LHCC第四次资料

LHCC第四次资料——元素化学Ⅰ

元素化学是化学学习的基础，想要完全掌控化学（甚至不止高中的化学），首先应该将你的双脚完全踏入元素世界的殿堂。

——丽水中学化学社负社长寄语

（提示：1.古老的元素化学有很多的故事；2.元素化学往往从物质的游离态展开）

氢Hydrogen：游离氢工业制法（实验室内可用你想到的任何较快速反应）

水煤气法：C（s）+ H₂O（g）=高温=CO（g）+ H₂（g）

　　 CO（g）+H₂O（g）=催化剂=CO₂（g）+H₂（g）

性质：在常温下，氢比较不活泼，但可用合适的催化剂使之活化。在高温下，氢是高度活泼的。除稀有气体元素外，几乎所有的元素都能与氢生成化合物。非金属元素的氢化物通常称为某化氢，如卤化氢、硫化氢等；金属元素的氢化物称为金属氢化物，如氢化锂、氢化钙等。

用途：氢是重要工业原料，又是未来的能源，也是最清洁的燃料。氢的同位素氘和氚可应用于核聚变，提供能量，因为技术原因，核聚变发电还无法大量应用。可生产合成氨和甲醇，也用来提炼石油，氢化有机物质作为收缩气体，用在氧氢焰熔接器和火箭燃料中。在高温下用氢将金属氧化物还原以制取金属较之其他方法，产品的性质更易控制，同时金属的纯度也高。广泛用于钨、钼、钴、铁等金属粉末和锗、硅的生产。

氦Helium：稀有气体的一种。元素名来源于希腊文，原意是“太阳”。

发现：1868年有人利用分光镜观察太阳表面，发现一条新的黄色谱线，并认为是属于太阳上的某个未知元素，故名氦。英国物理学家杜瓦在1898年首先得到了液态氢。就在同一年，荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯也得到了液态氢。液态氢的沸点是零下253℃，在这样低的温度下，其他各种气体不仅变成液体，而且都变成了固体。只有氦是最后一个不肯变成液体的气体。包括杜瓦和卡美林·奥涅斯在内的科学家们和决心把氦气也变成液体。1908年7月13日晚，荷兰物理学家卡美林·奥涅斯和他的助手们在著名的莱顿实验室取得成功，氦气变成了液体。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。要得到液态氦，必须先把氦气压缩并且冷却到液态空气的温度，然后让它膨胀，使温度进一步下降，氦气就变成了液体。液态氦是一种与众不同的液体，其沸点为零下269℃。在这样低的温度下，氢也变成了固体，与空气接触时，空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。1934年，在英国卢瑟福那里学习的前苏联科学家卡比查发明了新型的液氦机，每小时可造4升液态氦。以后，液态氦才在各国的实验室中得到广泛的研究和应用。

性质：氦在通常情况下为无色、无味的气体，是唯一不能在标准大气压下固化的物质。氦是最不活泼的元素，不形成化合物（即使有，也仅痕量发现于质谱中，且不稳定）。

应用：氦的主要是作为保护气体、气冷式核反应堆的工作流体和超低温冷冻剂。

锂Lithium：

发现：第一块锂矿石，透锂长石（LiAlSi₄O₁₀）是由一位巴西人在名为Utö的瑞典小岛上发现的，于18世纪90年代。当把它扔到火里时会发出浓烈的深红色火焰，斯德哥尔摩的Arfvedson分析了它并推断它含有以前未知的金属，他把它称作lithium。他意识到这是一种新的碱金属元素。然而，不同于钠的是，他没能用电解法分离它。1821年电解出了微量的锂，但这不足以做实验用。直到1855年德国化学家和英国化学家电解氯化锂获才得了大块的锂。中国的锂矿资源丰富。

性质：银白色金属。质较软，可用刀切割。是最轻的金属，比所有的油和液态烃都小，故应存放于液体石蜡、固体石蜡或或白凡士林中(在液体石蜡中锂也会浮起)。锂的密度非常小，仅有0.534g/cm³，为非气态单质中最小的一个。因为锂原子半径小，故其比起其他的碱金属，压缩性最小，硬度最大，熔点最高。锂的焰色反应为紫红色。是金属活动性最强的金属（金属性最强的金属是铯）。由于氢氧化锂溶解度不大而且锂与水反应时放热不能使锂融化，所以锂与水反应还不如钠剧烈，反应在进行一段时间后，锂表面的氮氧化物膜被溶解，从而使反应更加剧烈。在500℃左右容易与氢发生反应，产生氢化锂，是唯一能生成稳定得足以熔融而不分解的氢化物的碱金属，电离能5.392电子伏特，与氧、氮、硫等均能化合，是唯一的与氮在室温下反应，生成氮化锂（Li₃N）的碱金属。由于易受氧化而变暗。如果将锂丢进浓硫酸，那么它将在硫酸上快速浮动，燃烧并爆炸。如果将锂和氯酸钾混合（震荡或研磨），它也有可能发生爆炸式的反应。锂的一些反应的化学反应方程式叙述如下：

2 Li + O₂ = Li₂O （反应条件：自发反应，或者加热，或者点燃）(燃烧猛烈）

6 Li + N₂ = 2 Li₃N（反应条件：自发反应，或者加热，或者点燃）

2 Li + S = Li₂S （该反应放出大量热，爆炸！）

2 Li + 2 H₂O = 2 LiOH + H₂↑（现象：锂浮动在水面上，迅速反应，放出氢气）

2 Li + 2 CH₃CH₂OH(乙醇) = 2 CH₃CH₂OLi(乙醇锂) + H₂↑

4 Li + TiCl₄ = Ti + 4 LiCl

2 Li + 2 NH₃(l.) = 2 LiNH₂ + H₂↑

氢化锂遇水发生猛烈的化学反应，产生大量的氢气。两公斤氢化锂分解后，可以放出氢气566千升。氢化锂的确是名不虚传的“制造氢气的工厂”。第二次世界大战期间，美国飞行员备有轻便的氢气源——氢化锂丸作应急之用。飞机失事坠落在水面时，只要一碰到水，氢化锂就立即与水发生反应，释放出大量的氢气，使救生设备(救生艇、救生衣、讯号气球等)充气膨胀。

工业上可以用如下的方法制备锂单质：

将氯化锂在不超过其熔点(602℃)的温度下灼烧干燥1h。

使用经过氢氧化钾脱水干燥的、新蒸馏的吡啶溶解上述氯化锂，制成11.81%的氯化锂的吡啶溶液作为电解液。用石墨板作阳极，光洁的铂片或铁片作阴极，无隔膜。

应用：Li-6捕捉低速中子能力很强，可以用来控制铀反应堆中核反应发生的速度，同时还可以在防辐射和延长核导弹的使用寿命方面及将来在核动力飞机和宇宙飞船中得到应用。Li-6在原子核反应堆中用中子照射后可以得到氚，而氚可用来实现热核反应。Li-6在核装置中可用作冷却剂。

铍Beryllium：

发现：1798年，法国化学家沃克兰对绿柱石和祖母绿进行化学分析时发现了铍。但是，单质铍在三十年后的1828年由德国化学家维勒用金属钾还原熔融的氯化铍而得到的。克拉普罗特曾经分析过秘鲁出产的绿玉石，但他却没能发现铍。柏格曼也曾分析过绿玉石，结论是一种铝和钙的硅酸盐。18世纪末，化学家沃克兰应法国矿物学家阿羽伊的请求对金绿石和绿柱石进行了化学分析。沃克兰发现两者的化学成分完全相同，并发现其中含有一种新元素，称它为Glucinium，这一名词来自希腊文glykys，是甜的意思，因为铍的盐类有甜味。沃克兰在1798年2月15日在法国科学院宣读了他发现新元素的论文。由于钇的盐类也有甜味，后来维勒把它命名为Beryllium，它来源于铍的主要矿石──绿柱石的英文名称beryl。

性质：铍是钢灰色金属轻金属。硬度比同族金属高，不像钙、锶、钡可以用刀子切割。铍和锂一样，在空气中形成保护性氧化层，故在空气中即使红热时也很稳定。不溶于冷水，微溶于热水，可溶于稀盐酸，稀硫酸和氢氧化钾溶液而放出氢。金属铍对于无氧的金属钠即使在较高的温度下，也有明显的抗腐蚀性。铍价态为正2价，可以形成聚合物以及具有显著热稳定性的一类共价化合物。铍由于表面易形成致密的保护膜而不与水作用，而同族其它金属镁、钙、锶、钡均易与水反应。氢氧化铍是两性的，而同族其它元素的氢氧化物均是中强碱或强碱性的。铍在氧气中燃烧，或铍的碳酸盐、硝酸盐、氢氧化物加热分解，都可以得到白色末状的氧化铍BeO，它的熔点为2803K，难溶于水，也不容易乙醇，可用做耐高温材料。BeO是共价型的，并具有44的硫化锌（闪锌矿型）结构。BeO不溶于水，但能溶于酸生成的铍盐，也能溶于碱生成的铍酸盐，BeO是两性氧化物。氢氧化铍是白色固体，在水中溶解度较小，它是两性氢氧化物，溶于酸形成Be2+，溶于碱形成[Be(OH)₄]2-。

应用：铍作为一种新兴材料日益被重视，铍是原子能、火箭、导弹、航空、宇宙航行以及冶金工业中不可缺少的宝贵材料。在所有的金属中，铍透过X射线的能力最强，有金属玻璃之称，所以铍是制造X射线管小窗口不可取代的材料。铍是原子能工业之宝。铍的氧化物不仅能够像镜子反射光线那样把中子反射回去，而且熔点高，特别能耐高温，是反应堆里中子反射层的最好材料。铍是优秀的宇航材料。人造卫星的重量每增加一公斤，运载火箭的总重量就要增加大约500kg。制造火箭和卫星的结构材料要求重量轻、强度大。铍比常用的铝和钛都轻，强度是钢的四倍。铍的吸热能力强，机械性能稳定。含有一定数量镍的铍青铜受撞击时不产生火花，利用这一奇妙的性质，可制作石油、矿山工业专用的凿子、锤子、钻头等，防止火灾和爆炸事故。含镍的铍青铜不受磁铁吸引，可制造防磁零件。制取：铍属于活泼金属，它的制备方法有：

(1)电解无水熔融的铍盐，如氯化铍。

(2)用金属镁还原氟化铍。

硼Boron：

历史：约公元前200年，古埃及、罗马、巴比伦曾用硼沙制造玻璃和焊接黄金。古代炼丹家也使用过硼砂，但是硼酸的化学成分直到19世纪初还是个谜。1808年，英国化学家戴维在用电解的方法发现钾后不久，又用电解熔融的三氧化二硼的方法制得棕色的硼，同年法国化学家盖·吕萨克和泰纳用金属钾还原无水硼酸制得单质硼。实际上，他们都没有生产出纯净的硼元素，而极纯的硼几乎不可能获得。更纯净的硼是由亨利·穆瓦桑于1892年提取的。最终，美国的E·Weintrau点燃了氯化硼蒸气和氢的混合物，生产出了完全纯净的硼。法国化学家盖·吕萨克用金属钾还原硼酸制得单质硼。

性质：硼在地壳中的含量为0.001%。硼为黑色或银灰色固体。晶体硼为黑色，硬度仅次于金刚石，质地较脆。高温下B能与N₂、O₂、S、X₂等单质反应，例如它能在空气中燃烧生成B₂O₃和少量BN，在室温下即能与F₂发生反应，但它不与H₂、稀有气体等作用。B能从许多稳定的氧化物（如SiO₂，P₂O₅，H₂O等）中夺取氧而用作还原剂。例如在赤热下，B与水蒸气作用生成硼酸和氢气：2B+6H₂O=高温=2H₃BO₃+3H₂硼不与盐酸作用，但与热浓H₂SO₄，热浓HNO₃作用生成硼酸：2B+3H₂SO₄(浓)==2H₃BO₃+3SO₂↑B+3HNO₃(浓)==H₃BO₃+ 3NO₂↑在氧化剂存在下，硼和强碱共熔得到偏硼酸盐：2B+2NaOH+3KNO₃==2NaBO₂+3KNO₂+H₂O

制取：1、首先用浓碱液分解硼镁矿得偏硼酸钠，将NaBO₂在强碱溶液中结晶出来，使之溶于水成为较浓的溶液，通入CO₂调节碱度，浓缩结晶即得到四硼酸钠（硼砂）。将硼砂溶于水，用硫酸调节酸度，可析出溶解度小的硼酸晶体。加热使硼酸脱水生成三氧化二硼，经干燥处理后，用镁或铝还原B₂O₃得到粗硼。将粗硼分别用盐酸、氢氧化钠和氟化氢处理，可得纯度为95～98%的棕色无定形硼。2、最纯的单质硼用氢还原法制得：使氢和三溴化硼的混合气体经过钽丝，电热到1500K，三溴化硼在高温下被氢还原，生成的硼在钽丝上成片状或针状结构。

3、由镁粉或铝粉加热还原氧化硼而得。

应用：硼是一种用途广泛的化工原料矿物，主要用于生产硼砂、硼酸和硼的各种化合物以及元素硼，是冶金、建材、机械、电器、化工、轻毛、核工业、医药、农业等部门的重要原料。时下，硼的用途超过300种，其中玻璃工业、陶瓷工业、洗涤剂和农用化肥是硼的主要用途，约占全球硼消费量的3/4。中国硼矿资源虽然丰富，但是硼矿产品不能满足国内经济建设需求，2007年国内硼砂产量约为40万吨，进口硼矿产品64.87万吨，大量依赖进口，因此充分了解世界硼矿产品市场情况就显得相当重要。硼酸，硼酸锌可用于防火纤维的绝缘材料，是很好的阻燃剂，也应用于漂白、媒染等方面；偏硼酸钠用于织物漂白。此外，硼及其化合物可用于油漆干燥剂，焊接剂，造纸工业含汞污水处理剂等。

碳Carbon：

历史：碳在史前就已被发现，炭黑和煤是人类最早使用碳的形式。钻石大约在公元前2500年被中国熟知[2]，同时煤作为碳的形式在罗马时代被使用的化学方式和现代一样：通过在一个椎体建筑物中加热被黏土覆盖的木材来排除空气。在1772年，安东尼·拉瓦锡表明钻石是碳的一种存在形式，当他将一些钻石和煤的样品燃烧时，发现他们都不生成水，并且每克的钻石和煤所产生的二氧化碳的量是相等的。

性质：碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁语为Carbonium，意为“煤，木炭”。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。碳是生铁、熟铁和钢的成分之一。 碳能在化学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都含有碳元素。应用太多了，略。

氮Nitrogen：

历史：1772年由瑞典药剂师舍勒发现，后由法国科学家拉瓦锡确定是一种元素。1787年由拉瓦锡和其他法国科学家提出，氮的英文名称nitrogen，是"硝石组成者“的意思。中国清末化学家启蒙者徐寿在第一次把氮译成中文时曾写成“淡气”，意思是说，它“冲淡”了空气中的氧气。

性质：氮是一种化学元素，它的化学符号是N，它的原子序数是7。氮是空气中最多的元素，在自然界中存在十分广泛，在生物体内亦有极大作用，是组成氨基酸的基本元素之一。在室温下不与空气，碱，水反应，加热到3273K时，只有0.1%分解，因此，N2是化学特性物质，氮共有九种氧化物：一氧化二氮（N₂O）、一氧化氮（NO）、一氧化氮二聚体（N₂O₂）、二氧化氮（NO₂）、三氧化二氮（N₂O₃）、四氧化二氮（N₂O₄）、五氧化二氮（N₂O₅）、叠氮化亚硝酰（N₄O），第九种氮的氧化物三氧化氮（NO₃）作为不稳定的中间体存在于多种反应之中。

应用：氮的惰性广泛用于电子、钢铁、玻璃工业者　性　盖介质，还用于灯泡和膨胀橡胶的填充物，工业上用于保护油类、粮食、精密实验中用作保护氮在室温时，能与许多直接化合，如、Li、Mg、Cia、Al、B等，反应生成氮化：N₂(g)+3Mg(s)→Mg₃N(s)。[3]N₂与O₂在高温（～2273K）或放电条件下直接化合N₂+O₂→2NO，这是固定氮的一种方法，估计地球上每年由“离电合成”氮化合物达4～5亿吨，而人工合成氮化合物1亿吨左右。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/0818217d0b4c2e3f57276356.html