4.1元素概述

Cd 与蛋白质分子结合，导致多种酶的活性受到抑制和破坏， 干扰必需微量元素在体内的正常生理功能和代谢过程，阻 碍铁的吸收等。
As 三价砷使酶失去活性，影响细胞的正常代谢，抑制细胞
呼吸导致其死亡。
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元素与环境
大气污染 CO2、H2O、CH4、N2O、O3、氟氯 烃等温室气体 酸雨 PH<5.6，H2SO4、H2SO3、HNO3、HNO2、 少量有机酸等 水污染 工业废水含P、As、Sb等半金属和Cd、 Hg、Cr(VI)等元素及化合物
铜、锡、铅、锰、镍、钛、铌、钼等、非金属硼、硫、 磷储量名列世界前茅；
有些元素矿产品位不高、伴生矿，如富铁矿较少
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生物体内的元素
s区元素
Na+、K + 维持体液的解离平衡、酸碱平衡和渗 透平衡，由于离子半径及水合能差异，Na主要 在细胞外液中，K主要在细胞内液中
Mg2+ 内部结构稳定剂和细胞内酶的辅因子， DNA复制和蛋白质合成，激活多种酶
逐
As Se Br
渐
增
Te I
强
热稳定性逐渐减弱
At
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第三周期元素最高价氧化物对应水化物酸性
族 IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA
元素 Na Mg Al Si P S Cl
氧化物 Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 Cl2O7
水化物 NaOH Mg(OH)2 Al(OH)3 H4SiO4 H3PO4 H2SO4 HClO4
Cs2O
CsOH
F
酸 性
HClO4
Cl2O7
Cl
增 强
HBrO4
Br2O7
Br
HIO4 I2O7
I
HAtO4
At2O7
At
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元素最高价氧化物对应水化物的酸碱性
酸性逐渐增强
H
碱 性
Li Be B C N O F
逐 Na Mg Al Si P S Cl
渐
增 K Ca Ga Ge As Se Br
强
酸 性 逐 渐 增 强
“按照我们老师门捷列夫的那样，我也尽可 能地写下了这些元素可能有的性质和预见到 的各种关系”
按照周期表所指示的方向进行探索，他在 1898年一年内又发现了和氩性质相似的三种 元素氖、氪、氙
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氟里昂与元素周期表
19 3 0 年美国托马斯·米奇利 成功获得一种新型致冷剂—— CCl2F2（氟里昂，F12）
主族元素单质呈现出由导体向半导体、绝缘体变化的 趋势。位于 p 区的对角线附近的金属是半导体，其中 Si ，Ge 被认为是最好的半导体。
副族元素均为金属，易导电。
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元素气态氢化物的热稳定性
热稳定性逐渐增强
热 稳 定 性 逐 渐 减 弱
热
BCNO F
稳 定
Si P S Cl
性
1.39
1.08
0 .22
❖ 大多数元素的丰度还是很小的，总和还不到1％； ❖ 地壳中的元素存在于矿物及天然水系中
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我国矿物资源丰富，特点是“稀有元素不稀有、丰产 元素不丰富”。
世界上已知矿物元素在我国都找到了，其中铅矿、钨 矿等很多重要矿产已成为我国的重要出口矿藏。
钨、稀土、锑、锂、钒等稀有金属储量占世界首位， 其中钨占其他各国已知总量的3倍多，稀土4倍多，锑 占世界储量的44%；
副族均为金属元素，其单质具有一般金属熔沸点通性
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2、硬度和密度
同周期主族元素从左到右，单质的密度是两头小中间 大，这与原子半径和晶体结构的变化有关。
副族元素具有较大的密度和硬度。单质中密度最大的 是Os、Ir、Pt ；硬度最大的是Cr，仅次于金刚石。
3、导电性（周期表从左到右）
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3 元素在自然界中的存在形态
存在形态有：游离态（单质）和化合态（化合物）
1）化合态 （大多数元素以化合态存在）
（1）活泼金属元素与ⅦA（卤素）形成的离子型化合物，存在于 各种水体及矿体之中；
（2）ⅡA族元素还常以难溶性碳酸盐或硫酸盐形式存在于矿物中； 如石灰石（CaCO3）等；
Ni 缺Ni影响人体对铁的吸收，导致血红蛋白水 准和红细胞数量下降
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生物体内的元素
p区元素 (卤素及硒)
Cl 体内宏量元素，与Na+、K +维持体液的解离 平衡、酸碱平衡和渗透平衡，
F、Br、I、Se 微量元素；F 强硬骨骼 CaF2 溴化物（NaBr、KBr）抑制神经中枢、医药上 用作镇静剂；I 甲状腺分子；
1930年前，氨、二氧化硫、氯乙烷和氯甲烷等被相继用作致冷剂； 这些致冷剂不是有毒就是易燃，很不安全
为了寻找无毒不易燃烧的致冷剂，米奇利 根据对元素周期表研究， 分析单质及化合物易燃性和毒性的递变规律。
在第三周期中，单质的易燃性：CH4>NH3>H2O；氢化物的毒性： AsH3>PH3>NH3 H2S >H2O
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1871年 门捷列夫预言 类铝（Ea）
相对原子质量约为 69
密度约为 5.9~6.0g/cm-3
熔点应该很低
可用分光镜发现
其存在
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1875年 布瓦德朗发现 镓（Ga）
相对原子质量 69.72
密度 5.94g/cm-3
熔点：30.1℃
镓是用分光镜
发现的
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原子量 比重 颜色 氧化物 氯化物
Rb Sr In Sn Sb Te I
Cs Ba Tl Pb Bi Po At
碱性逐渐增强
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元素的金属性和非金属性递变
非金属性逐渐增强
H百度文库
金
属 Li Be B C N O F
性
逐 Na Mg Al Si P S Cl
渐 增
K Ca Ga Ge As Se Br
强 Rb Sr In Sn Sb Te I
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1871年门捷列 夫预言的亚硅
1885年尼尔生 发现的 锗
约72 5.5左右
72.73 5.47
灰
灰色，稍带白色
氧化物难熔， 比重4.7
沸点<100℃
氧化物难熔， 比重4.7 沸点80℃
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1894年 英国人拉姆赛发现 氩元素
写道：“根据元素周期表，应该还有几种类 似氩的元素存在，它们在周期表里组成性质 类似的族 ”
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性质——元素之最
最活泼金属Cs、最活泼非金属F2 最轻的金属Li、最轻的非金属H2 最高熔沸点是C、最低熔沸点是He 最稳定的气态氢化物HF，含H%最大的是CH4
最强酸 HI、最强碱CsOH
地壳中含量最多的金属和非金属分别是 Al 和O
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三、 单质的晶体结构和物理性质
第四部分 简明元素概论
4.1 元素概述 4.2 s、p区元素 4.3 ds、d区元素 4.4 镧系元素和稀土元素（f区）
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学习内容参考教材：
1、郑利明等编.简明元素化学.化学工业出版社 （超星图书馆可下载） 2、刘新锦等.无机元素化学（第二版）.科学出版社
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4.1 元素概述
❖ 普通元素和稀有元素
➢稀有元素是指在自然界中含量较少和分布较散；或 被发现较晚
➢ 钛在地壳中含量排第十位，但难于制备；有些普通 元素比较集中，但总量较少，因此普通与稀有的划 分不是绝对的
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❖ 稀有元素——通常分为以下几类
轻稀有元素：如锂（Li）、铷（Rb）等； 高熔点稀有元素：钛（Ti）、锆（Zr）等； 分散性稀有元素：镓（Ga）、铟（In）等； 铂系元素：锇（Os）、铂（Pt）等； 稀土元素：钪（Sc）、镧（La）及镧系等； 放射性稀有元素：锕（Ac）及锕系、镭等； 稀有气体：氦（He）、氖（Ne）等。
Se 含Se酶能避免过氧化物或含氧自由基对机体 损伤，抑制癌症
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对生物体有害的元素
Pb 与体内一系列蛋白质、酶和氨基酸中的巯基（-SH）结 合，从多方面干扰机体的生化和生理功能；铅中毒主要损 害造血、神经、消化系统和肾脏，有致畸、致癌作用。
Hg 与蛋白质中巯基有较强的亲和力，改变或破坏蛋白质 的结构和活性，导致细胞代谢紊乱；主要损害神经、生殖 系统和肾脏等。
一、 元素的发现、分类和存在形态 二、元素的自然资源 三、单质的晶体结构和物理性质 四、单质的制取方法
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一、 元素的发现、分类和形态
1 元素的发现 2 元素的分类 3 元素在自然界中的存在形态
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1 元素的发现
迄今为止，人类发现的天然存在的元素有92种，人工合 成的元素有20（多）种，共112 ＋种
1875年法国布瓦德朗用光谱分析法发现新元素， 并命名为镓。除比重差异外，一切都应验了
门捷列夫写信给巴黎科学院：“ 镓就是我预言的 亚铝，它的原子量接近68，比重应该是5.9~ 6.0 g/cm-3 ，不是4.7，请再试验一下，也许您那块物 质还不纯……”
布瓦德朗重新测定镓的比重，果然是5.94。
（3）准金属元素（B除外）以及ⅠB族和ⅡB元素常以难溶性硫化 物存在，如辉铜矿（Cu2S）
（4）ⅢB~ⅦB族过渡元素主要以稳定的氧化物存在，如软锰矿 （MnO2）
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2）游离态
常温常压下的单质以气体存在的有11种 氮、氧、氢、氯、氟和六种稀有气体
以液态存在的单质有 2种 ＋ 2种 （1）Hg、Br； （2）低熔点，易形成过冷态 Cs （熔点28.5℃）和 Ga（熔点30℃）
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国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)推荐 （1998年）
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1869年的门捷 列夫第一张元 素周期表
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1870年门捷列夫预言了31号元素镓，门捷列夫称 它为亚铝， “亚铝是一种易挥发的物质，将来一 定有人利用光谱分析发现它”
非 金 属 性 逐 渐 增 强
Cs Ba Tl Pb Bi Po At
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金属性逐渐增强
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元素周期表实际应用：位-构-性的推断
原子结构
质子数=原子序数 电子层数=周期序数 最外层电子数=主族序数
最外层电子数=主族最高正价 最外层电子数=电子层数为准金属 酸性，稳定性的递变性
Ca 绝大部分存在于骨骼和牙齿中，其余存在于 细胞外参与血液凝固、激素释放、神经传导、 肌肉收缩等生理过程
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生物体内的元素
d区元素
Cu 含Cu酶催化形成弹性蛋白和骨胶原蛋白、 将酪胺酸转化成黑色素和皮肤色素
Fe 、Cu 血红蛋白的合成
Zn 生物体内多种锌酶及锌激活酶，代谢物的 合成与降解、激活肠磷酸酶及肝肾过氧化氢酶
V 存在于动、植物和人体蛋白，降低血清中胆 固醇
Cr 维持正常代谢，协助胰岛素起作用
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d区元素
Mo 存在于黄嘌呤氧化酶等与染色体有关的金 属酶中，影响体内的嘌呤代谢
Mn 输锰蛋白质、精氨酸酶、丙醇酸羧化酶等、 缺锰可能导致动脉硬化、食道癌等
Co 维生素B12的重要成分，参与核酸合成、血 红蛋白合成、氨基酸新陈代谢等
根据这样的变化趋势，周期表中右上角F、Cl元素的化 合物可能是理想的元素，不易燃、低毒性的致冷剂
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2 元素的分类
❖金属元素（90种）和非金属元素（22种）
B－Si－As－Te—At 和Al—Ge—Sb—Po对角线划分
位于该对角线左下方的单质都是金属；右上方都是 非金属。这条对角线边上的元素为准金属
❖ s区的元素均为金属晶体；p区的元素的中间部分，有 的为原子晶体，有的为分子晶体。最右边非金属和稀 有气体则全部为分子晶体。
❖ 从左至右，由典型的金属晶体经过原子晶体，最后过 渡到分子晶体；由上而下，由分子晶体或原子晶体过 渡到金属晶体。
1、熔沸点
物质熔沸点决定于物质的晶体类型
主族元素，从左到右，熔沸点由低到高再到低。
酸碱性 强碱 碱 两性 弱酸 酸 强酸 最强酸
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酸性逐渐增强，碱性减弱
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同一主族元素最高价氧化物对应水化物的酸碱性
IA … …
IVA
…
… VIIA
2 Li Li2O LiOH
3
Na
Na2O
NaOH 碱
性
4K
K2O
KOH 增
强
5 Rb Rb2O RbOH
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其余的单质均为固态 （1）固态非金属单质：如碳； （2）金属单质：如Hg、Au等及铂系元素等。
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二、 元素的自然资源
元素在自然界总含量称为丰度。
丰度占前十位的元素为（数字均为百分比）
O
H
Si
Al
Na
52.32 16.95
16.67
5.53
1.95
Fe
Ba
Mg
K
Ti
1.50 1.48