第十一章 元素化学第十一章 元素化学（ Chemistry of Element ）11.1 元素概述11.2 s区元素11.3 p区元素11.4 d区元素11.5 ds区元素

学习要求学习要求1 ．了解元素的分布及其分类2 ．熟悉重要元素及其化合物的性质3 ．掌握 s区、 p区、 d区、 ds 区元素性质的一般规律

4 ．了解元素化学的一些新进展

元素化学是研究元素所组成的单质和化合物的制备、性质及其变化规律的一门学科，它是各门化学学科的基础。元素及其化合物性质对工农业生产及人类生活产生着巨大的影响义。本章仅对各区元素的性质作一概述，并对一些重要元素及其化合物作简单介绍。

11.1 11.1 元素概述元素概述 11.1.1 元素分布

迄今为止，人类已经发现的元素和人工合成的元素共 112 种，其中地球上天然存在的元素有 92 种。元素在地壳中的含量称为丰度，常用质量分数来表示。

地壳包括岩石圈、水圈、大气圈，约占地球总重量的 0.7% 。地壳中含量居前十位元素见表 11-1 。

表 11-1 地壳中主要元素的质量百分数

由表可知，这 10 种元素占了地壳总质量的 99.2% 。而且轻元素含量较高，重元素含量较低。

元素 O Si Al Fe Ca Na K Mg H Ti

质量百分数 48.6 26.3 7.73 4.75 3.45 2.74 2.47 2.00 0.76 0.42

海洋是元素资源的巨大宝库，人类一直在探索、开发海洋资源。表 11-2 列出海水中含量较大的前 7 种元素（不包括 H 、O ）

表 11-2 海水中元素含量（未计水和溶解气体量）

元素 Cl Na Mg S Ca K Br

质量百分数 1.8980 1.0561 0.1272 0.0884 0.0400 0.0380 0.0065

除上表所列元素外，海水中尚含有 C 、 Sr 、B 、 Si 、 Al 、 F 、 N 、 Rb 、 Li 、 I 及微量的 U 、 Zn 、 Cu 、 Mn 、 Ag 、 Au 、 Ra 等，共约 50 余种元素。这些元素大多与其它元素结合成无机盐的形式存在于海水中。由于海水的总体积（约 1.4×109Km3 ）十分巨大，虽然某些元素的百分含量极低，但在海水中的总含量却十分惊人，如 I2 总量达 7.0×1013Kg（而 I 元素的质量百分数仅为 0.000005 ）。因此，海洋是一个巨大的物资库。

大气也是元素的重要自然资源，世界上向大气索取的 O2 、 N2 、稀有气体等物资，每年数以万吨计。

表 11-3 大气的主要成份（未计入水蒸气的量） 气体 体积分数﹪ 质量分数﹪ 气体 体积分数﹪ 质量分数﹪N2 78.09 75.51 CH4 0.00022 0.00012

O2 20.95 23.15 Kr 0.00011 0.00029

Ar 0.934 1.28 N2O 0.0001 0.00015

CO2 0.0314 0.046 H2 0.00005 0.000003

Ne 0.00182 0.00125 Xe 0.0000087 0.000036

He 0.00052 0.000072 O3 0.000001 0.000036

11.1.2.11.1.2. 元素分类元素分类 根据研究目的的不同，元素的分类常见的有三种： 1 ．金属与非金属 根据元素的性质进行分类，分为金属与非金属。 在元素周期表中，以 B—Si—As—Te—At 和 Al

—Ge—Sb—Po 两条对角线为界，处于对角线左下方元素的单质均为金属，包括 s 区、 ds 区、 d区、 f 区及部分 p 区元素；处于对角线右上方元素的单质为非金属，仅为 p 区的部分元素；处于对角线上的元素称为准金属，其性质介于金属和非金属之间，大多数的准金属可作半导体。

2 ．普通元素和稀有元素 根据元素在自然界中的分布及应用情况，将元素分为普通元素和稀有元素。稀有元素一般指在自然界中含量少，或被人们发现的较晚，或对它们研究的较少，或提炼它们比较困难，以致在工业上应用也较晚的元素。前四周期（ Li ， Be ，稀有气体除外）， ds 区元素为普通元素，其余为稀有元素。

通常稀有元素也可继续分为：轻稀有金属、高熔点稀有金属、分散稀有元素、稀有气体、稀土金属、放射性稀有元素等。

3 ．生命元素与非生命元素根据元素的生物效应不同，又分为有生

物活性的生命元素和非生命元素。生命元素又可根据在人体中的含量及作

用再进行细分，可分为人体必需元素（ essential elements ）（包括宏量元素和微量元素）和有毒元素（ toxic elements ）。

11.2 s11.2 s 区元素区元素

11.2.1 s 区元素的通性s 区元素位于元素周期表中的 IA族和 IIA族，分别称为碱金属和碱土金属。 IA族除 H 外，有 Li ， Na ， K ， Rb ， Cs ，Fr 共 6 个元素； IIA族有 Be ， Mg ， Ca ，Sr ， Ba ， Ra 共 6 个元素。其中 Fr 和 Ra 为放射性元素。

11 ．．电子构型电子构型

s 区元素（除 H 外）的价电子构型分别为 ns1 、 ns2 ，在同周期中，它们具有较小的电离能、较大的原子半径，易失去外层电子，表现出金属性，其稳定氧化值为 +1 （ IA ）和 +2 （ IIA ）。它们的化合物（除 Li 、 Be 外）均为离子型化合物。

22 ．．物理性质物理性质

s 区元素（除 H 外）的单质均为金属，具有金属光泽。它们的金属键较弱，因此，具有熔点低、硬度小、密度小等特点。另外， s 区元素还具有良好的导电性能和传热性质。

33 ．．化学性质化学性质

s 区元素（除 H 外）的电负性和电离能均较小，表现出典型的金属性。在同周期中，它们是最活泼的金属，在同族中，其金属活泼性从上到下依次增大，即还原性依次增强。它们可以与氧、卤素、氢、水和酸等多种物质发生反应，在反应中，它们均是强还原剂。

碱金属与具有相同电子层的碱土金属相比，碱金属的核电荷少，原子半径大，原子核吸引外层电子的能力弱，最外层电子更易失去，即碱金属的还原性比碱土金属的还原性强。

11.2.211.2.2 重要元素及其化合物重要元素及其化合物

1 ．金属钠 在自然界中，钠元素都以化合物的形式存在。

金属钠常用电解熔融的氯化钠或氢氧化钠的方法制得。

钠质软可切，呈银白色，是电、热的良导体。在潮湿的空气中，金属钠会马上失去金属光泽。钠比水轻，可以浮在水的表面与水发生剧烈反应，并放出大量的热。它还可与酸、卤素、氧、氢、醇等剧烈反应。因此，金属钠通常存放于煤油中。

22 ．．氢氧化钠（钾）氢氧化钠（钾）

氢氧化钠（钾）俗称苛性钠（钾）也称烧碱，工业上通常是电解氯化钠（钾）溶液而制得。NaOH(KOH) 是白色固体，极易吸水和空气中的 CO2 ，吸收 CO2 后变成 Na2CO3 （ K2CO3 ）。所以固体 NaOH 是常用的干燥剂。 NaOH(KOH) 的水溶液呈强碱性，可以与酸反应，也可与许多金属和非金属的氧化物反应生成钠（钾）盐。 NaOH(KOH) 既是重要的化学实验试剂，也是重要的化工生产原料。主要用于精炼石油、肥皂、造纸、纺织、洗涤剂等生产。

33 ．．碳酸钠与碳酸氢钠碳酸钠与碳酸氢钠

碳酸钠俗称纯碱或苏打，通常是含 10 个结晶水的白色晶体（ Na2CO3·10H2O ），在空气中易风化而逐渐碎裂为疏松的粉末，易溶于水，其水溶液有较强的碱性，可在不同反应中作碱使用，这也是人们称其为纯碱的原因。

碳酸钠是一种基本化工原料，大量用于玻璃、搪瓷、肥皂、造纸、纺织、洗涤剂的生产和有色金属的冶炼中，它还是制备其它钠盐或碳酸盐的原料。

工业上常用氨碱法生产碳酸钠：NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3↓+NH4Cl

2NaHCO3=Na2CO3+H2O↑+CO2↑

碳酸氢钠俗称小苏打，白色粉末，可溶于水，但溶解度不大，其水溶液呈弱碱性。主要用于医药和食品工业中。

44 ．．氯化钠氯化钠

氯化钠俗称食盐，是日常生活中和工业生产中不可缺少的化合物。氯化钠也是制造其它钠、氯化合物的常用原料。在自然界中，氯化钠资源非常丰富，海水、内陆盐湖、地下卤水及盐矿都蕴藏着丰富的盐资源。

氯化钠为透明晶体，味咸，易溶于水，其溶解度受温度影响较小。它是人和动物所必需的物质，在人体中 NaCl 的含量约占 0.9% 。 NaCl 可作食品调味剂和防腐剂，其冰盐混合物还可作致冷剂。它是制取金属 Na 、 NaOH 、 Na2CO3 、 Cl2 和 HCl 等多种化工产品的基本原料。

55 ．．氧化镁与氧化钙氧化镁与氧化钙

氧化镁俗称苦土，是一种白色粉末，具有碱性氧化物的通性，难溶于水，熔点约为 2850℃，可作耐火材料，制备坩埚、耐火砖、高温沪的衬里等；医学上将纯的 MgO 用作抑酸剂，以中和过多的胃酸，还可作轻泻剂。含有 MgO 的滑石粉（ 3MgO·4SiO2·H2O ）广泛用于造纸、橡胶、颜料、纺织、陶瓷等工业，也作为机器的润滑剂。

氧化钙俗称生石灰，是一种白色块状或粉末状固体，熔点为 2615℃，也可作耐火材料。氧化钙吸湿性强，可作干燥剂。它微溶于水，并与水作用生成 Ca(OH)2 ，放出大量的热。氧化钙也具有碱性氧化物的通性，高温下能与 SiO2 、P2O5 等化合：

CaO+SiO2 → CaSiO3

3CaO+P2O5 → Ca3(PO4)2

在冶金工业中，利用这两个反应，可将矿石中的 Si 、 P 等杂质以炉渣形式除去。氧化钙还广泛地用于制造漂白粉、电石及建筑方面。

氧化镁与氧化钙通常都用煅烧相应的碳酸盐矿的方法来制备。

66 ．．氯化镁与氯化钙氯化镁与氯化钙

氯化镁常以 MgCl2·6H2O 形式存在，其为无色晶体，味苦，易吸水。 MgCl2·6H2O受热到 530℃以上，分解为 MgO 和 HCl 气体。

MgCl2·6H2O MgO+2HCl↑+5H2O 因此，欲得到无水 MgCl2 ，必须在干燥的 HCl 气流中加热 MgCl2·6H2O ，使其脱水。无水 MgCl2

是制取金属镁的原料。纺织工业中用 MgCl2来保持棉纱的湿度而使其柔软。从海水中制得不纯 MgCl2·6H2O 的盐卤块，工业上常用于制造 MgCO3

和其它镁的化合物。

氯化钙极易溶于水，也溶于乙醇。将MgCl2·6H2O加热脱水，可得到白色多孔的无水 CaCl2 。无水 CaCl2 有很强的吸水性，实验室常用作干燥剂。但不能干燥 NH3 气及酒精，因为它们会形成 CaCl2·4NH3 、CaCl2·4C2H5OH 等。 CaCl2 水溶液的冰点很低（当质量分数为 32.5%时，其冰点为 -50℃），它是常用的冷冻液，工业上称其为冷冻盐水。

77 ．．硫酸钙和碳酸钙硫酸钙和碳酸钙

硫酸钙常含结晶水， CaSO4·2H2O 俗称石膏，为无色晶体，微溶于水，将其加热到 120℃左右，部分脱水转变为熟石膏。

2CaSO4·2H2O （ CaSO4 ） 2·H2O+3H2O

此为可逆反应，若将熟石膏加水混合成糊状后放置一段时间，又会变成 CaSO4·2H2O ，逐渐硬化并膨胀，故用以制模型、塑像、粉笔和石膏绷带。还用于生产水泥和轻质建筑材料。

碳酸钙为白色粉末，难溶于水，溶于酸和 NH4Cl 溶液。碳酸钙也很容易溶解在含有二氧化碳的水中。形成易溶于水的碳酸氢钙：

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

而在一定条件下，含有 Ca(HCO3)2 的水流经岩石又会分解：

Ca(HCO3)2=CaCO3+CO2

+H2O

石灰岩溶洞及钟乳石的形成就是基于上述反应。碳酸钙常用于制 CaO 、 CO2 、发酵粉和涂料等。

11.3 11.3 pp 区元素区元素

11.3.1 11.3.1 p p区元素的通性区元素的通性p 区元素包括Ⅲ A至 V AⅢ 六个主族，目前共有 31 个元素，是元素周期表中唯一包含金属和非金属的一个区。因此，该区元素具有十分丰富的性质。

11 ．．电子构型电子构型

p 区元素价电子构型为 ns2np1~6 ，在同周期元素中，由于 p轨道上电子数的不同而呈现出明显不同的性质，如 13号元素铝是金属，而 16号元素硫却是典型的非金属。在同一族元素中，原子半径从上到下逐渐增大，而有效核电荷只是略有增加。因此，金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。

22 ．．物理性质物理性质

p 区元素由于其电子构型的特殊性，因而既包含有金属固体、非金属固体，也有非金属液体及非金属气体（双原子分子）。因此，它们的物理性质差异很大。一般地，同周期元素中，熔、沸点从左到右逐渐减小，同族元素中，熔、沸点从上到下逐渐增大。

33 ．．化学性质化学性质

p 区元素的电负性较 s 区元素的大，所以，p 区元素在许多化合物中常以共价键结合。

p 区元素大多具有多种氧化值，其最高正氧化值等于其最外层电子数（即族数）。除此之外，还可显示可变氧化值，且正氧化值彼此之间的差值为 2 ，例如，硫原子的正氧化值分别为 +2 、 +4 、 +6 等。

p 区非金属元素（除稀有气体外），在单质状态以非极性共价键结合。当非金属元素的原子半径较小，成单价电子数较小时，可形成独立的少原子分子，如 Cl2 、O2 、 N2 等；而当非金属元素的原子半径较大，成键电子较多时，则形成多原子的巨形分子，如 C 、 Si 、 B 等。

p 区金属元素由于其电负性相对 s 区元素要大，所以其金属性比碱金属和碱土金属要弱。某些元素甚至表现出两性。如 Si 、 Al 等。

11.3.211.3.2 重要元素及其化合物重要元素及其化合物

1．铝铝是典型的两性金属，具有银白色光泽，质软。

具有良好的导电导热和延展性能。铝的电离能较小，电负性为 1.5 。铝的标准电极电位为 -1.66V ，但却不能从水中置换出氢气，因为它与水接触时表面易生成一层难溶解的氢氧化铝。铝与氧气的结合能力很强，铝暴露在空气中，其表面会形成一层致密的氧化膜。

铝在冷的浓 H2SO4 、浓 HNO3 中呈钝化状态，因此常用铝制品贮运浓 H2SO4 、浓 HNO3 。但铝可与稀 HCl 、稀 H2SO4

及碱发生反应放出氢气：2Al+6HCl====2AlCl3+3H2↑

2Al+3H2SO4====Al2 （ SO4 ） 3+3H2↑

2Al+NaOH+2H2O====2NaAlO2+3H2↑

铝是一种很重要的金属材料，广泛用来作导线、结构材料和日用器皿。特别是铝合金质轻而又坚硬，大量用于飞机制造和其它构件上。

22 ．．氧化铝氧化铝氧化铝可由氢氧化铝加热脱水而制得。

在不同的温度条件下，制得的 Al2O3 可以有不同的形态和不同的用途。一般常用希腊字母分别表示 α 、 β 、 γ… 等 Al2O3 。氧化铝是离子晶体，具有很高的熔点和硬度。

自然界存在的结晶氧化铝是 α-Al2O3 ，称为刚玉。而 Al （ OH ） 3 热分解得到的α- Al2O3 称人造刚玉。 α- Al2O3 不溶于水，也不溶于酸，在催化剂中常用作载体。

含有少量杂质的 - Al2O3 常呈鲜明的颜色。如红

宝石就是含极微量 Cr2O3 的 α- Al2O3 ，常用作制造耐磨的微型轴承（如手表中的“钻”）。蓝宝石则是含铁和钛氧化物的 α- Al2O3 。

α- Al2O3 是一种多孔性物质，有很大的表面积，并有优异的吸附性、表面活性和热稳定性，因而常常被用作催化剂的活性成分，又称活性氧化铝。 γ- Al2O3 不溶于水，但能溶于稀酸。

33 ．．二氧化碳二氧化碳

CO2 为无色、无臭的气体。大气中含有约 0.03% （体积）的 CO2 ，它主要来自于生物的呼吸，有机化合物的燃烧，动植物的腐败分解等。同时又通过植物的光合作用、碳酸盐岩石的形成等而消耗。目前，世界各国工业生产的迅速发展使空气中 CO2浓度逐渐增加，这已被认为是造成“温室效应”的主要原因之一。

固态 CO2 是分子晶体，它的熔点很低（ -78.5℃），固态 CO2 会直接升华，故称干冰。干冰常用作致冷剂，其冷冻温度可达 -70℃到 -80℃；干冰还常被用于易腐食品的保存和运输中。

CO2 不能自燃，又不助燃。密度比空气大，可使物质与空气隔绝，所以常用作灭火剂，也可作为防腐剂和灭虫剂。

CO2 还是一种重要的化工原料。如 CO2 与盐可制成碱； CO2 与氨可制成尿素、碳酸氢铵； CO2

也可用于制甲醇等。 CO2 可溶于水，溶于水的 CO2部分与水作用生成

碳酸。因而敞口贮放的蒸馏水会因溶入空气中的CO2 而显微酸性。

44 ．．硼砂硼砂硼砂为无色透明晶体，在空气中容易失去部分水而

风化，加热至 380~400℃，完全失水成为无水盐 Na2

B4O7 ，若加热到 878℃，则熔化为玻璃状物。溶化的硼砂能溶解许多金属氧化物，生成具有特征颜色的偏硼酸的复盐。例如：

Na2B4O7 +CoO=====2Na2BO2.Co （ BO2 ） 2 （宝蓝

色）硼砂的这一性质用在定性分析上鉴定某些金

属离子，称为硼砂珠试验。

硼砂易溶于水，水解而呈碱性， 20℃时，硼砂溶液的 pH 值为 9.24 。

硼砂是一种用途很广的重要化工原料，大量用在陶瓷、玻璃工业中，还作为硼肥，在农业生产上起着重要作用。硼砂是硼在自然界主要的矿石，它是制造单质硼和其它硼化物的主要原料。

55 ．．硝酸硝酸 纯硝酸为无色液体，熔点 -42℃，沸点 83℃。

溶有过多 NO2 的浓HNO3叫发烟硝酸。硝酸可

以任何比例与水混合，稀硝酸较稳定，浓硝酸见光或加热会按下式分解：4HNO3 (浓 )====4NO2+O2+2H2O

分解产生的 NO2 溶于浓硝酸中，使它的颜色呈现黄色到红色。

硝酸是一种强氧化剂，其还原产物相当复杂，不仅与还原剂的本性有关，还与硝酸的浓度有关。硝酸与非金属硫、磷、碳、硼等反应时，不论浓、稀硝酸，它被还原的产物主要为 NO 。硝酸与大多数金属反应时，其还原产物常较复杂，浓硝酸一般皆被硝酸还原到 NO2 ，稀硝酸可被还原到 NO ， N2O直到 NH4

+ 。

一般地硝酸愈稀，金属愈活泼，硝酸被还原的程度愈大。如：

Cu+4HNO3 （浓） =Cu （ NO3 ） 2+2NO2+2H2O

Mg+4HNO3 （浓） =Mg （ NO3 ） 2+2NO2+2H2O

3Cu+8HNO3 （稀） =3Cu （ NO3 ） 2+2NO+4H2O

4Mg+10HNO3 （稀） =4Mg （ NO3 ） 2+N2O+5H2O

4Mg+10HNO3 （极稀） =4Mg （ NO3 ） 2+NH4NO3+3H2

O

1 体积浓硝酸与 3 体积浓盐酸的混合物称为王水，可溶解金、铂等惰性贵金属。这时位于王水中大量存在的 Cl- 与金属离子结合成配离子的缘故。

硝酸是强酸，在稀溶液中完全电离。硝酸和碱作用生成硝酸盐，其水溶液没有氧化性。

硝酸是工业上重要的三酸（盐酸、硫酸、硝酸）之一。它是制造化肥、炸药、染料、人造纤维、药剂、塑料和分离贵金属的重要化工原料。

硝酸主要通过氨空气氧化路线生产：4NH3+5O2====== 4NO+6H2O2NO+O2======2NO2

3NO2+H2O======2HNO3+NO

66 ．．过氧化氢过氧化氢

纯过氧化氢为无色粘稠液体，在 0.40℃凝固， 151℃沸腾，沸腾时伴有爆炸分解。过氧化氢在液态和固态时，由于氢键的存在而产生分子的缔合。这也是其沸点较高的原因。

过氧化氢可以与水以任何比例混溶，其水溶液俗称双氧水，在水溶液中表现为一种极弱的二元酸：

H2O2 →H++HO2-

HO2- →H++O22-

过氧化氢的化学性质除了其弱酸性外，主要表现为

氧化还原性。 H2O2 既可作氧化剂，也可作还原剂。

H2O2 +2I-+2H+==I2+2H2O

PbS+4H2O2 ==PbSO4+4H2O 2MnO4

-+5 H2O2+16H+==2Mn2++5O2+ 8H2O Cl2+ H2O2==2HCl+O2

过氧化氢的分解反应也是一个氧化还原反应，而且是一个歧化反应：

2H2O 2===2H2O+O2

过氧化氢是重要的无机化工原料，也是实验室常用试剂。由于其氧化还原产物为 O2 或 H2O ，使用时不会引入其它杂质，所以过氧化氢是一种理想的氧化还原试剂。过氧化氢能将有色物质氧化为无色，所以可用来作漂白剂，它还具有杀菌作用， 3% 的溶液在医学上用作消毒剂和食品的防霉剂。90% 的 H2O2曾作为火箭燃料的氧化剂。

77 ．．硫酸硫酸

纯硫酸是无色油状液体，凝固点和沸点分别为 10.4℃和 338℃，化学上常利用其高沸点性质将挥发性酸从其盐溶液中置换出来。例如，浓 H2SO4 与硝酸盐作用，可制得易挥发的 HNO3 。

硫酸的化学性质主要表现在以下三个方面：

·吸水性 浓硫酸能和水结合为一系列的稳定水化物，因此它具有极强的吸水性，常用作干燥剂。它还能从有机化合物中夺取水分子而具脱水性。这一性质常用于炸药、油漆和一些化学药品的制造中。

氧化性 浓硫酸是一种相当强的氧化剂，特别是在加热时它能氧化很多金属和非金属，而其本身被还原为 SO2 、 S 或 S2- 。铁和铝易被浓硫酸钝化，可用来运输硫酸。不过，稀硫酸没有氧化性，金属活泼性在氢以上的金属与稀硫酸作用产生氢气。

·酸性 硫酸是二元酸，稀硫酸能完全解离为 H+ 和 HSO4

－，其二级解离较不完全， Ka2=1.2×10-2 。

硫酸是化学工业最重要的产品之一，它的用途极广，硫酸大量用以制造化肥，也大量用于炸药生产、石油炼制上。硫酸还用来制造其它各种酸、各种矾类及颜料、染料等。

88 ．．卤素单质卤素单质

卤素的单质都是以双原子分子存在的，以 X2 表示，通常指 F2 、 Cl2 、 Br2 、 I2

这四种。

卤素在水中的溶解度不大（ F2 与 H2O 剧烈反应

除外）， Cl2 、 Br2 、 I2 的水溶液分别称为氯水、

溴水和碘水，颜色分别为黄绿色、橙色和棕黄色。

卤素单质在有机溶剂中的溶解度比在水中的溶解

度要大得多。如 Br2 可溶于乙醚、氯仿、乙醇、

四氯化碳、二硫化碳等溶剂中。另外， I2由于

能与 I －形成 I3 －而易溶于水： I2+I －= I3

－

卤素单质均有刺激性气味，强烈刺激眼、鼻、气管等粘膜，吸入少量时，会引起胸部疼痛和强烈咳嗽；吸入较多蒸气会发生严重中毒，甚至造成死亡。

卤素单质均为活泼的非金属，氧化性较强，能与金属、非金属、水和碱等发生反应，并且卤素的氧化性越强，所发生的反应就越剧烈。卤素单质的化学性质比较见表 11-5 。

卤素的用途非常广泛。 F2 大量用来制取有机氟化物，如高效灭火刘（ CF2ClBr 、CBr2F2 等），杀虫剂（ CCl3F ）、塑料（聚四氟乙稀）等。氟碳化合物代红细胞制剂可作为血液代用品应用于临床。此外，液态 F2 还是航天燃料的高能氧化剂。

Cl2 是一种重要的化工原料，主要用于盐酸、农药、炸药、有机染料、有机溶剂及化学试剂的制备，用于漂白纸张、布匹等。

Br2 是制取有机和无机化合物的工业原料，广泛用于医药、农药、感光材料、含溴染料、香料等方面。它也是制取催泪性毒气和高效低毒灭火剂的主要原料。用Br2 制取的二溴乙烷（ C2H4Br2 ）是汽油抗震剂中的添加剂。

I2 在医药上有重要用途，如制备消毒剂（碘酒）、防腐剂（碘仿 CHI3 ）、镇痛剂等。碘还用于制造偏光玻璃，在偏光显微镜、车灯、车窗上得到应用。碘化银为照相工业的感光材料，还可作人工降雨的“晶种”。当人体缺碘时，会导致甲状腺肿大、生长停滞等病症。

99．盐酸．盐酸

盐酸是氢卤酸中最重要的一种酸。纯净的盐酸是无色透明液体，有刺激性气味。工业品因含有铁离子而显黄色。市售的浓盐酸中 HCl 的质量分数为 36%~38% ，密度是 1.19g.cm － 3 ，工业浓盐酸含 HCl仅 32%左右。

盐酸是三大强酸之一，具有酸的通性，它可以跟活泼金属、金属氧化物、碱等反应。此外，盐酸还具有一定的还原性，它可以跟强氧化剂（如 KMnO4 ）反应：

2KMnO4+16HCl==2KCl+2MnCl2+8H2O+5Cl2↑

盐酸是一种重要的工业原料和化学试剂，在医药、化工、机械、电子、冶金、纺织、皮革及食品工业中，都有着广泛的用途。例如，在食品工业上常用来制造葡萄糖、酱油、味精等；在机械热加工中，常用于钢铁制品的酸洗以除去铁锈；在化工工业中，盐酸常用于制备多种氯化物及其它各种含氯产品。

盐酸是通过将制得的氯化氢溶于水中而制备得到的。氯化氢的制备在工业上通常采用直接化合法，即将氯碱工业的副产品氢气和氯气，通入合成炉中，让氢气流在氯气中平静地燃烧生成氯化氢。实验室中通常是用浓硫酸与氯化钠在加热条件下制备氯化氢。

H2SO4 （浓） +12NaCl==NaHSO4+HCl

1010．硫代硫酸钠．硫代硫酸钠

硫代硫酸钠常含结晶水， Na2S2O3·5H2O 俗名海波或大苏打。它是无色晶体，无臭，有清凉带苦的味道，易溶于水，在潮湿的空气中潮解，在干燥空气中易风化。

Na2S2O3 晶体热稳定性高，在中性或碱性水溶液中也很稳定，但在酸性溶液中易分解：

Na2S2O3 +2H+==H2O+S↓+SO2↑

Na2S2O3 具有还原性，是中等强度的还原剂，例如：

Na2S2O3+4Cl2+5H2O==Na2SO4+H2SO4+8HCl

2Na2S2O3+I2==2Na2I+Na2S4O6

因此， Na2S2O3 在纺织、造纸等工业中用作除氯剂；在分析化学中用来测定碘含量。

Na2S2O3 的应用非常广泛，除了上述应用外，在照相行业中作定影剂，在采矿业中用来从矿石中萃取银，在三废治理中用于处理含 CN －的废水。在医药行业中用来做重金属、砷化物、氰化物的解毒剂。另外，它还应用于制革、电镀、饮水净化等方面，也是分析化学中常用的试剂。

1111 ．．氨氨

氨是无色有强烈刺激性臭味的气体，比空气轻，沸点 -33℃，熔点 -77℃。氨易溶于水，常温常压下 1 体积水可溶解 700体积氨。氨的水溶液叫氨水（ NH3·H2

O ），氨水不稳定，易分解为氨与水。氨水会部分电离，相当于弱碱：

NH3·H2O NH4++OH － Kb=1.8×10 － 5

氨的化学性质很活泼，可以与许多物质发生化学反应，其反应类型包括加合、氧化与取代三种。

加合反应： NH3+HCl==NH4Cl NH3+H3PO4==NH4H2PO4

氧化反应： 4NH3+5O2=====4NO+6H2

O 2NH3+3Cl2==N2↑+6HCl取代反应： 2NH3+2Na=2NaNH2+H2

工业上，在高温、高压、催化剂的条件下，由 N2 和 H2直接合成 NH3：

N2+3H2====2NH3

实验室中，通常采用加热 NH4Cl 和 Ca(OH)2 的混合物的方法制取 NH3：

2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2HN3↑+2H2O

氨有着广泛的用途，它是氮肥工业的基础，也是制造硝酸、铵盐、纯碱等化工产品的基本原料。氨也是有机合成（如合成纤维、塑料、染料、尿素等）常用的原料，也用于医药（如安乃近，氨基比林等）的制备。液氨还是常用的致冷剂。

11.4 d11.4 d 区元素区元素11.4.1 d区元素的通性

d 区元素包括 IIIB~VIIIB 族所有元素，又称过渡系列元素，四、五、六周期分别称为第一、第二、第三过渡系列。

11 ．．电子构型电子构型

d 区元素的价电子构型一般为 (n-1)1~8ns1~2 ，与其它四区元素相比，其最大特点是具有未充满的 d 轨道（ Pd 除外）。由于(n-1)d轨道和 ns轨道的能量相近， d电子可部分或全部参与化学反应。而其最外层只有 1~2 个电子，较易失去，因此，d 区元素均为金属元素。

22 ．．物理性质物理性质

由于 d 区元素中的 d电子可参与成键，单质的金属键很强，其金属单质一般质地坚硬，色泽光亮，是电和热的良导体，其密度、硬度、熔点、沸点一般较高。在所有元素中，铬的硬度最大（ 9 ），钨的熔点最高（ 3407℃），锇的密度最大（ 22.61g·cm-3 ），铼的沸点最高（ 5687℃）。

33 ．．化学性质化学性质

d 区元素因其特殊的电子构型，从而表现出以下几方面特性：

·可变的氧化值 由于 (n-1)d 、 ns轨道能量相近，不仅 ns电子可作为价电子，(n-1)d电子也可部分或全部作为价电子，因此，该区元素常具有多种氧化值，一般从 +2 变到和元素所在族数相同的最高氧化值。

·较强的配位性 由于 d 区元素的原子或离子具有未充满的 (n-1)d轨道及 ns 、 np空轨道，并且有较大的有效核电荷；同时其原子或离子的半径又较主族元素为小，因此它们不仅具有接受电子对的空轨道，同时还具有较强的吸引配位体的能力。因而它们有很强的形成配合物的倾向。例如，它们易形成氨配合物、氰基配合物、草酸基配合物等，除此之外，多数元素的中性原子能形成羰基配合物，如 Fe(CO)5 、Ni(CO)4 等，这是该区元素的一大特性。

·离子的颜色 d 区元素的许多水合离子、配离子常呈现颜色，这主要是由于电子发生 d—d 跃近所致。具有 d 、 d10构型的离子，不可能发生 d—d跃迁，因而是无色的，而具有其它 d电子构型的离子一般具有一定的颜色。

11.4.2 11.4.2 重要元素及其化合物重要元素及其化合物1．钛及其合金金属钛为银白色，外观似钢。钛在地壳

中的含量占第十位（ 0.42% ），属于含量较为丰富的金属元素。钛的熔点为 1680℃，沸点 3260℃，密度为 4.5g·cm-3 。钛具有特强的抗腐蚀作用，无论在常温或加热下，或在任意浓度的硝酸中均不被腐蚀。

钛的优异性能使之成为理想的结构材料和特殊的功能材料，从而广泛地应用于现代科技与工业的各个领域。钛或钛合金具有强度高、质量轻（仅为钢材的 57% ）、

抗腐蚀、耐高低温等优异性能，不仅广泛 用于超音速飞机、导弹、支载火箭和航天器上，也大量应用于 石油化工、纺织、冶 金机电设备等方面。

钛或钛合金的密度与人的骨骼相近，对体内有机物不起化学反应，且亲和力强，易为人体所容纳，对任何消毒方式都能适应，因而常用于接骨、制造人工关节等。

此外，钛或钛合金还具有特殊的记忆功能、超导功能和储氢功能等。

22 ．．重铬酸钾重铬酸钾

重铬酸钾是铬的重要盐类，为橙红色晶体，俗称红钾矾。重铬酸钾不含结晶水，低温时溶解度小，易提纯，所以常用作定量分析中的基准物质。

重铬酸钾在酸性溶液中有强氧化性，是分析化学中常用的氧化剂之一，如：

Cr2O72-+6Fe2++14H+=2Cr3++5Fe3++7H2O

Cr2O72-+6I-+14H+=2Cr3++3I2+7H2O

用重铬酸钾与浓硫酸可配成铬酸洗液，它具有强氧化性，是玻璃器皿的高效洗涤剂，多次使用后，转变为绿色（ Cr3

+ ）而失效。重铬酸钾不仅是常用的化学试剂，在工

业上还大量用于鞣革、印染、电镀和医药等方面。

33 ．．高锰酸钾高锰酸钾

高锰酸钾为紫黑色固体，易溶于水，呈现 MnO

4-离子的特征颜色即紫红色。受热或见光易分

解：

2KMnO4 =K2MnO4+MnO2+O2↑

因此 KMnO4固体或配好的 KMnO4 溶液应保存

在棕色瓶中，置阴凉处。

高锰酸钾具有氧化性，其氧化能力随介质的酸碱性减弱而减弱，其还原产物也因介质的酸碱性不同而变化，如 KMnO4 与 Na2SO3 的反应：

2MnO4-+5SO3

2-+16H+=2Mn2++5SO42-+8H2O （酸性

介质） 2MnO4

-+3SO32-+H2O=2MnO2↓+SO4

2-+2OH- （ 中 性介质）

2MnO4-+SO3

2-+2OH-=2MnO42 － +SO4

2-+H2O （强碱性介质）

高锰酸钾的氧化性广泛应用于分析化学中的定量分析，如 Fe2+ 、 C2O4

2－、 H2O2 、 SO32- 等：

MnO4-+8H++5Fe2+=Mn2++5Fe3++4H2O

2MnO4-+6H++5H2O2=2Mn2++5O2+8H2O

高锰酸钾在化学工业中用于生产维生素 C 、糖精等，在轻化工业用作纤维、油脂的漂白和脱色，医疗上用作杀菌消毒剂和防腐剂。在日常生活中可用于饮食用具、器皿、蔬菜、水果等消毒。

44 ．．铁铁

纯净的铁是光亮的银白色金属，密度为 7.85g·cm-3 ，熔点 1539℃，沸点 2500℃。铁能被磁铁吸引，在磁场的作用下，铁自身也能具有磁性。铁可以与碳及其它一些元素互熔形成合金。

纯铁耐蚀能力较强。在干燥的空气中加热到 150℃也不与氧作用，灼烧到 500℃时形成 Fe3O4 ，在更高温度时，可形成 Fe2O3 。铁在 570℃左右才能与水蒸气作用，但是，铁在潮湿的空气中即使室温条件也易生锈。

铁是中等活泼金属，能溶于稀盐酸和稀硫酸中，形成 Fe2+ 并放出氢气。冷的浓硝酸和浓硫酸能使其钝化。热的稀硝酸与铁反应时，若稀硝酸过量，则生成 Fe（ NO3 ） 3 ， NO 或 NH4

+ ；若铁过量，则生成 Fe （ NO3 ） 2 。在高温条件下，铁可以与氯、硫、磷等非金属直接化合，在 1200℃ 时，铁与碳形成 Fe3C ，这是钢铁中碳的主要存在形式。

铁及其合金是最基本的金属结构材料，在工农业生产以及日常生活的各个领域都有非常广泛的应用。钢铁的年产量是一个国家工业化程度的标志之一。

55 ．．氯化钴氯化钴氯化钴常含结晶水，最常见的 Co （ II ）盐是 C

oCl2·6H2O 。干燥的 CoCl2具有较强的吸水性，吸水量达饱和时即为粉红色的 CoCl2·6H2O 。而其一旦受热，又会失去结晶水变为蓝色的 CoCl2 。

CoCl2·6H2O( 粉红色 ) ←→ CoCl2·2H2O (紫色 ) ←→ CoCl2·H2O(蓝紫色 ) ←→ CoCl2(蓝色 )

因此，利用这种性质将 CoCl2 与硅胶制成变色硅胶，常用作实验室中的干燥剂。

11.5 11.5 dsds区元素区元素

11.5.1 ds区元素的通性ds 区元素包括 IB 、 IIB二族元素，主要

指铜族（ Cu 、 Ag 、 Au ）和锌族（ Zn 、Cd 、 Hg ）六种元素，该区元素处于 d区和 p 区之间，其性质有其独特之处。

11 ．．电子构型电子构型

ds 区元素的价电子构型为（ n-1 ） d10ns1~

2 ，其最外层电子构型与 s 区相同，但是它们的次外层电子数却不同。 s 区元素只有最外层是价电子，原子半径较大；而 ds 区元素的最外层 s电子和次外层部分的 d 电子都是价电子， np ， nd 有空的价电子轨道，原子半径较小。

22 ．．物理性质物理性质

ds 区元素都具有特征的颜色，铜呈紫色，银呈白色，金呈黄色，锌呈微蓝色，镉和汞呈白色。

由于（ n-1 ） d轨道是全充满的稳定状态，不参与成键，单质内金属键比较弱，因此，与 d区元素比较， ds 区元素有相对较低的熔、沸点。这种性质锌族尤为突出，汞（ Hg ）是常温下唯一的液态金属，气态汞是单原子分子。

另外， ds 区元素大多具有高的延展性、导热性和导电性。金是一切金属中延展性最好的，如 1克金既能拉成长 3Km 的丝，也能压成 1.0×10-4mm厚的金箔；而银在所有金属中具最好的导电性（铜次之）、导热性和最低的接触电阻。

33 ．．化学性质化学性质铜族元素的原子半径小， ns1电子的活泼

性远小于碱金属的 ns1电子，因此具有极大的稳定性，且单质的稳定性以 Cu 、 Ag 、 Au 的顺序增大。铜族元素具有多种氧化值，即它们失去 ns电子后，还能继续失去（ n－ 1 ） d电子，如 Cu2+,Au3+

等。

铜在干燥的空气中很稳定，有 CO2 及潮湿的空气时，则在表面生成绿色碱式碳酸铜（俗称“铜绿”）；高温时，铜能与氧、硫、卤素直接化合。铜不溶于非氧化性稀酸，但能与 HNO3 及热的浓 H2SO4 作用。

银在空气中稳定，但银与含硫化氢的空气接触时，表面因生成一层 Ag2S 而发暗，这是银币和银首饰变暗的原因。

金是铜族元素中最稳定的，在常温下它几乎不与任何其它物质反应，只有强氧化性的“王水”才能溶解它。因此，金是最好的金属货币。

锌族元素的性质既不同于铜族元素又不同于碱土金属。

锌族元素的氧化值一般为 +2 ，只有汞有+1氧化值的化合物，但以双聚离子 Hg2

2+

形式存在，如 Hg2Cl2 。锌族元素的化学活泼性比碱土金属要低得多，依 Zn 、 Cd 、 Hg顺序依次降低。

锌与铝相似，具有两性，既可溶于酸，也可溶于碱中。在潮湿的空气中，锌表面易生成一层致密的碱式碳酸锌而起保护作用。锌还可与氧、硫、卤素等在加热时直接化合。

汞俗称水银，常温下很稳定，加热至 300℃时才能与氧作用，生成红色的 HgO 。汞与硫在常温下混合研磨可生成无毒的HgS 。汞还可与卤素在加热时直接化合成卤化汞。汞不溶于盐酸或稀硫酸，但能溶于热的浓硫酸和硝酸中。汞还能溶解多种金属，如金、银、锡、钠、钾等形成汞的合金，叫汞齐，如钠汞齐、锡汞齐等。

必须指出，无论是铜族元素还是锌族元素，它们都能与卤素离子，氰根等形成稳定程度不同的配离子，其配位数通常是 4 或 2 。

11.5.211.5.2 重要化合物重要化合物1 ．硫酸铜硫酸铜 CuSO4·5H2O俗名胆矾，是蓝色斜方晶

体，其水溶液也呈蓝色，故也有蓝矾之称。 CuSO4·5H2O 可逐步失水，在 250℃ 时可失水

变为无水硫酸铜。无水硫酸铜为白色粉末，不溶于乙醇和乙醚，其吸水性很强，吸水后即显出蓝色。可以利用这一性质来检验乙醚、乙醇等有机溶剂中的微量水分，并可作干燥剂使用。

CuSO4 的水溶液由于水解而呈酸性。为防止水解，配制铜盐溶液时，常加入少量相应的酸：

2 CuSO4+H2O → [Cu2(OH)SO4]++HS-

硫酸铜通常是用热的浓硫酸溶解铜属而制得：

Cu+2H2SO4(浓 ) →CuSO4+SO2+H2O

硫酸铜是制备其它铜化合物的重要原料，在电镀、电池、印染、染色、木材保存、颜料、杀虫剂等工业中都大量使用硫酸铜。在农业上将硫酸铜与石灰乳混合制得波尔多液，可用于防治或消灭植物的多种病虫害，加入贮水池中可以防止藻类生长。

22 ．．硝酸银硝酸银

硝酸银是最重要的可溶性银盐，其晶体的熔点为 208℃，在 440℃时分解。若受日光照射或有微量有机物存在时，也逐渐分解，因此，硝酸银晶体或溶液都应装在棕色玻璃瓶内。

固体硝酸银或其溶液都是氧化剂，即使在室温条件下，许多有机物都能将它还原成黑色的银粉。例如硝酸银遇到蛋白质即生成黑色的蛋白银，所以皮肤或布与它接触后都会变黑。

在硝酸银的氨溶液中，加入有机还原剂如醛类、糖类或某些酸类，可以把银缓慢地还原出来生成银镜。这个反应常用来检验某此有机物，也用于制镜工业。

硝酸银的制法通常是：将银溶于硝酸，然后蒸发、结晶，即可得到无色的斜方晶体硝酸银。

硝酸银对有机物有破坏作用，在医药上常用 10

% 的 AgNO3 作为消毒剂或腐蚀剂。大量的硝酸

银用于制造照相底片上的卤化银。此外，硝酸银也是一种重要的分析试剂。

33 ．．氯化锌氯化锌

无水氯化锌是白色、容易潮解的固体，它的溶解度是固体盐中最大的（ 10℃时， 100g 水中可溶解 333g 的 ZnCl2 ），它的吸水性很强，在有机化学中常用作去水剂和催化剂。

ZnCl2 的浓溶液能形成配位酸而具有显著的酸性，因此该溶液也能溶解金属氧化物。

ZnCl2·H2O===H[ZnCl2(OH)]

2H[ZnCl2(OH)]+FeO==H2O+Fe[ZnCl2(OH)]2

因此， ZnCl2 的浓溶液通常称为焊药水，俗名“熟镪水”，在焊接金属时用它溶解、清除金属表面上的氧化物而不损害金属表面，便于焊接。ZnCl2 水溶液还可用作木材防腐剂，浓的 ZnCl2 水溶液能溶解淀粉、丝绸和纤维素，因此不能用纸过滤氯化锌。

ZnCl2·H2O 的糊状物，由于生成 Zn(OH)Cl 而迅速硬化，所以可用作牙科粘合剂。

ZnCl2 可通过 Zn 或 ZnO 与盐酸反应而制得。但是，由于 ZnCl2 的水解而试图通过蒸发 ZnCl2 溶液无法制备无水 ZnCl2 ，一般在干燥 HCl 气流中加热脱水来制备。

44 ．．氯化汞和氯化亚汞氯化汞和氯化亚汞氯化汞为针状晶体，可溶于水，有剧毒。氯化汞

为共价型分子，熔融时不导电，它的熔点很低（ 549K ）易升华，故俗称升汞。

HgCl2 在水中稍有水解，在氨水中氨解生成白色的氨基氯化汞沉淀。

在酸性溶液中， HgCl2 是个较强的氧化剂，例如可以被还原剂 SnCl2还原成氯化亚汞的白色沉淀或单质汞：

2HgCl2+SnCl2(适量 )==Hg2Cl2↓+SnCl4

Hg2Cl2+SnCl2(过量 )==2Hg↓+SnCl4

因此，此反应也常用来检验 Hg+离子或 Sn2+离子。

HgCl2 的 1:1000 稀溶液常用于手术刀剪的消毒。 HgCl2 也是生产聚氯乙烯中常用的催化剂。

高温下汞和氯气直接反应，或用 HgO 溶于盐酸，都可制得 HgCl2 。通常也可利用其升华特性而通过 HgSO4 和 NaCl 的混合物加热制备。

氯化亚汞是不溶于水的白色固体，无毒，因味略甜，俗称甘汞，医药上用作轻泻剂、利尿剂；化学上常用作甘汞电极。

Hg2Cl2加热或见光易分解，需贮存在棕色瓶中。