第五章 单质及无机化合物本节要点
非金属元素概论
氯化物的水解
氧化物的硬度(熔点)、酸碱性
硫化物的溶解度
碳酸盐的热稳定性与离子极化
硝酸盐的热分解
硅酸盐的结构、水泥的主要成分第二节:非金属元素及其化合物
已发现的非金属元素共 16种,位于周期表的右上角。
非金属元素的价电子结构,ns2np1~5 (位于 p区)
在化合物中常表现负价,容易形成单原子负离子或多原子负离子,
如,Cl-,O2-,NO3-等周期
IA 0
电子层电子数
1 H
I I A I I I A I V A VA V I A V I I A
He
K 2
2 Li Be B C N O F Ne
L
K
8
2
3 Na Mg
I I I B I V B VB V I B V I I B V I I I IB I I B
Al Si P S Cl Ar M
L
K
8
8
2
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
N
M
L
K
8
18
8
2
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
O
N
M
L
K
8
18
18
8
2
6 Cs Ba
L a -
Lu
Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
P
O
N
M
L
K
8
18
32
18
8
2
7 Fr Ra
Ac -
Lr
Unq Unp Unh Uns Uno Un e
一、非金属元素概论纳米半导体材料太阳电池材料光子带隙材料 硅单晶材料分子筛碳 -碳复合材料高能燃料人造金刚石富勒烯中以 C60 最稳定,其笼状结构酷似足球,相当于一个由二十面体截顶而得的三十二面体,32个面中包括 12个五边形面和 20个六边形面,每个五边形均与 5个六边形共边,而六边形则将 12个五边形彼此隔开,C60分子中每个 C 原子成键与石墨相似,
碳的同素异形体氯化物的水解,主要是与 Cl-共存的正离子与水的作用。氯化物的水解主要分为 四种类型,
( 1)活泼金属如钾、钠、钡的氯化物,在水中只发生电离,并不发生水解:
KCl = K+ + Cl-
(2) +2价的金属离子如镁、锌等,发生不完全水解,生成碱式盐:
MgCl2 + H2O = Mg(OH)Cl?+ HCl
(3) +3价的金属离子如铁、铝等,发生完全水解,生成氢氧化物:
FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3?+ 3HCl
(4) 硅、磷等非金属元素的氧化物,发生强烈水解,生成两种酸:
SiCl4 + 3H2O = H2SiO3 + 4HCl
二、氯化物的水解水解作用的强弱可用极化理论解释:
H
H
O Rx+
H
O-
H
H
O Rx+
H
HO
H
O- Rx+
H
O -
H
O - Rx+ O 2 -
+ H+
+ 2H+
+ 3H+
水分子发生取向,生成水合离子氢氧键断裂,生成碱式盐和酸再断裂,生成氢氧化物和酸再断裂,生成两种酸正离子极化能力增强

氯化物水解程度增大水解后溶液的酸性增强
1、氧化物的硬度(熔点)
氧化物指的是氧与电负性比氧小的元素形成的二元化合物。氧在其中显 -2价态。
几乎所有元素都能与氧形成氧化物。
活泼金属氧化物是离子型化合物,形成离子晶体,熔点和沸点都较高。
非金属元素氧化物是共价型化合物(如 CO2,SO2)形成分子晶体,熔点和沸点较低。少数形成原子晶体如 SiO2,熔点和沸点都较高。
不活泼金属元素的氧化物,是离子型和共价型之间的过渡型化合物。
同一金属元素不同价态的氧化物,低价态的,是离子型的,熔点和沸点都较高。
高价态的是共价型的,熔点和沸点都较低。
锰氧化物的熔点
MnO Mn3O4 Mn2O3 MnO2 Mn2O7
1785 1564 1080 535 5.9
硬度较大的氧化物(离子型或偏离子型的),Cr2O3,Al2O3等。
三、氧化物的物理化学性质
( 2) 氧化物的酸碱性根据氧化物对酸、碱、水的反应不同,可将氧化物分为四类:
酸性氧化物,非金属氧化物,以及高价的金属氧化物;
碱性氧化物,碱金属、以及碱土金属( BeO除外)氧化物;
两性氧化物,主要是铝、锡、铅的氧化物。
不成盐氧化物,CO,NO等,它们与酸、碱、水都不起反应。
( 3) 氧化物及其水合物酸碱性强弱的一般规律同一周期内从左到右,酸性增强,碱性减弱。
同一族内从上到下,酸性减弱,碱性增强。
( 4) 对酸碱性递变规律的解释酸式电离
R+ O H
碱式电离硫化物是指硫与电负性比硫小的元素所形成的化合物。一般常指金属硫化物(包括 (NH4)2S)。
硫化物大多数具有特定的颜色:
PbS Bi2S3 CuS CdS Sb2S3 SnS2 As2S3 HgS
四,硫化物的溶解度
1)溶于水的硫化物第 IA,IIA族元素的硫化物(除 BeS难溶)及 (NH4)2S可溶于水,并发生水解反应。
Na2S + H2O = NaHS + NaOH
(NH4)2S + 2H2O = 2NH3.H2O + H2S
金属硫化物大多数不溶于水,有的可溶于稀酸,有的不溶于稀酸,但可溶于浓酸或氧化性的酸,有的只能溶于王水。
故一般可按溶解性能将硫化物分为三类:
2)不溶于水而溶于稀酸的硫化物
MnS(肉红色 ),ZnS(白色 ),FeS,CoS,NiS(黑色 )均属这一类。
稀酸指用 0.3 mol.dm-3的稀盐酸,此类金属硫化物溶度积 Ksp一般大于 10-24,在溶液中存在着两种离子平衡:一种为硫化物的沉淀 -溶解平衡,另一种为 H2S的酸碱电离平衡。
若调节溶液中的酸度,可控制溶液中 S2-离子的浓度,来控制这类硫化物沉淀或者溶解。例如要制备 FeS,不能单纯用 H2S通入 FeCl2
溶液来制备,因为反应中有酸生成,
FeCl2 + H2S = FeS + 2HCl
FeS溶于稀酸而不会生成 FeS。
只有直接用沉淀剂 Na2S或 (NH4)2S(由于沉淀剂本身呈碱性),才能使金属离子沉淀下来:
FeCl2 + Na2S = FeS? + 2NaCl
3)既不溶于水又不溶于稀酸的硫化物此类金属硫化物的溶度积一般都很小,如 CdS的 Ksp为 10-29,CuS
的 Ksp为 10-36,而 HgS的 Ksp更小 (10-53)。 这类难溶金属硫化物可通过将 H2S气体通入金属盐溶液来制备。
CuCl2 + H2S = CuS? + 2HCl
要使此类型的金属硫化物溶解,则必须使用更强烈的化学气氛,
例如浓硝酸、王水(一份浓硝酸与三份浓盐酸的混合酸)等。
例如 CuS可溶于浓硝酸:
3CuS + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 3S? + 2NO? + 4H2O
在硝酸中、硝酸的氧化性使 S2-被氧化成 S单质,从而使 S2-浓度大大下降,结果使该金属硫化物溶解。
再如 HgS其 Ksp仅为 6.44× 10-53,仅仅利用浓硝酸的氧化作用使 S2-浓度降低还不足以使其溶解,还必须借助浓盐酸中的大量 Cl-与 Hg2+的配位作用,使 Hg2+离子的浓度也大大降低,才能使其溶解:
3HgS + 2HNO3 + 12HCl = 3H2[HgCl4] + 3S? + 2NO + H2O
1、热稳定性,碳酸盐 > 碳酸氢盐 > 碳酸。
例如 Na2CO3分解温度为 2073K;而 NaHCO3分解温度仅为 543K;但
H2CO3常温常压即可分解。
2、除活泼金属外,其他金属的碳酸盐的热稳定性都较差,一般尚未加热到熔点就分解了。
盐 L i 2 CO 3 Na 2 CO 3 B e C O 3 M g C O 3 Ca CO 3 Sr C O 3 B aC O 3 FeC O 3 Z nC O 3 C dC O 3 P bC O 3
熔点 618 850 - - - - - - - - -
热分解
/C
~ 1 100 ~ 180 0 25 540 910 1289 1360 282 350 360 300
3、一般来说,碳酸盐中金属离子的电荷越高,半径越小,即金属离子的极化能力越强,该碳酸盐的热稳定性就越差。
4、碳酸盐的热分解是一种气固两相间的平衡。
CaCO3 = CaO + CO2 Kp = p CO2
五,碳酸盐的热稳定性与离子极化
1、热稳定差硝酸盐和亚硝酸盐的热稳定性很差,容易受热分解。在所有无机含氧酸盐中,对同一金属的盐而言,其硝酸盐和亚硝酸盐的熔点通常是最低的。而且除钾钠等少数活泼金属外,其它金属的硝酸盐和亚硝酸盐在受热时,大多未到熔点就发生了热分解反应。
2、热分解的特点硝酸盐和亚硝酸盐热分解反应与碳酸盐热分解反应不同,硝酸盐和亚硝酸盐热分解伴随有氮的氧化态的改变,属于氧化还原反应。例如:
2KNO3(S) = 2KNO2(S)+O2(g)
4NaNO2(S) = 2Na2O(S) + 4NO(g) + O2(g)
反应中有 N的氧化态改变,有氧气放出(除 NH4NO3外),因而可认为硝酸盐是一种供氧剂。硝酸盐和亚硝酸盐不稳定性也与其氧化还原性质有关。亚硝酸盐一般都溶于水(除 AgNO2外),而且亚硝酸盐一般均有毒,并且是一种致癌物质,使用时务必小心。
3,硝酸盐、亚硝酸盐都具有氧化性,在酸性条件下,显示出较强的氧化能力 。 亚硝酸盐既有氧化性,也有还原性(当遇到强氧化剂如 KMnO4)
六,硝酸盐、亚硝酸盐的热分解通常,硝酸盐热分解的产物,随金属离子的活泼性不同而分为三种类型,
1、金属活泼顺序在 Mg以前的活泼金属的硝酸盐,受热分解成其亚硝酸盐和氧气。

2NaNO3(S) = 2NaNO2(S)+O2(g)
2、金属活泼顺序介于 Mg与 Cu之间的金属(包括 Mg和 Cu)的硝酸盐,受热分解生成相应的金属氧化物及 NO2(g)和 O2(g)。如:
2Pb(NO3)2(S) = 2PbO(S) + 4NO(g) + O2(g)
3、金属活泼顺序在 Cu以后的不活泼金属的硝酸盐,受热分解生成相应的单质及 NO2(g)和 O2(g)。如:
2AgNO3(S) = 2Ag(S) + 2NO2(g) + O2(g)
NH4NO3的热分解可是一种特例。这是因为 NH4NO3中有两种不同氧化态的 N,
在热分解过程中它们之间发生氧化还原反应,最后得到的产物只有一种氧化态的 N,而且不像其它硝酸盐热分解时能放出氧气:
NH4NO3(S) = N2O(g) + 2H2O
上面仅是硝酸盐热分解的一般规律和基本类型,实际上有些例外,何况同一金属的硝酸盐的热分解也可能出现不止一种的分解方式。
● 二氧化硅 — 硅石 无定型体:石英玻璃,硅藻土,燧石晶 体:天然为石英 (原子晶体 )
纯 石 英:水晶含有杂质的石英:玛瑙缟玛瑙紫晶石英盐水晶黑曜石玛瑙七,硅酸盐的结构、水泥的主要成分
● 硅酸及硅酸盐 (silicic acid & silicate)
硅酸
H4SiO4 原硅酸(正硅酸)
H2SiO3 偏硅酸,二元弱酸
xSiO2·yH2O 多硅酸名 称 化学组成 x 值 y 值正硅酸 H4SiO4 1 2
偏硅酸 H2SiO3 1 1
二偏硅酸 H2Si2O5 2 1
焦硅酸 H6Si2O7 2 3
三硅酸 H4Si3O8 3 2
几种不同的多硅酸( x SiO2·y H2O )
● 硅酸盐的结构 ------硅氧四面体,Si 采用 sp3 杂化轨道与 O 形成硅氧四面体,处于四面体顶 端的 氧原子均为周围的四面体共用,这种结构导致其化学性质很稳定,
正硅酸根离子 [SiO4]4-
O
S i
O
O
O
共用一个顶点的二硅酸根离子 [Si2O7]6-
O
S i
O
O
O
S i
O
O
O
共用两个顶点的链状翡翠 NaAl(SiO3)2 绿柱石中共用两个顶点的环状 [Si6O18]12-
● 水泥的主要成分 ------水泥熟料的主要化学成分有,
硅酸三钙( 3CaO.SiO2)
硅酸二钙( 2CaO.SiO2)
铝酸三钙( 3CaO.Al2O3)等