第二十一章-p区金属

第二十一章p区金属§21-1p区金属概述§21-2铝镓分族§21-3锗分族21-1p区金属概述性质AlGaInTlGeSnPbSbBi原子序数133149813250825183价电子层结构3s23p14s24p15s25p16s26p14s24p25s25p26s26p25s25p36s26p3主要氧化态+3+1,+3+1,(+3)+1,(+3)+2,+4+2,+4+2,(+4)+3,+5+3,(+5)共价半径/pm118126144148122141154143152第一电离能578579558589762709716832703电负性1.51.61.71.81.81.81.91.91.921-1.1总结p区金属在价电子构型,氧化态,电离能,成键类型等方面的规律.(C级掌握)解:p区金属的价电子构型为ns2np1-4;当只有np电子参与成键,则表现为低氧化态,如果ns也参与,则表现为最高氧化态,既族价.一般p区金属自上而下低氧化态化合物的稳定性增强.p区金属失去3-6个电子的电离能很大,因此高氧化态化合物为共价化合物,而低氧化态化合物为混合型或部分离子型化合物.21-2-1铝及其化合物一：单质铝的冶炼和性质1。铝的冶炼21-2.1:简述工业上制备铝的原理,并解释在制备中加入冰晶石Na3AlF6的原因.(C级掌握)解：采用电解熔融的Al2O3的方法来制备金属铝2Al2O34Al(阴极)+3O2↑(阳极)加入冰晶石Na3AlF6的目的是使Al2O3(熔点2273K)的熔化温度大大降低至1173～1273K,从而大大降低了能耗.2。铝的性质性质用途密度小,质轻与其它金属形成的各种轻质坚硬合金广泛用于航空航天业良好的导电性用于代替部分铜制造电线,高压电缆,发电机等电器设备良好的延展性铝箔大量用于电容器制造和商品包装.铝是亲氧元素因表面致密氧化膜的保护,广泛用作炊具,日用器具;在炼钢中作为除氧剂铝与氧反应放出大量热在冶金工业中做还原剂制备其它金属如Mn,Cr,V等铝是两性金属,但遇冷,浓的氧化性酸发生钝化常用铝罐装运浓硫酸,浓硝酸等21-2.2:请根据下列热力学数据，通过计算说明能否在高温下用金属钠(或钾)做还原剂从Al2O3中置换出单质Al.(B级掌握)物质Al2O3NaNa2OAl△fHθ/kJ·mol-1-16760-4140Sθ/J·K-1·mol-150.951.275.0628.321-2.3:铝不溶于水,能否溶于NH4Cl或Na2CO3的溶液中,为什么?（C级重点掌握）解：反应:Al2O3+6Na==3Na2O+2Al在298K时：△rHθ=3×(-414)-(-1676)=434(kJ·mol-1)△rSθ=3×75.06+2×28.3-50.9-6×51.2=-76.32(J·K-1·mol-1)因反应吸热(△rHθ＞0)并熵减(△rSθ＜0),则无论在何种温度下,该反应都是非自发向右进行的,即使高温下用金属钠(或钾)做还原剂也不能从Al2O3中置换出单质Al的.解:铝不溶于水是因为表面包覆了一层致密的Al2O3膜而阻止了Al与水的反应.如果将铝置于NH4Cl或Na2CO3的溶液中,由于Al2O3膜显两性,可溶于显酸性的NH4Cl或碱性的Na2CO3溶液中,导致保护膜被破坏,则铝可与水发生反应而最终溶于水.二：铝的氧化物及其水合物1。氧化物α-Al2O3β-Al2O3γ-Al2O3名刚玉,熔点高,硬度大,不溶于水,酸和碱.可作高硬度,研磨及耐火材料.具有离子传导能力,用于制作蓄电池.稳定性比α-Al2O3稍差,可溶于酸和碱,具有良好的吸附能力和催化活性.有三种常见变体,性质见下表:2。氢氧化铝(C级掌握)两性物质,其反应如下:Al(OH)3+3H+==Al3++3H2OAl(OH)3+OH-==[Al(OH)4]-(不能写成AlO2-)21-2.4:为什么制备Al(OH)3是向铝酸盐溶液通入CO2来获得而不是向铝盐中加碱来制备（C级掌握）问题解:因直接向铝盐中加碱得到的沉淀含水是不定的,故称为水合氧化铝Al2O3·xH2O,它经放置可转变为偏氢氧化铝AlO(OH).而只有向铝酸盐溶液通入CO2才能获得(正)氢氧化铝Al(OH)3沉淀.因平衡:Al(OH)4-==Al(OH)3+OH-三：铝盐和铝酸盐铝盐的水溶液中均含有[Al(H2O)6]3+,它水解而使溶液显酸性(C级掌握).而弱酸弱碱盐如Al2S3,Al2(CO3)3在水中完全水解.[Al(H2O)6]3++H2O==[Al(H2O)5OH]2++H3O+[Al(H2O)5OH]2++H2O==[Al(H2O)4(OH)2]++H3O+[Al(H2O)4(OH)2]++H2O==Al(H2O)3(OH)3+H3O+Al2S3+6H2O==2Al(OH)3+3H2SAl2(CO3)3+3H2O==2Al(OH)3+3CO21。铝盐2。铝酸盐用金属铝或氧化铝或氢氧化铝与碱反应即生成铝酸盐.铝酸盐水解使溶液显碱性,水解反应式如下:Al(OH)4-==Al(OH)3+OH-在这溶液中通入CO2,将促进水解进行而得到真正的氢氧化铝沉淀,工业上利用此反应从铝土矿制取纯Al(OH)3和Al2O3.21-2.5:以下药品在医药上的用途是:(C级了解)(1)NaCl(0.9%溶液)____________；(2)KBr______________________；(3)BaSO4___________________；(4)ZnSO4___________________；(5)Al(OH)3_________________。解:(1)用作生理盐水,临床作为补液;(2)用作镇静剂;(3)用作钡餐造影,诊断胃肠道疾病;(4)用作治疗缺锌症;(5)胃舒平主要成分,治疗胃酸过多症.四：几种重要的盐1。卤化物三氯化铝的结构见下图21-2.6:解释为什么铝的卤化物中,仅AlF3为离子型化合物,其余的均为共价化合物?为什么AlX3(AlF3除外)在通常条件下是双聚分子而非单分子?（B级掌握）问题解:因Al3+的离子势大,对X-阴离子的极化作用强,使得Al3+离子与X-之间的离子键向共价键转化,最终导致AlX3成为共价化合物.而F-离子变形性小,Al3+与F-之间极化作用小,则AlF3仍为离子型化合物.由于AlX3为缺电子分子,最外层未满足8电子稳定结构,如果形成双聚分子,则可弥补其缺电子性,使分子稳定.21-2.7:比较Al2Cl6与B2H6在结构上的异同点.(A级掌握)答案21-2.8:能否用加热脱水的方法由AlCl3·6H2O制取无水AlCl3?为什么?如何制备无水AlCl3?(B级掌握)答案问题解:相同点:均为双聚分子,均有桥键存在不同点:Al2Cl6中的氯桥键是由两个Al原子的2条sp3杂化轨道与Cl原子的2条3p轨道重叠而成的三中心四电子键,其键的张力较小,比B2H6更稳定.而B2H6中的硼氢桥键是由两个B原子的2条sp3杂化轨道与H原子的1条1s轨道重叠而成的三中心二电子键,其键的张力很大,容易断裂,所以不稳定.解:不能.因不能得到AlCl3而是AlOCl.AlCl3·6H2O==AlOCl+2HCl+5H2O正确的方法是:(1)在通干燥HCl气体的气氛下加热AlCl3·6H2O晶体.(2)用熔融的Al与Cl2反应来制取无水AlCl3或用通Cl2于Al2O3和炭的混合物中的方法来制取.Al2O3+3C+3Cl22AlCl3+3CO2。碱式氯化铝,硫酸铝和明矾碱式氯化铝是一种高效净水剂.它的组成式为[Al2(OH)nCl6-n]m,1≤n≤5,m≤10,是一种多羟基多核配合物,通过羟基架桥而聚合.无水硫酸铝Al2(SO4)3为白色粉末.硫酸铝易与K+,Rb+,Cs+,NH4+和Ag+等的硫酸盐结合形成矾,其通式为MAl(SO4)2·12H2O(M表示一价金属离子).硫酸铝钾KAl(SO4)2·12H2O叫做铝钾矾,俗称明矾,广泛使用的净水剂(絮凝剂),但是处理水的效果不及碱式氯化铝好.Al2(SO4)3和明矾还用作媒染剂.课外兴趣题:通过Internet写一篇小的综述论文说明目前净化水所用的各种絮凝剂的特点和使用情况.21-2-2周期表中的对角线关系一：定义和典型表现(C级重点掌握)我们把在周期表中某一元素的性质和它左上方或右下方的另一元素性质的相似性称为对角线规则.这种相似性比较明显地表现在Li和Mg,Be和Al,B和Si三对元素之间.产生该现象的原因是由于它们的离子势相近,核对最外层电子的吸引力相近,则其性质会表现出相似性.二：Li和Mg元素的相似性(了解)三：Be和Al元素的相似性(了解)21-2-3镓分族一：单质的性质和用途1。镓的性质镓的熔点很低(在手中即可熔化),但它的沸点很高,是凝固时体积膨胀的少数几种金属之一[因固态的密度(5.91)比液态的密度(6.09)反而小].21-2.9:为什么镓的熔点很低而沸点很高?为什么镓成为违背金属热胀冷缩规律的几种之一?(A级了解)问题解:这与金属镓的结构有关.因金属镓中除正常的金属键外,还存在Ga2团,Ga-Ga之间为共价键,因Ga2团的存在,导致镓的熔点很低(在手中即可熔化).而成为蒸气时需破坏Ga-Ga共价键,消耗更多的能量,因此沸点很高.正由于金属镓原子间距离不同,固态的密度(5.91)比液态的密度(6.09)反而小,是凝固时体积膨胀的少数几种金属之一.2。镓的用途课外兴趣题：了解半导体材料导电的原理以及掺杂剂对其的影响.(A级了解)知识扩展：了解超导材料的研究进展及应用.(A级了解)二：化合物的性质从Ga到Tl,+Ⅲ氧化态的稳定性依次减弱,而+Ⅰ氧化态的稳定性则增强,所以Tl(Ⅲ)是强氧化剂,很容易被还原.如：2Tl3++3S2-==Tl2S↓+2S反常现象：Ga(OH)3的酸性比Al(OH)3的还强21-2.10:一般同族元素从上到下氢氧化物酸性减弱,碱性增强,但Ga(OH)3的酸性比Al(OH)3的还强,请说明原因.(A级掌握)答案21-2.11:在水溶液中能否形成Tl2S3化合物,为什么?(B级掌握)答案问题解：因镓为第四周期中紧接过渡元素后的第一种元素,有效核电荷增加,致使镓的离子半径(62pm)比同族上一周期的Al(51pm)增加不多,则Ga(Ⅲ)的电场力比Al(Ⅲ)的还强,对氧原子吸引力也就大,所以Ga(OH)3的酸性比Al(OH)3的还强.解：不能。因Tl3+为强氧化剂，S2-为还原剂，二者相遇会立即发生下列反应：2Tl3++3S2-==Tl2S↓+2S21-3-1锗分族的存在和冶炼21-3-2锗,锡,铅的单质(自学)一：单质的物理性质名称GeSnPb熔点/K1210505.0600.7沸点/K310325332013硬度(莫氏)6.251.5-1.81.5密度/g·cm-35.38(a)7.28511.3437单质的熔沸点和硬度二：单质的化学性质GeSnPb空气不反应不反应表面产生一层氧化铅或碱式碳酸铅膜水不反应不反应有氧存在时缓慢生成Pb(OH)2HCl不反应与稀酸反应慢,与浓酸反应生成SnCl2有反应,但因生成微溶的PbCl2覆盖在Pb表面,反应中止H2SO4与稀酸不反应,与浓酸反应生成Ge(SO4)2与稀酸难反应,与热的浓硫酸反应得Sn(SO4)2与稀硫酸反应,因生成难溶的PbSO4覆盖层,反应中止.但易溶于热的浓硫酸,生成Pb(HSO4)2HNO3与浓酸反应得白色xGeO2.yH2O沉淀与浓酸生成白色xSnO2.yH2O沉淀(β锡酸)与冷稀HNO3反应,生成Sn(NO3)2与稀HNO3反应得Pb(NO3)2.因Pb(NO3)2不溶于浓HNO3,Pb不与浓HNO3反应NaOH生成Na2GeO3,放出H2反应慢,生成亚锡酸盐,放出H2反应慢,生成亚铅酸盐,放出H22Pb+O2==2PbO2Pb+O2+2H2O==2Pb(OH)2Pb+4HCl(浓)H2[PbCl4]+H2↑Pb+3H2SO4(浓)Pb(HSO4)2+2SO2+2H2O3Pb+8HNO3(稀)==3Pb(NO3)2+2