下载文档原格式
高中《无机化学》第十六至十八章测试题及答案(d区元素、f区元素)(总9页)-本页仅作为预览文档封面，使用时请删除本页-高中《无机化学》第十六至十八章测试题及答案（d区元素、f区元素）第十六章 d区元素（一）一、填空题1、在所有过渡元素中，熔点最高的金属是 W ，熔点最低的是 Hg ，硬度最大的是 Cr ，密度最大的是 Os ，导电性最好的是 Ag ，耐海水腐蚀的是Ti 。
2、分别写出下列离子的颜色：[Fe(H2O)6]2+淡绿色，FeO42-紫色，[FeCl4]-黄色，[Fe(H2O)6]3+淡紫色，[Ti(H2O)6]3+紫色，VO43-淡黄色，[Co(H2O)6]2+粉红色，[Mn(H2O)6]2+粉红色，[Ni(H2O)6]2+绿色。
3、CrCl3溶液与氨水反应生成灰绿色的 Cr(OH)3沉淀该产物与NaOH溶液反应生成亮绿色的 Cr(OH)4-。
4、锰在自然界主要以软锰矿的形式存在，在强氧化剂(如KClO3)作用下碱熔时只能得到 +6 价锰的化合物，而得不到高锰酸盐，这是因为后者在碱中和受热均分解。
5、K2Cr2O7(s)与浓H2SO4反应生成的氧化物为 CrO3，它为橙红色，遇酒精立即着火，生成铬的一种绿色氧化物，其化学式为 Cr2O3。
KMnO4(s)与浓H2SO4作用生成的氧化物为 Mn2O7；MnO2与浓H2SO4反应生成的气体是O2。
6、高锰酸钾是强氧化剂，它在酸性溶液中与H2O2反应的主要产物是 O2和 Mn2+，它在中性或弱碱性溶液中与Na2SO3反应的主要产物为 SO42-和MnO2。
7、在强碱性条件下，KMnO4溶液与MnO2反应生成绿色的 K2MnO4；在该产物中加入硫酸后生成紫色的 KMnO4和褐色的 MnO2。
8、三氯化铁蒸气中含有的聚合分子化学式为 Fe2Cl6，其结构与金属 Al 的氯化物相似。
FeCl3能溶于有机溶剂。
9、既可用于鉴定Fe3+，又可用于鉴定Co2+的试剂是 KCNS ，当Fe3+存在时，能干扰Co2+的鉴定，可加入 NaF 因生成 FeF63-而将Fe3+掩蔽起来，消除对Co2+鉴定的干扰。
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。
第21章f区金属镧系与锕系金属周期表中第57号元素镧(La)到71号元素镥(Lu)共15种元素统称为镧系元素(用Ln表示)；周期表中第89号元素锕(Ac)到103号元素铹(Lr)共15种元素统称为锕系元素(用An表示)。
它们属于IIIB族元素，该副族中钇(Y)的性质与镧系元素很相似，在自然界中也常共存于同种矿物，所以又把钇和镧系元素统称为稀土元素（RE）（如何界定镧系元素和锕系元素的问题目前尚无定论）。
镧系元素第一节镧系元素的通性稀土元素的性质彼此相似，不易分离。
共经历了150多年的时间才完成了全部稀土元素的发现和分离。
稀土化学的发展和稀土元素的应用只是最近数十年的事。
我国的稀土资源以内蒙古自治区白云鄂博的储藏量最大，我国稀土资源丰富，已探明的储量约为世界总储量的80％以上，工业储量也为世界工业储量的80％左右，并且矿种全、类型多，有很高的综合利用价值。
1．镧系元素的价层电子构型和性质从La-Yb的基态价层电子构型可以用4f0-145d0-16s2来表示，其4f与5d电子数之和为1-14，其中57号La(4f0)，63号Eu(4f7)，64号Gd(4f14)，70号Yb(4f14)处于全空、半满和全满的稳定状态。
在离子晶体和水溶液系统中形成Ln3+状态时，镧系各元素的性质比较相似，随着离子半径由大到小的有规律的变化。
2．原子半径、离子半径和镧系收缩镧系元素的原子半径和离子半径，较之主族元素原子半径自左向右的变化，其总的递变趋势是随着原子序数的增大而缓慢地减小，这种现象称为“镧系收缩”。
镧系收缩的结果造成了镧系后边，Hf和Ta的原子半径，Zr和Nb的原子半径极为接近的事实。
此种效果即为镧系收缩效应。
3．氧化值一般认为镧系元素的特征氧化值是+3。
La3+，Cd3+和Lu3+的4f亚层的电子构型分别为4f0，4f7，4f14，它们是比较稳定的。
同样，其他元素在反应中也有达到这类稳定结构的趋势，如Ce有氧化值为+3的化合物，也有构型为4f0氧化值为+4的化合物。
Pr有PrO2，PrF4等氧化值为+4的化合物，但不很稳定。
Eu2+和Yb2+的电子构型为4F7和4f14，有一定的稳定性。
4．离子的颜色Ce3+(f1)，Gd3+(f7)的吸收峰在紫外区而不显示颜色。
Eu3+ (f6)，Tb3+ (f8)的吸收峰也仅有一部分在可见光区，故微显淡粉红色。
Yb3+(f13)的吸收峰则在红外区也不显示颜色，Y3+是无色的。
f区元素的离子产生颜色的原因，从结构来看是由f-f跃迁而引起的。
若以Gd3+离子为中心，从Gd3+到La3+的颜色变化规律又在从Gd3+到Lu3+的过程中重复出现。
这就是Ln3+离子颜色的周期性变化。
5．镧系元素离子和化合物的磁性镧系元素的磁性较复杂，它与d区过渡元素磁性的根本区别在于d区过渡元素的磁矩主要是由未成对电子的自旋运动产生的，轨道运动对磁矩的贡献往往被环境中配体的电场作用所抑制，几乎完全消失。
而镧系元素，由于4f 电子能被5s和5p电子很好地屏蔽掉，受外电场的作用较小，轨道运动对磁矩的贡献并没有被周围配位原子的电场作用所抑制，所以在计算其磁矩时必须同时考虑电子自旋和轨道运动两方面对磁矩的影响。
镧系元素及化合物中未成对电子数多，加上电子轨道运动对磁矩所做的贡献，使得它们具有很好的磁性，可做良好的磁性材料，稀土合金还可做永磁材料。
第二节镧系元素的单质1．镧系金属单质的化学性质从φΘ(Ln3+／Ln)值看，其变化总趋势为由La到Yb逐渐增大。
在碱性溶液中，φΘ( Ln(OH)3／Ln)值镧为-2.90V，依次增加到镱的-2.7 V，这说明无论是在酸性还是碱性溶液中，Ln都是很活泼的金属，都是较强的还原剂。
还原能力仅次于碱金属而和镁接近，远比铝和锌强。
2．希土元素的提取以独巨石为例介绍希土元素的提取方法。
(1) NaOH分解法(2)H2SO4分解法(3)氯—碳分解法3．希土元素的分离分级结晶法、分级沉淀法、氧化还原法等是过去常用的方法。
目前更常用的是交换法和溶剂萃取法。
4．稀土金属的的制备(1)金属热还原法(2) 熔盐电解法第三节镧系元素的重要化合物1．Ln(III)的化合物(1) 氧化物和氢氧化物Ln2O3难溶于水和碱，易溶于强酸中。
Ln(OH)3的溶度积比碱土金属的溶度积小得多。
用氨水即可从盐类溶液中沉淀出Ln(OH)3。
温度升高时溶解度降低。
Ln(OH)3具有碱性，其碱性随Ln3+半径的减小而逐渐减弱（可用R-OH规则来解释）。
胶状的Ln(OH)3能在空气中吸收二氧化碳生成碳酸盐。
Ce(OH)3在空气中不稳定，易被O2逐渐氧化变成黄色的Ce(OH)4。
镧系元素的氢氧化物、草酸盐或硝酸盐经加热分解可生成相应的Ln2O3。
(2) 卤化物镧系元素的氟化物难溶于水，其溶度积由LaF3到YbF3逐渐增大(可能半径小水合能大)。
镧系元素的其他卤化物多易形成水合物。
无水的LnX3可用下列反应制备：Ln2O3 + 3COCl2 ======= 2LnCl3 +3CO2Ln2O3 + 6NH4Cl −573 2 LnCl3 + 3H2O +−→−K6NH32Ln + 3X2 ===== 2LnX3Ln2O3 + 3C + 3Cl2 ======= 2LnCl3 + 3CO 用还原剂C是为了防止生成LnOCl。
(3) 其他盐类镧系元素的草酸盐在稀土化合物中相当重要，因为草酸盐的溶解度很小，可进行镧系元素分离中的轻重稀土分组。
除草酸盐外，其他的碳酸盐、氟化物、磷酸盐和焦磷酸盐[Ln4(P2O7)3]都难溶于水。
2．Ln(II)和Ln(IV)的化合物CeO2可将浓盐酸氧化成Cl2，将Mn2+氧化成MnO4-。
CeO2的热稳定性很好，在800℃时不分解，温度再高可失去部分氧。
Ln2+同碱土金属离子类似，尤其同Ba2+相似，能形成溶解度较小的硫酸盐。
3．镧系元素的配合物镧系元素同d区元素相比，形成配合物的种类和数量要少得多。
镧系元素形成的配合物稳定性较差，这可以从以下两个方面来理解：一是从价层电子构型看，Ln3+的价层电子构型是4f n5s25p6，4f电子被外层电子所掩盖，与外部配体轨道之间的作用很弱，Ln3+与配体之间的作用主要是静电作用，配键主要以离子性为主，所形成的配离子稳定性差。
二是从离子半径的大小来看，Ln3+的离子半径(在106 pm-85 pm之间)比一般的Cr3+，Fe3+的离子半径要大20pm-40pm，Ln3+像IIA族离子那样只与配能力强的配体如EDTA和其他螯合剂才能形成稳定配离子。
由于离子半径较大，Ln3+所成的配离子会有较大的配位数，通常为7，8，9，10。
若从金属离子的酸碱性来看，Ln3+属于硬酸类，它们与F，O，N等硬碱类配位原子有较强的配位作用，形成的配离子较稳定，而与Cl，S，P 等软碱类配位原子只能形成稳定性较差的配离子，有些甚至不能从水溶液中分离出来。
第四节稀土元素及其化合物的应用(1) 在石油化工中的应用稀土元素在石油化工领域中的应用是制备分子筛型石油裂化的催化剂。
利用已除掉铈的混合稀土元素的环烷酸盐溶于汽油做催化剂，成功地合成了异戊橡胶和顺丁橡胶，属我国首创。
(2) 在冶金工业上的应用在冶金工业中，由于稀土元素具有对氧、硫和其它非金属的强亲和力，用于炼钢中能净化钢液，取到脱氧和脱硫作用，减少有害元素对钢材质量的影响。
(3) 在玻璃、陶瓷工业中的应用稀土可使玻璃具有特种性能和颜色，具有很高的折射率和很低的散射率；1.5μm的光在氟锆酸盐玻璃中的传输损失小于硅酸盐玻璃，可用作洲际或大洋间通讯的光学纤维，这是稀土起到了优良的光学性质的作用。
(4) 稀土超导陶瓷一种重要的超导陶瓷的化学式为Ba2YCu3O7-x。
(5) 稀土发光材料彩色电视显像管的红色荧光粉就是钇、铕的硫氧化物Y2O2SEu。
(6) 稀土永磁材料永磁材料是指材料经过磁化以后具有长期保持磁性的物质。
稀土永磁材料具有优良的磁性能，在性能上大大超过了铁氧体磁性材料。
广泛用于电子计算机、微波电路等。
组成为SmCo5和Sm2Co7等钐钴永磁体具有极佳的磁性，一块火柴盒大小的稀土永磁体SmCo5可以吸引起重达几十千克的钢铁。
(7) 稀土贮氢材料目前已知的稀土贮氢材料有LaNi，，La2Mg17，La2Ni5Mg15等，由于它们吸收和释放氢气的过程是可逆的、快速的，因此可用这类合金材料生产氢气贮存器。
(8) 在其它领域中的应用稀土金属在核工业中用于反应堆的结构材料和控制材料。
稀土元素作为微量元素用于农业。
在医药方面，有些稀土元素化合物可供药用，还可用于放射治疗和示踪治疗。
在纺织工业中，轻稀土元素的氯化物或醋酸盐处理纺织品可提高其耐水性等。
有些稀土化合物还可用做皮革的着色剂或媒染剂。
锕系元素第一节锕系元素概述锕系元素又称5f过渡系，它是在周期表中锕(Ac)到铹(Lr)共15种元素，它们都具有放射性。
铀以后的元素都是在1940年以后用人工核反应合成的。
1．锕系元素的价层电子构型与镧系元素相比，它们的主要区别是5f轨道的能量以及在空间的伸展范围都比4f轨道大，因而使得5f与6d轨道能量更接近，但4f 与5d轨道能量相差较大。
同样把—个外数第三层的f电子激发到次外层的d轨道上去，在前半部分(n=7以前)锕系元素所需的能量要少，表明这些锕系元素的f电子较容易被激发，成键的可能性更大一些，更容易表现为高氧化态；在n=7以后的锕系元素则相反，因此它们的低氧化态化合物更稳定。
2．氧化值对镧系元素来说，+3是特征氧化值，对锕系元素则有明显的不同。
其中最稳定的氧化值由Ac为+3上升到U为+6，随后又依次下降，到Am为+3。
由于5f轨道伸展得比4f轨道离核更远些，且5f，6d，7s各轨道能量比较接近，这些因素都有利于共价键形成并保持较高的氧化值。
3．锕系收缩同镧系元素相似，锕系元素相同氧化态的离子半径随原子序数的增加而逐渐减小，且减小得也较缓慢(从90号Th到98号Cf共减小了约10 pm)，称为锕系收缩。
由Ac到Np半径的收缩还比较明显，从Pu开始各元素离子半径的收缩就更小。
4．电极电势An3+稳定性按同一顺序而增强。
如从U到Am。
5．离子的颜色除Ac3+, Cm3+, Th4+, Pu4+和PuO2+离子为无色外，其余离子都显颜色。
U3+显粉红色。
6．单质的性质锕系元素单质的金属性较强。
它们的制备方法可用碱金属或碱土金属还原相应的氟化物或熔融盐电解法制备。
锕系元素的单质通常为银白色金属，易与水或氧作用，保存时应避免与氧接触。
锕系元素可土其它金属形成金属间化合物和合金。
第二节钍和铀及其化合物1．钍及其化合物钍主要存在于硅酸钍矿ThSiO4、独居石等矿中，其丰度为0.0013％，与硼相当。
