无机化学课件 主族元素

第四版 北师大、华师大等主编
《无机化学》高教出版社（第四版）
大连理工大学无机化学教研室 编
《现代基础化学》化学工业出版社
第一版 朱裕贞 顾 达 黑恩成 主编
s区元素概述
碱金属(IA )：ns1 Li, Na, K, Rb, Cs, Fr
碱土金属(IIA )：ns2 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 都是活泼金属。
碱土金属盐类除卤化物、硝酸 盐外多数溶解度较小。 4.热稳定性：较高。
重要盐类及其性质
•硝酸盐热稳定性差。
•碱土金属碳酸盐的稳定性随金属离子半径 的增大而增强。
BeCO3 MgCO3 CaCO3 SrCO3 BaCO3
T分 /℃ ＜100 540 900 1290 1360
[ ] 2+
MO
C
O 2-
1.晶体类型： 绝大多数是离子晶体，但碱土金属卤
化物有一定的共价性。 例如：Be2+极化力强， BeCl2已过渡为共价
化合物。
BeCl2 MgCl2 CaCl2 SrCl2 BaCl2 熔点/ ℃：415 714 775 874 962
离子性增强
重要盐类及其性质
2.一般无色或白色 3.溶解度：碱金属盐类一般易溶于水；
•电负性大，形成共价化合物
硼族元素
硼族元素概述 硼族元素的单质 硼的化合物 铝的化合物
③最后三个元素性质缓慢地递变
K+ r/pm 133
Rb+ r/pm 148
Cs+ r/pm 169
Ca2+ 99 Sr2+ 113 Ba2+ 135
(d区、f 区插入)
Ga3+ 62 In3+ 81 Tl3+ 95
Ge4+ As5+ 53 47 Sn4+ Sb5+ 71 62 Pb4+ Bi5+ 84 74
K(σ 2 K )2 s(σ * 2)2 s(σ 2 p)2 (π 2 p)4 (π * 2)p 4
超氧化物(O2-)
K(σ 2 K )2 s(σ* 2)2 s(σ 2 p)2(π 2 p)4(π * 2)p 3
稳定性: O2- > O2- > O22-
重要盐类及其性质
重要盐类： 卤化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐。
-90.4 -57.3 -57.7 -54.3 -49.3 -441
△fHm / kJ·mol-1
2.还原性强
(E (H2/H- ) -2.23V)
钛的冶炼：
2L+ iT Hi2O T+i2LiOH 4N + T a4 iH C T l+ 4 i N + 2 a2 H C
剧烈水解： M+H H 2O M+ O H 2(H g) C2 a + 2 H H 2 O Ca2 (+ O 2 H 2(H g)
在细胞内液中： c(Na+)≈0.005mol/L， c(K+)≈0.16 mol/L。
Na+，K+，Mg2+，Ca2+的生理作用
这种浓度差别决定了高级动物的各 种电物理功能——神经脉冲的传送、 隔膜端电压和隔膜之间离子的迁移、 渗透压的调节等。由于钠在高级动物 细胞外液中的浓度高于钾的浓度，因 此对动物来说钠是较重要的碱金属元 素，而对植物来说钾是较重要的碱金 属元素。
3.形成配位氢化物
4L +A iH 3 l C （ l无 水 L ） i[乙 4]A + 醚 3lL HiC 铝氢化锂
Li[AlH4] 受潮时强烈水解 Li4 A + 4l2 H O H Li+ O AH l3 (+ O 42 H H
氧化物
1.形成三类氧化物 正常氧化物(O2-)：1s22s22p6 过氧化物(O22-)：
Rb
Cs
Be Mg Ca Sr Ba
单质的物理性质：
有金属光泽 密度小 硬度小 熔点低 导电、导热性好
s区单质的熔点变化
2.化学性质
•与氧、硫、氮、卤素反应， 形成相应的化合物。
单质在空气中燃烧，形成相应的氧化物：
Li2O Na2O2 KO2 RbO2 BeO MgO CaO SrO
Li2O
Na2O2
多种氧化数
价电子构型：ns2np1-5 例如：氯的氧化数有 +1，+3，+5，
+7，-1，0等。 惰性电子对效应：
同族元素从上到下，低氧化值化合物 比高氧化值化合物变得更稳定。
惰性电子对效应： 例如： Sn(II) <Sn(IV) 价电子结构分别为[Ne]3s2，[Ne] Pb(II)>Pb(IV) 价电子结构分别为[Xe]6s2，[Xe]
与水作用
2M + 2H2O → 2MOH + H2(g)
Li
Na
K
Ca
氢氧化物水溶液碱性强弱的判断：
M―O―H
z r
M+ + OH― 碱式离解
MO― + H+ 酸式离解 φ —— 中心离子的离子势 z —— 中心离子的电荷数 r —— 中心离子的半径(pm)
< 0.22 0.22 ~ 0.32 >0.32
人体缺钙：将影响儿童的正常生长，或出现佝偻 病；对成年人来说，则患软骨病，易发生骨折并发生 出血和瘫痪等疾病，高血压、脑血管病等也与缺钙有 关。
铍和钡的毒性
铍的化合物是有毒的，早在20世纪60年代就 有报导，铍与砷一样，能与核酸生成配合物，在人 体器官中积聚足够多时就可能导致癌变。可溶性铍 盐特别是BeF2接触皮肤时，会使皮肤发炎。
M(OH)n 碱性
两性
Mn+ 的价电子层为8电子构型
酸性
与液氨的作用 2M(s) + 2NH3 (l) →2M+ + 2NH-2 + H2 (g)
s区元素的化合物
氢化物 氧化物 氢氧化物 重要盐类及其性质 配合物
氢化物
s区元素的单质(除Be、Mg外)均能与氢 形成离子型氢化物。 1.均为白色晶体， 热稳定性差 LiH NaH KH RbH CsH NaCl
授课内容
• s区元素及其化合物 • P区元素(一) • P区元素(二) • P区元素(三)
构建化学知识的基本方法
化学知识的积累和构造
感性认识
理性认识
现象 反应
物质
性质 结构
化学知识的掌握和应用
学习《无机化学》课程的参考书
《无机化学》（上、下册）高教出版社
第三版
武汉大学 吉林大学等校编
《无机化学》（上、下册）高教出版社
Ca2+在人体中的生物效应
钙对于所有细胞生物体都是必需的。无论在肌 肉、神经、粘液和骨骼中都有Ca2+结合的蛋白质。 钙占人体总重量的1.5~2.0％，一般成年人体内含钙 量约为1200 g，成年人每天需要钙量为（0.7~1.0）g。
钙是构成骨骼和牙齿的主要成分，一般为羟基 磷酸钙 Ca5(PO4)3OH，占人体钙的99％。在血中钙 的正常浓度为每100 mL血浆含（9~11.5）mg，其中 一部分以Ca2+存在，而另一部分则与血蛋白结合。 发生出血和瘫痪等疾病，高血压、脑血管病等也与 缺钙有关。
可溶性钡盐的毒性是刺激肌肉，对心脏的毒害 很重，能引起心室的纤维性抖动。BaCl2的致命量为 （0.1~1.0）g。溶解度很小的BaCO3在胃酸作用下可 转化为BaCl2，所以它也是不能随意放置的毒品。
铍、钡的毒性可能是这两种离子取代了体内的 Ca2+和Mg2+所致。
p区元素(一)
p区元素概述 硼族元素 碳族元素
KO2
CsO2 BaO2
镁 带 的 燃 烧
与氧的反应：
M + O2
① 正常氧化物(O2―)
② 过氧化物(O22―) ③ 超氧化物(O2―)
2Li + 1/2O2 M + 1/2O2 M + O2 M + O2
Li2O MO (M为碱土金属)
M2O2 过氧化物 （M为碱金属除Li外） MO2 (M=K, Rb, Cs)
Ca2+在人体中的生物效应
钙有许多重要的生理功能，钙和镁都能调节植 物和动物体内磷酸盐的输送和沉积。
钙能维持神经肌肉的正常兴奋和心跳规律，血钙 增高可抑制神经肌肉的兴奋，如血钙降低，则引起兴 奋性增强，而产生手足抽搐（即“抽风”）。
钙对体内多种酶有激活作用，钙还参与血凝过程 和抑制毒物（如铅）的吸收；它还影响细胞膜的渗透 作用。
②第四周期元素表现出异样性(d区插入)
例如：溴酸、高溴酸氧化性分别比其他卤 酸(HClO3 ，HIO3)、高卤酸(HClO4，H5IO6)强。
E (Cl3 -O /C2)l1.45V 8
E (Br3 -/O B2) r1.51V3 E (IO 3 -/I2)1.20V 9 E (Cl4 -/O C3 -l) O 1.22V6 E (Br4 -/O B3 -r) O 1.76V3 E (H 5IO 6/I3 - O )1.6V 0
成相应的化合物。
注：它们的活泼性有差异。
碱金属和碱土金属元性 减增 小强
IA
IIA
Li
Be
Na
Mg
K
Ca
Rb
Sr
Cs
Ba
原子半径减小 金属性、还原性减弱 电离能、电负性增大
单质的物理性质和化学性质
1.物理性质
Na Li
K
单质的物理性质和化学性质
2.锂与镁的相似性：
•单质与氧作用生成正常氧化物； •氢氧化物均为中强碱，且水中溶解度不大； •氟化物、碳酸盐、磷酸盐均难溶； •氯化物均能溶于有机溶剂中； •碳酸盐受热分解，产物为相应氧化物。
对角线元素性质相似原理
Li Be B C Na Mg Al Si
z r
φ —— 中心离子的离子势 z —— 中心离子的电荷数 r —— 中心离子的半径(pm)
钾元素对植物的影响
植物对钾的需要同高级动物对钠的 需要一样，钾是植物生长所必需的一 种成分。植物体通过根系从土壤中选 择性地吸收钾。钾同植物的光合作用 和呼吸作用有关，缺少钾会引起叶片 收缩、发黄或出现棕褐色斑点等症状。
Mg2+在人体中的生物效应
镁 占 人 体 重 量 的 0.05 ％ ， 人 体 内 的 镁 以磷酸盐形式存在于骨骼和牙齿中，其余 分布在软组织和体液中，Mg2+是细胞内液 中除K+之外的重要离子。镁是体内多种酶 的激活剂，对维持心肌正常生理功能有重 要作用。若缺镁会导致冠状动脉病变，心 肌坏死，出现抑郁、肌肉软弱无力和晕眩 等症状。成年人每天镁的需要量为 （200~300）mg。
O
稳定性 M2CO3＞ MCO3
锂 、铍的特殊性 对角线规则
1.对角线规则： ⅠA 族的Li与ⅡA族的Mg， ⅡA族的
Be与ⅢA族的Al， ⅢA 族的B与ⅥA族的Si， 这三对元素在周期表中处于对角线位置：
Li Be B C
Na Mg Al Si 相应的两元素及其化合物的性质有许多相 似之处。这种相似性称为对角线规则。
与卤素的反应：
IA M + 1/2X2
MX
MX为无色立方晶体， Cs(Cl, Br, I)为CsCl型
其余在常温下均为NaCl型。
IIA M + X2
MX2
MX2为离子型化合物，但BeF2 键的离子性较弱。
MF2难溶于水（M=Mg, Ca, Sr, Ba）
溶解度：MgF2 < CaF2 < SrF2 < BaF2
碱金属和碱土金属
价电子层构型： ns1 ns2
+1 碱金属 +2 碱土金属
1. 主要特征：① 单质金属的活泼性； ② 氢氧化物的强碱性； ③ 两族元素之间盐类物质 溶解度的差异性
碱金属和碱土金属通性：
1. 易与H2直接化合成MH、MH2离子型化合物；
2. 与O2形成正常氧化物、过氧化物、超氧化物； 3. 易与H2O反应(除Be、Mg外)，与非金属作用形
元素原子在化合物中的离子势相似 ！
化学之窗—— Na+，K+，Mg2+，Ca2+的生理作用
Na+，K+，Mg2+，Ca2+四种离子占人 体中金属离子总量的99％。对高级动物 来说，钠钾比值在细胞内液中和细胞外 液中有较大不同。
在人体血浆中：c( Na+)≈0. 15mol/L， c(K+)≈0.005 mol/L；
p区元素概述
p区元素性质的特征
•各族元素性质由上到下呈现二次周期性 ①第二周期元素具有反常性 (只有2s,2p轨道) • 形成配合物时，配位数最多不超过4； • 第二周期元素单键键能小于第三周期元 素单键键能(kJ/mol-1) E(N-N)=159 E(O-O)=142 E(F-F)=141 E(P-P)=209 E(S-S)=264 E(Cl-Cl)=199
食盐不足量——缺钠症：
其主要症状是：口渴、恶心、肌肉痉挛、神 经紊乱等，严重时会导致死亡。
人可以从肉、奶等食物中获取一定量的 钠，从果实、谷类、蔬菜等食物中吸取适量 的钾。
神经细胞、心肌和其他重要器官功能都 需要钾，肝脏、脾脏等内脏中钾比较富集。
在胚胎中的钠钾比值与海水中十分接近， 这一事实被一些科学家引为陆上动物起源于 海生有机体的直接证明之一。