第2章 非金属元素及其化合物

第2章非金属元素及其化合物1.掌握元素周期表中非金属元素性质递变的规律。2.熟悉各族常见非金属元素的特性；掌握非金属元素及其化合物的应用。学习指南第2章非金属元素及其化合物2.1卤素及其化合物2.2氧族元素及其化合物2.3氮族非金属元素及其化合物2.4碳族非金属元素及其化合物2.5硼族非金属元素及其化合物2.1卤素及其化合物【能力目标】能判断卤素及其化合物性质的递变规律；会应用所学知识对卤素性质做出初步判断。【知识目标】了解卤素元素的通性；熟悉氯的性质；掌握氯及其化合物的用途。2.1卤素及其化合物2.1.1卤素的通性2.1.2卤素单质2.1.3卤素化合物2.1.1卤素的通性卤原子氧化数为-1，形成双原子分子单质。在卤素（氟除外）显正氧化态（+1，+3，+5，+7）的化合物中，键是极性共价键。卤素单质氧化能力F2＞C12＞Br2＞I2卤离子还原能力F-＜C1-＜Br-＜I-2.1.2卤素单质2.1.2.1卤素的存在2.1.2.2卤素的物理性质2.1.2.3卤素的化学性质2.1.2.1卤素的存在卤素单质在自然界中以化合态形式存在，主要是卤化物形式（碘以碘酸盐形式）。地壳中氟0.066%，氯0.017%，溴2.1×10-4%，碘4.0×10-5%主要存在形式有萤石CaF2、冰晶石Na3AlF6、NaCl、MgCl2、KBr、MgBr2、智利硝石（NaIO3）、人体的甲状腺等。2.1.2.2卤素的物理性质卤素单质的熔沸点低，固体的密度、熔点、沸点都是从氟到碘顺序增大。常温下，氟是淡黄色气体，氯是黄绿色气体，溴是暗褐色液体，碘是紫褐色晶体，略带金属光泽。固态碘受热可以升华而表现为紫色蒸汽。卤素均具有刺激气味，强烈刺激眼、鼻、气管等粘膜，吸入多的蒸汽会发生严重中毒，甚至造成死亡。氟遇水能取代其中的氧，溴和氯的溶解度都不大，碘则更难溶解，卤素易溶于非极性溶剂。2.1.2.3卤素的化学性质（1）与金属作用（2）与非金属作用（3）与氢作用（4）卤素间质换反应（5）与水反应（6）与碱反应2.1.3卤素化合物2.1.3.1卤化氢2.1.3.2卤素含氧酸及其盐（1）卤化氢的物理性质卤化氢是无色有刺鼻臭味的气体，在空气中与水蒸汽结合形成酸雾会“冒烟”。卤化氢的性质依HCl、HBr、HI的次序有规律地变化，其沸点随着分子量的增大而升高，氟化氢分子间存在氢键，使它的熔点、沸点、气化热特别高，电离度特别低。2.1.3.1卤化氢（2）卤化氢的化学性质①热稳定性热稳定性随卤素原子序数的增大而降低。将卤化氢加热到足够高的温度，它们都会分解成卤素单质和氢气。碘化氢在300℃即明显分解，氯化氢和氟化氢加热到1000℃才稍有分解。②酸性氢卤酸的酸性从HF、HCl、HBr、HI依次增强。除氢氟酸外，其余都是强酸。氢氟酸与玻璃的作用SiO2(固)+4HF=SiF4↑+2H2OCaSiO3+6HF=CaF2+SiF4↑+3H2O2.1.3.2卤素含氧酸及其盐（1）次卤酸及其盐次卤酸不稳定，不能制得纯酸，只得到水溶液。次卤酸是极弱酸，酸的强度随卤素原子序数的增大而减小。次卤酸根很容易水解XO-+H2O⇌HXO+OH-卤素与水作用生成次卤酸X2+H2O⇌H++X-+HXO反应程度按氯、溴、碘的顺序递减。•氯气与碱溶液作用在室温和低于室温时得到次氯酸盐，在75℃左右或高于75℃时得到的是氯酸盐。Br2+6OH-=5Br-++3H2O（2）亚卤酸及其盐亚氯酸HClO2，无真正的酸酐。ClO2与碱作用发生歧化反应2ClO2+2OH-=ClO2-+ClO3-+H2O故ClO2是亚氯酸和氯酸的混合酸酐。用硫酸与亚氯酸钡作用可得到亚氯酸的水溶液Ba(ClO2)2+2H++SO42-=BaSO4↓+2HClO2亚氯酸的热稳定性差，易分解成ClO2、HClO3和HCl。（3）卤酸及其盐卤酸是强酸和强氧化剂。氯酸HClO3和溴酸HBrO3在分离时会发生分解，可以制得纯的碘酸HIO3。碘酸HIO3是无色晶体，在110℃融化时分解。用硫酸与钡盐作用可制得氯酸和溴酸的水溶液。Ba2++2XO3-+2H++SO42-=BaSO4↓+2H++2XO3-用浓硝酸氧化单质碘可以制得碘酸I2+10HNO3（浓）=2H++2IO3-+10NO2↑+4H2O绝大多数卤酸盐易溶于水，而碘酸盐有许多是不溶于水的。所有卤酸盐加热时都分解。氯酸钾在668K温度时分解成氯化钾和高氯酸钾，用MnO2作催化剂在200℃左右分解。4KClO3KCl+3KClO42KClO32KCl+3O2↑卤酸盐在溶液中不显示明显的氧化性。固体卤酸盐，是一种强氧化剂，如氯酸钾与碳、磷、硫等混合撞击猛烈爆炸。制造火柴、炸药、信号弹等。668KMnO2（3）卤酸及其盐（4）高卤酸及其盐高氯酸的热浓溶液是强氧化剂，与易燃物相遇易发生猛烈爆炸，冷稀酸无明显氧化性。KClO4+H2SO4(浓)=KHSO4+HClO4减压蒸馏分离出高氯酸，温度超过92℃就会爆炸。高氯酸盐多易溶溶于水（铯、铷、钾盐和铵盐溶解度很小）。单质氟在碱性溶液中氧化溴酸盐可制得高溴酸和高溴酸盐。BrO3-+F2+2OH-=BrO4-+2F-+H2O2.2氧族元素及其化合物【能力目标】能判断氧族元素及其化合物性质的递变规律；会应用所学知识对氧族元素性质做出初步判断。【知识目标】了解氧族元素的通性；熟悉氧、硫的性质；掌握氧、硫及其化合物的用途。2.2.1氧族元素的通性氧族元素的活泼性比卤素差。氧和硫是典型的非金属，硒和碲是准金属，钋是典型的金属。氧的电负性仅次于氟，可以和大多数金属元素形成二元的离子型化合物。硫、硒、碲只能与电负性较小的金属元素形成离子型化合物，如Na2S、BaS、K2Se等。与大多数金属化合时，主要形成共价化合物，如CuS、HgS等。氧族元素与非金属元素化合时形成的均是共价化合物，如H2O、H2S等。氧的氧化数皆为-2（H2O2中为-1、OF2中为+2），其它元素以正氧化态出现，从硫到碲，正氧化态的化合物稳定性逐渐增强。2.2.2卤素化合物2.2.2.1氧2.2.2.2硫游离态的氧，占大气的21%（体积分数，重量分数为23%），它对动物呼吸，生物腐烂、燃烧和钢铁氧化等现象都有密切关系。工业上氧气从液态空气分馏而得，装在蓝色钢瓶中。实验室中用含氧酸盐的热分解来制备。氧是化学性质活泼的元素，除稀有气体、卤素及一些贵金属外，氧能同许多金属和非金属直接作用生成氧化物富氧空气或纯氧常用于医疗和高空飞行，钢铁生产中除碳，用氢氧焰和氧炔焰来切割和焊接金属。液氧常用作空间技术的火箭发动机的氧化剂。2.2.2.1氧2.2.2.2硫硫在地壳中以游离态和化合态存在于自然界中，化合态主要有硫化物和硫酸盐，单质硫是从它的天然矿床或硫化物中制得，把含有天然硫的矿石隔绝空气加热，使硫熔化而和砂石等杂质分开。硫蒸气冷却后形成细微结晶的粉状硫，叫硫华。从黄铁矿提取硫FeS2+12C+8O2=Fe3O4+12CO+6S•单质硫同素异形体是菱形硫单斜硫。•将单质硫加热到96.5℃，菱形硫不经熔化就转变成单斜硫，它冷却后即从单斜硫直接转变成菱形硫。单质硫的分子式为S8，加热长硫链断裂成S6、S4、S2。把加热到230℃的熔态硫迅速地倾入冷水中，纠缠在一起的长链硫被固定下来，成为可以拉伸的弹性硫。经放置后，弹性硫会逐渐转变成晶状硫。2.2.3卤素化合物2.2.3.1氧的化合物2.2.3.2硫的化合物（1）过氧化氢俗称双氧水，在自然界中仅以微量存在于雨雪中和某些植物的汁液中，是自然界中还原性物质和大气氧化合的产物。纯H2O2是一种无色液体，纯H2O2若受热到153℃或更高些的温度时，便会发生猛烈地爆炸性分解。在较低温度下分解作用平稳进行。H2O2=2H2O+O2重金属离子如Fe2+、Mn2+、Cu2+、Cr3+等都能加速过氧化氢的分解。过氧化氢装棕色瓶放置阴凉处。过氧化氢的许多性质和水类似，H2O2也是一些盐类的电离溶剂。2.2.3.1氧的化合物过氧化氢是二元弱酸H2O2⇌+H++HO2-同氨或胺生成加合物，如NH3·H2O2或RNH2·2H2O2。过氧化氢具有氧化性和还原性。H2O2在酸性溶液中是强氧化剂，在碱性溶液中是适中的还原剂。H2O2最常用作氧化剂。H2O2能从碘化物溶液中将单质碘氧化出来（溶于过量碘化物溶液中生成多碘化合物KI3）。H2O2+3I-+2H+=I3-+2H2O定性检出和定量测定过氧化氢和过氧化物。在酸性介质中KMnO4被H2O2还原成Mn2+盐，而在中性或微碱性介质中KMnO4被H2O2还原成MnO2。（2）过氧化物过氧化钡BaO2（氧化钡BaO在氧气中加热到500～600℃的产物）和稀硫酸或碳酸的反应制备H2O2。BaO2+H2SO4=BaSO4↓+H2O2BaO2+CO2+H2O=BaCO3↓+H2O2过氧化钠Na2O2（在氧气中燃烧金属钠的产物）和20%冷的(0℃)硫酸反应制备H2O2。Na2O2+H2SO4+10H2ONa2SO410H2O+H2O2冰2.2.3.2硫的化合物（1）硫化氢含于火山喷射气及矿泉水中，动植物腐烂产生硫化氢，在井喷和精炼石油时，也有大量的硫化氢溢出，造成大气污染。H2S是无色有毒气体、恶臭。硫化氢的水溶液叫氢硫酸。•硫化氢具有还原性H2S+I2=2HI+S↓2H2S+O2=2H2O+S↓H2S+4Br2+4H2O=H2SO4+8HBr•金属离子在溶液中和硫化氢或硫离子作用，生成溶解度很小的硫化物。•FeS(s)+H2SO4(aq)=H2S(g)+FeSO4(aq)•Na2S(aq)+H2SO4(aq)=H2S(g)+Na2SO4(aq)•分析化学中也用硫代乙酰胺的水解来制备H2S气体。•CH3CSNH2+2H2O=CH3COO-+NH4++H2S↑（2）硫化物酸式金属硫化物皆溶于水。金属硫化物除碱金属硫化物和(NH4)2S易溶于水外，其余多难溶于水，且有特征颜色，如ZnS为白色，CdS为黄色。。①溶于稀盐酸如FeS，MnS，ZnS等。②难溶于稀盐酸，易溶于浓盐酸如CdS，PbS，SnS2等。③不溶于盐酸，溶于硝酸如CuS，Ag2S等。④只溶于“王水”，如HgS。可溶性金属硫化物如Na2S，(NH4)2S的水溶液在空气中会被氧化而析出硫，S与S2-结合成多硫离子S2-x，溶液颜色变深。所有金属硫化物无论易溶或微溶都有一定程度的水解性。Na2S溶于水几乎全部水解，其溶液作为强碱使用，工业上称Na2S为硫化碱。Al2S3遇水完全水解。Na2S+H2O⇌2Na++HS-+OH-Al2S3+6H2O⇌2Al(OH)3↓+3H2S↑PbS+H2O⇌Pb2++HS-+OH-（微弱水解）（3）二氧化硫、亚硫酸、亚硫酸盐SO2是一种无色有刺激臭的气体，它是一种大气污染物。二氧化硫的职业性慢性中毒会引起丧失食欲，大便不通和器官炎症。硫或黄铁矿在空气中燃烧生成SO2。S+O2=SO23FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2在溶液中SO2同水反应生成亚硫酸。SO2+H2O=H2SO3H2SO3⇌H++HSO3-HSO3-⇌H++SO32-亚硫酸是中等强度的二元酸。•亚硫酸、亚硫酸盐具有强的还原性。•SO2+O2=2SO3(有催化剂)•2H2SO3+O2=2H2SO4(很慢)•Na2SO3+O2=2Na2SO4(快)•还原性依SO2—H2SO3—M2SO3的顺序增强。亚硫酸和亚硫酸盐只有遇到更强的还原剂时才表现出氧化性。碱金属的亚硫酸盐易溶于水，溶液呈碱性，其它金属的正盐都只微溶于水，所有的酸式亚硫酸盐都易溶于水。亚硫酸盐受热容易分解。4Na2SO3Na2SO4+Na2S亚硫酸盐或酸式亚硫酸盐遇强酸即分解，放出SO2。这是实验室制取少量SO2的一种方法。O3H3S2HS2HSO22232232223SOOHHHSOSOOH2HSO（4）三氧化硫、硫酸、硫酸盐纯三氧化硫是一种无色的易挥发固体，固态SO3主要以纤维状的(SO3)n和冰状结构的三聚体(SO3)3两种形态存在。三氧化硫SO3制备•三氧化硫是一种强氧化剂•5SO3+2P=