清北学堂2013暑期《化学VIP班》导学1-无机化学之(1)金属元素

北京清北学堂教育科技有限公司2013暑期集训《化学VIP高端班》导学资料1无机化学（1）金属元素金属元素及其化合物【竞赛要求】1.碱土金属、碱金属、锡、铅、硼、铝。钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、银、金、锌、汞、钼、钨。2.过渡元素氧化态。氧化物和氢氧化物的酸碱性和两性。3.水溶液中的常见离子的颜色、化学性质、定性检出（不使用特殊试剂）和分离。4.制备单质的一般方法。【知识概要】一、碱金属碱土金属1、通性：a、它们的价电子构型为ns1~2，内层为稀有气体稳定电子层结构。价电子很易失去呈+1、+2氧化态。都是活泼性很高的金属，只是碱土金属稍次于碱金属而己。b、有较大的原子半径。因为每一周期是从碱金属开始建立新的电子层。原子半径变化的规律：同周期从IA到IIA减小，同族中从上到下增大。c、电离势和电负性均较小，其变化规律为同周期从IA到IIA增大，同族中从上到下顺序减小。2、单质：（1）碱金属：碱金属具有较大原子半径，最外层1个电子而内层又是稳定结构，所以易失去电子，离子化倾向强，是非常活泼的金属，强还原剂，还原性依Li、Na、k、Rb、Cs顺序依次增强。碱金属以钠最为典型。钠的金属活动性和还原性强，它在冶炼现代常用金属钛、锆、铪等时也用作还原剂。如：4Na+TiC14=Ti+4NaC1钠在不活泼或中等活动的金属盐溶液中会先与水反应生成氢气与氢氧化钠，盐再与碱复分解而生成中等活动金属或不活动金属的碱类沉淀，而得不到这些金属的单质。如：CuSO4+2Na+2H2O=Cu(OH)2↓+H2↑+Na2SO42FeC13+6Na+6H2O=2Fe(OH)3↓+3H2↑+6NaC12A1C13+6Na+6H2O=2A1(OH)3↓+3H2↑+6NaC1或A1C13+4Na+2H2O=NaA1O2+2H2↑+3NaC1实验后的残钠不能放在水中以免爆炸，而应在酒清精中销毁。2C2H5OH+2Na=2C2H5ONa+H2↑（反应较慢）（2）碱土金属：碱土金属与碱金属相似，有很强的化学活性，都能与卤素、氧、硫及其它非金属发生反应，它们的单质呈银白色（除Ba微黄色外）、轻，但皆比碱金属硬。碱土金属以镁为典型。镁不如钠活泼，但它仍有相当强的金属性和还原性，是常见的活泼金属之一。镁与氧的―化学亲合力‖强，所以与氧和不少氧化物都能发生反应，一般要加热或高温下进行。如：2Mg+CO2=2MgO+C（能夺CO2中氧而还原出C，故而CO2不能熄灭镁的燃烧）2Mg+TiC14=Ti+2MgC12（能还原出钛等现代应用的金属）北京清北学堂教育科技有限公司2013暑期集训《化学VIP高端班》导学资料1无机化学（1）金属元素2Mg+SiO2=2MgO+Si（镁也能制硅粉，它从SiO2中夺氧）镁与盐溶液反应时,对不活动金属盐溶液可置换出相应的金属单质,但若该盐水解后酸性较强时,还有酸与镁生成氢气的反应伴生。对氯化铵溶液,则与水解出的盐酸反应生成氯化镁与氢气.2NH4++2H2O+Mg=Mg2++H2↑+2NH3·H2O该反应虽有一水合氨，但因在氯化铵溶液里，大量的NH4+抑制了一水合氨电离，而OH—不足，所以一般不会生成氢氧化镁沉淀。3、氧化物和氢氧化物：（1）氧化物碱金属和碱土金属常见的氧化物有正常氧化物、过氧化物和超氧化物三类。a)碱金属和碱土金属氧化物与水反应都生成相应的氢氧化物O2—+H2O=2OH—（O2—在水中不能存在）碱金属和碱土金属氧化物在水中的溶解度，在同一族中都是从上到下增加，因此它们与水反应激烈的程度也是从上到下增加。Li2O与水反应缓慢；Rb2O，Cs2O与水反应如此剧烈甚至爆炸。BeO，MgO对水呈现一定的惰性（特别是在高温煅烧之后）；CaO，SrO，BaO与水猛烈反应而放出大量的热。b)过氧化物是氧化剂和氧气发生剂O22—+2H2O=H2O2+2OH—（H2O2分解可放出O2）Na2O2+2CO2（g）=2Na2CO3+O2↑（作为CO2吸收剂和供氧剂）c)超氧化物是强氧化剂和供氧剂。2O2—+2H2O=H2O2+2OH—+O2↑4MO2+2CO2（g）=2M2CO3+3O2↑（2）氢氧化物a)碱土金属与水反应，皆能产生对应的氢氧化物和氢气：Be极弱，Mg与沸水反应较缓；Ca与冷水作用不太剧烈[因Ca（OH）2微溶，覆盖表面阻碍反应]；Sr、Ba与冷水反应剧烈。b)水溶性：Be(OH)2难溶,Mg(OH)2难溶，Ca(OH)2微溶，Sr(OH)2可溶，Ba(OH)2溶。4、盐类：（1）常见的钠盐：食盐（NaC1）、芒硝（Na2SO4·10H2O）为易溶无色的晶体，它们是强酸强碱盐，不水解。纯碱（Na2CO3）和结晶碳酸钠，即块碱（Na2CO3·10H2O），因有弱酸根CO32—而水解具有碱性。小苏打（NaHCO3），其溶解度比Na2CO3小，加热分解较容易（NaHCO3=Na2CO3+CO2↑+H2O）。因含酸式弱酸根HCO3—，故水解，但碱性比正盐弱。（2）常见钙盐：氯化钙（CaC12，CaC12·6H2O），无色至白色固体，吸湿潮解，易溶于水。无水CaC12是常用的干燥剂，几乎除NH3和酒精蒸气外，皆可用其干燥。北京清北学堂教育科技有限公司2013暑期集训《化学VIP高端班》导学资料1无机化学（1）金属元素碳酸钙（CaCO3），白色固体，煅烧分解。易溶于酸而难溶于水。溶于CO2水溶液而成可溶性的Ca(HCO3)2,使水有硬性（暂硬水，可用煮沸或加石灰、纯碱等使其转化为CaCO3沉淀的办法除去，而使水软化）。天然产者很多，如石灰石、大理石、方解石、白垩、石笋石、钟乳石等。（3）常见的镁盐：氯化镁（MgC12，MgC12·6H2O盐卤），无色晶体，潮解，易溶于水。光卤石（KC1·MgC12·6H2O），无色晶体易溶，潮解，把光卤石用碱处理（如用石灰乳）可得Mg(OH)2，再与盐酸反应制得氯化镁。熔融氯化镁电解是冶炼镁的方法。碳酸镁（MgCO3）为白色固体，微溶于水，加热分解。碳酸镁矿石叫菱镁矿，溶于酸，溶于CO2和水混合物而成Mg(HCO3)2，使水具硬性（暂时硬水），可用煮沸或加石灰、纯碱使转化为难溶的Mg(OH)2而软化。5、锂、铍的特殊性和对角线规则一般说来，碱金属和碱土金属元素性质的递变是有规律的，但锂和铍却表现出反常性。锂及其化合物的性质与其它碱金属元素及其化合物的性质有明显的差异。铍也同样表现出与其它碱土金属元素性质上差异。但是锂与镁，铍与铝在性质上却表现出很多的相似性。在周期系中，某元素的性质和它左上方或右下方的另一元素性质相似性，称对角线规则。这种相似性特别明显地存在于下列三对元素之间：LiBeBCNaMgA1Si锂与镁相似性表现在：（1）锂、镁在氧气中燃烧都生成正常氧化物，而其它碱金属生成过氧化物或超氧化物。（2）都能与N2直接化合生成氮化物，而其它碱金属相应化合物均为易溶盐。6Li+N2=2Li3N、3Mg+N2=Mg3N2（3）它们的氟化物、碳酸盐、磷酸盐均难溶于水，其它碱金属相应化合物均为易溶盐。（4）氢氧化物均为中等强度的碱，在水中溶解度不大。加热时可分别分解为Li2O和MgO。其它碱金属氢氧化物均为强碱，且加热至熔融也不分解。（5）硝酸盐加热分解产物均为氧化物、NO2和O2，而其它碱金属硝酸盐分解为MNO2和O2。二、d区金属d区元素是指IIIB~VIII族元素，ds区元素是指IB、IIB族元素。d区元素的外围电子构型是(n－1)d1~10ns1~2（Pd例外），ds区元素的外围电子构型是(n－1)d10ns1~2。它们分布在第4、5、6周期之中，而我们主要讨论第4周期的d区和ds区元素。第4周期d区、ds区元素某些性质Sc3d14s2Ti3d24s2V3d34s2Cr3d54s1Mn3d54s2Fe3d64s2Co3d74s2Ni3d84s2Cu3d104s1Zn3d104s2熔点/℃195316751890189012041535149514531083419沸点/℃272732603380248220773000290027322595907原子半径/Pm164147135129127126125125128137北京清北学堂教育科技有限公司2013暑期集训《化学VIP高端班》导学资料1无机化学（1）金属元素M2+半径/Pm－908884807674677274I1/kJ·mol－1631658650652.8717.4759.4758736.7745.5906.4室温密度/gcm－32.994.55.967.207.207.868.98.908.927.14氧化态3–1,0,23,4–1,0,23,4,5–2,–1,02,3,45,6–1,0,12,3,45,6,70,2,34,5,60,23,40,23,(4)*1,23(1)2*（）内为不稳定氧化态。同一周期的d区或ds区元素有许多相似性，如金属性递变不明显、原子半径、电离势等随原子序数增加虽有变化，但不显著，都反映出d区或ds区元素从左至右的水平相似性。d区或ds区元素有许多共同的性质：（1）它们都是金属，因为它们最外层都只有1~2个电子。它们的硬度大，熔、沸点较高。第4周期d区元素都是比较活泼的金属，题目能置换酸中的氢；而第5、6周期的d区元素较不活泼，它们很难和酸作用。（2）除少数例外，它们都存在多种氧化态，且相邻两个氧化态的差值为1或2，如Mn，它有–1，0，1，2，3，4，5，6，7；而p区元素相邻两氧化态间的差值常是2，如Cl，它有–1，0，1，3，5，7等氧化态。最高氧化态和族号相等，但VIII族除外。第4周期d区元素最高氧化态的化合物一般不稳定；而第5、6周期d区元素最高氧化态的化合物则比较稳定，且最高氧化态化合物主要以氧化物、含氧酸或氟化物的形式存在，如WO3、WF6、MnO4、FeO24、CrO24等，最低氧化态的化合物主要以配合物形式存在，如[Cr(CO)5]2–（3）它们的水合离子和酸根离子常呈现一定的颜色。这些离子的颜色同它们的离子存在未成对的d电子发生跃迁有关。某些d去元素水合离子的颜色电子构型未成对电子数阳离子水合离子颜色3d000Sc3+Ti4+无色无色3d111Ti3+V4+紫色蓝色3d22V3+绿色3d333V2+Cr3+紫色紫色3d444Mn3+Cr2+紫色蓝色3d555Mn2+Fe3+肉色浅紫色3d64Fe2+绿色3d73Co2+粉红色3d82Ni2+绿色3d91Cu2+蓝色3d100Zn2+无色北京清北学堂教育科技有限公司2013暑期集训《化学VIP高端班》导学资料1无机化学（1）金属元素常见酸根离子的颜色有：CrO24（黄色）、Cr2O27（橙色）、MnO24（绿色）、MnO4（紫红色）。（4）它们的原子或离子形成配合物的倾向都较大。因为它们的电子构型具有接受配体孤电子对的条件。以上这些性质都和它们的电子层结构有关。（一）钛副族1、钛副族元素的基本性质钛副族元素原子的价电子层结构为(n－1)d2ns2，所以钛、锆和铪的最稳定氧化态是+4，其次是+3，+2氧化态则比较少见。在个别配位化合物中，钛还可以呈低氧化态0和–l。锆、铪生成低氧化态的趋势比钛小。它们的M(Ⅳ)化合物主要以共价键结合。在水溶液中主要以MO2+形式存在，并且容易水解。由于镧系收缩，铪的离子半径与锆接近，因此它们的化学性质极相似，造成锆和铪分离上的困难。2、钛及其化合物（1）钛：钛是活泼的金属，在高温下能直接与绝大多数非金属元素反应。在室温下，钛不与无机酸反应，但能溶于浓、热的盐酸和硫酸中：2Ti+6HCl(浓)2TiCl3+3H2↑2Ti+3H2SO4(浓)2Ti2(SO4)3+3H2↑钛易溶于氢氟酸或含有氟离子的酸中：Ti+6HFTiF26+2H++2H2↑（2）二氧化钛：二氧化钛在自然界以金红石为最重要，不溶于水，也不溶于稀酸，但能溶于氢氟酸和热的浓硫酸中：TiO2+6HF=H2[TiF6]+2H2OTiO2+2H2SO4=2Ti(SO4)2+2H2OTiO2+H2SO4=2TiOSO4+H2O