整理s区d区ds区重要元素及其化合物.docx
- 文档编号:30216374
- 上传时间:2023-08-07
- 格式:DOCX
- 页数:56
- 大小:161.30KB
整理s区d区ds区重要元素及其化合物.docx
《整理s区d区ds区重要元素及其化合物.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《整理s区d区ds区重要元素及其化合物.docx(56页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
整理s区d区ds区重要元素及其化合物
s区、d区、ds区重要元素及其化合物
(sBlock,dsBlock,dBlockElementsandCompounds)
9.1s区元素
s区元素中锂(Lithium)、钠(Sodium)、钾(Potassium)、铷(Rubidium)、铯(Cesium)、钫(Francium)六种元素被称为碱金属(alkali Metals)元素。
铍(Beryllium)、镁(Magnesium)、钙(Calcium)、锶(Strontium)、钡(Barium)、镭(Radium)六种元素被称为碱土金属(alkalineearthmetals)元素。
锂、铷、铯、铍是稀有金属元素,钫和镭是放射性元素。
碱金属和碱土金属原子的价层电子构型分别为ns1和ns2,它们的原子最外层有1~2个电子,是最活泼的金属元素。
9.1.1通性
碱金属和碱土金属的基本性质分别列于表9-1和表9-2中。
表9-1碱金属的性质
锂
钠
钾
铷
铯
原子序数
3
11
19
37
55
价电子构型
2s1
3s1
4s1
5s1
6s1
原子半径/pm
155
190
255
248
267
沸点/℃
1317
892
774
688
690
熔点/℃
180
97.8
64
39
28.5
电负性χ
1.0
0.9
0.8
0.8
0.7
电离能/kJ·mol-1
520
496
419
403
376
电极电势EΘ(M+/M)/V
-3.045
-2.714
-2.925
-2.925
-2.923
氧化数
+1
+1
+1
+1
+1
碱金属原子最外层只有1个ns电子,而次外层是8电子结构(Li的次外层是2个电子),它们的原子半径在同周期元素中(稀有气体除外)是最大的,而核电荷在同周期元素中是最小的,由于内层电子的屏蔽作用较显著,故这些元素很容易失去最外层的1个s电子,从而使碱金属的第一电离能在同周期元素中最低。
因此,碱金属是同周期元素中金属性最强的元素。
碱土金属的核电荷比碱金属大,原子半径比碱金属小,金属性比碱金属略差一些。
s区同族元素自上而下随着核电荷的增加,无论是原子半径、离子半径,还是电离能、电负性以及还原性等性质的变化总体来说是有规律的,但第二周期的元素表现出一定的特殊性。
例如锂的EΘ(Li+/Li)反常地小。
表9-2碱土金属的性质
铍
镁
钙
锶
钡
原子序数
4
12
20
38
56
价电子构型
2s2
3s2
4s2
5s2
6s2
原子半径/pm
112
160
197
215
222
沸点/℃
2970
1107
1487
1334
1140
熔点/℃
1280
651
845
769
725
电负性χ
1.5
1.2
1.0
1.0
0.9
第一电离能/kJ·mol-1
第二电离能/kJ·mol-1
899
1757
738
1451
590
1145
549
1064
503
965
电极电势EΘ(M+/M)/V
-1.85
-2.37
-2.87
-2.89
-2.90
氧化数
+2
+2
+2
+2
+2
s区元素的一个重要特点是各族元素通常只有一种稳定的氧化态。
碱金属的第一电离能较小,很容易失去一个电子,故氧化数为+1。
碱土金属的第一、第二电离能较小,容易失去2个电子,因此氧化数为+2。
在物理性质方面,s区元素单质的主要特点是:
轻、软、低熔点。
密度最低的是锂(0.53g·cm-3),是最轻的金属,即使密度最大的镭,其密度也小于5(密度小于5的金属统称为轻金属)。
碱金属、碱土金属的硬度除铍和镁外也很小,其中碱金属和钙、锶、钡可以用刀切,但铍较特殊,其硬度足以划破玻璃。
从熔、沸点来看,碱金属的熔、沸点较低,而碱土金属由于原子半径较小,具有2个价电子,金属键的强度比碱金属的强,故熔、沸点相对较高。
s区元素是最活泼的金属元素,它们的单质都能与大多数非金属反应,例如极易在空气中燃烧。
除了铍、镁外,都较易与水反应。
s区元素形成稳定的氢氧化物,这些氢氧化物大多是强碱。
s区元素所形成的化合物大多是离子型的。
第二周期的锂和铍的离子半径小,极化作用较强,形成的化合物基本上是共价型的,少数镁的化合物也是共价型的;也有一部分锂的化合物是离子型的。
常温下s区元素的盐类在水溶液中大都不发生水解反应。
9.1.2s区元素的重要化合物
(1)氧化物
(1.1)氧化物种类与制备
碱金属、碱土金属与氧能形成多种类型的氧化物:
正常氧化物、过氧化物、超氧化物、臭氧化物(含有O3-)以及低氧化物,其中前三种的主要形成条件见表9-3。
表9-3s区元素形成的氧化物
阴离子
直接形成
间接形成
正常氧化物
O2-
Li,Be,Mg,Ca,Sr,Ba
s区所有元素
过氧化物
O22-
Na,(Ba)
除Be外的所有元素
超氧化物
O2-
(Na),K,Rb,Cs
除Be,Mg,Li外的所有元素
例如碱金属中的锂在空气中燃烧时,生成正常氧化物Li2O:
4Li+O2
2Li2O
碱金属的正常氧化物也可以用金属与它们的过氧化物或硝酸盐作用而得到的。
例如:
Na2O2+2Na
2Na2O
2KNO3+10K
6K2O+N2↑
碱土金属的碳酸盐、硝酸盐、氢氧化物等热分解也能得到氧化物MO。
例如:
MCO3
MO+CO2↑
除铍和镁外,所有碱金属和碱土金属都能分别形成相应的过氧化物M2ⅠO2和MⅡO2,其中过氧化钠是最常见的碱金属过氧化物。
将金属钠在铝制容器中加热到300℃,并通入不含二氧化碳的干燥空气,得到淡黄色的Na2O2粉末:
2Na+O2
2Na2O2
钙、锶、钡的氧化物与过氧化氢作用,得到相应的过氧化物:
MO+H2O2+7H2O
MO2·8H2O
工业上把BaO在空气中加热到600℃以上使它转化为过氧化钡:
2BaO+O2
2BaO2
除了锂、铍、镁外,碱金属和碱土金属都分别能形成超氧化物MO2和M(O2)2。
一般说来,金属性很强的元素容易形成含氧较多的氧化物,因此钾、铷、铯在空气中燃烧能直接生成超氧化物MO2。
例如:
K+O2
KO2
(1.2)磁性与稳定性
正常氧化物、过氧化物、超氧化物这三类常见氧化物分别含有O2—、O22—、O2—离子。
过氧化物中的负离子是过氧离子O22—,其结构式如下:
或[—O—O或[O-O-]2—
按照分子轨道理论,O22-的分子轨道电子排布式为:
(σ1s)2(σ*1s)2(σ2s)2(σ*2s)2(σ2p)2(π2p)4(π*2p)4
其中只有一个σ键,键级为1。
由于电子均成对,因而O22—为反磁性。
超氧化物中的负离子是超氧离子O2—,其结构式如下:
按照分子轨道理论,O2—的分子轨道电子排布式为:
(σ1s)2(σ*1s)2(σ2s)2(σ*2s)2(σ2p)2(π2p)4(π*2p)3
O2—中有一个σ键和一个三电子键,键级为3/2。
由于含有一个未成对电子,因而O2—具有顺磁性。
联系O2、O22—、O2—的结构可以看出:
O22—和O2—的反键轨道上的电子比O2多,键级比O2小,键能(分别为142和398kJ·mol-1)比O2(498kJ·mol-1)小。
所以过氧化物和超氧化物稳定性不高。
(1.3)性质
(1.3.1)熔点及硬度
由于Li+的离子半径特别小,Li2O的熔点很高。
Na2O熔点也很高,其余的氧化物未达熔点时便开始分解。
碱土金属氧化物中,唯有BeO是ZnS型晶体,其他氧化物都是NaCl型晶体。
与M+相比,M2+电荷多,离子半径小,所以碱土金属氧化物具有较大的晶格能,熔点都很高,硬度也较大(金刚石硬度为10的话,BeO的硬度等于9)。
除BeO外,由MgO到BaO,熔点依次降低。
BeO和MgO可作耐高温材料,CaO是重要的建筑材料,也可由它制得价格便宜的碱Ca(OH)2。
(1.3.2)与水及稀酸的反应
碱金属氧化物与水化合生成碱性氢氧化物MOH。
Li2O与水反应很慢,Rb2O和Cs2O与水发生剧烈反应。
碱土金属的氧化物都是难溶于水的白色粉末。
BeO几乎不与水反应,MgO与水缓慢反应生成相应的碱。
M2O+H2O
2MOH
MO+H2O
M(OH)2
过氧化钠与水或稀酸在室温下反应生成过氧化氢:
Na2O2+2H2O
2NaOH+H2O2
Na2O2+H2SO4(稀)
Na2SO4+H2O2
超氧化物与水反应立即产生氧气和过氧化氢。
例如:
2KO2+2H2O
2KOH+H2O2+O2↑
因此,超氧化物是强氧化剂。
(1.3.3)与二氧化碳的作用
过氧化钠与二氧化碳反应,放出氧气:
2Na2O2+2CO2
2Na2CO3+O2↑
超氧化钾与二氧化碳作用放出氧气:
4KO2+2CO2
2K2CO3+3O2↑
KO2较易制备,常用于急救器中,利用上述反应提供氧气。
另外,过氧化钠也是一种强氧化剂,工业上用作漂白剂,也可以用来作为制得氧气的来源。
Na2O2在熔融时几乎不分解,但遇到棉花、木炭或铝粉等还原性物质时,就会发生爆炸,使用Na2O2时应当注意安全。
(2)氢氧化物
碱金属和碱土金属的氢氧化物在空气中易吸水而潮解,故固体NaOH和Ca(OH)2常用作干燥剂。
(2.1)溶解性
碱金属的氢氧化物在水中都是易溶的,溶解时还放出大量的热。
碱土金属的氢氧化物的溶解度则较小,其中Be(OH)2和Mg(OH)2是难溶的氢氧化物。
碱土金属的氢氧化物的溶解度列入表9-4中。
由表中数据可见,对碱土金属来说,由Be(OH)2到Ba(OH)2,溶解度依次增大。
这是由于随着金属离子半径的增大,正、负离子之间的作用力逐渐减小,容易为水分子所解离的缘故。
表9-4碱土金属氢氧化物的溶解度(20℃)
氢氧化物
Be(OH)2
Mg(OH)2
Ca(OH)2
Sr(OH)2
Ba(OH)2
溶解度/mol·L-1
8×10-6
5×10-4
1.8×10-2
6.7×10-2
2×10-1
(2.2)酸碱性
碱金属、碱土金属的氢氧化物中,除Be(OH)2为两性氢氧化物外,其他的氢氧化物都是强碱或中强碱。
这两族元素氢氧化物碱性递变的次序如下:
LiOH<NaOH<KOH<RbOH<CsOH
中强碱强碱强碱强碱强碱
Be(OH)2<Mg(OH)2<Ca(OH)2<Sr(OH)2<Ba(OH)2
两性中强碱强碱强碱强碱
金属氢氧化物的酸碱性递变规律,可用上章的ROH规律加以解释。
碱金属、碱土金属氢氧化物的碱性和溶解度递变规律可以归纳如下:
(3)重要的盐类
应该注意,碱土金属中铍的盐类很毒,钡盐也很毒。
(3.1)晶体类型与熔、沸点
碱金属的盐大多数是离子型晶体,它们的熔点、沸点较高。
由于Li+离子半径很小,极化力较强,它在某些盐(如卤化物)中表现出不同程度的共价性。
碱土金属离子带两个正电荷,其离子半径较相应的碱金属小,故它们的极化力较强,因此碱土金属盐的离子键特征较碱金属的差。
但随着金属离子半径的增大,键的离子性也增强。
例如,碱土金属氯化物的熔点从Be到Ba依次增高:
氯化物BeCl2MgCl2CaCl2SrCl2BaCl2
熔点/℃405714782876962
其中,BeCl2的熔点明显地低,这是由于Be2+半径小,极化力较强,它与Cl-、Br-、I-等极化率较大的阴离子形成的化合物已过渡为共价化合物。
(3.2)溶解度
碱金属的盐类大多数都易溶于水。
碱金属的碳酸盐、硫酸盐的溶解度从Li至Cs依次增大,少数碱金属盐难溶于水,例如LiF、LiCO3、Li3PO4、NaZn(UO2)3(CH3COO)9·6H2O、KClO4、K2[PtCl6]等。
碱土金属的盐类中,除卤化物和硝酸盐外,多数碱土金属的盐只有较低的溶解度,例如它们的碳酸盐、磷酸盐以及草酸盐等都是难溶盐(BeC2O4除外)。
铍盐中多数是易溶的,镁盐有部分溶,而钙、锶、钡的盐则多为难溶,钙盐中以CaC2O4的溶解度为最小,因此常用生成白色CaC2O4的沉淀反应来鉴定Ca2+。
由于这些盐的溶解度很小,有些硫酸盐在自然界中就会沉积为矿石,主要的矿石有菱镁矿(CaCO3)、白云石(MgCO3·CaCO3)、方解石和大理石(CaCO3)、重晶石(BaSO4)和石膏(CaSO3·2H2O)等。
(3.3)热稳定性
碱金属的盐除硝酸盐及碳酸锂外一般都具有较强的稳定性,在800℃以下均不分解。
2NaNO3
2NaNO2+O2
因此,常可以利用Na2CO3来熔解许多酸性物质。
BaSO4(重晶石)+2NaNO3
BaCO3+2Na2SO4
碱土金属盐的稳定性相对较差,但在常温下还是稳定的,只有铍盐特殊。
例如,BeCO3加热不到100℃就会分解。
(4)Li、Be的特殊性及对角线规则
(4.1)Li与Mg、Be与Al的相似性
锂只有两个电子层,Li+半径特别小,水合能特别大,这使锂和同族碱金属元素相比较有许多特殊性质,而和第二族Mg有相似性。
例如Li比同族元素有较高的熔、沸点和硬度;Li难生成过氧化物;像Mg3N2一样,Li3N是稳定的化合物;Li和第二族一样能和碳直接生成Li2C2;Li能形成稳定的配合物,如[Li(NH3)4]I;Li2CO3、Li3PO4和LiF等皆不溶于水;LiOH溶解度极小,受热易分解,不稳定;Li的化合物有共价性,故能溶于有机溶剂中等。
铍及其化合物的性质和同族其他金属元素及其化合物也有明显的差异。
铍的熔点、沸点比其他碱土金属高,硬度也是碱土金属中最大的,但都有脆性。
铍有较强的形成共价键的倾向,例如BeCl2已属于共价型化合物,而其他碱土金属的氧化物基本上都是离子型的。
但铍和第三族的铝有相似性。
铍和铝都是两性金属,既能溶于酸,也能溶于强碱;铍和铝的标准电极电势相近。
EΘ(Be2+/Be)=-1.70V,EΘ(Al3+/Al)=-1.66V,金属铍和铝都能被冷的浓硝酸钝化;铍和铝的氧化物均是熔点高、硬度大的物质;铍和铝的氢氧化物Be(OH)2和Al(OH)3都是两性氢氧化物,而且都难溶于水。
铍和铝的氟化物都能与碱金属的氟化物形成配合物,如Na2[BeF4]、Na3[AlF6];它们的氯化物、溴化物、碘化物都易溶于水;铍和铝的氯化物都是共价型化合物,易升华、易聚合、易溶于有机溶剂。
(4.2)对角线规则
上述的相似性即所称的“对角线”相似性。
在s区和p区元素中,除了同族元素的性质相似外,还有一些元素及其化合物的性质呈现出“对角线”相似。
所谓对角线相似即ⅠA族的Li与ⅡA族的Mg、ⅡA族的Be与ⅢA族的Al、ⅢA族的B与Ⅳ族的Si这三对元素在周期表中处于对角线位置:
周期表中,某元素及其化合物的性质与它左上方或又下方元素及其化合物性质的相似性就称为对角线规则。
对角线规则是从有关元素及其化合物的许多性质中总结出来的经验规律;对此可以用离子极化的观点加以粗略的说明。
同一周期最外层电子构型相同的金属离子,从左至右随离子电荷的增加而引起极化作用的增强;同一族电荷相同的金属离子,自上而下随离子半径的增大而使得极化作用减弱。
因此,处于周期表中左上右下对角线位置上的邻近两个元素,由于电荷和半径的影响恰好相反,它们的离子极化作用比较相近,从而使它们的化学性质比较相似。
由此反映出物质的结构与性质之间的内在联系。
(5)硬水及其软化
工业上根据水中Ca2+和Mg2+的含量,把天然水分为两种:
溶有较多量Ca2+和Mg2+的水叫做硬水;溶有少量Ca2+和Mg2+的水叫做软水。
(5.1)暂时硬水与永久硬水
含有碳酸氢钙Ca(HCO3)2或碳酸氢镁Mg(HCO3)2的硬水经煮沸后,所含的酸式碳酸盐就分解为不溶性的碳酸盐。
例如:
Ca(HCO3)2
CaCO3↓+H2O+CO2↑
2Mg(HCO3)2
Mg2(OH)2CO3↓+H2O+3CO2↑
这样,容易从水中除去Ca2+和Mg2+,水的硬度就变低了,故这种硬水叫做暂时硬水。
含有硫酸镁MgSO4、硫酸钙CaSO4或氯化镁MgCl2、氯化钙CaCl2等的硬水,经过煮沸,水的硬度也不会消失。
这种水叫做永久硬水。
(5.2)硬水的软化
消除硬水中Ca2+、Mg2+的过程叫做硬水的软化。
常用的软化方法有石灰纯碱法和离子交换树脂净化水法。
永久硬水可以用纯碱软化。
纯碱与钙、镁的硫酸盐和氯化物反应,生成难溶性的盐,使永久硬水失去它的硬性。
工业上往往将石灰和纯碱各一半混合用于水的软化,称为石灰纯碱法。
反应方程式如下:
MgCl2+Ca(OH)2
Mg(OH)2↓+CaCl2
CaCl2+Na2CO3
CaCO3↓+2NaCl
反应终了再加沉降剂(例如明矾),经澄清后得到软水。
石灰纯碱法操作比较复杂,软化效果较差,但成本低,适于处理大量的且硬度较大的水。
例如,发电厂、热电站等一般采用该法作为水软化的初步处理。
9.2d区元素
过渡元素包括ⅠB到ⅦB族和第Ⅷ族共30多个元素。
通常又把过渡元素分成第一过渡系(从钪到锌),第二过渡系(从钇到镉)和第三过渡系(从镧到汞,不包括镧系元素)。
第一过渡系的元素及其化合物应用较广,并有一定的代表性。
下面重点讨论第一过渡系。
9.2.1通性
(1)有关原子参数与氧化数
过渡元素的一般性质列于表9-5。
过渡元素的价电子不仅包括最外层的s电子,还包括次外层全部或部分d电子(Zn、Cd、Hg除外)。
这样的电子构型使得它们能形成多种氧化数的化合物。
它们的最高氧化数等于最外层s电子和次外层d电子数的总和。
但在第Ⅷ族、ⅠB、ⅡB族中这一规律不完全
表9-5过渡元素的一般性质
第一
过渡系
价层电子构型
熔点/℃
沸点/℃
原子半径
第一电离能
氧化数
pm
kJ·mol-1
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
3d14s2
3d24s2
3d34s2
3d54s1
3d54s2
3d64s2
3d74s2
3d84s2
3d104s1
3d104s2
1541
1668
1917
1907
1244
1535
1494
1453
1085
420
2836
3287
3421
2679
2095
2861
2927
2884
2562
907
161
145
132
125
124
124
125
125
128
133
639.5
664.6
656.5
659.0
723.8
765.7
764.9
742.5
751.7
912.6
3
-1,0,2,3,4
-1,0,2,3,4,5
-2,-1,0,2,3,4,5,6
-2,-1,0,2,3,4,5,6,7
0,2,3,4,5,6
0,2,3,4
0,2,3,(4)
1,2,3
2
第二
过渡系
价层电子构型
熔点/℃
沸点/℃
原子半径
第一电离能
氧化数
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
4d15s2
4d25s2
4d45s1
4d55s1
4d55s2
4d75s1
4d85s1
4d105s0
4d105s1
4d105s2
1522
1852
2468
2622
2157
2334
1963
1555
962
321
3345
3577
4860
4825
4265
4150
3727
3167
2164
765
181
160
143
136
136
133
135
138
144
149
606.4
642.6
642.3
691.2
708.2
707.6
733.7
810.5
737.2
874.0
3
2,3,4
2,3,4,5
0,2,3,4,5,6
0,4,5,6,7
0,3,4,5,6,7,8
0,
(1),2,3,4,6
0,
(1),2,3,4
1,2,3
2
第三
过渡系
价层电子构型
熔点/℃
沸点/℃
原子半径
第一电离能
氧化数
Lu
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
5d16s2
5d26s2
5d36s2
5d46s2
5d56s2
5d66s2
5d76s2
5d96s1
5d106s1
5d106s2
1663
2227
2996
3387
3180
3045
2447
1769
1064
-39
3402
4450
5429
5900
5678
5225
2550
3824
2856
357
173
159
143
137
137
134
136
136
144
160
529.7
660.7
720.3
739.3
754.7
804.9
874.7
836.8
896.3
1013.3
3
2,3,4
2,3,4,5
0,2,3,4,5,6
0,2,3,4,5,6,7
0,2,3,4,5,6,7,8
0,2,3,4,5,6
0,2,4,5,6
1,3
1,2
注:
表中黑体数字为常见氧化数,氧化数为0的表示这种元素形成羰合物时的氧化数。
适用。
另外,除ⅢB及ⅡB族中的Zn、Cd外,其他过渡元素的氧化数都是可变的。
具有较低氧化数的过渡元素,大都以“简单”离子(M+、M2+、M3+)存在。
(2)主要物理性质
过渡元素大都是高熔点、高沸点(Zn、Cd、Hg除外)、密度大、导电和导热性能良好的重金属。
它们广泛地被用在冶金工业上制造合金钢,例如不锈钢(含镍和铬),弹簧钢(含钒)、锰钢等。
熔点最高的单质是钨,硬度最大的是铬,单质密度最大的是锇(Os)。
(3)主要化学性质
钪Sc、钇Y、镧La是过渡元素中最活泼的金属。
例如,在空气中Sc、Y、La能迅速地被氧化,与水作用放出氢。
它们的活泼性接近于碱土金属。
Sc、Y、La的性质之所以比较活泼,是因为它们的原子次外层d轨道中仅有一个电子,这个电子对它们的影响尚不显著,所以它们的性质较活泼并接近于碱土金属。
同一族的过渡元素除ⅢB族外,其他各族都是自上而下活泼性降低。
一般认为这是由于同族元素自上而下原子半径增加不大,而核电荷数却增加较多,对电子吸引增强,所以第二、三过渡系元素的活泼性急剧下降。
特别是镧以后的第三过渡系的元素,又受镧系收缩的影响,它们的原子半径与第二过渡系相应的元素的原子半径几乎相等。
因此第二、三过渡系的同族元素及其化合物,在性质上很相似。
例如,锆与铪在自然界中彼此共生在一起,把它们的化合物分离开比较困难。
铌和钽也是这样。
同一过渡系的元素在化学活泼性上,总的来说自左向右减弱,但是减弱的程度不大。
过渡元素的原子或离子都具有空的价电子轨道,这种电子构型为接受配位体的孤对电子形成配价键创造了条件。
因此它们的原子或离子都有形成配合物的倾向。
(4)离子的颜色
过渡元素的大多数水合离子常带有一定的颜色。
关于离子有颜
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 整理 ds 重要 元素 及其 化合物