非金属单质的化学性质

——C、 N2、O2、F2无上述类型的反应
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13.2.4 稀有气体 1. 稀有气体的性质 ●概况
稀有气体属0ⅧA族，包括He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn。核外电子 层具有2或8电子稳定结构，电离能居同周期元素之首，电子亲核和 能小于大于零，难形成化学键，不活泼。1962年前一直称为“惰性 气体”。除氡是放射性元素外，另五种气体以总共不足1%体积量存 在于大气中，故称稀有气体
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2. 与水的反应
——卤素 常温下即能与水反应 X2 + H2O ===== 2H+ + 2X- + 1/2O2 (1) X2 + H2O ===== H+ + X- + HXO (2) F2 只发生(1)式，其它卤素主要(2)式，即歧化反应(氧化数部分升 高，部分降低)。两类反应进行的程度随原子序数的增大而降低。加 酸利于逆反应，加碱利于正反应 ——硼、碳、硅 高温才与水蒸气作用(注意，非岐化反应) 1103K 2B+6H2O (g) ====== 2B(OH)3 + 3H2 (g) 1273K C + H2O (g) ====== CO (g) + H2 (g) 水煤气 2013-8-3 ——氮、磷、氧、硫 高温也不与水反应
13.2.3 ●概况
非金属单质的化学性质
主要为氧化还原性：既可做氧化剂，也可做还原剂
1. 与氧(空气)的反应
——卤素 不能直接与氧化合 ——磷 白磷可自燃成P2O5，红磷加热与氧生成P2O5
——B、C、S 加热，与氧反应生成相应的氧化物：B2O3 、CO2 、 SO2；常温下都是自发的放热反应
——氮 与氧在常温下是吸热反应，不自发；3000K以上，自发： 雷电、电弧和汽车引擎可引起空气中的氮氧反应 N2 (g) + O2 (g) ===== 2NO （g） H = 180.74 kJ/mol; S = 0.0248 kJ/（mol· K）
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（d）电解熔融物法 活泼金属易失电子，正离子难以获得电子还 原，化学还原法难达目的，电解是实现氧化还原反应的最强有力的 手段 2Al2O3（l）=======4Al+ 3O2（g） 2LiCl（l）======2Li+Cl2（g） （e）热分解法 适于不活泼金属的氧化物：氧化汞、氧化银 2HgO ======= 2Hg + O2 2Ag2O (gs) ====== 4Ag + O2
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（2）冶炼
有湿法冶金和火法冶金两类
●湿法冶金 (Hydrometallurgy) 矿石在溶液中溶解、浸出、分离
其金属组分，再经沉积、净化，置换或电解等方式得到纯金属。该 法适宜于处理含量较低或组分较复杂的原料，广泛应用于有色和稀 有金属的生产
●火法冶金 (Fire metallurgy) 将矿石在高温下还原为金属。按使
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2.
稀有气体的用途
——作为“惰性气体” 焊接活泼金属、拉制半导体单晶和石英 光纤时，He和Ar是重要的保护气体，在气相色谱中He可用作载气
——He和O2混合制造“人造空气”，供潜水员呼吸预防氮中毒， 治疗支气管气喘和窒息。He可代氢气填充飞艇和观测气球；实现超 低温环境 ——高压电下，氖产生红光，氩产生绿光，用于制造霓虹灯、灯 塔和信号装置
2B + 3H2SO4 (浓, 热) ===== 2B(OH)3 + 3SO2 (g)
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4. 与碱的反应
——卤素 除氟以外，室温下能与碱溶液歧化反应 X2 + 2OH- ===== X- +XO- + H2O （1） 3XO- ==== 2X- + XO3（2） 氯室温按反应 (1)，在343K时，反应 (2)很快；溴常温(1)和(2)都很 快，273K以下才生成次溴酸盐；碘与碱反应只能得到碘酸盐 ——硫和磷 在较浓强碱液能发生歧化反应(比较：与水不反应) 3S + 6NaOH ======== 2Na2S + Na2SO3 +3H2O
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13.3.3 ●概况
成碱金属
锂3 Li
锂3 Li
——种类 包括IA的Li、Na、K、Rb、 Cs、Fr和IIA族的Ca、Sr、Ba、Ra，共10 种元素
——存在 以卤化物、硫酸盐、碳酸盐 和硅酸盐存在于地壳中，Na、K、Ca等以 金属有机化合物存在于动植物内，Rb、Cs 是稀有金属，Fr和Ra是放射性金属
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●物理性质
——稀有气体以单原子分子状态存在，原子间仅存在弱的范德华 力，主要为色散力，作用力随相对原子质量增大。密度、熔点、沸 点、汽化热和临界温度相当低（液化空气有用），随原子序数逐渐 升高 ——He的临界温度最低，最难液化。在2.2K时，液态He会从一种 状态相变到另一种状态， 2.2K以上的液态He具有一般液体的通性， 而低于2.2K的液He有许多反常性质：表面张力极小，黏度只有液氢 的1%，流动时几乎无摩擦，该状态称为超流体（Superfluid）。其 导热系数是铜的800倍，并且进入了电阻为零的超导状态，也不能 在常压下固化
还原性
都是活泼金属，在水溶液或干态都具有极强的还原性
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元 素 Li Na
原 子 序 数
电子 构型
氧 化 态 数
3 11
[He]2s
1
原 子 半 径 /(pm)
离子 半径 /(pm)
电离能 //(kJ/mol) I1 I2
513.3 495.8
电 负 性
0.98
气态离 子水合 能 /(kJ/mol)
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高温 2NiS（s）+ 3O2 ======== 2NiO + 2SO2
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（b）以焦碳为还原剂，还原氧化物矿 C是最廉价的还原剂，固体 炭与矿石接触不良，常转变成CO使反应加速 高温 2WO3 + 3C ======== 2W+ 3CO2（g）
高温 FeO（s） + CO ========= Fe + CO2（g）
钠11 Na
钾19 K 铷37Rb
铯55Cs 钫87Fr
钙 20Ca 锶38Sr
钡 56Ba 镭 88Ra
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1. 单质的结构与性能 ●物理性质 有良好导电性；硬度、熔点和沸点低。原因：成
键电子数少，金属键弱，在宏观性质上表现出低熔沸点和低硬度
●化学性质
概况 电子构型分别为ns1 和ns2 ，能失去1个或2个电子形成 氧化态数为+1或+2的离子型化合物。同族自上而下，原子（离子） 半径依次增大，电离能、电负性逐渐降低，金属活泼性增强，几乎 能与所有的非金属单质发生化学反应生成离子化合物
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（Mn+/ M）/V
硫化物矿，如闪银矿Ag2S，硫铁矿FeS2，辉钼矿MoS2等
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2. 冶金 冶金 (metallurgy) 从矿石制备金属的过程 冶金过程
主要包括预处理、还原冶炼和精炼
（1）预处理 用化学或物理方法除去矿石杂质，“富集”所须 成分或制成下一步骤所需的形式。多数矿石需经选矿，得到富矿。 许多矿石还需经煅烧，转化成易被还原的氧化物形式 如硫铁矿煅烧成氧化铁，菱锌矿ZnCO3煅烧成ZnO等
——金属晶格中有“自由电子”，它们可解释金属的许多特性
——活泼金属为强还原剂 ——按金属元素的主要物理、化学性质，根据其结构与性能特点， 可将金属进一步分为八类：成碱金属、轻金属、稀土金属、易熔金 属、难熔金属、铁族金属、贵金属和锕系金属。同一类金属在性质 上有较大的相似性
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13.3.2
pH= 14, P4 + 3NaOH ======== PH3 + 3NaH2PO2
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——硅与硼 与较浓的强碱溶液作用放出氢气 Si 1.8 + 2NaOH + H2O ==== Na2SiO3 + 2H2 2B 2.0(无定型) + 2NaOH + 6H2O === 2Na[B(OH)4] + 3H2
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化学性质
——1962年巴特莱（N. Bartllet）受PtF6氧化O2制得O2[PtF6]的启发 ， 联 想 到 Xe 的 第 一 电 离 能 (1170kJ/mol) 小 于 O2 的 第 一 电 离 能 (1177kJ/mol)，得出了可能制备Xe[PtF6]的结论。并成功制备了橙黄 色固态Xe[PtF6] ——进一步发现，相对原子质量较大的稀有气体都能与F2直接化 合，并可依物质量的比例控制反应产物（但Kr只能得到KrF2），生 成不同氧化态的氟化物，如XeF2、XeF4、XeF6、XeOF4、CsXeF7、 XeO3、Na4XeO6、KrF2等。鉴于此，尽管He、Ne和Ar的化合物至今 还未曾制得，但已将此类单质由“惰性气体”改名为“稀有气体”
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（3）精炼
进一步除去金属产品中的杂质。包括
(a)热分解法 某些金属易形成液态或气态化合物，又易分解。如 镍低温可与CO反应生成气态的Ni(CO)4，后者在较高温度下分解， 获得99.99%的纯镍 (b)区域精炼法 环型加热圈固定于不纯金属棒（如锗Ge）的周围 ，缓慢移动加热器，金属棒受热部分逐渐熔化。熔融的液态金属在 结晶成纯金属时，杂质仍留在熔融态中，随之而除去。此过程每进 行一次，金属的纯度就提高一次。可得纯度达8~9个“9”的锗和硅 ©电解精炼法 获得纯金属较经济的方法。如粗铜的电解精炼， 可得到纯度很高的精铜。银、铅、镍等金属也可以电解法精炼 (d)氧化杂质法 如炼钢就是将生铁中的碳用氧化燃烧法部分除去 ，以达合适的含碳量
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3. 与酸的反应
——一般不与稀的非氧化性酸反应 ——碘、硫、磷、碳和硼均能被硝酸或热的浓硫酸氧化，生成氧 化物或含氧酸 3I2+10HNO3=====6HIO3+10NO(g) +2H2O S + 2 HNO3 ===== H2SO4 + 2NO (g) 3P + 5 HNO3 + 2H2O ===== 3H3PO4 + 5NO (g) 3C + 4 HNO3 ===== 3CO2 + 4NO (g) + 2H2O B (无定型)+ HNO3 (浓) + H2O ===== B(OH)3 + NO (g) C + 2H2SO4 (浓, 热) ===== CO2 + 2SO2 (g) + 2H2O
——氙有极高的发光强度，氙灯有“小太阳”之称。氪和氙的同 位素在医学上被用来测定脑血流量，研究肝功能。氙能溶于油脂细 胞引起细胞膨胀和麻痹，可用作无副反应的麻醉剂
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§13.3 13.3.1 概况
金属单质
金属元素的性质和用途
——金属原子最外层电子数少，电离能低、电子亲核和能小，多易 给出价电子，具有还原性。在化合物中，常表现出正氧化数
高温 NiO（s） + CO ========== Ni + CO2（g） （c）更强的还原剂（H2、Al、Na） 还原较活波的金属氧化物 高温 3Fe3O4（s） + 8Al ======== 4Al2O3 + 9Fe 高温 Cr2O3（s） + 2Al ======== Al2O3 + 2Cr
高温 GeO2（s） + 2H2 ======= 2H2O + Ge
用的还原剂和还原手段的不同分为五种 （a）矿物中的负离子将正离子还原 适宜于金属活泼性不高的硫 化物矿（PbS，HgS等）。要控制空气用量，以免金属变为氧化物 高温 PbS（s）+ O2 ====== Pb（l）+ SO2 较活泼金属的硫化物矿（NiS、MoS2 、CoS、ZnS、CdS、SnS）， 煅烧时生成氧化物。需进一步还原成金属
金属的存在与冶炼
1. 金属的存在(自学)
金属主要分布于地壳和海洋中。特别是海滨沙矿和海底金属矿藏 锂 Li （锰结核和重金属矿床等）。陆地金属的矿石约有八类
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天然金属矿，如汞和金、银、铂等贵金属 氧化物矿，如铝矾土Al2O3nH2O, 赤铁矿Fe2O3和锡石SnO2等 碳酸盐矿，如石灰石CaCO3，孔雀石Cu2(OH)2CO3等 硅酸盐矿，如绿柱石Be3Al2Si6O18，高岭石Al2Si2O72H2O等 硫酸盐矿，如重晶石BaSO4，石膏CaSO42H2O等 磷酸盐矿，如磷酸钙Ca3(PO4)2和磷酸稀土矿等 卤化物矿，如岩盐NaCl，光卤石KClMgCl6H2O等