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非金属元素

2010-02-17  DVmbo

非金属元素:是元素的一大类,

非金属元素碳(非金属元素)
在所有的一百多种化学元素中,非金属占了22种。非金属元素是元素的一大类,在所有的一百多种化学元素中,非金属占了22种。在周期表中,除氢以外,其它非金属元素都排在表的右侧和上侧,属于p区。包括。80%的非金属元素在现在社会中占有重要位置。

 

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非金属元素-概述

       

元素的金属性是指元素的原子失电子的能力;元素的非金属性是指元素的原子得电子的能力。元素的金属性非金属性与元素在周期表中的位置关系,对于主族元素来说,同周期元素随着原子序数的递增,原子核电荷数逐渐增大,而电子层数却没有变化,因此原子核对核外电子的引力逐渐增强,随原子半径逐渐减小,原子失电子能力逐渐降低,元素金属性逐渐减弱;而原子得电子能力逐渐增强,元素非金属性逐渐增强。例如:对于第三周期元素的金属性Na>Mg<Al,非金属性Cl>S>P>Si。 同主族元素,随着原子序数

非金属元素非金属 磷
的递增,电子层逐渐增大,原子半径明显增大,原子核对最外层电子的引力逐渐减小,元素的原子失电子逐渐增强,得电子能力逐渐减弱,所以元素的金属性逐渐增强,非金属性减弱。例如:第一主族元素的金属性H<Li<Na<K<Rb<Cs,卤族元素的非金属性F>Cl>Br>I。 综合以上两种情况,可以作出简明的结论:在元素周期表中,越向左、下方,元素金属性越强,金属性最强的金属是Cs;越向右、上方,元素的非金属越强,非金属性最强的元素是F。例如:金属性K>Na>Mg,非金属性O>S>P。

 

非金属元素-性质

       

元素的金属性、非金属性与元素在化学反应3中的表现的关系,一般说来,元素的金属性越强,它的单质与水或酸反应越剧烈,对于的碱的碱性也越强。例如:金属性Na>Mg>Al,常温时单质Na与水能剧烈反应,单质Mg与水能缓慢地进行反应,而单质Al与水在常温时很难进行反应,它们对应的氧化物的水化物的碱性 NaOH>Mg(OH)2>Al(OH)3。元素的非金属性越强,它的单质与H2反应越剧烈,得到的气态氢化物的稳定性越强,元素的最高价氧化物所对应的水化物的酸也越强。例如:非金属Cl>S>P>Si,Cl2与H2在光照或点燃时就可能发生爆炸而化合,S与H2须加热才能化合,而Si与H2须在高温下才能化合并且SiH4极不稳定;氢化物的稳定HCl>H2S>PH3>SiH4;这些元素的最高价氧化物的水化物的酸性HClO4>H2SO4>H3PO4>H4SiO4。 因此,在化学反应中的表现可以作为判断元素的金属性或非金属强弱的依据。另外,还可以根据金属或非金属单质之间的相互置换反应,进行金属性和非金属性强弱的判断。一种金属把另一金属元素从它的盐溶液里置换出来,表明前一种元素金属性较强;一种非金属单质能把另一种非金属单质从它的盐溶液或酸溶液中置换出来,表明前一种元素的非金属性较强。

非金属元素-特点

       

元素的金属性、非金属性与物质的氧化性还原性的关系,元素的金属性越强,它的单质还原性越强,而它阳离子的氧化性越弱。例如:金属性Na>Mg>Al,单质的还原性Na>Mg>Al,阳离子的氧化性Na+<Mg2+<Al3+。中学化学教材中金属活动顺序表为K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Pt>Au,而阳离子的氧化性为K+<Ca2+<Na+<Mg2+<Al3+<Zn2+<Fe2+<Sn2+<Pb2+<H+<Cu2+<Hg2+<Pt2+<Au2+。元素的非金属性越强,它的单质的氧化性越强,还原性越弱,而它阴离子的还原性越越弱。例如:非金属性Cl>Br>I>S,它们的单质的氧化性Cl2>Br2>I2>S,还原性Cl2<Br2<I2<S,它们的阴离子的还原性Cl-<Br-<I-<S2-。 元素的金属性强弱与金属单质的熔、沸点等的关系,在金属晶体中,金属原子的自由电子在整个晶体中移动,依靠此种流动电子,使金属原子相互结合成为晶体的键称为金属键。对于主族元素,随原子序数的递增,金属键的强度逐渐减弱,因此金属单的熔、沸点逐渐降低。

非金属元素-氢

       

氢:符号: H,原

非金属元素高纯氢
子序数: 1,原子量: 1.00794 amu,熔点: -259.14 °C (14.009985 °K, -434.45203 °F),沸点: -252.87 °C (20.280005 °K, -423.166 °F) 质子数/电子数: 1,中子数: 0,类别: 非金属,晶体结构: 六边形结构,密度 @ 293 K: 0.08988 g/cm3,颜色: 无色 ,HYDROGEN,源自htdor和gen,意为"水的形成",1766年发现。是宇宙间最丰富的元素。氢可说完全不是以单质形态存在于地球上,可是太阳和其他一些星球则全部是由纯氢所构成。这种星球上发生的氢热核反应的热光普照四方,温暖了整个宇宙。

 

氢发展历史
氢的存在,早在16世纪就有人注意到了。曾经接触过氢气的也不只一人,但因当时人们把接触到的各种气体都笼统地称作“空气”,因此,氢气并没有引起人们的注意。直到1766年,英国的物理学家和化学家卡文迪什(Cavendish H,1731─1810)用六种相似的反应制出了氢气。这些反应包括锌、铁、锡分别与盐酸或稀硫酸反应。同年,他在一篇名为“人造空气的实验”的研究报告中谈到此种气体与其它气体性质不同,但由于他是燃素学说的虔诚信徒,他不认为这是一种新的气体,他认为这是金属中含有的燃素在金属溶于酸后放出,形成了这种“可燃空气”。事实上是杰出的化学家拉瓦锡(Lavoisier A L,1743─1794)1785年首次明确地指出:水是氢和氧的化合物,氢是一种元素。并将“可燃空气”命名为“Hydrogen”。这里的“Hydro”是希腊文中的“水”,“gene”是“源”,“Hydrogen”就是“水之源”的意思。它的化学符号为H。我们的“氢”字是采用“轻”的偏旁,把它放进“气”里面,表示“轻气”。

氢在周期表中的位置
化学元素周期系1.0表中的第一个元素,它在所有元素中具有最简单的原子结构。它由一个带+1电荷的核和一个轨道电子组成。碱金属也都具有一个外层轨道电子,但它们在反应中很容易失去这个电子而生成正离子;与此相反,氢不容易失去这个电子,而是使这个电子配对生成一个共价键。卤素像氢一样,比稀有气体结构缺少一个电子。在许多反应中,卤素容易获得一个电子而生成负离子;但氢只有在与失电子能力强的金属反应时才会获得电子而生成负离子。氢的这些独特性质是由氢的独特的原子结构、氢原子特别小的半径和低的电负性决定的。因为它的性质与碱金属和卤素的性质都不相同,使得很难把它放在周期表中的一个合适位置上。在本课件中,按原子序数把氢放在第IA族元素的位置上。

氢的同位素
同一种元素的原子具有不同的质量数,这些原子就叫同位素。质量数产生差异的原因是原子核中含有不同的中子。氢有三种同位素:(氕,符号H),(氘,符号D)和(氚,符号T)。在它们的核中分别含有0、1和2个中子,它们的质量数分别为1,2,3。自然界中普通氢内H同位素的丰度最大,原子百分比占99.98%,D占0.016%,T的存在量仅为H的10-17。

氢的成键特征
原子的价电子层结构为,电负性为2.2,当氢原子同其它元素的原子化合时,可以形成:离子键,共价键,特殊的键型。

非金属元素氢气球机

离子键:当H与电负性很小的活泼金属,如Na,K,Ca等形成氢化物时,H获得1个电子形成氢负离子。这个离子因具有较大的半径208pm,仅存在于离子型氢化物的晶体中。
共价键:①、两个H原子能形成一个非极性的共价单键,如H2分子。②、H原子与非金属元素的原子化合时,形成极性共价键,例如HCl分子。键的极性随非金属元素原子的电负性增大而增强。
特殊的键型
①、H原子可以填充到许多过渡金属晶格的空隙中,形成一类非整比化合物,一般称之为金属型氢化物,例如:ZrH1.30和LaH2.87等。
②、在硼氢化合物(例如乙硼烷B2H6)和某些过渡金属配合物中均存在着氢桥键。
③、能形成氢键。在含有强极性键的共价氢化物中,近乎裸露的H原子核可以定向吸收邻近电负性高的原子(如F、O、N等)上的孤电子对而形成分子间或分子内氢键。例如在HF分子间存在着很强的氢键。

 

物理性质
单质氢是由两个H原子以共价单键的形式结合而成的双原子分子,其键长为74pm。氢是已知的最轻的气体,无色无臭,几乎不溶于水(273K时1的水仅能溶解0.02的氢),氢比空气轻14.38倍,具有很大的扩散速度和很高的导热性。将氢冷却到20K时,气态氢可被液化。液态氢可以把除氦以外的其它气体冷却都转变为固体。同温同压下,氢气的密度最小,常用来填充气球。
分子氢在地球上的丰度很小,但化合态氢的丰度却很大,例如氢存在于水、碳水化合物和有机化合物以及氨和酸中。含有氢的化合物比其它任何元素的化合物都多。氢在地壳外层的三界(大气、和岩石)里以原子百分比计占17%,仅次于氧而居第二位。

化学性质
(1)、分子氢中H—H键的离解能,比一般的单键高很多,相当于一般双键的离解能。因此常温下分子氢不活泼。但氢在常温下能与单质氟在暗处迅速反应生成HF,而与其它卤素或氧不发生反应。
(2)、高温下,氢气是一个非常好的还原剂。例如:
①、氢气能在空气中燃烧生成水,氢气燃烧时火焰可以达到3273K左右,工业上常利用此反应切割和焊接金属。
②、高温下,氢气还能同卤素、N2等非金属反应,生成共价型氢化物。
③、高温下氢气与活泼金属反应,生成金属氢化物。
④、高温下,氢气还能还原许多金属氧化物或金属卤化物为金属
能被还原的金属是那些在电化学顺序中位置低

非金属元素氢化合键
于铁的金属。这类反应多用来制备纯金属。
(3)、在有机化学中,氢的一个重要的化学反应是它能够加在联结两个碳原子的双键或三键上,使不饱和的碳氢化合物加氢而成为饱和的碳氢化合物,这类反应叫加氢反应。在有机化学中,在分子中加入氢即是还原反应。这类反应广泛应用于将植物油通过加氢反应,由液体变为固体,生产人造黄油。也用于把硝基苯还原成苯胺(印染工业),把苯还原成环己烷(生产尼龙-66的原料)。氢同CO反应生成甲醇等等。
(4)、氢分子虽然很稳定,但在高温下,在电弧中,或进行低压放电,或在紫外线的照射下,氢分子能发生离解作用,得到原子氢。所得原子氢仅能存在半秒钟,随后便重新结合成分子氢,并放出大量的热。

 

非金属元素-碳

       

碳:CARBON,源自carbo,也就是木炭,这

非金属元素碳铵
种物质发现得很早,上图显示出它的三种自然形式:钻石、炭和石黑。碳的无数化合物是我们日常生活中不可缺少的物质,产品从尼龙和汽油香水塑料,一直到鞋油、滴滴涕和炸药等,范围广泛种类繁多。

 

发现史
碳可以说是人类接触到的最早的元素之一,也是人类利用得最早的元素之一。自从人类在地球上出现以后,就和碳有了接触,由于闪电使木材燃烧后残留下来木炭,动物被烧死以后,便会剩下骨碳,人类在学会了怎样引火以后,碳就成为人类永久的“伙伴”了,所以碳是古代就已经知道的元素。发现碳的精确日期是不可能查清楚的,但从拉瓦锡(Lavoisier A L 1743—1794法国)1789年编制的《元素表》中可以看出,碳是作为元素出现的。碳在古代的燃素理论的发展过程中起了重要的作用,根据这种理论,碳不是一种元素而是一种纯粹的燃素,由于研究煤和其它化学物质的燃烧,拉瓦锡首先指出碳是一种元素。碳在自然界中存在有三种同素异形体──金刚石石墨C60。金刚石和石墨早已被人们所知,拉瓦锡做了燃烧金刚石和石墨的实验后,确定这两种物质燃烧都产生了CO2,因而得出结论,即金刚石和石墨中含有相同的“基础”,称为。正是拉瓦锡首先把碳列入元素周期表中。C60是1985年由美国休斯顿赖斯大学的化学家哈里可劳特等人发现的,它是由60个碳原子组成的一种球状的稳定的碳分子,是金刚石和石墨之后的碳的第三种同素异形体。碳元素的拉丁文名称Carbonium来自Carbon一词,就是“煤”的意思,它首次出现在1787年由拉瓦锡等人编著的《化学命名法》一书中。碳的英文名称是Corbon。

碳单质
碳在地壳中的质量分数为0.027%,在自然界中分布很广。

非金属元素碳钢管
以化合物形式存在的碳有煤、石油天然气、动植物体、石灰石白云石、二氧化碳等。截止1998年底,在全球最大的化学文摘——美国化学文摘上登记的化合物总数为18.8百万种,其中绝大多数是碳的化合物。众所周知,生命的基本单元氨基酸、核苷酸是以碳元素做骨架变化而来的。先是一节碳链一节碳链地接长,演变成为蛋白质和核酸;然后演化出原始的单细胞,又演化出虫、、鸟、兽、猴子、猩猩、直至人类。这三四十亿年的生命交响乐,它的主旋律是碳的化学演变。可以说,没有碳,就没有生命。碳,是生命世界的栋梁之材。纯净的、单质状态的碳有三种,它们是金刚石、石墨、C60。它们是碳的三种同素异形体。

 

非金属元素-金刚石

       

金刚石晶莹美丽,光彩夺目,是自然界最硬的矿石

非金属元素金刚石
。在所有物质中,它的硬度最大。测定物质硬度的刻画法规定,以金刚石的硬度为10来度量其它物质的硬度。例如Cr的硬度为9、Fe为4.5、Pb为1.5、钠为0.4等。在所有单质中,它的熔点最高,达3823K。金刚石晶体属立方晶系,是典型的原子晶体,每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键,构成正四面体。这是金刚石的面心立方晶胞的结构。

 

由于金刚石晶体中C─C键很强,所有价电子都参与了共价键的形成,晶体中没有自由电子,所以金刚石不仅硬度大,熔点高,而且不导电。室温下,金刚石对所有的化学试剂都显惰性,但在空气中加热到1100K左右时能燃烧成CO2。金刚石俗称钻石,除用作装饰品外,主要用于制造钻探用的钻头和磨削工具,是重要的现代工业原料,价格十分昂贵。

非金属元素-石墨

       

石墨乌黑柔软,是世界上最软的矿石。石墨

非金属元素石墨
的密度比金刚石小,熔点比金刚石仅低50K,为3773K。
在石墨晶体中,碳原子以sp2杂化轨道和邻近的三个碳原子形成共价单键,构成六角平面的网状结构,这些网状结构又连成片层结构。层中每个碳原子均剩余一个未参加sp2杂化的p轨道,其中有一个未成对的p电子,同一层中这种碳原子中的m电子形成一个m中心m电子的大∏键(键)。这些离域电子可以在整个儿碳原子平面层中活动,所以石墨具有层向的良好导电导热性质。

 

石墨的层与层之间是以分子间力结合起来的,因此石墨容易沿着与层平行的方向滑动、裂开。石墨质软具有润滑性。由于石墨层中有自由的电子存在,石墨的化学性质比金刚石稍显活泼。由于石墨能导电,有具有化学惰性,耐高温,易于成型和机械加工,所以石墨被大量用来制作电极、高温热电偶、坩埚、电刷、润滑剂和铅笔芯。

非金属元素-碳六十

       

20世纪80年代中期,人们发现了碳元素的第三种同素异形体──C60。从以下三个方面介绍C60,碳六十的发现和结构特点,1996年10月7日,瑞典皇

非金属元素碳六十棒状模型
家科学院决定把1996年诺贝尔化学奖授予Robert FCurl,Jr(美国)、Harold WKroto(英国)和Richard ESmalley(美国),以表彰他们发现C60。1995年9月初,在美国得克萨斯州Rice大学的Smalley实验室里,Kroto等为了模拟N型红巨星附近大气中的碳原子簇的形成过程,进行了石墨的激光气化实验。他们从所得的质谱图中发现存在一系列由偶数个碳原子所形成的分子,其中有一个比其它峰强度大20~25倍的峰,此峰的质量数对应于由60个碳原子所形成的分子。

 

C60分子结构及稳定
层状的石墨和四面体结构的金刚石是碳的两种稳定存在形式,当60个碳原子以它们中的任何一种形式排列时,都会存在许多悬键,就会非常活泼,就不会显示出如此稳定的质谱信号。这就说明C60分子具有与石墨和金刚石完全不同的结构。由于受到建筑学家Buckminster Fuller用五边形和六边形构成的拱形圆顶建筑的启发,Kroto等认为C60是由60个碳原子组成的球形32面体,即由12个五边形和20个六边形组成,只有这样C60分子才不存在悬键。在C60分子中,每个碳原子以sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子相连,剩余的未参加杂化的一个p轨道在C60球壳的外围和内腔形成球面大∏键,从而具有芳香性。为了纪念Fuller,他们提出用Buckminsterfullerene来命名C60,后来又将包括C60在内的所有含偶数个碳所形成的分子通称为Fuller,中译名为富勒烯。

碳六十的制备
用纯石墨作电极,在氦气氛中放电,电弧中产生的烟炱沉积在水冷反应器的内壁上,这种烟炱中存在着C60、C70等碳原子簇的混合物。用萃取法从烟炱中分离提纯富勒烯,将烟炱放入索氏(Soxhlet)提取器中,用甲苯或苯提取,提取液中的主要成分是C60和C70,以及少量C84和C78。再用液相色谱分离法对提取液进行分离,就能得到纯净的C60溶液。C60溶液是紫红色的,蒸发掉溶剂就能得到深红色的C60微晶。

碳六十的用途
从C60被发现的短短的十多年以来,富勒烯已经广泛地影响到物理学、化学材料学电子学生物学、医药学各个领域,极大地丰富和提高了科学理论,同时也显示出有巨大的潜在应用前

非金属元素碳六十
景。据报道,对C60分子进行掺杂,使C60分子在其笼内或笼外俘获其它原子或集团,形成类C60的衍生物。例如C60F60,就是对C60分子充分氟化,给C60球面加上氟原子,把C60球壳中的所有电子“锁住”,使它们不与其它分子结合,因此C60F60表现出不容易粘在其它物质上,其润滑性比C60要好,可做超级耐高温的润滑剂,被视为“分子滚珠”。再如,把K、Cs、Tl等金属原子掺进C60分子的笼内,就能使其具有超导性能。用这种材料制成的电机,只要很少电量就能使转子不停地转动。再有C60H60这些相对分子质量很大地碳氢化合物热值极高,可做火箭的燃料。

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