgNO3HgCl2CuCl2NiCl2AgHgCuNi-0.499V)PO/HPO(H2333=--.565V1)PO/H(HPO2223-=強還原劑=1.0×10-2(2)亞磷酸(H3PO3)及其鹽性質(zhì)：二元中強酸：結(jié)構(gòu)：2106.3-×=7100.2-×==-0.76V)PO/HPO(H3343=-1.12V)/HPO(PO-23-34++++++2H2AgPOHOH2AgPOH43233強還原性：(3)磷酸及其鹽

特性：脫水縮合后形成 焦磷酸、聚磷酸、(聚)偏磷酸。結(jié)構(gòu)：性質(zhì)：三元中強酸磷酸(H3PO4)