非金属元素及化合物(竞赛讲义)

非金属元素及其化合物

【赛点简索】

●非金属元素的周期表中右上方（氢在左上方）。非金属元素价电子数较多，原子半径较小，易得电子，因此常表现出氧化性。

●非金属元素氢、氟、氯、溴、碘、氧、硫、氮、磷、砷、碳、硅、硼等十三种元素的单质及其化合物（氢化物、氧化物、含氧酸、含氧酸盐的性质和重要反应）。

●卤素单质与水的反应，硼的特性及硼烷的结构和性质。

●含氧酸酸性强弱的递变规律以及同周期、同主族元素的性质递变规律。水溶液中的常见离子的颜色和定性鉴定和分离。

【热点难点】

在所有的一百多种化学元素中，非金属占22种，除氢以外都位于周期表中的p区。它们为数虽然不多，但涉及的面却很广。首先是化合物种类繁多。自然界中存在的元素中，丰度最大的是非金属。80%以上的非金属在现代技术包括能源、功能材料等领域占有极为重要的地位。其中突出的为氢作为能源，硅作为半导体材料，石英光纤作为通讯材料，还有特种功能陶瓷等等。在超导、激光、生物医药等高技术领域，非金属起着与金属同等重要的角色。

1、非金属单质的结构

非金属单质的晶体结构大多数是分子晶体，也有少数原子晶体和过渡型的层状晶体，但不论是哪种晶体类型，分子中的原子间大都是以二中心二电子共价键相结合的，每种元素在单质分子中的共价键数目大多数符合8 – N规则，即以N 代表非金属元素在周期表中的族数，则该元素在单质中的共价数等于8 – N。对于氢、氦则为2 – N。

稀有气体的共价数为8 – 8 = 0，形成单原子分子。卤素为8 – 7 = 1，每两个原子以一个共价键形成双原子分子。氢的共价数为2 – 1 = 1，也属同一类型。ⅥA族的硫、硒、碲为8 – 6 = 2，形成二配位的链形或环形分子，ⅤA族的磷、砷则形成三配位的有限分子P4、As4或层形分子如灰砷、黑磷等。ⅥA族的碳、硅的8 – 4 = 4，则形成四配位的金刚石型的结构。

2．卤素、单质与水的反应

卤素与水的反应有两种类型。其一是卤素置换水中的氧：2X2 + H2O = 4H+ + 4X－+ O2

其二是卤素的水解反应：X2 +H2O H+ + X－+HXO （X=Cl，Br，I）3．硼和硼烷

（1）硼的外层电子构型和成键性质硼处于第二周期第ⅢA族，具有2s22p1的外层电子构型。硼原子具有下面三个特点：

（2）硼烷硼和氢不能直接化合，但用间接方法可以制备一系列硼和氢的化合物，它们和碳氢化合物相似，称为硼烷。最简单的硼氢化合物是乙硼烷，又称二硼烷B2H6。

硼烷剧毒，是液体燃料，在空气中能自燃，极易水解，可以跟NH3、CO起加合反应。

B2H6 + 3O2 === B2O3 + 3H2O B2H6 + 6H2O === 3H3BO3 + 6H2↑B2H6 + 2NH3 === [H2B(NH3)2][BH4]

4．碳的氧化物及其盐

碳有许多氧化物，其中最常见的是CO和CO2。

CO和N2、CN－等互为等电子体，CO分子中有三重键，1个σ键和2个π键。CO的（总）键能大于N2的（总）键能（如表），但CO与N2容易参加化学反应。原因为

①CO分子中C上的一对电子（比N2）容易和金属氧化物或金属发生反应。

Fe2O3(s) + 3CO(g) === 2Fe(s) + 3CO2(g) Fe(s) + 5CO(g) === Fe(CO)5(s)

②CO中的第一个π键的键能比N2中的小很多，因此CO的第一个键易断裂。

CO2是线型非极性分子，分子结构如图，其中C原子以sp杂化成键，分子中存在两个大π键（π34）。在526.8kPa、

–56.6℃时，CO2凝聚为固态（常称为干冰），干冰于–78.5℃升华。CO2的临界温度为31℃（加压可使CO2液化的温度

升高），

900K

因此钢瓶中CO2应为液态。常态下，CO2是无色无臭的气体，不支持燃烧，但某

些还原性很强的金属，例如燃烧着的镁带，即使在CO2中也能继续燃烧。2Mg + CO2 ===== 2MgO + C

CO2可溶于水，常压下273K时，100gH2O可溶解0.385gCO2，按体积比约1:1，饱和CO2溶液的浓度为0.03～0.04mol/L，溶液呈酸性pH≈4。习惯上把CO2的水溶液叫做碳酸。

碳酸盐有酸式碳酸盐和碳酸盐。大多数酸式碳酸盐易溶于水，正盐只有铵和

碱金属（锂除外）的碳酸盐易溶于水，但易溶于水的正盐其相应的酸式盐溶解度

却相对较小。

由于碳酸是二元弱酸，故其盐都有不同程度的水解。当金属离子与可溶性碳

酸盐作用时党表现出不同的沉淀形式，这主要决定于反应物、生成物的性质和反

应条件。

不同的碳酸盐对热稳定性可以相差很大，其规律为

（1）同一种含氧酸（盐）的热稳定性次序为：正盐＞酸式盐＞酸。如：

Na2CO3＞NaHCO3＞H2CO3

（2）同族元素从上到下，碳酸盐的热稳定性增强。如：BeCO3＜MgCO3＜CaCO3＜SrCO3＜BaCO3

（3）不同金属的碳酸盐的热稳定性次序为：碱金属盐＞碱土金属盐＞过渡

金属盐＞铵盐。如：K2CO3＞CaCO3＞ZnCO3＞(NH4)2CO3

5．氨的氢化物

（1）a．氨合电子：液氨可溶解较活泼的金属（如碱金属、钙、锶、钡等）

生成蓝色溶液，这种溶液可导电，较稳定，通常作为一种强还原剂，将其放置时，

可缓慢放出氢气：2Na + 2NH3 === 2NaNH2 + H2。

其特性可以认为是产生了“氨合电子”的缘故，以金属钠为例，说明如下：

Na Na+ + e－，然后氨分子发生可逆的溶剂加合作用：

Na+ + xNH3Na(NH3)x+e－+ yNH3 (NH3)y－“氨合b．形成配合物：氨分子中的孤电子对可与别的分子或离子形成配位键，如

三氟化硼、各种金属离子等。特别应注意的是，氯化银虽不溶于强酸，但可溶于

氨水：AgCl + 2NH3 === Ag(NH3)2+ + Cl－。