无机化学教学课件-15章-氮族元素.ppt
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- 无机化学 教学 课件 15 元素
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1、本章教学要求本章教学要求1 了解了解 氮族氮族元素的特点;元素的特点;2 了解了解氮族氮族元素的存在、制备及用途;元素的存在、制备及用途;3 掌握重点元素氮和磷的单质及其化合物的性质,会掌握重点元素氮和磷的单质及其化合物的性质,会用结构理论和热力学解释它们的某些化学现象;用结构理论和热力学解释它们的某些化学现象;4 从氮的化合物结构了解其成键特征;从氮的化合物结构了解其成键特征;5了解一些长周期元素及化合物的制备和用途;了解一些长周期元素及化合物的制备和用途;6了解惰性电子对效应概念及其应用。了解惰性电子对效应概念及其应用。温度温度/22 0k(As)/kScm-1 35 38k(Sb)/kS
2、cm-1 24 26k(Bi)/kScm-1 8.6 9.5As Sb Bi 的电导率的电导率 金属性金属性总的变化规律是由上而下逐渐增强总的变化规律是由上而下逐渐增强从硼族、碳族和氮族元素的基本性质中可以看出如下一些特性:从硼族、碳族和氮族元素的基本性质中可以看出如下一些特性:氧化态氧化态 5 个元素都可达到各自的族氧化态,但出现了个元素都可达到各自的族氧化态,但出现了 惰性电子对效应惰性电子对效应(inert-pair effect),即:,即:Ga Ge AsIn Sn SbTl Pb Bi4s25s26s2低氧化态相对低氧化态相对稳定性增大稳定性增大4s24p135s25p136s26
3、p13惰性电子对稳惰性电子对稳定性增大定性增大氢化物的类型氢化物的类型根据根据 Lewis 结构式中价电子数与形成的化学键数之结构式中价电子数与形成的化学键数之 间的关系,三族的分子型二元氢化物可分三类:间的关系,三族的分子型二元氢化物可分三类:缺电子缺电子(13 族族B)(electron-deficient)氢化物氢化物B2H6 富电子富电子(15-17族族)(electron-rich)氢化物氢化物NH3半导体性质半导体性质周期表中周期表中 7 7 种半导体元素种半导体元素 B B,SiSi,GeGe,AsAs,SbSb,SeSe 和和 TeTe全在全在 p p 区区.特别需要提醒的是特
4、别需要提醒的是:不能以导电能力判断一种物不能以导电能力判断一种物 质是否属于半导体,用作判据的只能是禁带的宽度质是否属于半导体,用作判据的只能是禁带的宽度.第第 族元素和某些第族元素和某些第 族化合物的禁带族化合物的禁带(25)材料材料 E/eV 材料材料 E/eV C(金刚石金刚石)5.47 BN 7.5(近似值近似值)SiC 3.00 BP 2.0Si 1.12 GaN 3.36Ge 0.66 GaP 2.26Sn 0 GaAs 1.42 InAs 0.365.:氮氮(Nitrogen):大气的主要成分,大规模制备是通过分馏液态空气实大气的主要成分,大规模制备是通过分馏液态空气实现的现的.
5、但因需求量太大仍然促使人们谋求建立某种成本更低的制备工艺但因需求量太大仍然促使人们谋求建立某种成本更低的制备工艺.最大最大的用途是用于制造氮肥、其他含氮的用途是用于制造氮肥、其他含氮 化合物和作保护气体化合物和作保护气体.高纯高纯 N2 要进一步要进一步除水和氧除水和氧.液氮液氮(b.p.-196 )是一种重要的致冷剂是一种重要的致冷剂.惰性气氛手套箱惰性气氛手套箱氮氮-氧膜分离器示意图氧膜分离器示意图 t/化合物化合物 t/化合物化合物 +6.55 环己烷环己烷 -63.5 氯仿氯仿 0.00 水水 -83.6 乙酸乙酯乙酸乙酯 -8.6 水杨酸甲酯水杨酸甲酯 -96.7 二氯甲烷二氯甲烷
6、-22.95 四氯化碳四氯化碳 -126.6 甲基环己烷甲基环己烷 -45.2 氯苯氯苯 -160 己戊烷己戊烷 可作低温恒温浴的化合物举例可作低温恒温浴的化合物举例 通性通性 1N的的电负性(电负性(electronegativity)仅次于氟)仅次于氟(4.0)、氧、氧(3.5)2N的三重键键能大于的三重键键能大于P、C的三重键键能:的三重键键能:NN945 kJmol 1,P P481kJmol 1,C C 835 kJmol 1;而而N的单键键能很弱:的单键键能很弱:NN 200 kJmol 1,C C 346kJmol 1 3氮的氧化数为氮的氧化数为 3、1、+1、+3、+5也有也有
7、 2、+2、+4 4氮为植物和动物机体蛋白质(氮为植物和动物机体蛋白质(proteins)的成份)的成份 智利硝石智利硝石(Chile saltpeter):NaNO3,印度硝石印度硝石(Indian saltpeter):KNO3,也存在于星云和太阳大气中,天王星,海王星也存在于星云和太阳大气中,天王星,海王星The bacteria that inhabit there nodules on the roots of a pea plant are able to fix atmospheric nitrogen and make it available to the plant.根瘤菌
8、根瘤菌 N2KK(2s)2(*2s)2(2py)2(2pz)2(2px)2 所以所以N2分子具有抗磁性。分子具有抗磁性。所以键所以键级为级为3,三键,三键,显得格外稳定显得格外稳定,为最稳定的双原子分子。,为最稳定的双原子分子。N2(g)2N(g)dHm=945kJmol 1 K=10 120,当,当T=3000时,时,N2的离解度仅为的离解度仅为0.1%。许多氮化物的许多氮化物的 fHm 0 0(吸热),而(吸热),而 rS S0(因为因为N2为气体为气体),所以,所以 rGm 总是大于零,因此氮化物在热力学上不稳定,易分解。总是大于零,因此氮化物在热力学上不稳定,易分解。在通常条件下,在通
9、常条件下,N2是化学惰性的,在一定条件下,是化学惰性的,在一定条件下,N2与金属、非金属与金属、非金属反应反应 6Li+N2 2Li3N Mg、Ca、Sr、Ba在炽热温度与在炽热温度与N2直接化合直接化合 N2+O2 2NO N2+3H2 2NH3(中温,高压,催化剂)(中温,高压,催化剂)(1)Industry:液态空气分馏液态空气分馏(2)Laboratory:NH4Cl+NaNO2 NaCl+NH4NO2 NH4NO2 N2+2H2O (NH4)2Cr2O7 (s)N2+Cr2O3 +4H2O 8NH3+3Br2(aq)=N2+6 NH4Br 2NH3+3CuO N2+3H2O+3Cu
10、N3 氮化物(氮化物(nitride)Na3N Mg3N2NN、NH单键,单键,N=O、N=N双键,双键,NN叁键,大叁键,大 键键mn N的富电子性,形成化合物一般含有孤对电子,属于路易斯碱,可以的富电子性,形成化合物一般含有孤对电子,属于路易斯碱,可以与具有空轨道的金属离子或缺电子化合物(路易斯酸)形成配位键。与具有空轨道的金属离子或缺电子化合物(路易斯酸)形成配位键。尽管下面的方法可以固定尽管下面的方法可以固定 N2:Li3N(s)+3H2O(l)3LiOH(aq)+NH3(g)Mg3N2(s)+6H2O(l)3Mg(OH)2(s)+2NH3(g)2NH4Cl(s)+Ca(OH)2(s)
11、CaCl2(s)+2NH3(g)+2H2O 但工业合成仍用哈伯法但工业合成仍用哈伯法:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)高温、高压高温、高压 催化剂催化剂 模拟生物固氮模拟生物固氮 研究常温常压下固氮的途径是模拟根瘤菌中研究常温常压下固氮的途径是模拟根瘤菌中固氮酶的组成、结构和固氮过程固氮酶的组成、结构和固氮过程.由于生物圈不由于生物圈不存在高温高压催化强化反应的条件,采取了一条存在高温高压催化强化反应的条件,采取了一条全然不同而且更为迂回复杂的路线合成氨全然不同而且更为迂回复杂的路线合成氨.生物生物固氮以固氮以 ATP为还原剂,相关的半反应为:为还原剂,相关的半反应为:N2+16 MgA
12、TP+8 e-2 NH3+16 MgADP+16 Pi+H2+8H+a自偶电离自偶电离 NH4Cl、NH4NO3在液氨中为强酸,在液氨中为强酸,KNH2、Ba(NH2)2在液氨中为强碱在液氨中为强碱Zn(NH2)2、Al(NH2)3为两性的为两性的amphoteric +3422NHNH +NH acid base)xyxy+333Na+()NHNa(NH)+e(NH c.加合(配位)反应加合(配位)反应(与(与H+,Mn+,H2O,BF3等加合)等加合)BF3+:NH3=F3BNH3 F H B :N H F F H BF3为为缺电子缺电子化合物化合物(价电子数价电子数 12mol/dm3)
13、NO2为主为主 M+HNO3 +(6-8 mol/dm3)NO为主为主 (2 mol/dm3)N2O为主为主 M(活泼活泼)+HNO3(PH3 AsH3 SbH3 BiH3 As2O3+6Zn+12HCl =2AsH3+6ZnCl2+3H2O 2AsH3=2As+3H2 强还原性强还原性 EH3(E=N,P,As,Sb,Bi)中的中的E原子有一对孤对电子,因而都可作为电子原子有一对孤对电子,因而都可作为电子对给予体与金属原子配位对给予体与金属原子配位.膦、胂以及它们的烃基取代衍生物都是低氧化膦、胂以及它们的烃基取代衍生物都是低氧化态金属原子的重要配位体态金属原子的重要配位体.2AsH3+12A
14、gNO3+2H2O=As2O3+12HNO3+12Ag(“银镜银镜”)配位性配位性 加热的玻管形成亮黑色加热的玻管形成亮黑色“砷镜砷镜”砷、锑、铋都能生成氢化物砷、锑、铋都能生成氢化物 MH3,它们都是无色、有恶臭的有毒气体,它们都是无色、有恶臭的有毒气体,很不稳定。在砷、锑、铋三种元素的氢化物中,砷化氢很不稳定。在砷、锑、铋三种元素的氢化物中,砷化氢(又称胂又称胂)较重要。将较重要。将砷化物水解或用活泼金属在酸性溶液中使砷化合物还原都能得到胂:砷化物水解或用活泼金属在酸性溶液中使砷化合物还原都能得到胂:族氧化态的氧化物族氧化态的氧化物 As2O5 Sb2O5 Bi2O5(难以制的)(难以制的
15、)氧化值为族序减氧化值为族序减 2 的氧化物的氧化物 As2O3 Sb2O3 Bi2O333AsO 砷、锑、铋单质燃烧砷、锑、铋单质燃烧生成生成 M2O3。M2O5 通常是由通常是由+5 氧化值的相应氧氧化值的相应氧化物的水合物加热脱水而取得。化物的水合物加热脱水而取得。硝酸只能把铋氧化成硝酸只能把铋氧化成 Bi(NO3)2。在碱性介质中,用较强的氧化剂氧化在碱性介质中,用较强的氧化剂氧化 Bi()()化合物生成铋酸盐。化合物生成铋酸盐。As2O3 俗称砒霜,是剧毒的白色晶体,致死量为俗称砒霜,是剧毒的白色晶体,致死量为 0.10.1 g g。As2O3 微溶微溶于水,溶解后生成亚砷酸,于水,
16、溶解后生成亚砷酸,H3AsO3 仅存在于溶液中。仅存在于溶液中。As2O3 是以酸性为是以酸性为主的两性氧化物,易溶于强酸溶液和强碱溶液。主的两性氧化物,易溶于强酸溶液和强碱溶液。Sb2O3 又称锑白,是优良的白色颜料,其遮盖力略次于钛白,而与锌又称锑白,是优良的白色颜料,其遮盖力略次于钛白,而与锌钡白相近。钡白相近。Sb2O3 是以碱性为主的两性氧化物,难溶于水,易溶于强酸溶是以碱性为主的两性氧化物,难溶于水,易溶于强酸溶液和强碱溶液。液和强碱溶液。Bi2O3 为碱性氧化物,只溶于酸溶液,在溶液中存在的形式为为碱性氧化物,只溶于酸溶液,在溶液中存在的形式为 Bi3+或或水解产物水解产物 Bi
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