天津大学无机化学课件第十二章氮族碳族和硼族课件

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1、2022-5-15课件1第三节硼族元素硼族元素第十二章第十二章 氮族氮族、碳族和硼族元素碳族和硼族元素无机化学多媒体电子教案无机化学多媒体电子教案第三节第三节 硼族元素硼族元素2022-5-15课件212-3-1 硼族元素概述硼族元素概述0AAA A A He 氦氦2 B 硼硼 C 碳碳 N 氮氮 O 氧氧 F 氟氟 Ne 氖氖3 Al 铝铝 Si 硅硅 P 磷磷 S 硫硫 Cl 氯氯 Ar 氩氩4 Ga 镓镓 Ge 锗锗 As 砷砷 Se 硒硒 Br 溴溴 Kr 氪氪5 In 铟铟 Sn 锡锡 Sb 锑锑 Te 碲碲 I 碘碘 Xe 氙氙6 Tl 铊铊 Pb 铅铅 Bi 铋铋 Po At 砹

2、砹Rn 氡氡有时称为土族元素，其中有时称为土族元素，其中Al2O3为黏土的主为黏土的主要成分，既难溶又难熔要成分，既难溶又难熔2022-5-15课件31.81.71.61.52.0电负性电负性( )589558579578801I1/(kJmol-1) 88.680625027离子半径离子半径 r(M3+)/pm17016312214388原子半径原子半径/ /pm0、+1 (+3)0、+1 +30、+1 +30、+3 0、+3 主要氧化数主要氧化数6s26p15s25p14s24p13s23p12s22p1价层电子构型价层电子构型814931135原子序数原子序数铊铊(Tl)铟铟(In)镓镓

3、(Ga)铝铝(Al)硼硼(B)A p 12-3-1 硼族元素概述硼族元素概述 是地壳中蕴藏最丰富的金属元素，是地壳中蕴藏最丰富的金属元素， 主要以铝矾土矿主要以铝矾土矿(Al2O3xH2O)存在存在 铝是银白色、有光泽的轻金属铝是银白色、有光泽的轻金属 具有良好的导电性和延展性具有良好的导电性和延展性 广泛用来作导线、结构材料和器皿广泛用来作导线、结构材料和器皿 铝合金质轻又硬，用于飞机制造铝合金质轻又硬，用于飞机制造 自然界没有游离硼，自然界没有游离硼， 主要矿有主要矿有: 硼砂矿硼砂矿(Na2B4O710H2O)、 硼镁矿硼镁矿(Mg2B2O5H2O)、 方硼矿方硼矿(2Mg3B8O15M

4、gCl2)熔点比人的体温还低熔点比人的体温还低(3030左右左右) 液态镓的熔点、沸点相差大，液态镓的熔点、沸点相差大， 可作高温温度计，与其它金属可作高温温度计，与其它金属 可制低熔合金可制低熔合金 在自然界没有独立的矿物，分散在在自然界没有独立的矿物，分散在其它矿物中其它矿物中, 都是软金属都是软金属, 可用于生可用于生产新型半导体材料产新型半导体材料 2022-5-15课件41.81.71.61.52.0电负性电负性( )589558579578801I1/(kJmol-1) 88.680625027离子半径离子半径 r(M3+)/pm17016312214388原子半径原子半径/ /p

5、m0、+1 (+3)0、+1 +30、+1 +30、+3 0、+3 主要氧化数主要氧化数6s26p15s25p14s24p13s23p12s22p1价层电子构型价层电子构型814931135原子序数原子序数铊铊(Tl)铟铟(In)镓镓(Ga)铝铝(Al)硼硼(B)A p 价电子数价电子数价层电子轨道数价层电子轨道数为缺电子原子，可为缺电子原子，可形成缺电子化合物形成缺电子化合物3412-3-1 硼族元素概述硼族元素概述N、O、XC、Si、HB、Al举举 例例有孤电子对有孤电子对 有空轨道有空轨道特特 点点多电子原子多电子原子价层价层电子电子轨道数轨道数 价电子数价电子数等电子原子等电子原子缺电

6、子原子缺电子原子原原 子子2022-5-15课件51.81.71.61.52.0电负性电负性( )589558579578801I1/(kJmol-1) 88.680625027离子半径离子半径 r(M3+)/pm17016312214388原子半径原子半径/ /pm0、+1 (+3)0、+1 +30、+1 +30、+3 0、+3 主要氧化数主要氧化数6s26p15s25p14s24p13s23p12s22p1价层电子构型价层电子构型814931135原子序数原子序数铊铊(Tl)铟铟(In)镓镓(Ga)铝铝(Al)硼硼(B)A p 氧化数氧化数+3+3化合物稳定性降低化合物稳定性降低氧化数氧化

7、数+1+1化合物稳定性增加化合物稳定性增加 即即12-3-1 硼族元素概述硼族元素概述2022-5-15课件612-3-2 硼的氢化物硼的氢化物12-3-2 硼的氢化物硼的氢化物硼氢化合物性质与碳的氢化物硼氢化合物性质与碳的氢化物(烷烃烷烃)、硅的氢化物硅的氢化物(硅烷硅烷)相似，所以硼的氢化相似，所以硼的氢化物称为硼烷物称为硼烷类型类型B5H11(戊硼烷戊硼烷-11)B5H9(戊硼烷戊硼烷-9)B4H10(丁硼烷丁硼烷-10)BnHn+6B2H6(乙硼烷乙硼烷)举例举例BnHn+4通式通式 由于硼烷及其衍生物的特由于硼烷及其衍生物的特殊结构、性质和用途，使硼殊结构、性质和用途，使硼烷及其有关

8、的碳硼烷化学成烷及其有关的碳硼烷化学成为目前无机化学主要发展领为目前无机化学主要发展领域之一域之一2022-5-15课件7乙硼烷结构乙硼烷结构两个两个3c-2e键键 四个四个B-H 2c-2e键键 在同一水平面上在同一水平面上 两个两个3c-2e键键 位于水平面上下位于水平面上下 与水平面垂直与水平面垂直动画演示动画演示2022-5-15课件8多中心键多中心键 三中心二电子键三中心二电子键(3c-2e)简称三中心键简称三中心键 是多中心键的一种形式是多中心键的一种形式定义：是指定义：是指3个或个或3个以上原子之间所个以上原子之间所 形成的共价键形成的共价键B 缺电子原子缺电子原子 H等电子原子

9、等电子原子形成二个三中心二电子键形成二个三中心二电子键强度：为一般共价键强度的一半强度：为一般共价键强度的一半形成：缺电子原子形成：缺电子原子 等电子原子等电子原子硼烷的性质比烷烃活泼硼烷的性质比烷烃活泼 2022-5-15课件9硼烷的性质硼烷的性质通常情况下不稳定，在空气中能自燃通常情况下不稳定，在空气中能自燃 反应速率大，并放出大量热。反应速率大，并放出大量热。 曾想用作火箭或导弹的高能燃料曾想用作火箭或导弹的高能燃料, 但因毒性太大而未采用但因毒性太大而未采用B2H6(g)+3O2 B2O3(g)+3H2O(g)遇水发生水解遇水发生水解B2H6(g)+6H2O 2H3BO3+ 6H2能与

10、能与NH3、CO(有孤电子对有孤电子对)分子发生分子发生 加合作用加合作用B2H6 + 2CO 2H3B COB2H6 + 2NH3 2H3B NH32022-5-15课件1012.3.3 12.3.3 硼酸及其盐硼酸及其盐硼的含氧酸硼的含氧酸名称名称分子式分子式偏硼酸偏硼酸HBO2正硼酸正硼酸 ( (简称硼酸简称硼酸) )H3BO3多硼酸多硼酸xB2O3yH2OH2OH3BO3 HBO2 B2O3 H2O2022-5-15课件1112-3-3 硼酸及其盐硼酸及其盐硼酸硼酸12-3-3 12-3-3 硼酸及其盐硼酸及其盐分子间通过氢键形成接分子间通过氢键形成接近六角形的对称层状结近六角形的对称

11、层状结构，层与层之间借助微构，层与层之间借助微弱的范德华力联在一起弱的范德华力联在一起因此硼酸晶体为鳞片状因此硼酸晶体为鳞片状此结构使硼酸具有解理性此结构使硼酸具有解理性可用作润滑剂可用作润滑剂2022-5-15课件1212-3-3 硼酸及其盐硼酸及其盐硼酸硼酸12-3-3 12-3-3 硼酸及其盐硼酸及其盐分子间通过氢键形成接分子间通过氢键形成接近六角形的对称层状结近六角形的对称层状结构，层与层之间借助微构，层与层之间借助微弱的范德华力联在一起弱的范德华力联在一起因此硼酸晶体为鳞片状因此硼酸晶体为鳞片状此结构使硼酸具有解理性此结构使硼酸具有解理性可用作润滑剂可用作润滑剂2022-5-15课件

12、13硼酸硼酸一元弱酸一元弱酸H3BO3 + H2O B(OH)4- - + H+ + aK =5.8 10-10水溶液显酸性水溶液显酸性, 是由于硼原子是缺电子原子是由于硼原子是缺电子原子,价层有空轨道，能接受水解离出的价层有空轨道，能接受水解离出的OH- -孤电孤电子对，以配位键形式形成子对，以配位键形式形成B(OH)4- - 2022-5-15课件14硼砂硼砂化学式为化学式为Na2B4O5(OH)48H2O 习惯用习惯用Na2B4O710H2O表示表示 无色透明晶体，在空气中易风化失水无色透明晶体，在空气中易风化失水加热至加热至350 400脱水成为脱水成为Na2B4O7, 878 熔融熔

13、融, 冷却后成玻璃状物质冷却后成玻璃状物质, 即硼砂玻璃即硼砂玻璃易溶于水易溶于水, 其溶解度随温度升高而增大其溶解度随温度升高而增大易水解，水溶液呈碱性易水解，水溶液呈碱性4BO2 + H2O B4O7 + 2OH - - B4O7 + 7H2O 4H3BO3 + 2OH - -2-2-BOHOOOBOOOHBBHOOH2-2022-5-15课件15硼砂硼砂化学式为化学式为Na2B4O5(OH)48H2O 习惯用习惯用Na2B4O710H2O表示表示 无色透明晶体无色透明晶体,在空气中易风化失水在空气中易风化失水加热至加热至350 400脱水成为脱水成为Na2B4O7, 878 熔融熔融,

14、冷却后成玻璃状物质冷却后成玻璃状物质, 即硼砂玻璃即硼砂玻璃易溶于水易溶于水, 其溶解度随温度升高而增大其溶解度随温度升高而增大易水解，水溶液呈碱性易水解，水溶液呈碱性硼砂珠实验：铁硼砂珠实验：铁、钴钴、镍镍、锰等金属氧化物锰等金属氧化物可溶解在硼砂熔体中可溶解在硼砂熔体中, 呈不同的特征颜色呈不同的特征颜色Na2B4O7+ CoO Co(BO2)22NaBO2(蓝色蓝色)Na2B4O7+ NiO Ni(BO2)22NaBO2(棕色棕色)Na2B4O7+ MnO Mn(BO2)22NaBO2(绿色绿色)分析化学曾用此性质来鉴定某些金属离子分析化学曾用此性质来鉴定某些金属离子2022-5-15课

15、件1612-3-4 氧化铝和氢氧化铝氧化铝和氢氧化铝12-3-4 12-3-4 氧化铝和氢氧化铝氧化铝和氢氧化铝氧化铝氧化铝两种主要变体两种主要变体-Al2O3(刚玉刚玉) 硬度大，密度大硬度大，密度大 熔点高，不溶于酸熔点高，不溶于酸 化学性质稳定化学性质稳定 可作高硬质材料可作高硬质材料 耐磨材料和耐火材料耐磨材料和耐火材料- Al2O3(活性氧化铝活性氧化铝) 硬度小，质轻硬度小，质轻 不溶于水不溶于水, 溶于酸和碱溶于酸和碱 表面积大表面积大, 有强的有强的 吸附能力和催化活性吸附能力和催化活性 可作吸附剂和催化剂可作吸附剂和催化剂刚玉中含微量刚玉中含微量 Cr() 红宝石红宝石 Fe

16、()、Fe()、Ti() 蓝宝石蓝宝石 刚玉中含少量刚玉中含少量Fe3O4刚玉粉刚玉粉 2022-5-15课件17氢氧化铝氢氧化铝在铝酸盐溶液中通入在铝酸盐溶液中通入CO2, 得到晶态得到晶态Al(OH)3 在铝在铝()盐溶液中加入氨水或适量碱盐溶液中加入氨水或适量碱, 得到得到凝胶状含水量不定的水合氧化铝凝胶状含水量不定的水合氧化铝 (Al2O3xH2O) 通常也写成通常也写成2Al(OH)4- - +CO22Al(OH)3 +CO3 +H2O(白色白色)2-2022-5-15课件18氢氧化铝氢氧化铝难溶于水难溶于水两性两性溶于酸溶于酸 Al(OH)3+3H+ + Al3+3+3H2O溶于碱

17、溶于碱 Al(OH)3+OH- - Al(OH)4- -经光谱实验证实：经光谱实验证实： 溶液中不存在溶液中不存在AlO2 或或AlO3 3-2022-5-15课件1912-3-5 铝盐铝盐三氯化铝三氯化铝12-3-5 12-3-5 铝盐铝盐无水无水AlCl3只能用干法制取只能用干法制取2Al + 3Cl2 2AlCl3 Al2O3+3C + 3Cl2 2AlCl3 +3CO 常温下纯常温下纯AlCl3为无色晶体为无色晶体 气态气态AlCl3具有具有双聚分子缔合结构双聚分子缔合结构无水无水AlCl3溶于有机溶剂溶于有机溶剂 无水无水AlCl3在水中发生水解，在潮湿空气在水中发生水解，在潮湿空气

18、 中因强烈水解而冒烟中因强烈水解而冒烟2022-5-15课件20三氯化铝双聚分子结构三氯化铝双聚分子结构2个个Al 原子原子 与两侧的与两侧的4 个个Cl原子在原子在 同一平面上同一平面上 中间的中间的2个个 Cl原子位于原子位于 该平面两侧该平面两侧动画演示动画演示2022-5-15课件21硫酸铝硫酸铝2Al(OH)3+ 3H2SO4 Al2(SO4)3+6H2O制取：制取： 纯氢氧化铝与热纯氢氧化铝与热、浓硫酸反应浓硫酸反应Al2O3+ 3H2SO4 Al2(SO4)3+ 3H2O常温下自溶液析出无色针状晶体常温下自溶液析出无色针状晶体 (Al2(SO4)318H2O)硫酸与铝矾土或高岭土

19、作用硫酸与铝矾土或高岭土作用 2022-5-15课件22硫酸铝硫酸铝易溶于水，水溶液由于易溶于水，水溶液由于Al3+水解呈酸性水解呈酸性Al3+ + H2O Al(OH)2+ + H+ 易与碱金属易与碱金属( (除除Li外外) )或铵形成矾或铵形成矾 如如 Al(SO4)212H2O弱酸的铝盐在水中完全水解弱酸的铝盐在水中完全水解 2Al3+ + 3S2- + 6H2O 2Al(OH)3+ 3H2S 2Al3+ + 3CO3 +3H2O 2Al(OH)3+ 3CO2 2-2022-5-15课件23Al3+的鉴定的鉴定Al3+ + 铝试剂铝试剂 红色絮状沉淀红色絮状沉淀（pH=4 5）2022-

20、5-15课件24第三节硼族元素硼族元素第十二章第十二章 氮族氮族、碳族和硼族元素碳族和硼族元素无机化学多媒体电子教案无机化学多媒体电子教案第三节第三节 结束结束2022-5-15课件25第四节对角关系第四节对角关系无机化学多媒体电子教案无机化学多媒体电子教案 第十二章第十二章 氮族、碳族和硼族元素氮族、碳族和硼族元素第四节第四节对角关系对角关系2022-5-15课件26A01HA A A A A AHe 2LiBeB C N O F Ne 3 NaMgAl Si P S Cl Ar 4KCaGa Ge As Se Br Kr 5 RbSrIn Sn Sb Te I Xe 6 CsBaTl Pb

21、 Bi Po At Rn 7FrRa周期系中有些元素的性质常与它右下方相周期系中有些元素的性质常与它右下方相邻的另一元素类似，这种关系叫对角关系邻的另一元素类似，这种关系叫对角关系2022-5-15课件27硼与硅的相似性硼与硅的相似性性质性质硼硼(B)硅硅(Si)单单质质晶态晶态原子晶体原子晶体原子晶体原子晶体与碱作用与碱作用置换出氢置换出氢置换出氢置换出氢含氧酸含氧酸酸性酸性很弱很弱 很弱很弱稳定性稳定性很稳定很稳定稳定稳定多酸和多酸盐多酸和多酸盐链状或环状链状或环状链状或环状链状或环状重金属重金属 含氧酸盐含氧酸盐颜色颜色特征颜色特征颜色特征颜色特征颜色溶解度溶解度较小较小较小较小氢化物稳

22、定性氢化物稳定性不稳定不稳定不稳定不稳定卤化物水解性卤化物水解性极易水解极易水解极易水解极易水解a 10-10 10-10 KKa(1)2022-5-15课件28锂与镁的相似性锂与镁的相似性 性性 质质 LiMg在过量在过量O2燃烧燃烧 生成正常氧化物生成正常氧化物 Li2O MgO氢氧化物氢氧化物为中强碱为中强碱,在水中溶解度不大在水中溶解度不大氟化物氟化物、碳酸盐碳酸盐 磷酸盐磷酸盐难溶难溶氯化物氯化物溶于有机溶剂溶于有机溶剂碳酸盐受热碳酸盐受热分解为正常氧化物分解为正常氧化物 Li2O MgO2022-5-15课件29铍与铝的相似性铍与铝的相似性 性性 质质 BeAl单单 质质活泼金属活泼金属两两 性性能被冷能被冷、浓硝酸钝化浓硝酸钝化氯化物氯化物 为共价双聚物为共价双聚物 易升华和溶于有机溶剂易升华和溶于有机溶剂2022-5-15课件30第四节结束第四节结束无机化学多媒体电子教案无机化学多媒体电子教案 第十二章第十二章 氮族、碳族和硼族元素氮族、碳族和硼族元素第四节第四节结束结束