第一章-无机化学元素概述

第一章元素概述2012年2月主要内容第一节元素的发现、分类和分布元素的发现元素的几种分类方法元素在自然界中分布第二节核反应及人工合成新元素核反应人工合成新元素和平利用核能1-1元素的发现目前共发现118种元素，其中天然元素93种，人工合成元素25种。2000年，美国、俄罗斯科学家联合宣布发现114和116号元素；2003年，俄罗斯科学家同时发现第113号和第115号元素；2005年，美国科学家发现第118号元素；2010年，美国、俄罗斯科学家联合宣布发现117号元素【见Phys.Rev.Lett.2010,104(14):142502】新元素的发现与人类的进步和科学技术的发展密切相关。国际纯粹及应用化学联合会（IUPAC）2011年在伦敦宣布110号元素Ds（Darmstadtium），以发现地德国达姆施塔特Darmstadt命名），中文名称：鐽111号元素Rg（Roentgenium），纪念X光的发现者、德国物理学家伦琴WilhelmRontgen，中文名称：錀112号元素Cn（Copernicium），纪念现代天文学创始人尼古拉·哥白尼NicolausCopernicus，中文名称：鎶114号元素Fl（Flerovium），以俄罗斯杜布纳核反应Flerov实验室命名，尚无中文名称116号元素Lv（Livermorium），以美国加利福尼亚Livermor国家实验室命名，尚无中文名称2011版国际最新元素周期表1-2元素的分类118种元素按其性质可以分为金属元素：96种非金属元素：22种通过硼—硅—砷—碲—砹和铝—锗—锑—钋之间的对角线来划分。位于对角线左下方的单质都是金属；右上方的都是非金属；对角线附近的锗、砷、锑、碲等称为准金属。普通元素和稀有元素普通元素：如碳、氢、氧、氮、硫、磷、铁、铝、铜、银、金等。稀有元素：含量少或分布稀散的；发现较晚的；难以分离提取的；制备和应用较晚的等。这种划分与其储量无关。例如钛，由于冶炼技术要求较高，难以制备，人们对其性质了解很少，被列为稀有元素，但它在地壳中的含量排第十位；而有些元素虽然贮量并不多，但矿物比较集中，如金已早被人们所熟悉，被列为普通元素。稀有元素轻稀有元素：锂(Li)、铷(Rb)、铯(Cs)、铍(Be)分散性稀有元素：镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl)、硒(Se)、碲(Te)高熔点稀有元素：钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W)铂系贵金属元素：钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(0s)、铱(Ir)、铂(Pt)稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)及镧系元素放射性稀有元素：锝(Tc)、钋(Po)、砹(At)、氡(Rn)、钫(Fr)、镭(Ra)、钷(Pm)、锕(Ac)，除钍(Th)、镤(Pa)、铀(U)以外的锕系元素等稀有气体：氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)1-3.元素在自然界中的存在形态1．游离态（单质）：大致有三种情况：气态非金属单质：如N2、O2、H2、稀有气体（He、Ne、Ar、Kr、Xe）等；固态非金属单质：如金刚石矿、硫黄矿；金属单质：如Hg、Ag、Au（天然金矿）及铂系元素（Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt）单质，还有由陨石引进的天然铜和铁（铁陨石）等。从存在的物理形态来看：常温常压下，元素的单质以气态存在的有11种，即N2、O2、H2、Cl2、F2和He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn；以液态存在的有2种：Hg、Br2；还有2种单质，熔点很低，易形成过冷状态，即Cs(熔点为28.5℃)、Ga(熔点为30℃)；其余元素的单质呈固态。2．化合态：元素主要存在形式离子型卤化物:NaCl,NaNO3,KCl等难溶碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、硅酸盐等；难溶硫化物:FeS2,As2S3,PbS等稳定的氧化物：SiO2,Al2O3,SnO2,TiO2等1-4．元素的分布1．在地壳中的分布----地球化学元素在地壳中的含量称为丰度，丰度可用质量百分数或原子百分数(克拉克Clark值)来表示。元素原子百分数元素原子百分数O52.32％Fel.50％H16.95％Ca1.48％Si16.67％Mg1.39％Al5.53％K1.08％Na1.95％Ti0.22％这10种元素约占99％。氧是地壳中分布最广的元素。我国的矿物资源金属矿物：钨、锂、锑、锌、稀土居世界之首，锡、钼、铋、铅、汞、铌、钽、铍等储量均居世界前列。稀土总储量占世界的80％；钛铁矿居世界第一。非金属矿物：硼矿、菱镁矿储量居世界首位，磷矿居世界第二。莹石、硅石等重要冶金辅助原料以及石棉、滑石、水泥原料、珍珠岩、大理石、膨润土、石膏等非金属建材矿产也有相当储量。但铁矿、铜矿等多为贫矿；钾盐、天然碱、天然硫、金刚石等资源不足；金、银、铂等贵金属储量稀少；共生、伴生矿多，地区分布很不均衡。2．动、植物中的元素分布----生物无机化学除C、H、O、N外，大约有三十种元素对生命极为重要。3．海洋中的分布----海洋化学海洋中存在80多种元素。其中镁储量2100万亿吨，钾600万亿吨，溴100万亿吨（占99%以上），硼7万亿吨，碘930亿吨，铷1900亿吨，锰储量4000亿吨（为大陆储量的4000倍），铀的储量也很可观。Ag、Au、Ra等微量元素50余种。海水中的重水是提取氘的重要原料。海洋是元素资源的巨大宝库！国家级蓝色经济区建设，烟台责无旁贷，化学大有可为！小知识：深海矿产-锰结核矿锰结核又称多金属结核、锰矿球、锰矿团、锰瘤等，它是一种铁、锰氧化物的集合体，颜色常为黑色和褐黑色。锰结合的形态多样，有球状、椭圆状、马铃薯状、葡萄状、扁平状、炉渣状等。锰结核的大小尺寸变化也比较悬殊，从几微米到几十厘米的都有，重量最大的有几十公斤。4．大气中的元素分布----大气化学大气组成：在80-100公里以下的低层大气中，气体成份可分为两部分：“不可变气体成份”：主要指氮、氧、稀有气体。维持固定的比例成份，不随时间、空间而变化。“易变气体成份”：以水汽、二氧化碳和臭氧为主，其中变化最大的是水汽。大气可以大致分为干洁空气、水汽、微粒杂质和新的污染物。干洁空气：水汽水汽在大气中含量很少（0～4％）。绝大部分集中在低层，10～12公里高度以下的水汽约占全部水汽总量的99％。来源：水面、潮湿物体表面、植物叶面的蒸发等。水汽会引起天气变化。水汽能强烈吸收地表发出的长波辐射，水汽的蒸发和凝结能吸收和放出潜热，从而影响地面和空气的温度，以及大气的运动和变化。杂质和微粒（PM2.5）杂质包括：火山爆发、尘沙飞扬、物质燃烧的颗粒；流星燃烧所产生的细小微粒；海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒；细菌、微生物、植物的孢子花粉等。多集中于大气的底层。液体微粒指悬浮于大气中的水滴、过冷水滴和冰晶等水汽凝结物。杂质、微粒影响大气的能见度和人们的健康。但它也能充当水汽凝结的核心，加速大气中成云致雨的过程；它能吸收部分太阳辐射，削弱太阳直接辐射和阻挡地面长波辐射，对地面和大气的温度变化也有一定的影响。大气污染物第二节核反应及人工合成新元素----核化学化学反应是在原子核不变的前提下发生的核外电子的相互作用，是原子的划分与化合，只生成新的单质和化合物，不生成新的元素。核反应是原子核发生重组，生成新的元素。核反应通常可分为4类：衰变、粒子轰击、裂变、聚变。2-1核反应----衰变（1）衰变：放射性元素不断地、自发地放出射线。射线是极高速度的粒子（即氦原子核24He）流。如：92238U90234Th+24He（粒子）88226Ra86222Rn+24He（粒子）发生衰变时，原来的原子核由于放出氦核而减少了2个质子，剩下的蜕变产物为左移2格的元素。2-1核反应----衰变（2）衰变：放出射线。粒子就是电子-10e。如：90234Th91234Pa+-10e（粒子）88228Ra89228Ac+-10e（粒子）发生衰变时，原来原子核里的一个中子转变成一个质子，同时发出一个电子，因此衰变所得的元素为右移1格的元素。2-1核反应----衰变（3）衰变：放出射线。射线也叫光子。如：2760Co*2760Co+激发态原子核通过发射射线跃迁到低能态（或基态），原子核的质量数和电荷数保持不变，只是能量状态发生了变化。在、衰变过程中，由于原子核处于激发态，通常伴有衰变。2-1核反应----粒子轰击用高速的粒子（如质子、中子等）或用简单的原子核（如氘核、氦核）去打击一种原子核，结果放出另一种粒子或简单原子核；被打击的原子核同时变成一种新的原子核。如：36Li+01n13H（氚）+24He用n代表中子、p代表质子、d代表氘核、代表氦核、代表光子等符号表示。缩写形式M（a，b）M’，M代表被打击的核，a是进行打击的粒子，b是发射出来的粒子，M‘是产生的新核。上述反应可缩写为36Li（n，）13H。举例：1327Al（，n）1530P表示如下反应1327Al+24He1530P+01n1530P不稳定，可蜕变为1430Si，同时放出正电子：1530P1430Si+10e正电子10e具有与电子质量相同、电量相同、但电荷符号相反。粒子轰击是人工合成新元素的主要方法。2-1核反应----裂变当用慢中子轰击235U时，发生裂变，分裂为大小不等的碎核，同时有2~3个中子射出。如：92235U+01n56Ba+36Kr+（2~3）01n裂变产物除Ba和Kr外，还有其它碎片。这些碎片再经过几步衰变，最后蜕变为稳定的核。原子弹就是基于裂变原理制造的。核裂变的同时，还放出大量的能量。2-1核反应----聚变很轻的原子核在异常高的温度下合并成较重的原子核。反应进行时放出巨大的能量。这种核聚变一般是不可控的，也称热核反应。12H+13H24He+01n氢弹就是基于上述反应制造的。反应所需的高温由原子弹爆炸产生。主要困难是如何获得热核反应所需的高温及如何约束高温下的热核材料。核聚变是理想的能源利用丰富的12D氘同位素作原料，使其聚合发生下列反应：12D＋12D→23He＋01n＋3.2MeV12D＋12D→13T＋11P＋4.0MeV12D＋23He→24He＋11P＋18.3MeV总反应为：612D→224He＋211P＋201n＋43.1MeV2-2超铀元素，人工合成新元素—放射化学超铀元素是指铀以后的元素。1940年，美国Seaborg在用中子轰击92238U时首次合成93号元素镎Np：92238U+01n92239U+92239U93239Np+-10e此后陆续合成了直到原子序数为118的新元素（见下表）。举例：Am的合成：94239Pu+01n94240Pu+94240Pu+01n94241Pu+94241Pu95241Am+-10eCm的合成：94241Pu+24He96242Cm+301nCf的合成：96242Cm+24He98245Cf+01n小知识：放射性和铀裂变的重大发现----6项诺贝尔化学奖ErnestRutherford1871----1937FrederickSoddy1877----1956Nobel化学奖获得者OttoHahn(1879—1968)MarieCurie(1867—1934)FrédéricJoliot(1900-1958)IrèneJoliot-Curie(1897-1956)EdwinM.McMillan(1907—1991)GlennT.Seaborg(1912—1999)2-3和平利用核反应与核能1．原子弹与氢弹：235U仅占0.7%，238U占99.3%，制造原子弹只能用235U。“贫铀矿”是指235U含量约在0.3%左右，但238U含量也较少的矿。