元素周期表和元素知识集萃(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:周公度 主编 王颖霞 副主编

出版社:化学工业出版社

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元素周期表和元素知识集萃

元素周期表和元素知识集萃试读:

前言

元素是具有相同核电荷数(质子数)的原子的总称。元素的性质按原子序数递增的次序排列,呈现周期性变化的规律。根据元素周期律把组成物质世界的所有元素分周期分族地排列成表,称为元素周期表。人们根据元素在表中所处的周期和族的位置,即可分析推断其性质和相互作用的趋势,获得对该元素的了解和知识。元素周期表是化学和物理学的一个珍宝。为了加深对各个元素的认识,我们在元素周期表的基础上,编写这本小册子,对元素分族加以介绍:涉及历史故事、存在情况、基本性质、特性和应用、生物学作用(主要是对人体的作用)、核反应以及某些元素重要化合物的结构和性质,使读者不仅可以学习元素的基本知识,也可以了解各种元素及其化合物与我们生活的联系,丰富自己的知识,提高科学素养。

本书由周公度等编写的《元素周期表》改编而成,并将原来附赠的“元素知识介绍”小手册在内容上和形式上都作了调整和修改,取名《元素周期表和元素知识集萃》。在编写过程中,我们力求从化学元素知识海洋中萃取其精华,供高级中学广大师生、大专院校从事化学教学和科研的师生以及广大科普爱好者阅读参考。

在修改过程中,我们虽然在内容上进行反复核对,精益求精,但因水平有限,书中难免出现缺点和疏漏,敬请读者予以指正。

在本书出版之际,我们深切感谢参加编写《元素周期表》的徐克敏、祁嘉义、靳乃英等先生;深切悼念《元素周期表》的责任编辑徐蔓女士。周公度 王颖霞2015年10月s区第1(1A)族元素氢(Hydrogen)H1号元素 H氢

早在16世纪,科学家就注意到铁放入稀硫酸中能产生一种可燃气体。1766年凯文迪什(H.Cavendish,英)制出氢气,并命名为“可燃空气”。1787年拉瓦锡(A.L.Lavoisier,法)给“可燃空气”命名为“hydrogen”(氢,意思是成水元素)。氢是宇宙中最丰富的元素,它的总质量占宇宙中普通物质(暗物质不计)质量总和的75%。地壳中氢的质量居第9位,约0.9%,主要存在于水中。现在工业上用的氢气主要由甲烷制得。

氢的主要同位素及核性质:①标记元素同位素的方法是在元素符号的左下角示出原子序数,左上角示出质量数(即原子核中质子数和中子数之和)。

特性和应用 氢在周期表中位于第一族,但它和第一族其他元素的性质不同,所以单独列出。常温下氢为无色、无臭、极易燃烧的双原子分子组成的气体。H和O结合形成水(HO)。H和C(以及N、O2等)元素结合形成庞大的有机物体系。氢最重要的化合物是水、氨和甲烷。氢是合成氨的主要原料。氢也是重要能源,它具有洁净、高效的特点,氢的产生、输运和储存是氢能源的关键问题。目前,大多数氢动力车辆是通过氢燃料电池驱动的。

生物学作用 氢是组成人体的主要元素,约占人体质量的10%。组成人体的化学元素中,在质量上氢占第3位,数目上占首位。氢是人体中水,酸,碱及各种有机物如蛋白质、碳氢化合物、脂肪、维生素的组成部分。与氧、氮等电负性高的原子共价结合的氢原子进一步与另外相邻的氧、氮之间形成的氢键维持蛋白质、DNA等分子的稳定构象,一旦氢键被破坏,其功能就完全丧失了。

核反应和核能 氢核聚变是星球辐射能的源泉。重水(DO)是2核工业的重要原料。氘和氚发生热核聚变,可以释放巨大的能量。相应的核反应如下。

氚的产生:

氘和氚的热核聚变(>100MK,等离子体):ΔH=-1698MJ/mol6

产生的中子再去轰击Li,引导进一步的反应,放出更多的能235量。核聚变反应的环境风险比U核裂变小。太阳正是基于上述聚变过程而发热发光,它每秒消耗6亿吨H,转化为5.95亿吨He,亏损的2400万吨质量,按照爱因斯坦质能联系方程E=mc转变成辐射能。其中照射到地球上的光能约相当于1.5876kg的质量亏损。氢弹是一种威力强大的核武器,其巨大的能量也源于上述热核聚变反应。s区第1(1A)族元素碱金属(Alkali metals)Li,Na,K,Rb,Cs,Fr

碱金属是元素周期表中第1族(即ⅠA族)金属元素的总称。它们有很高的化学活性,是金属性最强的还原剂,易于失去价电子变为一价正离子。碱金属和卤素、氧、硫等反应生成离子化合物,和水反应生成碱(MOH)并放出氢气(H)。这一族元素最为突出的特点2是其氧化物和氢氧化物具有碱性,因而得名。碱金属与水反应时剧烈情况不同:Li    Na    K    Rb   Cs平稳  剧烈  剧烈,燃烧 爆炸  爆炸

碱金属溶于纯液氨,形成导电的溶液,浓度小时呈蓝色,浓度大时呈黄褐色。研究发现,蓝色与氨合电子有关。

碱金属发生焰色反应,各显示其特征的颜色。Li   Na    K   Rb   Cs深红色 黄色  紫色  紫色  蓝色3号元素 Li锂

1817年阿尔费德森(J.A.Arfvedson,瑞典)在分析一种名为“叶石”(硅酸铝锂)的矿石时发现了锂,其拉丁文lithia原意为“石头”。自然界中锂主要以锂辉石和锂云母等矿物存在。

锂是银白色最轻金属,质软,但比钠、钾硬。性活泼,在空气中易被氧化而变暗,需储藏于煤油或惰性气体中。锂盐在水中的溶解度6与镁盐相似,而不同于其他碱金属盐。锂的同位素Li经反应堆里的中子照射后,可产生氚(详见氢的核反应和核能)。锂的热容较大-1-1(3.58J·g·K),故用于核反应堆中吸收裂变反应放出的热,也用于制造轻合金(与铍、镁、铝等)。由于锂的原子质量很轻而电极电位低(=-3.04V),是良好的电极材料。锂电池已广泛地用于手提电脑、移动电话、照相机等电子产品。

锂电池 锂是摩尔质量最小的金属,同时有着很低的电极电势,因此锂电池有较高的能量密度。锂电池于20世纪70年代问世,当时采用锂金属单质作负极,使用中存在一定安全隐患。20世纪80年代,提出了“摇椅电池”的概念,即充放电过程中,锂离子如在正负电极间来回移动。由于锂离子半径只有76pm,可在多种晶体结构中移动而不破坏母体结构,实现可逆的嵌锂、脱锂过程,即所谓的“锂离子电池”。电池由正极、负极和电解质三部分组成。目前,锂离子电池通常采用石墨作为负极,电解质是LiClO(或LiPF)与有机溶46剂(碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等)的混合物,正极活性材料为层状金属氧化物,典型的材料是LiCoO。在充放电过程中,电极发生下述2反应。

放电过程:LiC(x≈6)+CoO→LiC+LiCoO(0

充电过程则是上述放电反应的逆过程。11号元素 Na钠

1807年戴维(H.Davy,英)通过电解苛性钠制得金属钠。元素名称源于英文“soda”,意为“苏打”。元素符号源自拉丁文Natrium。地壳中钠含量丰富,其主要存在形式是氯化钠。海水中盐类占4%,其中的氯化钠含量高达3%。在海边建盐田,引入海水,经风吹日晒,蒸发掉水分,即可结晶出NaCl晶体。全球每年生产的氯化钠超过2亿吨。通过电解熔融氯化钠制的金属钠每年产量约10万吨。

钠是银白色金属,质轻且软并富延展性,常温时呈蜡状,低温时变脆。液体钠是液体中传热本领最高的一种,有些核电站用它做冷却剂。钠的化学性质非常活泼,一般存放在煤油中。钠能和许多非金属直接化合。燃烧时呈现黄色火焰。遇水剧烈作用,生成氢气和氢氧化钠,在冰上也能与水作用而燃烧。钠有许多用途,钠光灯可用作单色光源,并用于公路和机动车的照明。含钠的大宗工业产品有:氢氧化钠(NaOH),又称苛性钠、烧碱、火碱;碳酸钠(NaCO),又称23纯碱、苏打;碳酸氢钠(NaHCO),又称小苏打。3+

生物学作用 钠约占人体质量0.15%,多以钠离子(Na)形式存在,60%的钠存在于细胞外液(浓度为136~146mmol/L),10%存在于细胞内液(浓度为10mmol/L),其余30%存在于骨中,骨骼可视++-为Na的体内储存库;Na和氯离子(Cl)是维持细胞外液渗透压的+主要离子。Na对维持神经肌肉系统的应激性有重要作用。血浆中Na+浓度升高,心肌兴奋性增强。每人每日需钠2g,即需摄入食盐5g,摄入量过多易引发高血压。19号元素 K钾

1807年戴维(H.Davy,英)通过电解苛性钾首先制出金属钾。元素名称源于英文“potash”,意为“木炭碱”(碳酸钾),说明来自苛性钾。元素符号源自拉丁文Kalium。天然矿物有钾石盐(KCl)、钾硝石(KNO)、光卤石(KMgCl·6HO)和钾长石332[K(AlSiO)]等。海水里含微量的钾盐,陆生植物和海藻燃烧后26的灰分里含较多的碳酸钾。

钾是银白色蜡状金属,质软,比水还轻。钾的化学性质极为活泼,燃烧时呈紫色火焰。需存储在煤油中。超氧化钾(KO)与水和CO22作用可产生O,用于供氧装置中。钾钠合金(NaK)的熔点只2有-12.5℃,易传热又不易固化,故在增殖反应堆中用作热交换剂。40K存在于许多岩石中,半衰期长达12.5亿年,故广泛应用于岩石年代的确定。+

生物学作用 钾是人体常量元素。以钾离子(K)形式存在,+98%存在于细胞内液,其中K含量高达150mmol/L,而在细胞外液中++K含量仅4.1~5.6mmol/L(成人)。K对维持神经肌肉系统的应激性有重要作用,对神经信号的产生和传输至关重要,对心肌有抑制作用。钠和钾是人体必需元素。细胞膜上有特定功能的“离子泵”,控制细++胞内外离子的浓度,Na主要在细胞膜外,K主要在细胞膜内,二者维持一定的浓度保持心肌和神经肌肉的正常功能。天然食物中含钾丰+富,正常膳食可满足机体对K的需要。长期不进食的人要注意补钾。钾是植物生长所必需的元素之一,对促进茎叶生长、增加植物籽实和块根里的淀粉和糖的含量起着重要的作用。钾和氮、磷一起构成化学肥料的三大主要成分。37号元素 Rb铷

1861年本生(R.W.Bunsen,德)和基尔霍夫(G.R.Kirchoff,德)用光谱法从锂云母矿中发现了这种元素。名称源于其在光谱中呈深红色,用希腊文“rubidus”(意为深红色)命名。在自然界,铷散布在光卤石和很少见的铯榴石[Cs(AlSiO)]中。26

铷是银白色蜡状金属,质软。化学性质极活泼,胜于钾,需储存于煤油中。铷受光照易放出电子,用于电视机和光电管以及光电池的生产中。铷汞齐用作催化剂。RbAgI室温下具有优良的离子导电45性。55号元素 Cs铯

1860年本生(R.W.Bunsen,德)和基尔霍夫(G.R.Kirchhoff,德)用分光镜检验矿泉水的光谱时发现了这种元素。名称源于拉丁文“caesius”,意为“天蓝色”,因铯的光谱中有两条蓝线。在自然界,铯分散在光卤石和很少见的铯榴石[Cs(AlSiO)]中。26

铯是银白色金属,质轻而软且有延性。金属铯的熔点(28.5℃)仅高于汞,应储存于煤油中。铯在光照下易放出电子,用于制光电管、摄谱仪、红外信号灯、光学仪器和检测仪器,还用于清除真空系统133(如电视机显像管)中的残余气体。Cs被确定为时间的标准,即铯原子钟。

铯原子钟 利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准,去控制校准电子振荡器,进而控制钟的走动。1967年,国际单位制(SI)定义“1秒钟等于铯-133原子在两个能级之间转换9192631770个辐射周期所需要的时间”。137Cs是铀裂变的主要产物之一,为高毒性的放射性同位素。1372011年日本福岛核电站因地震受到破坏,Cs溢散到大气中。87号元素 Fr钫

1939年佩雷(M.Perey,法)研究锕的衰变产物时发现钫,为纪223念其祖国法兰西(France)而命名。Fr是自然界中钫唯一存在的同位素,地壳中含量估计仅为24.5g。s区第2(2A)族元素碱土金属(Alkali earth metals)Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra

碱土金属是元素周期表中第2列元素铍、镁、钙、锶、钡、镭的2总称,核外价电子组态为ns。因其氧化物兼具碱性(只有BeO为两性)和土性(熔点高)而得名。碱土金属性质活泼,除铍外,皆可生成典型离子型过氧化物。碱土金属Mg、Ca、Sr、Ba以及碱金属Na、K都是英国化学家戴维(H.Davy,1778~1829)发现的。戴维在学习拉瓦锡《化学元素论》时,看到“盐的土质可能都含有氧,这些土质可能是某种金属的氧化物”,戴维思维敏捷,他利用当时刚刚发现的伏打电堆,提出“电解”和“化学亲和力”之间的关系,认为化学亲和力实质上是一种电力。他通过电解方法,克服种种困难,把土质中的金属和氧分开,发现了土质中的金属元素。4号元素 Be铍

1798年,沃克兰(L.N.Vauquelin,法)在分析绿宝石的成分时发现了铍。铍矿石近30种,但很分散,主要为绿柱石(beryl)BeAlSiO,元素名称亦由此而来。32618

铍为浅灰色金属,有延展性,比铝轻1/3,导热性是钢的3倍、铝的2倍,为金属中的良导热体。铍的化学性质活泼与铝相似,在空气中能形成保护性的氧化层,在常温甚至在红热时皆稳定,氧化铍呈现出两性。金属铍用于制作导弹和火箭的部件;薄片能透过X射线用以制造X射线管窗口。铍铜合金硬度大,受撞击时不产生火花,用于制作油井和有可燃气体存在场所使用的工具。含铍的宝石有绿宝石(祖母绿)、海蓝宝,是美丽坚硬的晶体。3

铍属剧毒物质,铍化合物皆有毒。空气中若含有1mg/m的铍,便能使人立即得急性铍肺病,死亡率极高。铍也可致癌。12号元素 Mg镁

1808年英国化学家戴维(H.Davy)用电解法从硫酸镁和氧化汞的混合物中得到了镁汞合金,蒸去汞后得到金属镁。镁的英文名称Magnesium源于蕴藏丰富镁矿的希腊地名“Magnesia”(马格尼西亚)。地壳中镁含量丰富,居第6位。主要矿物有菱镁矿(MgCO)、白云石[CaMg(CO)]、光卤石(KMgCl·6HO)33232等。海水是镁的不竭之源。目前金属镁的制备方法主要是高温下电解MgCl。23

镁为银白色金属,质轻(密度为1.738g/cm),硬度中等,富延展性,导热导电性强。镁的化学性质活泼,具有强还原性,在潮湿空气中表面会生成氧化物膜而变暗,也可与氮、硫、卤素等化合。镁能和铝、钒、钛等金属形成力学性能优良的合金,广泛用于航空、航天、车辆、建材等各个方面。在常见的结构金属材料中,镁的用量仅次于铁和铝,排在第三位。镁在冶金工业中用作还原剂,制备金属铍和钛等;在炼钢工业中可用镁作脱硫剂并使石墨球化而形成球墨铸铁,增强铁的延展性和抗裂性。镁粉易燃并放出极强的白光,富紫外线,对照相底片的感光力极大,镁光灯就是利用了这一特性。

镁是生物体的必需元素。在绿色植物的叶绿素中,镁离子居于中2+心位置,叶绿素中镁含量大约2%。镁主要以Mg的形式存在于人体中,70%分布在骨骼,其余在软组织和细胞内外液中。镁为骨细胞结构和功能所必需,保证其正常生长和坚固度。镁是多种酶系的辅助因子或激活剂,广泛参与体内各种代谢过程,参与细胞内的能量释放和转化。镁离子对钾离子的运输、钙离子通道的活化启动及神经信息的传导和心肌作用十分重要。缺镁会导致心律不齐和肌肉颤抖。成人每天需要200~400mg镁。20号元素 Ca钙

1808年戴维(H.Davy,英)对石灰和氧化汞的混合物进行电解,得到钙汞齐,除去汞后制得钙,贝采里乌斯(J.J.Berzelius,瑞典)和蓬丁(M.M.Pontin,瑞典)也做出了贡献。钙的名称源于拉丁文“Calcis”,意为“石灰”。钙在地壳中的丰度排序为第5位。自然界中,钙化合物分布极广,有石灰石(CaCO)、方解石(CaCO)、33白垩、大理石、石膏(CaSO·2HO)、磷灰石[Ca(PO)4254(F,Cl,OH)]、白云石[CaMg(CO)]、萤石(CaF)、珊瑚3322等。其中,石灰石是方解石和文石(CaCO)的统称;白垩是富含3碳酸钙的黏土;大理石是多种岩石形成的建筑材料的名称,主要成分仍为碳酸钙;珊瑚是由珊瑚虫分泌的石灰质骨骼聚结而成的,主要成分也是碳酸钙。

钙为银白色金属,质软,新切断处呈现明亮的结晶面。钙的化学性质活泼,具有强还原性,易与卤素、氮、硫等化合。

钙的用途很广:(1)金属钙是强还原剂,冶金工业中用作脱硫剂、脱氧剂,用于制备稀土元素;(2)利用石灰石(碳酸钙,CaCO)烧制石灰(CaO),它与水混合形成熟石灰Ca(OH),熟32石灰在空气中吸收二氧化碳再变为碳酸钙,所以石灰用作建筑材料;(3)制石膏,生石膏(CaSO·2HO),熟石膏(CaSO·HO),4242用于建材、塑像、模型、医疗等;(4)制造电石(CaC),电石与2水反应生成乙炔气,可以作为化工原料;早期的纱灯即利用此过程生成的乙炔气燃烧照明;(5)氯化钙是重要化工原料,也是良好的融雪剂。

生物学作用 钙是人体中含量最多的金属元素,约占人体总质量的1.5%~2%。人体中钙90%以上分布在骨骼及牙齿中,其余的钙分布于体液及其他组织中。血液中的钙几乎全部存在于血浆中,一般成2+人血钙浓度为2.10~2.55mmol/L。Ca参与体内多种生理生化过程,在肌肉收缩、腺体的分泌及细胞生长等方面都起重要的作用。2+2+Ca还是许多酶的激活剂,如淀粉酶、脂肪酶。Ca能降低神经肌2+肉的兴奋性,血清中Ca浓度降低,肌肉兴奋性增加,导致抽搐。2+Ca有利于心肌收缩。缺钙儿童易患佝偻病,成人缺钙易患骨质疏2+松。含Ca的硬水会给生活和生产带来不少麻烦。38号元素 Sr锶

1808年戴维(H.Davy,英)通过电解氧化锶与氧化汞的混合物,制得锶汞齐,进而发现了锶。名称源于英文“strontian”,乃苏格兰一城镇名,戴维所使用的氧化锶便产于该镇附近。主要矿物有天青石(SrSO)和菱锶矿(SrCO)。43

锶是银白色金属,质软似蜡。锶的化学性质活泼,与水和酸作用猛烈!含锶的盐在无色火焰中呈红色,用于制焰火、光弹和光电管。90Sr有放射性,半衰期28.5年,可用于医疗检测。作为核爆炸90(铀核裂变)的副产物,Sr从大气回降到地面后,污染环境,再经食草动物转入人体,蓄积致癌。

锶是人体非必需但有用的微量元素,以牙齿和骨骼内分布最多(牙釉质180mg/kg,牙本质90mg/kg,骨120mg/kg),其他组织较少。作为骨骼和牙齿的必需成分,锶与骨骼和牙齿的形成密切相关。随年龄增长,骨内的锶含量增多。临床上通过检测锶的浓聚程度来判断骨愈合程度。56号元素 Ba钡

1808年戴维(H.Davy,英)电解氧化钡与氧化汞的混合物(重土),生成钡汞齐,并制得金属钡。名称源于希腊文“barys”,意为“重的”。主要矿物有重晶石(硫酸钡)和毒重石(碳酸钡)。

钡是银白色金属。钡粉遇潮气自燃,需储存于油中。钡用于合金(钡受热后极易放射电子)制造、焰火(绿色)、核反应堆等,也用于清洁真空系统中的杂质气体和精炼金属时的除氧剂。将氧化钡掺入玻璃中,可以增加折射率;由重晶石调制的泥浆常用以防止油井的井喷。

除难溶的硫酸钡外,一切钡盐皆有毒!对人的致死量为0.8g。钡餐是将硫酸钡粉末加入乳化剂分散在水中形成的浆液。因为钡元素吸收X射线能力强,用于X射线胃肠造影,根据它在胃肠中的分布,了解病灶的位置。88号元素 Ra镭

1898年居里夫妇(P.Curie和M.S.Curie,法)在处理沥青铀矿时,发现了一种新的放射性元素,化学性质类似钡,其紫外光谱有一条特征的谱线,试样的放射性越强,这条谱线也越清晰。他们给这个元素起名“radium”,意为“赋予放射性的物质”。为了得到金属镭,从1899年到1902年底,他们经过45个月的努力,处理了8t铀矿渣,得到0.1g氯化镭。1911年居里夫人和德贝恩合作,通过电解得到了金属镭。

镭呈银白色,化学性质活泼。在空气中放置会变黑色,可能是形成氮化物所致。镭发射出α和γ射线。1g镭一年发射的能量约为4186kJ。镭的放射性可以用来治疗癌症及其他疾病。若镭进入人体,会以类似于钙的途径进入骨骼,发射的α粒子会使红细胞发生变化。过量的镭的射线照射,也会破坏红细胞,导致贫血症和白血病。居里夫人和她的女儿都死于血液病,这与她们长期从事镭的研究工作受到镭的辐射有关。镭及其衰变产物发射γ射线,可用作镭γ标准源和镭铍中子标准源,也可用于金属材料内部探伤。镭的研究促进了放射化学的发展。鉴于对镭和钋的重要发现及放射性研究的贡献,居里夫人两度获诺贝尔奖,1903年获诺贝尔物理学奖,1911年获诺贝尔化学奖。p区第13(3A)族元素硼族元素(Boron group elements)B,Al,Ga,In,Tl5号元素 B硼

1807年盖·吕萨克(J.L.Gay-Lussac,法)和泰纳(L.J.Thenard,法)用金属钾还原氧化硼(BO,硼酸脱水产物)制23得单质硼,1808年戴维(H.Davy,英)也用同样的方法制得纯硼。主要矿物有硼砂[NaBO(OH)·8HO]、硬硼钙石24542{Ca[BO(OH)]·HO}、方硼石(Mg3[BO]OCl)等。3432712

硼的单质有多种形态,无定形硼为黑色粉末,晶形硼为银灰色,硬度仅次于金刚石,较脆。硼单质相对惰性,可溶于浓硝酸和硫酸。

硼化合物用途广泛。硼玻璃可透紫外线。硼还是有效的中子吸收剂。硼化物多坚硬、熔点高,是化学惰性材料。将少量硼掺入硅晶体中制成的p型半导体,用于制造太阳能电池。硼烷是航天工业用高能燃料。硼和氮可以形成氮化硼(BN),它和碳(C)是等电子体,可以形成类似金刚石或石墨的结构。金刚石型的立方氮化硼硬度接近金刚石,用作高温磨料和切割器,可以避免金刚石使用时碳化物的形成。六方氮化硼应用广泛,从航空器的保温层(耐氧耐高温),到工业润滑剂,乃至日常化妆品的添加剂(白色有光泽)。13号元素 Al铝

1825年厄尔斯泰德(H.C.Oersted,丹麦)用钾汞齐还原无水氯化铝获得不纯的金属铝。1827年,维勒(F.Wohler,德)用金属钾还原无水氯化铝得纯品铝,并被公认为铝的发现者。将氧化铝与冰晶石共熔电解而制得铝,纯度达99.8%,此法由霍尔和赫洛特于1886年各自独立发明,沿用至今。铝名称源于拉丁文“Alumen”,意为“明矾”。铝在地壳中含量仅次于氧和硅,是含量最高的金属元素。矿物有黏土矿、长石、云母等铝硅酸盐,以及铝土矿[主要成分为Al(OH)]、硬水铝石[AlO(OH)]、冰晶石(NaAlF)和明336矾石[KAl(SO)(OH)]等。34263

铝是银白色轻金属,密度小(2.698g/cm),有延展性,俗称“钢精”。在空气中表面形成的氧化物薄膜起保护作用。铝具有两性,既可溶于强碱生成铝酸盐和氢,又可溶于稀酸生成铝离子和氢。由于金属铝具有质轻、价廉、导电性好、无毒、无臭、无味、导热性好等优点,在金属中应用最广泛,产量仅次于铁。铝中加入铜、镁、锰等制成的合金,具有质轻、坚硬和高抗张强度的特点,是制造航空航天器、汽车、快艇等的优良材料。刚玉(α-AlO)硬度高,耐磨23性好,用于制作仪表的轴承和精密天平的刀口。人造刚玉可代替天然宝石,添加铬、钛、铁、镍等元素可以形成红宝石、蓝宝石和黄宝石,除用作装饰品外,还用作激光器。日常生活中,常见的铝化合物是明矾[KAl(SO)·12HO]。422

铝对人体是一种低毒、非必需的微量元素。其生化功能涉及酶、蛋白质、DNA和钙、磷的代谢作用。摄入过多的铝会导致神经、骨骼和造血功能的异常,引发老年痴呆。31号元素 Ga镓

1875年布瓦博德朗(L.de Boisbaudran,法)从锌矿中将镓制出,并用分光镜予以检出和鉴定。名称源于拉丁文“Gallia”,意为“高卢”(罗马帝国统治时期法国的名称),以纪念他的祖国法兰西。镓是分散元素,无单独矿物,常与铝、锌、锗的矿物共生,是铝、锌冶炼中的副产物。

镓为浅蓝色软金属,液态为银白色,高温时能与大多数金属作用,生产具有特殊性能的合金(超导或低熔点)。三价镓的氧化物和氢氧化物是两性的。

主要用途:(1)制备GaAs,GaSb等半导体材料,用于生产发光二极管、太阳能电池等;(2)金属镓熔点低(30℃),沸点高(2403℃),可以用于制作高温温度计;(3)镓和铟、锡形成的合金(Ga 76.4%,In 14.4%,Sn 9.2%)的最低共熔点为11℃,可代替有毒的汞,用于制作体温计。49号元素 In铟

1863年赖希(F.Reich,德)和李希特(H.T.Richter,德)从锌矿中分出InS,并用分光镜验证。名称源于“靛蓝”(indigo),因其23化合物在火焰中呈靛蓝色。铟是分散元素,无单独矿物,常与锌共生,见于闪锌矿中,含量仅在0.1%以下。

铟是浅蓝色金属,延展性好,比铅软,耐蚀性极强,燃烧时产生紫色火焰,加热时与硫、卤素、硒、碲、磷作用。铟可与多种金属形成合金,用于制造低熔点或良导热的合金,用于晶体管和光电池中。将铟箔插入核反应堆中可以控制反应的进行。铟的多种化合物(磷化铟、砷化铟、锡化铟、锑化铟)都是半导体材料。81号元素 Tl铊

1861年克鲁克斯(W.Crookes,英)在用分光镜检验硫酸厂的废渣时,发现了一条绚丽的绿线,由此发现了铊。名称源于希腊文“thallos”,意为“新苗,嫩枝”。铊属于稀散元素,多由铜、铅、锌等的硫化物矿石中提取。海底的锰结核矿中亦含铊。

铊是柔软的重金属,色白似铅,延展性好,在空气中生成厚的氧化物膜(TlO)而变成暗灰色。铊用于制作低温电子开关(铊汞合2金)、光电池和红外探测仪(硫化铊)。

注:铊及其化合物有剧毒!其毒性高于铅和汞,是一种有蓄积性的强神经毒物。成人最小致死量为12mg/kg。儿童最小致死量为5~7.5mg/kg。铊中毒的特效解毒药为普鲁士蓝。p区第14(4A)族元素碳族元素(Carbon group elements)C,Si,Ge,Sn,Pb6号元素 C碳

碳是古代已知元素。碳的单质有金刚石、石墨、1985年发现的球碳(又称富勒烯),以及非结晶碳,如木炭、煤、活性炭、焦炭等。碳在地壳中含量只占0.027%(质量分数),其中99.7%以煤、甲烷和碳酸盐的形式存在,0.2%在大气中以CO和CH出现,剩余不到240.1%的碳组成有机化合物。在地球上已发现和合成得到的化合物种类数目中,含碳有机物占90%以上。121314

碳的同位素 碳有C、C和C三种同位素,其特性和应用分1212述如下:C是碳的主要成分,占碳总量的98.93%。C是IUPAC规定的相对原子质量的物质标准,以其为基准,确定原子质量单位(英12文名称为atomic mass unit,单位符号u):即处于基态的C原子质量-27的1/12。1u=1.66055402(10)×10kg。例如,碳的相对原子质量为12.0107(8),即碳的原子质量为12.0107u,(8)表示该数据的最13后一位偏差为8。C的核自旋I=1/2,在核磁共振(NMR)中有响

1313应。C NMR是分析含碳化合物分子结构的重要方法。因C天然丰13度只有1.1%,在分子中相邻两个C均为C的概率极低,所以不会出1313现C-C耦合导致的自旋-自旋裂分,故每一组环境不等同的碳只出14现一条明锐的谱线,方便解析分子结构。C是碳的放射性同位素,半衰期为5730a,在考古学上用以测定地质中埋藏的生物体的年代。

碳的三类同素异构体 晶态的碳有三类同素异构体:金刚石、石3墨和球碳。金刚石结构中,碳原子以sp杂化轨道按四面体取向成键而形成晶体。每个原子都以C—C共价单键和周边原子结合,可以说一粒金刚石就是一个大分子。金刚石硬度居所有物质之首。石墨结构2中,碳原子以sp杂化轨道按平面三角形和周围3个原子结合,每个原子剩余一个轨道和一个电子相互形成离域键,形成平面型分子,因此石墨能导电、具有黑色金属光泽。层型石墨分子平行地堆积起来,形23成石墨晶体。球碳结构中,碳原子以介于sp和sp之间的杂化轨道型式相互结合形成一个一个球形分子,最常见的是以60个C原子组成足球形状的分子C,C分子堆积在一起,形成棕黑色的粉末状晶6060体。

金刚石是最硬的天然物质,也是最名贵的宝石。它折射率高(n=2.4173),对称性高,纯净的为无色透明晶体,若含少量杂质会D出现黄、褐、蓝、绿等颜色。经过精细雕琢,可形成对称多面体,在光照下,呈现霓虹色彩,美丽非凡。天然金刚石产量稀少,价格昂贵。金刚石亦可人工合成。细粒金刚砂(corundum,emery)是碳化硅的(SiC)的俗名,结构和金刚石相似,硬度高,生产价格便宜,可作细粒金刚石的代替品,作研磨和切割材料。

石墨具有层型结构,层内碳原子间形成离域π键,因而具有优良的导电性,可用以制作电极。包铜箔的石墨焊接电极,广泛用于钢铁的焊接工艺中。铅笔是用石墨和黏土等混合、加压制成。写字时,层型石墨分子受力铺在纸上(不一定是单层),由于笔迹的色泽和金属铅表面的色泽相似因而得名,也就是说铅笔不含铅。石墨烯(英文名称为graphene)是近年来备受关注的材料,它是单层石墨分子。可以用简单的胶带从石墨中“粘”出来,也可用高科技手段从石墨中分离,或者选择合适的含碳化合物,通过反应在衬底上(如硅单晶表面)形成。北京大学的研究人员以甲烷等碳氢化合物为原料,控制条件,在洁净的金属铜表面生长出面积较大的石墨烯,可用于制作柔性透明电极。

碳纳米管可看作是球碳的球体沿一个方向延伸形成开口或闭合的管状结构分子,或者由石墨层卷曲连接而成。理论计算表明,碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性,其强度约为相同粗细钢条的100倍,而密度只有钢的1/6,是又一种待开发的新领域。

无定形碳包括炭黑、烟炱、活性炭、焦炭、煤等,是制作多种重要工业产品的必需材料。

有机化合物,除甲烷及其衍生物外,可看作是含有碳-碳键的化合物,根据碳的单质的成键规律和结构型式,可将有机化合物分成三族,即脂肪族化合物、芳香族化合物和球碳族化合物,各族化合物都具有其通性。

碳是生命世界中最重要的元素,它构成有机物质的分子骨架。生命的基础物质如糖、蛋白质、脂肪、核酸等都是由碳骨架构成的。碳占人体质量的19%左右,是排在氧之后,即按质量计占第二位的元素。14号元素 Si硅

1823年贝采里乌斯(J.J.Berzelius,瑞典)用金属钾还原四氟化硅得到。名称源于拉丁文“Silex”,意为“燧石”。自然界中硅分布极广,资源丰富,是地壳中含量仅次于氧的元素,按质量计达25.7%。主要以二氧化硅和硅酸盐的形态存在。主要矿物有石英(SiO)、长2石和黏土等。中文名称硅(音归,gui),是20世纪50年代由中国化学会定名的。早期根据英文读音曾定名为“矽(音夕,xi)”,这一名称至今仍在港澳台地区应用。大陆医生对吸入含硅化合物而发生的职业病还常称“矽肺”(现称为“硅沉着病”),硅和铁形成的合金钢也常称作“矽钢”。

硅的化学性质不活泼,常温下与空气、水和大多数酸无明显作用,但能与氢氟酸发生化学反应。晶态硅分为单晶硅和多晶硅,具有半导体性质,有金属光泽,莫氏硬度6.5。无定形硅为灰黑色粉末。用途:(1)纯净的单晶硅(纯度达8个9以上)是制作芯片的基础材料,决定着信息工业的发展。(2)以金属铝作衬底,在其表面“植上”一层10~25μm的单晶硅层,即成太阳能电池中将光能变为电能的关键部件,是能源工业的基础。(3)石英的化学成分是SiO,天然和人工生2长的无色透明晶体,俗称水晶,带颜色和花纹的称玉燧和玛瑙,可做饰品、工艺品,天平的刀口,研钵;融化的石英制成石英玻璃,热膨胀系数低,耐压强度大,折射率高,可做精密光学元件、高压汞灯、化学仪器;超纯的石英玻璃纤维是光纤通讯的介质材料。(4)黏土的主要成分是硅铝酸盐,可以烧制陶瓷,用高岭土生产的瓷器洁白光亮,如同玉石,早年欧洲人称之为china,后来演化为中国的英文名称China;硅铝酸盐可以形成具有分子级孔道的多孔材料,俗称分子筛,广泛应用于吸附、分离和催化剂领域。(5)有机硅材料。利用硅与氧以及烷基结合的特点,可以控制形成各种硅氧烷,获得性能优良的硅油、硅树脂、硅橡胶等,广泛应用于工业和日常生活。

生物学作用 硅是人体的必需元素,主要存在于皮肤、主动脉、气管、肌腱以及骨骼和结缔组织中,参与重要的生命过程。32号元素 Ge锗

1886年温克勒(C.A.Winkler,德)分析处理硫银锗矿时得到GeS,再用氢气还原后制得锗。名称源于英文“Germany”,意为2“德国”,发现者以此纪念他的祖国。锗就是门捷列夫曾预言过的“类硅”。锗是分散元素,常与Ag、Pb、Sn、Sb在硫化物中共生,存在于煤、铁矿和某些银矿、铜矿中。矿物有硫锗铁铜矿(CuFeGeS)、硫锗银矿(Ag8 GeS)和硫铁铜矿[Cu(Fe,Ge)62863S]等。4

锗是银灰色金属。晶态锗质脆,加工性能似玻璃,有明显的非金属性质。细的锗粉能在氯或溴中燃烧。锗是优良半导体。高纯度的单晶锗可制造晶体管,掺入杂质元素(As、Ga、Sb)后的锗用于制作锗芯片,此举被认为是电子器件微型化的革命性举措。当前锗的主要应用是制作通信网络的光纤。另外,SiGe微芯片在无线电通信中已取代了GaAs芯片。

生物学作用 锗是人体非必需但有用的微量元素。有一定的非特异免疫增强作用。在人参、灵芝、枸杞等药材中含量较高。有机锗具有生理活性、药理作用,但用量需要控制,很多有毒副作用。50号元素 Sn锡

早在公元前约2100年,埃及、中国和希腊等地古人用木炭还原锡石(SnO)制得锡。将锡和铜制成青铜合金,开启了人类的青铜2时期。英文名称“tin”源于意大利古国Etruscan的一个神的名字Tinia,元素符号Sn源于拉丁文Stannum。

金属锡化学性质稳定,不易和水、空气及有机酸作用,外观保持银白色光泽,可制作锡壶等日用器皿,供盛酒等使用。铁皮表面镀锡形成镀锡铁,有抗锈蚀功能,可用来做罐头盒。由于此材料20世纪50年代前内地多由澳门(Macao)进口,所以按音译称为“马口铁”;也有另外的说法,因此材料被用于制作煤油灯灯头,形似“马口”而得名;如今这一名称已被废止。金属锡质软而富延展性,可制成很薄的锡箔,用以包装糖果、香烟等。锡可以和多种金属形成合金,如铜70%、锡20%和铅10%的合金耐冲击、耐腐蚀、耐高温,用以制造轴瓦;锡锆合金可用作核反应燃料棒的包装外壳;锡镓合金高温下易熔化,用于消防自动报警装置;锡铅合金用作焊锡等。铜锡合金称为青铜,十分坚硬,改变了纯铜和纯锡较软的性质。我国夏商周时代广泛使用青铜,史称青铜时代。

锡是人体必需的微量元素。锡化合物具有抗肿瘤活性,能促进蛋白质及核酸的合成并维护其三维空间结构。金属锡无毒,大多数无机锡化合物属于低毒或微毒类,但有机锡化合物多数有毒。

锡疫的故事 常温常压下锡的存在形式为白锡,密度为7.28g/33cm。当温度低于-13℃,变成密度低的灰锡(5.77g/cm),该相变发生时伴随体积膨胀,产生很大的内应力,使一块洁白明亮的金属变成灰色粉末状疏松物质,这种转变称为“锡疫”。历史上记载了两件和锡疫有关的大事:1812年,拿破仑率领60万大军远征俄国,士兵御寒的大衣纽扣由锡制成,在凛冽的寒风中,锡制纽扣碎裂,士兵受冷挨冻,大大降低了战斗力,最后拿破仑失败退回法国。另一件事发生在1912年,当时英国探险家斯克特(R.F.Scott)带领一队人马赴南极探险,他们携带煤油的油桶由焊锡焊制而成。在南极的低温条件下,焊锡发生锡疫而碎裂,桶内煤油漏光。失去了赖以取暖做饭的燃料,他们不幸被冻死在南极。82号元素 Pb铅

古代已知元素。拉丁文称铅为“Plumbum”,其符号“Pb”即源于此。矿物有方铅矿(PbS)和白铅矿(PbCO)等。铅矿中常杂有3其他金属元素,如银、锌、铜、铊和铟等。

铅是银白色重金属,质柔软,延性差、展性强,抗张强度小。铅

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