第15章 s区元素
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s区元素的单质均为金属晶体;p区元素的中间部分,其单质的晶体结构较为复杂,有的为原子晶体,有的是过渡型(链状或层状)晶体,有的为分子晶体。
周期系最右方的非金属和稀有气体则全部为分子晶体。
总的来看,同一周期元素的单质,从左到右,一般由典型的金属晶体经过原子晶体、层状晶体或链状晶体等,最后过渡到分子晶体。
同一族元素单质由上而下,常由分子晶体或原子晶体过渡到金属晶体。
副族元素单质均为金属晶体.表9-5 主族及零族元素单质的晶体类型ⅠA ⅡA ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA 零一H2分子晶体He分子晶体二Li金属晶体Be金属晶体B原子晶体C金刚石原子晶体石墨片状结构晶体富勒烯碳原子簇分子晶体N2分子晶体O2分子晶体F2分子晶体Ne分子晶体三Na金属晶体Mg金属晶体Al金属晶体Si原子晶体P白磷为分子晶体黑磷为层状结构晶体S斜方硫、单斜硫为分子晶体弹性硫为链状结构晶体Cl2分子晶体Ar分子晶体四K金属晶体Ca金属晶体Ga金属晶体Ge原子晶体As黑砷为分子晶体灰砷为层状结构晶体Se红硒为分子晶体灰硒为链状结构晶体Br2分子晶体Kr分子晶体五Rb金属晶体Sr金属晶体In金属晶体Sn灰锡为原子晶体白锡为金属结构晶体Sb黑锑为分子晶体灰锑为层状结构晶体Te灰碲链状结构晶体I2分子晶体Xe分子晶体六Cs金属晶体Ba金属晶体Tl金属晶体Pb金属晶体Bi层状结构晶体(近于金属晶体)Po金属晶体At金属晶体(具有某些金属性)Rn分子晶体单质的晶体结构和物理性质表9-5列出了主族及零族元素单质的晶体类型。
可以看出:s区元素的单质均为金属晶体;p区元素的中间部分,其单质的晶体结构较为复杂,有的为原子晶体,有的是过渡型(链状或层状)晶体,有的为分子晶体。
周期系最右方的非金属和稀有气体则全部为分子晶体。
总的来看,同一周期元素的单质,从左到右,一般由典型的金属晶体经过原子晶体、层状晶体或链状晶体等,最后过渡到分子晶体。
同一族元素单质由上而下,常由分子晶体或原子晶体过渡到金属晶体。
元素的分区与原子结构
元素周期表中的元素可以根据其电子构型被划分到不同的区域。
这些区域包括s区、p区、d区、ds区和f区,其中除ds区外,区的名称来自按构造原理最后填入电子的能级符号。
s区元素包括氢之前的碱金属元素和氢,它们的价电子构型为ns1-2,电子分布在s能级上。
p区元素包括碱土金属元素、大部分非金属元素和卤素,它们的价电子构型为ns2np1-6,电子分布在s能级和p能级上。
d区元素包括过渡金属元素,它们的价电子构型为(n-2)d1-10ns2,电子分布在d能级上。
ds区元素是指8、9、10三个纵行对应的元素,它们的价电子构型为
ns2np6,电子分布在ds能级上。
f区元素是指镧系和锕系元素,它们的价电子构型为(n-2)f1-14ns2np6,电子分布在f能级上。
元素的分区与原子结构密切相关,不同区域的元素具有不同的电子构型和性质。
S区常见元素一、教学目的1、掌握钠、钾、过氧化钠的主要性质;2、了解锂、钠、钾的微溶盐,Mg、Ca、Ba的氢氧化物及其盐类的溶解情况。
3、掌握用焰色反应检验元素的操作。
二、实验提要碱金属、碱土金属分属周期系第ⅠA、ⅡA 族,价电子构型ns1、ns2,属s 区元素。
其单质是最活泼的金属和还原剂,且从上到下,从碱金属到碱土金属活泼性增强。
在空气中能迅速地与O2、CO2、H2O 作用(Rb、Cs 在空气中自燃),需保存在煤油或液体石蜡中(Be、Mg 由于生成致密氧化膜而除外)。
在空气中燃烧时,锂、碱土金属生成正常氧化物;钠主要生成过氧化物;而钾、铷、铯则主要生成超氧化物。
Na2O2为淡黄色粉末状物质,与水或稀酸反应生成氢氧化钠或钠盐,同时产生H2O2。
H2O2会立即分解放出O2,所以过氧化钠具有强碱性和强氧化性。
与水相遇,Be、Mg 由于表面形成致密氧化物保护膜而对水稳定,分别需水蒸气及热水才反应,其它元素都易与冷水反应生成相应氢氧化物,放出氢气。
Na、K、Rb、Cs 与水反应随其金属性递增、单质熔点的减小,而剧烈程度加强。
碱金属与汞在常温下生成的合金称为汞齐,根据金属与汞的相对含量可呈固体或液体状态,由于可降低碱金属的反应活性,常用作化学反应中的温和还原剂。
在氢氧化物方面,碱金属的氢氧化物除LiOH 溶解度较小外,其余都很大,且都是强碱。
碱土金属的氢氧化物除Be(OH)2呈两性外,其余也都是碱性,但由于溶解度不如碱金属,所以碱性要弱得多,但从上到下,碱性是增强的,这与它们氢氧化物溶解度增大的趋势相一致。
绝大多数碱金属所形成的盐都是可溶的,并与水形成水合离子,仅有少数碱金属盐是难溶的,如LiF、Li2CO3、Li3PO4、Na[Sb(OH)6]、KHC4H4O6等均为白色微溶或难溶物。
碱土金属的难溶盐则要多得多,一般除氟外,一价阴离子是可溶的,除S2-以外,高价阴离子都是难溶的,如碳酸盐、磷酸盐、草酸盐。
s区元素第一电离能比较
S区元素是指位于周期表的第16组,包括硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、和石墨烯(Ge)。
第一电离能是指在原子中移走一个电子所需的能量,通常以
“kj/mol”或“ev”为单位。
在S区元素中,硫的第一电离能最小,为999.6 kj/mol或10.36 ev。
其次是硒,其第一电离能为941 kj/mol或9.75 ev。
碲的第一电离能为869 kj/mol或9.01 ev,最高的是石墨烯,其第一电离能为941.5 kj/mol或9.81 ev。
可以看到,随着原子序数的增加,S区元素的第一电离能逐渐增加。
这是因为随着原子中电子数量的增加,原子核的吸引力也增加,使得电子更难离开原子。
总的来说,S区元素的第一电离能顺序为:硫 < 硒 < 碲 < 石墨烯。
- 1 -。
元素周期表各个区的划分
化学元素周期表根据原子序从小至大排序的化学元素列表。
列表大体呈长方形,某些元素周期中留有空格,使特性相近的元素归在同一族中。
元素周期表分区的划分是这样的:
1、将价电子排布相似的元素集中起来,以最后填入电子的轨道能级符号作为该区的符号,共分5区:s区:包括IA族、IIA族、氦,价电子排布为ns1~2.
p区:包括IIIA族、IVA族、VA族、VIA族、VIIA和0族(氦除外),价电子排布为ns2np1~6. d区:包括除镧系、锕系外的从IIIB族到VIII族的元素,价电子排布为(n-1)d1~9ns1~2.
ds区::包括IB族、IIB族,价电子排布为(n-1)d10ns1~2.
f区:包括镧系和锕系,价电子排布为(n-2)f0~14(n-1)d0~2ns2.
ds区:包括第1、2副族,价电子排布为(n-1)d10ns1-2.
f区:包括镧系、锕系,价电子排布为(n-2)f0-14(n-1)d0-2ns2。
2、
d区和p区之间空白的区域是ds区
其分区的标准是根据价电子的排布,分为d区,s区,ds区,p区,f区通俗的将就是根据能成键的电子所在的轨道进行分区。
s区元素蓝色代表s区元素,氦也属于s区元素。
s区元素主要包括元素周期表中IA族元素和IIA族元素,IA族元素包括氢、锂、钠、钾、铷、铯、鍅七种元素,由于钠和钾的氢氧化物是典型的碱,因此除氢外的这六种元素又称碱金属,IIA族元素包括铍、镁、钙、锶、钡、镭六种元素,由于钙,锶,钡的氧化物之性质介于碱金属与稀土元素之间,因此又称碱土金属。
由于氦的电子排布为1s2,故被分为S区元素。
钫和镭都是放射性元素。
锂最重要的矿石是锂辉石(LiAlSi2O6)。
钠主要以氯化钠溶液的形式存在于海洋,盐湖及岩石中。
钾的主要矿物是钾石盐(2KCl·MgCl2·6H2O)。
铍的主要矿物是绿柱石(3BeO·Al2O3·6SiO2)。
镁的主要矿石是菱镁矿(MgCO3)及白云石。
另外,钙,锶,钡则主要以碳酸盐及硫酸盐的形式存在,如方解石(碳酸钙),石膏(二水合硫酸钙),天青石(硫酸锶),重晶石(硫酸钡)。
在本区元素中同一主族从上到下、同一周期从左至右性质的变化都呈现明显的规律性。
p区元素p区元素包括元素周期表中IIIA族元素~VIIIA族元素。
IIIA族元素又称为硼族元素,包括硼、铝、镓、铟、铊等元素;IVA族元素又称作碳族元素,包括碳、硅、锗、锡、铅等元素;VA族元素又称作氮族元素,包括氮、磷、砷、锑、铋等元素;VIA族元素又称为氧族元素,包括氧、硫、硒、碲、钋等元素;VIIA族元素又称卤素,包括氟、氯、溴、碘、砹等元素;VIIIA族元素或0族元素,又称为稀有气体或惰性气体,包括氦、氖、氩、氪、氙、氡等元素。
d区元素d区元素是元素周期表中的副族元素,即第3至第12族元素。
这些元素中具有最高能量的电子是填在d轨道上的。
这些元素有时也被称作过渡金属。
D区的D来自英语的“diffuse”。
ds区元素ds区元素是指元素周期表中的ⅠB、ⅡB两族元素,包括铜、银、金、锌、镉、汞6种自然形成的金属元素和錀、鎶2种人工合成元素。
第十五章 s区元素一、教学基本要求1. 了解s区元素的物理性质和化学性质,能解释碱金属与水、醇和液氨反应的不同;2. 了解主要元素的矿物资源及单质的制备方法,特别注意钾和钠制备方法的不同;3. 了解s区元素的氢化物、氧化物、氢氧化物的性质,特别注意氢氧化物的碱性变化规律;4. 了解s区元素的重要盐类化合物,特别注意盐类溶解性的热力学解释;5. 会用离子极化理论解释碳酸盐分解规律;6. 了解对角线规则和锂、铍的特殊性。
二、要点1. 汞齐(amalgam )又称汞合金,汞的特性之一是能溶解除铁以外的许多金属而生成汞齐。
汞与一种或几种金属形成汞齐时,含汞少时是固体,含汞多时是液体。
天然的有金汞齐,银汞齐,人工制备的有:钠汞齐、钾汞齐、锌汞齐、锡汞齐、铅汞齐等。
2. 熔盐电解法(Molten-salt electrolysis)指以熔融态盐类为原料的电解方法,常用于制备不能由水溶液中制备的金属,如碱金属、碱土金属以及钍、钽混合稀土金属的生产。
有时为降低熔体的熔点,节省电能,须加入一定量的助熔剂。
3. 热还原法(Thermo-deoxidization)用化学活性较强的金属,将被还原的金属从其化合物中置换出来,以制备金属或其合金的方法。
4. 冠醚(Crown ether)分子结构类似皇冠的“大环多醚”。
最常用的有18-冠-6 (如下图中的a)、二环己基-18-冠-6及二苯基18-冠-6等。
冠醚对K+、Na+及其他阳离子有很强的选择性络合,F- ),提K + X- 表示( X=MnO4高了裸阴离子的活性。
冠醚在有机合成中常用作“相转移反应的催化剂”。
5.穴醚(Cryptant)分子结构类似地穴的“大环多醚”。
穴醚几乎能够实现对K+和Na+离子的完全分离,选择性可高达105:1。
如下图中的(b) (c)所示。
(a) (b) (c)6. 钠的主要化学反应提要:7. 由氢氧化铍可以制成金属铍及其它化合物:8. 钙的主要化学反应提要:9. 由硫酸钡可制取各种化合物:Ca 3Ca(HCO3)2Ca(ClO)2BaSO4CBaCl22ONaCO3332Ba(OH)23H 2O2Ba(NO3)2C加热加热·BaBeSO44H 2O242Be(NO)34H 2O(NH 4)2BeF 410002Be于蒸发至干·CCl 4800BeCl ·NH 4HF 2ooNaO2+C O +H O3电解10. 对角线规则(diagonal rule)在周期表的二、三周期中,某一元素的性质和它左上方或右下方的元素性质的相似性,称为对角线规则。
这种相似性比较明显的表现在Li和Mg、Be和Al、B和Si三对元素之间,但C和P以及其它元素之间也存在某些对角线效应。
12.1单质s区第1族的6个金属元素锂、钠、钾、铷、铯、钫和第2族的6个金属元素铍、镁、钙、锶、钡、镭分别被称之为碱金属(alkali metals)和碱土金属(alkaline earth metals)元素,最外层电子组态分别为ns1和ns2。
由于受到内层电子的强烈屏蔽, 核对最外层电子的控制较松弛。
因而单质的化学性质都非常活泼, 容易失去各自的ns电子分别形成+1价和+2价阳离子, 其氧化态与各自的族号相对应。
长期以来, 这两族元素难以引起化学家的强烈兴趣, 这是因为:各类化合物中很少存在族氧化态以外的其他氧化态; 元素和化合物的性质随半径发生单调变化,形成配位化合物的能力极弱,长时期内没有出人预料的新发现。
本章的内容主要仍属经典无机化学范畴,但仍然给出了强烈的信息:一个发展的活跃期正在到来。
1 物理和化学性质物理性质单质具有金属光泽,有良好的导电性和延展性,除Be和Mg外,其它均较软。
它们在密度、熔点、沸点和硬度方面往往差别较大。
化学性质1.它们具有很高的化学活泼性,能直接或间接地与电负性较高的非金属元素形成相应的化台物。
如可与卤素、硫、氧、磷、氮和氢等元素相化合。
一般均形成离子化台物(除Li、Be及Mg的卤化物外)。
2.单质与水反应放出氢气。
其中Be和Mg由于表面形成致密的氧化膜因而对水稳定。
3.标准电极电势均很负,是很强的还原剂。
它们的还原性在于态及有机反应中有广泛的应用。
如高温下Na、Mg、Ca能把其它一些金属从氧化物或氯化物中还原出来.4.单质制备由于它们的化学活泼性,决定它们只可能以化合物形式存在于自然界中。
单质的制备多数采用电解它们的熔盐。
表1和表2分别给出碱金属和碱土金属的某些性质。
表1 碱金属和碱金属离子的某些性质性质Li Na K Rb Cs 基态电子组态 金属半径, r (M)/pm 离子半径, r (M +)/pm 熔点, t /℃ 沸点, t /℃第一电离能, I 1/kJ·mol -1 密度(20℃), ρ/(g·cm -3) 硬度 a 火焰颜色标准电极电势, E ○一/V[He]2s 1 152 59 180.54 1347 520.2 0.534 0.6 洋红色 -3.040[Ne]3s 1 186 99 97.81 883.0 495.8 0.971 0.4 黄色 -2.713[Ar]4s 1 227 138 63.65 773.9 418.8 0.862 0.5 紫色 -2.924[Kr]5s 1 248 149 39.05 687.9 403.0 1.532 0.3 带蓝的红色 -2.924[Xe]6s 1 265 170 28.4 678.5 375.7 1.873 0.2 蓝色 -2.923a Mohs 硬度, 滑石定为0, 金刚石定为10.表2 碱土金属和碱土金属离子的某些性质性质Be Mg Ca Sr Ba 基态电子组态 金属半径, r (M)/pm 离子半径, r (M 2+)/pm 熔点, t /℃ 沸点, t /℃第一电离能, I 1/kJ·mol -1 密度(20℃), ρ/(g·cm -3) 硬度 a 火焰颜色标准电极电势, E ○一/V [He]2s 2 111 27 1278 2970 899.4 1.85 ~5 无色 -1.85[Ne]3s 2 160 72 648.8 1090 737.7 1.74 2.0 无色 -2.356[Ar]4s 2 197 100 839 1483.6 589.7 1.55 1.5 橙红色 -2.84[Kr]5s 2 215 113 769 1383.9 549.50 2.54 1.8 鲜红色 -2.89[Xe]6s 2 222 136 729 1637 502.8 3.60 ~2 绿色 -2.92a 见表1的脚注.与其他金属一样,两族金属单质具有金属光泽以及良好的导电性、导热性和延展性。
除铍和镁外的其他金属的质地都较软,可用小刀切开。
锂、钠、钾的密度小于水, 因而能浮在水面上。
碱金属易熔化而且容易转化为蒸气, 后一性质用于它们的蒸馏提纯。
碱金属和碱土金属是活泼或非常活泼的金属,能直接或间接与电负性较高的非金属单质如卤素、氧、硫、磷、氢等反应形成化合物。
单质的化学以其还原性为特征,图1和图2给出一些典型反应。
NH (l)NH (aq or g)Amalgam(X = halogens)Figure 1 Selected reactions of the alkali metals.两族金属被水氧化的反应分别为:2 M(s) + 2 H2O(l) =2 M+(aq) + 2 OH-(aq) + H2(g) (M = 碱金属)M(s) + 2 H2O(l) =M2+(aq) + 2 OH-(aq) + H2(g) (M = 碱土金属) 钠和钠下方的同族元素与H2O的反应十分激烈, 反应中生成的H2能自燃。
反应剧烈的原因之一是金属的熔点低,反应中放出的热量足以使金属熔化,H2O分子容易通过熔体的清洁表面与金属相接触。
熔点相对较高的金属锂在反应过程中不熔化,生成溶解度较小的LiOH 覆盖于表面使反应变得较缓和。
实验室利用金属钠与水的反应干燥烃类和醚类有机溶剂, 为了提高干燥效率, 金属钠通常被挤压成条状使用。
需要指出, 金属钠不能用来干燥醇类溶剂。
这是因为钠的还原性是如此之强, 以致能将醇羟基中的氢原子还原为H2,例如与乙醇的反应:steamFigure 2 Selected reactions of the alkaline earth metals.2 CH3CH2OH(l) + 2 Na(s) 2 NaOCH2CH3(sln) + H2(g)金属钠与卤代溶剂发生的反应十分猛烈, 因而也不能用来干燥这类溶剂。
例如, 与CCl4发生的反应为:CCl4(l) + 4 Na(s) 4 NaCl(s) + C(s) △r G○一m = -249 kJ·mol-1您也许不会想到, 我国化学家竞通过这一反应在相对温和的条件下制得了金刚石两族元素的单质都是强还原剂,表1和表2给出了相关电对的标准电极电势。
从表1的数据不难发现两个特点:1) 5种碱金属的标准电极电势相差无几,其数值都在–2.9 V左右。
这一现象没有反映碱金属原子电离能的变化趋势。
碱金属原子的电离能自Cs至Li依次增大, 化学家本可指望标准电极电势按同一顺序上升(负值减小)。
这一现象与碱金属阳离子的水合作用有关。
碱金属阳离子的水合能自Cs+至Li+依次增大, 标准电极电势相互接近的事实是两种能量变化趋势的总体现。
2) Li的标准电极电势(-3.040 V)明显低于其它几种碱金属。
这意味着,锂这个原子半径最小、电离能最高的元素倒成了水溶液中最强的还原剂。
这一现象同样可由水合作用得到解释。
Li+是第1族中最小的阳离子, 其水合程度(表现为水合分子数的多少)和水合强度(表现为水合焓的高低)都是最大的。
虽然每个Li+离子只直接键合4个H2O分子,但还有20个左右的H2O分子处于第2水合层, 总配位数高达25。
如此强的水合作用使锂比同族其他元素高出的水合能(数值为负值)补偿高出的电离能(数值为正值)之后还有余。
碱金属与汞一起研磨时发生强放热反应生成汞齐(amalgam)。
有人将汞齐看作合金,例如钠汞齐被看作金属钠(固体)和汞(液体)的合金。
随着钠含量的增加, 钠汞齐由液体变成固体。
与金属钠本身相比, 钠汞齐与水的反应要平稳得多:2 NaHg(s or l) + 2 H2O(l) 2 NaOH(aq) + H2(g) + 2 Hg(l)传统的氯碱工业中利用汞阴极电解形成的钠汞齐与水反应制烧碱。
由于带来严重的Hg 污染,这一方法正在被淘汰。
金属钠与液氨之间发生非常独特的反应。
碱金属在液氨中的溶解度达到超出人们想象的程度,39.8 g的液氨在-50℃时溶解的金属铯高达132.9 g。