15章元素化学地球上的元素和单质课件.ppt
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- 15 元素 化学 地球 单质 课件
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1、工科大学化学工科大学化学工科大学化学工科大学化学Advanced Chemistry for Engineering工科大学化学工科大学化学第第1515章章 元元 素素 化化 学学 工科大学化学工科大学化学目录目录一、单质二、二元化合物二元化合物三、非金属元素化合物四、金属元素的化合物 工科大学化学工科大学化学元素化学研究的内容(1)存在(2)制备(3)性质 物理性质化学性质*晶型*密度*硬度*导电性*磁性*熔沸点*酸碱性*溶解性*氧化性*还原性*络合性工科大学化学工科大学化学(4)理论依据:*物质结构理论*化学热力学理论*化学平衡理论*氧化还原理论工科大学化学工科大学化学物质无机物 有机物
2、单质 化合物 金属单质非金属单质二元化合物(X化X)多元化合物(X酸X)根据组成化合物的元素的种类和相对分子质量的大小,可以将化合物分为:有机化合物:高分子化合物:无机化合物:碳氢化合物及其衍生物,(C、H 及O、N、P、S、Cl)相对分子质量在几万、几十万以上的有机化合物 除此外都属于无机化合物范畴。目前已发现的有机化合物已超过1 000万种。工科大学化学工科大学化学 无机化合物按组成化合物的元素种类可分为:二元化合物与多元化合物。只有两种不同元素组成的化合物称为二元化合物。二元化合物一般根据电负性大的元素命名,包括:氧化物、硫化物、硼化物、碳化物、卤化物等。惟有氢与其他元素所形成的二元化合
3、物一律称为氢化物。无论二元化合物还是多元化合物,都可以将化合物分为两个基团:阳离子基团:阴离子基团:常见的阳离子包括金属元素的简单阳离子和氨根阴离子的分类如下:简单阴离子,如O 2、F、OH、CN;单个的氧络阴离子,如NO3、SO4 2-;聚合的氧络阴离子,如硅酸根、硼酸根、缩合磷酸根;络合阴离子,如Fe(C2O4)3 3-。其中范围最广、最重要的是含氧阴离子。工科大学化学工科大学化学 人体内已发现60多种元素,O、C、H、N-96,Ca、S、P、Na、K、C1、Mg -395,9995。称痕量元素。余下的50余种元素-005,痕量元素含量虽低,但在人体复杂而奥妙的生理过程中却起着核心的作用,
4、是人体必不可少的元素。部分痕量元素对人体的生理功能的影响,目前还未完全清楚。工科大学化学工科大学化学一单质1.单质的结构与化学键2.单质的制备3.单质的物理性质4.单质的化学性质工科大学化学工科大学化学1.单质的结构与化学键 一种元素原子的电子结构,不仅确定了不同元素之间怎样能彼此结合成各种各样的化合物,而且也确定了同种元素原子之间怎样结合成单质。电子结构对单质的结构和聚集态的影响电子结构对单质的结构和聚集态的影响p区非金属元素的单质的成键规律,遵循区非金属元素的单质的成键规律,遵循“8N规则规则”。即族号为即族号为N 的的p区非金属元素,在形成单质时,每个原区非金属元素,在形成单质时,每个原
5、子可以提供子可以提供8N个价电子与个价电子与8N个同种元素的原子,个同种元素的原子,形成形成8N条共价单键。条共价单键。工科大学化学工科大学化学族号(N)8-N值原子化学键数分子构型举例0族(8)00单原子分子稀有气体 族(7)11单键双原子分子卤素 族(6)22链形或环形分子S、Se和Te 族(5)33有限分子或层状分子P、As和Sb 族(4)44金刚石型大分子结构C、Si、Ge和Sn 表表 单质的结构的单质的结构的8N规则规则 工科大学化学工科大学化学 1单原子分子:2 双原子分子:3独立存在的多原子分子:4大分子:工科大学化学工科大学化学 1单原子分子:单原子分子:He、Ne、Ar、Kr
6、、Xe、Rn。具有闭壳层电子结构的稀有气体为单原子分子,又称为惰性气体。2 双原子分子:双原子分子:H2:X2:O2:N2:达到了1s2 型的闭壳层结构达到8电子的闭壳层结构 双键叁键工科大学化学工科大学化学 3独立存在的多原子分子:P4S8O3O3分子结构呈V形,中心氧原子采用S P 2杂化轨道成键 ,是唯一具有极性的单质分子 工科大学化学工科大学化学 4 4大分子大分子 :B B12C Cnn=2-180碳素原子族 P(As、Sb、Bi)工科大学化学工科大学化学二单质1.单质的结构与化学键2.单质的制备3.单质的物理性质4.单质的化学性质工科大学化学工科大学化学2.单质的制备 元素单质的制
7、备方法取决于元素的存在形式及其性质,分为物理方法和化学方法两大类,同一种单质,制备方法往往不止一种。(1)非金属单质的制备(a)物理方法 适用于以单质形式天然存在的非金属。(b)化学方法 适用于从化合物形式制备非金属单质,分为氧化法和还原法两种。氧化法:从一种非金属元素的负氧化态出发制备非金属单质。还原法:从一种非金属元素的正氧化态出发制备非金属单质。工科大学化学工科大学化学氧化法电解法:融盐电解法:F-氧化为F2 水溶液电解法:Cl-氧化为Cl2氧化剂法:2KMn04+16HCl=5C12+2MnCl2+2KCl+8H20工科大学化学工科大学化学卤素的制备卤素的制备 卤素在自然界中主要以氧化
8、数为卤素在自然界中主要以氧化数为-1的卤化物存在。因此,制备卤的卤化物存在。因此,制备卤素单质都是用氧化其相应卤化物的方法。素单质都是用氧化其相应卤化物的方法。其中最值得一提的是其中最值得一提的是F2的制备,从的制备,从1768年发现年发现 HF 以后,直到以后,直到1886 6年得到年得到F2历时历时118年年.1886年年 Moissan 采用溶有少量采用溶有少量 KF 的的HF 液体做电解液,电解槽和电极用液体做电解液,电解槽和电极用 Pt-In 合金,合金,U 形管中装有形管中装有 NaF 吸收吸收 HF:2HF(l)(不纯不纯)H2+F2工业制备方法工业制备方法F2 电解法电解法Cl
9、2 电解法电解法 化学法化学法Br2 化学法化学法I2 化学法化学法困困难难的的程程度度电解电解249KCl2,Br2,I2 的单质的单质 H.Moissan一、氟的制备一、氟的制备工科大学化学工科大学化学 目前氟的工业制备技术目前氟的工业制备技术已有了很大的改进:已有了很大的改进:电解过程中要不断添加无水电解过程中要不断添加无水 HF 液体液体.由于由于F2的制备和储运有极大不便,人们的制备和储运有极大不便,人们常用常用 IF2AsF6 的热分解方法制取少量的热分解方法制取少量 F2:日本在日本在1999年年10月已将其研制的氟气发生器正式推向市场月已将其研制的氟气发生器正式推向市场.俄国、
10、俄国、德国、中国也先后开展了此项研究工作德国、中国也先后开展了此项研究工作.2 KHF2(l)2 KF(S)+H2+F2 20 世纪世纪 80 年代中、后期西方国家氟的年生产能力约为年代中、后期西方国家氟的年生产能力约为 2400 t.其中其中55%用于生产用于生产UF6,40%用于生产用于生产 SF6,其余用于制造,其余用于制造 CF4 和氟化石和氟化石墨(用于电池)等墨(用于电池)等.生产的生产的 F2 或者就地使用(例如制造或者就地使用(例如制造 UF6 和和 SF6),),或者液化或装入高压钢瓶中投入市场或者液化或装入高压钢瓶中投入市场.熔盐电解装置图熔盐电解装置图 IF2AsF5(s
11、)+2KF KIF6+KAsF6+F2电解电解353363K473K 工科大学化学工科大学化学水蒸气转化法水蒸气转化法CH4(g)+H2O(g)3 H2(g)+CO(g)1 273 K 其中产物氢的三分之一来自水其中产物氢的三分之一来自水.水煤气反应水煤气反应C(s)+H2O(g)H2(g)+CO(g)1 273 K 其中产物氢的百分之百来自水其中产物氢的百分之百来自水.H2(g)+CO(g)就是水煤气,可做工业燃料,使用时不必分离就是水煤气,可做工业燃料,使用时不必分离.但若为了制氢,必须分离出但若为了制氢,必须分离出CO.可将水煤气连同水蒸气一起通过红热的氧化铁催化剂,可将水煤气连同水蒸气
12、一起通过红热的氧化铁催化剂,CO变成变成 CO2,然后在然后在 2106 下用水洗涤下用水洗涤 CO2 和和 H2 的混合气体,使的混合气体,使 CO2溶于水而分离出溶于水而分离出 H2.CO+H2+H2O(g)CO2+2 H2Fe2O3 723 K还原法:电解还原法:用电解水的方法可以制得较纯的氢气(H+-H2)还原剂法:SiO2+2C =Si +2CO工科大学化学工科大学化学 Zn+H3O+Zn2+2H2O+H2 实验室中制氢的主要方法实验室中制氢的主要方法实验室制氢气中杂质来源与除去方法实验室制氢气中杂质来源与除去方法 H2S+Pb2+2H2O PbS+2H3O+AsH3 锌和硫酸中含微
13、量锌和硫酸中含微量As AsH3+3Ag2SO4+3H2O6Ag+H3AsO3+3H2SO4H2S 锌中含微量锌中含微量 ZnSSO2 锌还原锌还原 H2SO4 产生产生SO2+2KOH K2SO3+H2O 氢能源21世纪的清洁能源氢燃烧速率快,反应完全.氢能源是清洁能源,没有环 境污染,能保持生态平衡.目前,已实验成功用氢作动力的汽车,有望不久能投入实用目前,已实验成功用氢作动力的汽车,有望不久能投入实用 氢作为航天飞机的燃料已经成为现实,有的航天飞机的液态氢储罐氢作为航天飞机的燃料已经成为现实,有的航天飞机的液态氢储罐存有近存有近 1 800 1 800 m m3 3的液态氢的液态氢 氢能
14、源研究面临的三大问题:氢气的发生(降低生产成本)氢气的储存 氢气的输送(利用)工科大学化学工科大学化学(2)金属单质的制备 自然界中,金属元素多数以化合物的形式存在,且在化合物中,金属元素呈正氧化态,少数以单质形式存在。根据金属元素存在形式不同,其制备(冶炼)方法也不同。从金属矿物中提取金属单质,一般包括:矿物富集、金属冶炼 和金属精炼三个基本步骤。(1)矿物富集 一般的矿物都必须富集。把矿物破碎后,用物理方法、化学方法或者两者结合的方法除去不需要的脉石。(2)金属冶炼 从天然单质矿中提炼金属 从天然化合物矿中提炼金属 工科大学化学工科大学化学富集富集 泡沫浮选法富集,达到含铜量为泡沫浮选法富
15、集,达到含铜量为15-20%;焙烧焙烧 923K-1073K通空气进行氧化焙烧,除去部分通空气进行氧化焙烧,除去部分的硫和挥发性杂质如的硫和挥发性杂质如As2O3等,并使部分硫化物变成等,并使部分硫化物变成氧化物;氧化物;2 CuFeS2+O2=Cu2S+2 FeS+3 SO2 2FeS+3O2=2FeO+2SO2 制冰铜制冰铜 FeO+2 SiO2=FeSiO3(渣渣)mCu2S+nFeS=冰铜冰铜制泡铜制泡铜 2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO2 2Cu2O+Cu2S=6Cu+2SO2制精铜制精铜 除去其他金属杂质,得除去其他金属杂质,得99.5-99.7%的精铜;的精铜;电解精炼电解
16、精炼 用电解法可得纯铜用电解法可得纯铜(99.99%),真空精镏得,真空精镏得超纯铜超纯铜(99.99999%)。冶冶 炼炼工科大学化学工科大学化学 从天然单质矿中提炼金属 金、银等金属虽然以单质形式存在,但由于太分散而无法收集,因此仍需要用化学方法对其单质进行处理,以化合物形式收集之后,再还原为金属单质。常用的方法有氰化法和王水法。提取金和银的方法主要是氰化法:工科大学化学工科大学化学 从天然化合物矿中提炼金属 对于以化合物形式存在的金属矿,由金属阳离子转化为金属单质的过程需要进行还原反应,根据所采用的还原手段不同,可将金属单质的制备分为 热分解法、还原剂法 和电解还原法三大类。三大类。a热
17、分解法 某些不活泼金属的化合物,在氢后面的金属其氧化物受在氢后面的金属其氧化物受热就容易分解,热就容易分解,属于对热不稳定的化合物,空气中加热即可使它们分解产生单质.例如,汞的制备:汞的主要矿物是辰砂HgS。利用下列反应能提炼汞:工科大学化学工科大学化学 b还原剂法 常见的非金属还原剂包括H2、C、CO,虽然这些非金属单质或化合物的还原能力比活泼金属弱,但反应的产物是H2O、CO和CO2等气体产物,容易从体系中排除,而且成本较低。一般用还原剂的名称直接命名还原剂法,例如:碳还原法、氢还原法、氢化物还原法和金属还原法等。碳还原法 如Sn和Pb的冶炼,锡的主要矿石是锡石SnO2。先从矿石中溶解可溶
18、于酸的金属氧化物,分离后得较纯的SnO2,再用C还原SnO2为金属Sn:SnO2(s)+2C(s)Sn(s)+2CO(g)铅的主要矿石是方铅矿PbS。将经过浮选的铅精矿在空气中焙烧,使其转化成氧化物,再用C还原PbO得Pb:2PbS+3O22PbO+2SO2 PbO+C Pb+CO 工科大学化学工科大学化学用辉锑矿(Sb2S3)炼Sb、用辉铋矿(Bi2S3)炼Bi、用闪锌矿(ZnS)炼Zn等,都可以采用类似的工艺。氢还原法 例如,从白钨矿CaWO4和黑钨矿(FeWO4MnWO4)炼W。首先从精矿砂中提取黄色WO3,再用氢气在高温下还原:WO3+3H2=W+3H2O 氢化物还原法 离子型氢化物一
19、般为碱金属或碱土金属的氢化物(MH或MH2),其中H-离子的结构为1S2,因为两电子间斥力极大,很容易失去电子而表现出很强的还原性。又由于过剩的还原剂以及反应副产物(碱金属或碱土金属氧化物)可以用水洗去,所以可以制备较纯的金属粉末。例如:4NaH+T1C14Ti+4NaCl+2H2工科大学化学工科大学化学 金属还原法 金属还原法就是用活泼金属把不活泼的金属从它的化合物中置换出来,常见的还原剂包括:Zn、Al、Na、Mg、Fe等。铝热法镁还原法钠还原法 锌粉还原法工科大学化学工科大学化学溶液电解法:由Al2O3制取金属Al 由锌精矿炼锌:先得纯ZnS04溶液,电解此溶液在阴极得到金属Zn。C电解
20、还原法熔融电解法:n 排在铝前面的几种活泼金属,不能用一般还原剂排在铝前面的几种活泼金属,不能用一般还原剂使它们从化合物中还原出来。这些金属用电解法制取使它们从化合物中还原出来。这些金属用电解法制取最适宜,电解是最强的氧化还原手段。最适宜,电解是最强的氧化还原手段。n电解法有水溶液电解和熔盐电解法两种。活泼的电解法有水溶液电解和熔盐电解法两种。活泼的金属如铝、镁、钙、钠等用熔融化合物电解法制备。金属如铝、镁、钙、钠等用熔融化合物电解法制备。n一种金属采用什么提炼方法与它们的化学性质、一种金属采用什么提炼方法与它们的化学性质、矿石的类型和经济效果等有关。金属的提炼方法与它矿石的类型和经济效果等有
21、关。金属的提炼方法与它们在周期表中的位置大致关系见表。们在周期表中的位置大致关系见表。工科大学化学工科大学化学Na2CO3铝土矿铝土矿Al2O3.2H2O浸浸 渍渍加热加热NaOH蒸蒸 发发加热加热沉沉 淀淀冷却冷却澄澄 清清晶种晶种水洗洗 泥泥红泥红泥 Al(OH)3洗洗 涤涤水水煅煅 烧烧 Al2O3通通CO2工科大学化学工科大学化学 铝铝(Aluminum):最重要的有色金属:最重要的有色金属.全世界每年生产在全世界每年生产在 1.5107 吨以上吨以上.铝土矿储量约铝土矿储量约 2.31010 吨吨.2 Al2O3 4 Al +3 O2 (阴极阴极)(阳极阳极)金属铝的生产车间金属铝的
22、生产车间金属铝电解池金属铝电解池单质铝的冶炼单质铝的冶炼电解质熔液是电解质熔液是Al2O3、NA3AlF6(2-8%)、10%CaF2组成。温度组成。温度1233-1253K,槽电压槽电压4.5-7.0V。阳极是石墨,阳极是石墨,阴极是熔融铝阴极是熔融铝工科大学化学工科大学化学1234567铌 钽银金镉汞铟铊锡铅锑铋碲钋砹氡氙 碘铷铯锶钡钇锆铪钼钨锝铼 钌铑 钯锇 铱铂氢锂氦铍硼碳氮 氧氟氖钠 镁铝 硅磷 硫氯氩钾 钙钪钛钒铬 锰铁钴镍铜锌镓锗砷硒溴 氪Zr NbMo Tc RuRhPdAgCdInSnSbTeI Xe Hf TaW Re OsIrPt AuHgTl PbBiPoAtRnIBI
23、AIIAIIIA IVAVAVIA VIIAVIIIIIBIIIB IVBVBVIB VIIBHHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPClSArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbCsSrBaYLaLu-123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555672737475767778798081828384858657-711.电解法2.电解法或活泼金属还原3.热还原法4.热分解法工科大学化学工科大学
24、化学高纯金属的精炼 以上方法所得金属的纯度有限,为了提高金属的纯度,在上述方法的基础上可通过各种精炼方法,进一步提高金属的纯度。这些方法包括:a蒸气相精炼法蒸气相精炼法 b真空电弧炉精炼法真空电弧炉精炼法 c区域熔炼法区域熔炼法a、气相精炼法、气相精炼法直接蒸馏法直接蒸馏法 例如粗锡中的锡和所含杂质具有不同的沸点,例如粗锡中的锡和所含杂质具有不同的沸点,控制温度在锡的沸点以下,控制温度在锡的沸点以下,“杂质沸点杂质沸点”以上,可使杂质以上,可使杂质挥发除去。为了改善蒸馏条件,采用真空蒸馏是很适合的。挥发除去。为了改善蒸馏条件,采用真空蒸馏是很适合的。镁、汞、锌、锡等可用提纯。镁、汞、锌、锡等可
25、用提纯。工科大学化学工科大学化学 气相法气相法 碘化物热分解法可用于提纯少量锆、碘化物热分解法可用于提纯少量锆、铪、铍、硼、硅、钛和钨等。铪、铍、硼、硅、钛和钨等。T Ti iI I2 2T Ti iI I4 4+3 32 23 3-5 52 23 3K K1 16 67 73 3K K纯纯不不纯纯T Ti iI I2 2+钨钨丝丝羰化法羰化法 是提纯金属的一种较新的方法。现以镍为例。是提纯金属的一种较新的方法。现以镍为例。羰化法提纯镍是基于镍能与一氧化碳生成易挥发并且也容羰化法提纯镍是基于镍能与一氧化碳生成易挥发并且也容易分解的一种化合物易分解的一种化合物四羰基合镍。四羰基合镍。Ni+4CO
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