书城科普读物智慧百科(科学卷)
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第3章 元素(1)

什么是元素

元素是指具有相同质子数(核电荷数)的同一类原子的总称。自然界中一百多种基本的金属和非金属物质,它们只由几种有共同特点的原子原子组成,其原子中的每一核子具有同样数量的质子,用一般的化学方法不能使之变得更为简单,并且单独地或组合地构成一切物质,是化学元素的简称。元素的精确定义:具有相同核电荷数(或具有相同质子)的一类原子的总称。原子和离子的区别在于原子不显电性,离子显电性。

元素周期表

元素周期表是元素周期律用表格表达的具体形式,它反映元素原子的内部结构和它们之间相互联系的规律。元素周期表简称周期表。元素周期表有很多种表达形式,目前最常用的是维尔纳长式周期表。元素周期表有7个周期,有16个族和4个区。元素在周期表中的位置能反映该元素的原子结构。周期表中同一横列元素构成一个周期。同周期元素原子的电子层数等于该周期的序数。同一纵行(第Ⅷ族包括3个纵行)的元素称“族”。族是原子内部外电子层构型的反映。例如外电子构型,IA族是ns1,IIIA族是ns2np1,零族是ns2np6,IIIB族是(n~1)d1ns2等。元素周期表能形象地体现元素周期律。根据元素周期表可以推测各种元素的原子结构以及元素及其化合物性质的递变规律,化学元素周期表最早由门捷列夫于1869年编定。当年他根据元素周期表中未知元素的周围元素和化合物的性质,经过综合推测,成功地预言未知元素及其化合物的性质。现在科学家利用元素周期表,指导寻找制取半导体、催化剂、化学农药、新型材料的元素及化合物。

单质

单质是由同种元素组成的纯净物。元素在单质中存在时称为元素的游离态。一般来说,单质的性质与其元素的性质密切相关。比如,很多金属的金属性都很明显,那么它们的单质还原性就很强。不同种类元素的单质,其性质差异在结构上反映得最为突出。与单质相对,由多种元素组成的纯净物叫做化合物。

金属

金属定义:具特有光泽而不透明(对可见光强烈反射的结果),富有展性、延性及导热性、导电性的这一类物质。

1、金属中延展性最好的是Au,导电好的依次是Ag、Cu、Al;

2、金属有几种分类方法:

冶金工业分类法:

黑色金属:铁、铬、锰三种。

有色金属:铁、铬、锰以外的全部金属。

根据密度分类法:

轻金属:(密度小于4.5g/cm3):钾、钠、钙、镁、铝等;

重金属:(密度大于4.5g/cm3):锌、铁、锡、铅、铜等。

还可以把金属分为:

常见金属:如铁、铝、铜、锌等;

稀有金属:如锆、铪、铌、钽等。

碳是一种非金属元素,位于元素周期表的第二周期IVA族。它的化学符号是C,它的原子序数是6,电子构型为2s22p2。碳是一种很常见的元素,它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳单质很早就被人认识和利用,碳的一系列化合物--有机物更是生命的根本。拉丁语为Carbonium,意为“煤,木炭”。汉字“碳”字由木炭的“炭”字加表固体非金属元素的石字旁构成,从炭字音。性状:碳单质通常是无臭无味的固体。单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构,外观、密度、熔点等各自不同,碳的单质已知以多种同素异形体的形式存在常见的有石墨、金刚石、无定形碳。

硅(台湾、香港称硅)是一种化学元素,它的化学符号是Si,旧称硅。原子序数14,相对原子质量28.09,有无定形和晶体两种同素异形体,同素异形体有无定形硅和结晶硅。属于元素周期表上IVA族的类金属元素。

晶体硅为钢灰色,无定形硅为黑色,密度2.4g/cm3,熔点1420℃,沸点2355℃,晶体硅属于原子晶体,硬而有光泽,有半导体性质。硅的化学性质比较活泼,在高温下能与氧气等多种元素化合,不溶于水、硝酸和盐酸,溶于氢氟酸和碱液,用于造制合金如硅铁、硅钢等,单晶硅是一种重要的半导体材料,用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。硅在自然界分布极广,地壳中约含27.6%,主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。结晶型的硅是暗黑蓝色的很脆,是典型的半导体。化学性质非常稳定,在常温下除氟化氢以外很难与其它物质发生反应。

氮原子序数7,原子量为14.006747。元素名来源于希腊文,原意是“硝石”。1772年由瑞典药剂师舍勒和英国化学家卢瑟福同时发现,后由法国科学家拉瓦锡确定是一种元素。氮在地壳中的含量为0.0046%,自然界绝大部分的氮是以单质分子氮气的形式存在于大气中,氮气占空气体积的78%。氮的最重要的矿物是硝酸盐。氮有两种天然同位素:氮14和氮15,其中氮14的丰度为99.625%。氮在空气中的密度是1.2572kg/m3,在氨中的密度是1.2505kg/m3氮为无色、无味的气体,熔点-209.86°C,沸点-195.8°C,气体密度1.25046g/L,临界温度-146.95°C,临界压力33.54大气压。空气中氮气含量过高,使吸入气氧分压下降,引起缺氧窒息。吸入氮气浓度不太高时,患者最初感胸闷、气短、疲软无力;继而有烦躁不安、极度兴奋、乱跑、叫喊、神情恍惚、步态不稳,称之为“氮酩酊”,可进入昏睡或昏迷状态。吸入高浓度,患者可迅速昏迷、因呼吸和心跳停止而死亡。潜水员深替时,可发生氮的麻醉作用;若从高压环境下过快转入常压环境,体内会形成氮气气泡,压迫神经、血管或造成微血管阻塞,发生“减压病”。

磷的元素原子量为30.97,属于非金属。1669年,德国的布兰特,从人尿蒸馏和干馏后的物质中制得白磷。单质磷有几种同素异形体。其中,白磷或黄磷是无色或淡黄色的透明结晶固体。白磷的密度1.82g/cm3。熔点44.1℃,沸点280℃,着火点是40℃,放于暗处有磷光发出,有恶臭,剧毒,几乎不溶于水。在高压下加热会变为黑磷,其密度2.70g/cm3,略显金属性。磷的电离能为10.486eV,它不溶于普通溶剂中。白磷经放置或在400℃密闭加热数小时可转化为红磷。红磷是红棕色粉末,无毒,密度2.34g/cm3,熔点59℃,沸点200℃,

着火点240℃,红磷不溶于水。在自然界中,磷以磷酸盐的形式存在,是生命体的重要元素存在于细胞、蛋白质、骨骼和牙齿中。在含磷化合物中,磷原子通过氧原子而和别的原子或基团相联结。单质磷是由磷酸钙、石英砂和碳粉的混合物在电弧炉中熔烧而制得。白磷用于制造磷酸、燃烧弹和烟雾弹,红磷用于制造农药和安全火柴。

砷元素原子量为74.92,属于非金属。1250年,罗马的马格努斯在由雄黄与肥皂共热时得到砷。砷有黄、灰、黑褐三种同素异形体,其中灰色晶体具有金属性,脆而硬,具有金属般的光泽,并善于传热导电,易被捣成粉沫其密度5.727g/cm3。熔点817℃(28大气压),加热到613℃,便可不经液态,

直接升华,成为蒸气,砷蒸气具有一股难闻的大蒜臭味。砷的化合价为3和5,第一电离能9.81eV。游离的砷是相当活泼的,在空气中加热至约200℃时,有萤光出现,于400℃时,会有一种带蓝色的火焰燃烧,并形成白色的氧化砷烟。游离元素易与氟和氮化合,在加热情况亦与大多数金属和非金属发生反应。砷不溶于水,溶于硝酸和王水,也能溶解于强碱,生成砷酸盐。它主要以硫化物矿形式存在,有雄黄(As4S4)、雌黄(As2S3)、砷黄铁矿(FeAsS)等。砷单质可由三氧化二砷用碳还原而制得。砷多用于制造硬质合金,黄铜中含有微量砷时可以防止脱锌,砷的化合物可用于杀虫及医疗,砷和它的可溶性化合物都有毒。

氧的原子序数为8,元素相对原子质量15.9994,其核内质子数、核外电子数、核电核数都是8。氧在第二周期VIA,原子半径(计算值)60(48)pm,共价半径73pm,范德华半径152pm,价电子排布氦2s22p4,氧化价(氧化物)-2,-1(中性)属于非金属。氧的电负性为3.44(鲍林标度),比热920J/(kg·K)。1774年,英国的普利斯特里,在玻璃容器中加热氧化汞而得;1773年,瑞典的舍勒分解硝酸盐和利用浓硫酸与二氧化锰作用亦制得氧。氧以游离状态存在于空气中,按体积计算空气含氧达21%,并以化合状态存在于水中。氧在冶金工业、化学工业中用途很广,也是人和动、植物呼吸作用所必需的气体。工业上通常用低温沸腾法来制备氧气,而实验室里常用加热氯酸钾(KClO3)和二氧化锰(MnO2)的混合物;过氧化氢(H2O2)在二氧化锰催化下分解;高锰酸钾(KMnO4)加热分解来制得。如果需大量制取氧气则通常是通过电解水H2O得到。另外氧有两种常见单质,分别为氧气和臭氧。氧气有比较强的氧化性,能与大部分元素单质直接化合,生成氧化物,过氧化物或超氧化物而臭氧有极强的氧化性,氧化性仅次于氟气,能与绝大部分元素单质直接化合生成氧化物或臭氧化物。臭氧与氧气的转化在放电条件下氧气能转化为臭氧,在光照条件下臭氧能转化为氧气。

硫,俗称硫磺,元素原子量为32.066,属于非金属。古代人类已认识了天然硫,硫分布较广,通常为淡黄色晶体。单质硫有几种同素异形体,菱形硫(斜方硫)和单斜硫是现在已知最重要的晶状硫。它们都是由S8环状分子组成。

密度熔点沸点存在条件

菱形硫(S8)2.07g/cm3112.8℃444.674℃200℃以下

单斜硫(S8)1.96g/cm3119.0℃444.6℃200℃以上

硫单质导热性和导电性都差。性松脆,不溶于水,易溶于二硫化碳(弹性硫只能部分溶解)。无定形硫主要有弹性硫,是由熔态硫迅速倾倒在冰水中所得。不稳定,可转变为晶状硫(正交硫),正交硫是室温下唯一稳定的硫的存在形式。硫的化合价有-2、+2、+4和+6。第一电离能10.360eV。化学性质比较活泼,能与氧、金属、氢气、卤素(除碘外)及已知的大多数元素化合。它存在正氧化态,也存在负氧化态,可形成离子化合物、共价化合成物和配位共价化合物。

氟元素符号为F,元素原子量为19.00,属于非金属。它的质子数为9,中子数是10,原子序数为9,氟属于第二周期VIIA族,核外电子层分布为2~7。1886年,法国的莫瓦桑在铂制U型管中,用铂铱合金作电极,电解干燥的氟氢化钾,制得氟。氟属于卤素的一价非金属元素,正常情况下是一种浅黄色的、可燃的、刺激性毒气,是已知的最强的氧化剂之一。氟气为苍黄色气体,密度1.69g/L,熔点-219.62℃,沸点-188.14℃,化合价-1,氟的电负性最高,电离能为17.422eV,是非金属中最活泼的元素,氧化能力很强,能与大多数含氢的化合物如水、氨和除氦、氖、氩外一切无论液态、固态、或气态的化学物质起反应。氟气与水的反应很复杂,主要生成氟化氢和氧,以及较少量的过氧化氢,二氟化氧和臭氧产生,也可在化合物中置换其它非金属元素。可以同所有的非金属和金属元素起猛烈的反应,生成氟化物,并发生燃烧。它有极强的腐蚀性和毒性,操作时应特别小心,切勿使它的液体或蒸气与皮肤和眼睛接触,我们可从电解熔融的氟化钾和无水氟化氢的混合物中制得。