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本文发表于《高中数理化》，也是即将由山东科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界——中学化学关键知识解读》中的一篇，该书将于2021年底面世。 卤素物理性质问答 1. 为什么碱金属单质的熔点随着原子序数增大而降低，而卤素单质熔点随着原子序数增大而升高？ 物质的熔点高低跟构成物质的微观粒子之间作用力的强弱有关。 碱金属的单质属于金属晶体。它们由金属阳离子和自由电子通过金属键作用构成，其熔点高低决定于金属键的强弱，而金属键的强弱跟金属原子半径、价电子数有关。 对于碱金属来说，各元素原子的价电子数均为1，随着原子序数增大，其原子半径逐渐增大，金属键随之减弱，故熔点逐渐降低。 卤素的单质均为双原子分子，它们固态时均形成分子晶体。 分子晶体的熔点高低决定于分子间作用力的强弱，而分子间作用力强弱跟分子的极性、形状及大小密切相关。 对于卤素单质的分子来说，它们分子形状相同（均为双球形）、极性也相同（均为非极性分子），随着其原子序数的增大，分子的体积与质量都逐渐增大（从本质上说，主要是体积对分子间作用力有影响），导致分子间作用力逐渐增强，故单质的熔点随原子序数的增大而升高。 根据对卤素单质熔点变化规律的理解，我们还可以推知稀有气体He、Ne、Ar、Ke、Xe、Rn的熔、沸点也是逐渐升高的，一些不同族元素的单质，如H2、N2、O2、Cl2 的熔、沸点变化也遵从同样的规律而逐渐升高。 请问，蒸馏液态空气时，氧气、氮气哪一个先挥发出来？或者说，剩下的是液氧还是液氮？ 2. 为什么碘水颜色跟单质碘不一致？ 碘的纯水溶液是淡褐色的，而碘溶解在酒精里则得到深褐色的碘酒，碘的CCl4溶液呈紫色。显然，碘在不同溶剂里形成溶液时，所显示的颜色是明显不同的。这是为什么呢？ 根据碘蒸气呈紫色这一事实可知，紫色是碘分子（I2）本身的颜色。 根据物质的发色理论可知，碘分子呈紫色跟分子内某些电子的运动状态有关，它们运动过程中吸收了跟紫色为互补色的可见光，从而显示紫色。 在大多数有机溶剂里，由于有机分子本身极性很弱或根本没有极性，对碘分子的极化作用不强，故碘分子的电子云几乎没有发生变化，所以碘的有机溶液大多呈其本色——紫色。 按照CCl4、C2H5OH（酒精）、H2O的顺序，溶剂分子的极性越来越强，对碘分子的极化作用加大，使得碘分子内电子的运动状态发生一定程度的变化，它所吸收可见光的波长也就随之发生变化，故碘呈现的颜色不再是纯粹的紫色，而向褐色、黄色逐步转化。 当然，在碘水里往往溶解有I3-（配制碘水时为增大碘的溶解量额外添加了KI），故一般所见碘水的黄色或棕黄色都是I3- 呈现的颜色，这跟一般意义上的碘溶液有所不同。 3. 为什么保存溴时要在其上方加一层水？ 溴的沸点很低（58.5℃），远低于100℃，属于易气化的液体，且溴蒸气具有非常强烈的刺激性，故实验室里保存溴的试剂瓶里一般加一层水（溴的溶解度小，这些水实际上被溴饱和，形成饱和溴水），以防止溴的大量挥发。 类似的操作还有很多。比如CCl4（沸点：77℃）、CS2（沸点：46℃）等，存储时也会在其上方加一些水，以减少其挥发。 与此类似的道理，过去农业上储存氨水（化肥的一种）时，为防止有效成分氨的挥发散失，通常在氨水罐中加一些柴油。 柴油密度小且不易溶于水、也不溶解氨，浮在氨水的上方形成一个薄层，可以有效阻止氨的挥发。 4. 碘的升华属于物理变化，是否任何物质的升华均为物理变化呢？ 应该说，大多数物质的升华都只是分子间距离增大，属于物理变化。 但学习时切不可以偏概全。因为有的物质升华时发生了化学变化。 比如红磷，它在隔绝空气的情况下加热到416℃就会升华，直接变为P4 分子，这些P4分子的蒸气凝华即得白磷。红磷与白磷互为同素异形体，大家公认同素异形体之间的转化属于化学变化，所以红磷升华时即发生了化学变化（变为白磷的分子），而非物理变化。 同样道理，某些物质由液态变为气态的过程中也未必只发生物理变化。 比如硫单质在“固态——液态——蒸气”的变化过程中，分子结构也是不断发生变化的，固态的硫多为环状结构的S8 分子，硫在112℃即可熔化，初熔化时的液态硫流动性很好，但随着温度的升高，液态硫变得粘稠起来，这是因为环状的S8 分子环被打开，彼此之间连接形成长链状分子，分子间作用力增大的缘故。继续升温时，硫可以气化为红棕色的硫蒸气，硫蒸气中含有S2、S4等分子。 所以，硫的三态变化也不是简单的物理变化，而是发生了非常复杂的化学过程。 |
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