第二十一章p区金属.ppt
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1、第二十一章 P区金属,教学要求,1掌握 Al、Sn、Pb 的单质及其化合物的性质,了解其用途。 2了解锗分族、锑和铋单质及化合物的性质及变化规律。 3了解铝的冶炼原理及方法。 4. 掌握周期表中的对角线关系, 惰性电子对效应.,教学重点,1铝的氧化物、氢氧化物、铝盐、铝酸盐的性质。 2Pb 的氧化物、氢氧化物、卤化物的性质。 3. 周期表中的对角线关系, 惰性电子对效应.,教学难点,惰性电子对效应, Ge、Sn、Pb、Sb、Bi 的氢氧化物的性质。,主要内容,1p 区金属概述。 2单质铝的性质及冶炼,铝的氧化物、氢氧化物、铝盐、铝酸盐的性质。 3Ge、Sn、Pb 的冶炼、单质的性质、氧化物、氢
2、氧化物、卤化物的性质。 4锑和铋的氧化物、氢氧化物、卤化物、硫化物的性质。,p区金属的特性:,同族金属元素从上到下元素的金属性逐渐增强。,Tl、Pb和Bi的金属性较强,其它的单质、氧化物及其水合物均表现出两性。,p区金属元素常有两种氧化态,且其氧化值相差为2;高价氧化态化合物多数为共价化合物,低氧化态的化合物中部分离子性较强。,21-1 p区金属概论,p区金属共有十种: Al、Ga、In、Tl、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi和Po;其中Po为放射性元素。,铝族元素的熔点 以镓的最低,但 它的沸点却很高,这两分族元素中以铝的密 度最小,铊和铅的最大,元素的自然存在和基本性质,元素 丰度 主要矿物,
3、铝 8.05 铝矾土矿(不纯的水合三氧化二铝),镓 0.0019,主要存在于铝矾土矿中, 镓和锗 也存在于煤矿中, 所以烟道灰是提取它们的原料之一。,铟 2.510-5 主要存在于闪锌矿中 铊 110-4 主要存在于长石、云母和闪锌矿中,锗 1.410-4,存在于硅酸盐矿硫化物矿和煤矿中,在烟道灰中的含量是煤中的1001000倍,锡 2.510-4 锡石矿(SnO2)、硫化物矿,铅 0.0016 硫化铅矿、白铅矿和硫酸铅矿,铝的丰度居于 第三位,在金 属中居于首位,21-2 铝族元素,原子成键特征:,ns2,np1,共价特点,缺电子特点,最高氧化数+3,Cl,Al,Cl,Cl,Cl,Al,Cl
4、,Cl,铝族元素的原子为缺电子原子,与硼类似,在铝和镓的化合物中同样表现出缺电子特点。而随原子半径的增大,铟铊逐渐过渡为金属性质。,Al2Cl6中的氯桥键,铝是优良的导电体,镓和铟是制半导体的重要材料。,少数表现离子性,铝是活泼金属,它的离子有很高的水合能,因此不能从水溶液中提取这个金属。但从干态的化合物制备铝又需要更活泼的金属如钠作还原剂,在经济上和操作上都是不利的。近代工业是用电解熔融氧化物的方法制备金属铝。 加入冰晶石做助熔剂。,金属铝的冶炼,熔融金属铝,铁槽阴极,石墨阳极,电解金属铝示意图,从铝矾土矿(Al2O3)冶炼金属铝的步骤:,碱溶铝矾土矿,通CO2于滤 液析出Al(OH)3,过
5、滤,纯氧化铝 Al2O3,冰晶石 Na3AlF6,灼烧,电解混合 熔液,金属铝,Al2O32NaOH3H2O2NaAl(OH)4 2NaAl(OH)4+CO22Al(OH)3+Na2CO3+H2O Al(OH)3=Al2O3+H2O,灼烧,2Al2O3 =4Al( 阴极) + 3O2(阳极),电解,P区元素的性质,概述: Al、Ga、In、Tl与非金属反应,易形成氧化物、硫化物、卤化物。 2M(s) + 3X2 = 2MX3(s) 4M(s) +3O2 (g) = 2M2O3(s) 2M(s) + 3S(l) = M2S3(s), 铝族元素易溶于稀酸和碱液中。 反应如下: 2M(s) + 6H
6、+(aq) = 2M3+(aq) + 3H2(g) 2M(s) +2OH-(aq) + 6H2O(l) = 2M(OH)4-(aq) + 3H2(g) M=Al,Ga 铝还与N2形成AlN ,与碳形成Al4C3。,铝族元素在形成固态化合物时,少数为离子型的,大部分为共价型的。,Why?,因为它们失去所有的价电子的电离势总和相当大。, 从AlTl,随着半径的加大,化合物的共价性减弱,离子性增强。Al、Ga化合物为共价性;In、Tl化合物为离子性。 在水溶液中,+III氧化态的本族元素,电荷高,半径小,水合焓较大,很容易离子化。这些离子平常皆为配离子,它们极易发生水解作用。,通性:, 本族元素变为
7、+III氧化态的趋势是从铝到铊递减。 Tl3+离子是较强的氧化剂,很易被还原为Tl+离子,因此Tl+ 离子稳定。 Al+、Ga+、In+在水溶液中稳定性极差,很易歧化为母体金属和该金属的+III氧化态化合物。,氧化物和氢氧化物: 除了低氧化态的Tl2O和TlOH是碱性、易溶于水以外,其他的都是难溶于水的两性物质。 酸性: Ga(OH)3Al(OH)3或In(OH)3, 铝的亲氧性表现在: * 铝一接触空气即形成致密的氧化膜; * 氧化铝有很高的生成焓(-1676 kJ/mol); * 可用做许多氧化物的还原剂,且反应放出大量的热。铝热法 2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fe, 铝
8、是亲氧物质,又是典型的两性元素。,铝的性质, 两性表现在:金属铝、氧化铝和氢氧化铝都能与酸、碱反应:, 铝能被冷的浓H2SO4及浓、稀HNO3所钝化。所以常用铝桶装运浓H2SO4、浓HNO3。, 铝能同热的浓H2SO4反应。,2Al+6H2SO4(浓)=Al2(SO4)3+3SO2+6H2O, 铝比较易溶于强碱中! 2Al+2OH-+6H2O=2Al(OH)-4 +3H2,还原剂铝热法 脱氧剂 制取耐高温金属陶瓷 (亲氧性) 4Al+3TiO2 +3C=2Al2O3 +3TiC 结构材料,导电材料,金属用途,铝是丰度最大的金属,具有延展性强,导电性能优良,密度轻,应用最广泛的金属。,金属铝用于
9、制电缆、电线,镓、铟多用于电子工业,如作半导体材料,铝用于制日常用品,二、氧化铝和氢氧化铝,一)、三氧化二铝,-Al2O3不溶于水,也不溶于酸和碱,熔点高,硬度大,由铝和氧气燃烧或高温灼烧Al(OH)3得到。自然界存在的刚玉是指这种氧化铝。,-Al2O3不溶于水,溶于酸,具有很强的吸附能力和催化活性,所以又称活性氧化铝,用于作吸附剂和催化剂。由氢氧化铝或铝铵矾加热分解得到。把它强热至1273K时,转变为-Al2O3。,-Al2O3具有离子传导能力,用于作钠硫蓄电池的电解质,这种电池蓄电量大,具有广阔的应用前景。,二、氢氧化铝,铝盐:Al3+,白 水合 Al(OH)3,铝酸盐 Al(OH)4-,
10、白 结晶 Al(OH)3,加入氨水,通入CO2,在铝盐中加入氨水或在铝酸盐中通入CO2,都可得到Al(OH)3 沉淀:,水合氢氧化铝易溶于酸,也溶于碱,加热易脱水。但结晶氢氧化铝难溶于酸,加热到373K时也不脱水。在573K时转变为偏氢氧化铝AlOOH,灼烧得电解铝用的氧化铝,放置,偏铝酸盐 AlO(OH),氧化铝 Al2O3,加热,灼烧,金属铝,电解,Al3+ + 3NH3 + H2O = Al(OH)3 + 3NH4+ 2Al(OH)4- + CO2 =2Al(OH)3 + CO32- +H2O,氢氧化铝是两性化合物。,酸:Al(OH)3+3HNO3=Al(NO3)3+3H2O,碱:Al(
11、OH)3+KOH=KAl(OH)4 +2H2O,氢氧化铝易溶于酸也易溶于碱:,三、铝盐和铝酸盐,金属铝Al,酸,+,铝盐,氯化铝Al2Cl6,硫酸铝Al2(SO)3,硝酸铝Al(NO3)3,HCl,H2SO4,HNO3,金属铝或 氧化铝,碱,+,铝酸盐 Al(OH)4-,Al(OH)3 +OH-,H+,OH-,OH-,H+,金属铝、氧化铝、氢氧化铝等都表现出典型的两性。,铝盐和铝酸盐 的突出性质就 是水解性,Al(H2O)63+H2O = Al(H2O)5(OH)2+ H3O+ Al(H2O)5(OH)2+ +H2O = Al(H2O)4(OH)2+ +H3O+ Al(OH)4- = Al(O
12、H)3 + OH-,加碱或弱酸强碱盐 于铝盐溶液中,都会 促进水解完全进行,2Al3+ + 3CO32- +3H2O =2Al(OH)3 + 3CO2,物理性质,氟化物的熔点最高,其它的较低,这是因为氟化物为离子晶体,其他的是以共价键为主的卤化物,水溶液中析出来的氯化铝是AlCl36H2O,由于Al3+的极化能力很强,不能用加热的方法使它脱水,无水盐是下列反应制备的: 高温 Al2O33C3Cl2 2AlCl33CO,无水三氯化 铝的制备,2、几种重要的盐,(1)卤化物,AlCl3溶于有机溶剂或处于熔融状态时都以共价的二聚分子 Al2Cl6形式存在。,为什么?,因为AlCl3为缺电子分子, A
13、l 倾向于用sp3 杂化轨道接受电子对形成四配位化合物。,两个AlCl3 分子间发生 ClAl 的电子对授予而配位,形成 Al2Cl6 分子。 在这种分子中有氯桥键(三中心四电子键),与B2H6的桥式结构形式上相似,但本质上不同。, 当Al2Cl6溶于水中时,立即解离为Al(H2O)63+和Cl-离子并强烈的水解。 AlCl3还容易与电子对给予体形成配离子(如AlCl4-, Al2(OH)nCl6-nm)和加合物(如AlCl3NH3)。AlCl3是有机合成中常用的催化剂(与BF3类似)。 AlBr3 和AlI3 在结构和性质上与AlCl3相似。,制法: 工业上:用熔融的Al与Cl2反应制取无水
14、AlCl3。 通Cl2于Al2O3和炭的混合物中制取AlCl3。 Al2O3+3C+3 Cl2 =2 AlCl3 +3CO 用湿法只能制得AlCl36H2O。,无水硫酸铝Al2(SO4)3为白色粉末。 从水溶液中得到的为Al2(SO4)3 18H2O,它是无色针状结晶。,(2) 硫酸铝和明矾,制法: 将纯铝溶于热的浓的H2SO4 2Al(OH)3+3H2SO4=Al2(SO4)3+6H2O 用H2SO4直接处理铝土矿或粘土制得Al2(SO4)3. Al2O32SiO22H2O(粘土)+ 3H2SO4= Al2(SO4)3+2H4SiO4+H2O,通式:MAl(SO4)212H2O。 结构:6个
15、H2O分子与Al3+配位,形Al(H2O)63+离子;余下的为晶格中的水分子,在Al(H2O)63+与SO42-之间形成氢键。 明矾:铝钾矾 KAl (SO4)212H2O ,无色晶体。,硫酸铝易与碱金属(除锂外)及铵的硫酸盐可形成溶解度相对较小的复盐,称为矾。,硫酸铝或明矾易溶于水,Al3+在水中水解形成的碱式盐到Al(OH)3 的胶状沉淀均有吸附和凝聚作用, 因此硫酸铝和明矾被用做净水剂或絮凝剂。,21-2-2 铝和铍的相似性 铝和铍有许多相似的化学性质: 原因:在元素周期表中处于对角线位置,两者的离子势相近, Ea0 (Al3+/Al)=-1.706V Ea0 (Be2+/Be)=-1.
16、85V 。 表现: 1、两者都是活泼金属,在空气中, 均形成致密的氧化膜保护层而不易被腐蚀,与酸的作用也比较缓慢,都为浓硝酸所钝化。 2、两者都是两性元素,其氢氧化物也属两性。,3、两者的氧化物的熔点和硬度都很高。 4、两者都有共价型的卤化物。它们的卤化物都是路易斯酸,易与电子给予体形成配合物或加合物;本身则通过桥键形成聚合分子(这两种聚合分子的结构是不同的)。 5、铍盐、铝盐都易水解。 6、Be2C象Al4C3,与水反应而生成甲烷: Be2C + 4H2O =2Be(OH)2 + CH4 Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4,21-3-1 金属的冶炼,21-3 锗
17、分 族,Sn的冶炼,Pb的冶炼,以锡石为原料,先焙烧,使砷和硫变成氧化物除去,然后加盐酸溶解其它金属氧化物,再以焦碳为还原剂,在高温下可制得粗锡;以氟硅酸和硫酸做电解液,经过电解可得到纯锡。 SnO2 + C =Sn +2CO,2PbS + 3O2 =2PbO +2SO2 PbO + C =Pb + CO PbO + CO =Pb +CO2 或PbS + Fe =Pb + FeS,GeS23O2GeO22SO2 GeO24HClGeCl42H2O GeCl42H2OGeO24HCl GeO22H2 Ge2H2O,Ge的冶炼,锗分散地存在于其它矿物中,它是硫化物矿石、煤、高温冶金所得中间产物或废
18、渣、烟道灰为原料的工厂副产物。这些原料所提供的锗通常为二氧化锗,用盐酸处理并蒸馏得四氯化锗。,将温度升至1373K,锗粉熔化,注入模中得锗锭。最后用物理方法区域熔融法来进一步提纯可以得到高纯锗。,通过精馏提纯GeCl4,并加水水解得到二氧化锗,然后用氢在813K923K还原 GeO2,得到金属粉末,锗是主要的半导体材料之一,锗半导体广泛地用于电子计算机、雷达、火箭、导弹、导航控制设备、电子通讯以及自动化设备中。, Ge和Sn的化合物为共价化合物; Pb()有离子化合物,Pb为亲硫元素。 它们属于中等活泼的金属(电极电势小于0),但却表现出一定的化学惰性。,一、物理性质及用途 二、化学性质:,2
19、1-3-2 锗、锡、铅的单质,Ge,(1)Ge不与非氧化性酸作用; (2) Ge与氧化性酸反应生成Ge(IV)化合物; Ge+4HNO3(浓)=GeO2H2O + 4NO2+2H2O Ge+4H2SO4(浓) = Ge(SO4)2 + 2SO2+4H2O,363K,Sn,Sn与非氧化性酸反应生成Sn(II)化合物 Sn+2HCl=SnCl2+H2 4Sn+10HNO3(稀)=4Sn(NO3)2+ NH4NO3+3H2O (2)Sn与氧化性酸反应生成Sn(IV)化合物; Sn+ 4HNO3(浓)= SnO2H2O+ 4NO2 Sn+4H2SO4 (浓)=Sn(SO4)2+2SO2+4H2O,Pb
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