工程训练制造技术基础-第12章非金属元素(二)_氧硫氮磷碳硅硼

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1、第12章非金属元素(二)氧硫氮磷碳硅硼【内容】1.氧、硫及其化合物2.氮、磷及其化合物3.碳、硅、硼及其化合物【要求】1.掌握氧、臭氧、过氧化氢的结构、性质、制备和用途；掌握硫、硫化氢、亚硫酸、硫酸及其盐的制法、性质和用途；了解硫的其它含氧酸及其盐的性质和用途。2.掌握氮的单质、氢化物、氧化物、含氧酸及其盐的结构、性质和用途；掌握磷的单质、卤化物、氧化物、含氧酸及其盐的结构、性质和用途。3.掌握碳、硅、硼的单质及其重要化合物的制法、性质和用途；了解硼的缺电子特征及硅酸和硅酸盐的特性；认识碳、硅、硼之间的相似性和差异性。12.1氧及其化合物元素周期表中第ⅥA族元素包括氧O、硫S

2、、硒Se、碲Te、钋Po5种元素，称为氧族元素，其中氧、硫是典型的非金属元素，硒、碲是准金属元素，钋为放射性元素。本节讨论氧及其化合物。12.1.1氧1.氧元素的存在氧是地壳中含量最多的元素，质量分数约为48.6%。氧以单质和化合物两种形式存在于自然界，游离态氧大量存在于大气中，在海洋及地球表面各种水中也溶解了相当多的氧，空气中O2的体积分数约为21%。这些氧几乎都来自H2O和CO2在绿色植物中发生的光合作用。叶绿素H2O+CO2+hO2+{CH2O}(碳水化合物)酶氧的化合物广泛分布于地壳岩石、矿物、土壤及水中。氧占大气质量的23%，岩石质量的46%，水质量的85%。就目

3、前所知，氧还是月球表面丰度最高的元素，占其质量的44.6%。氧在自然界有16O、17O、18O三种稳定同位素，能形成氧O2和臭氧O3两种单质，它们互为同素异形体。2.氧的分子结构O原子的价电子构型为2s22p4，2个O原子结合成1个O2分子，从价键理论的电子配对来看，O2分子中应存在O＝O双键。但从氧的分子光谱得知，它应有2个自旋平行的未成对电子。故从新的价键理论可推断，O2分子的结构简式应为：OO式中表示由3个电子构成的π键，称为3电子π键。即O2分子中存在着1个σ键和2个3电子π键，每个3电子π键中有1个未成对电子，2个3电子π键则有2个未成对电子，并且自旋方向相同，从而

4、使O2表现出顺磁性。3.氧的性质常温下，氧气为无色无味的气体，液态氧为淡蓝色，固态氧为蓝色。液态和固态氧有明显的顺磁性。O2是非极性分子，不易溶于极性溶剂——水中，在273K时O-1-12在水中的溶解度为49.1mLL，在293K时为30.8mLL。氧在水中的溶解度虽小，但却是水生动植物赖以生存的基础。氧能助燃，但不自燃。氧的电负性(3.44)仅次于氟(3.98)，比氯(3.16)、溴(2.96)、碘(2.66)都大，但事实上氧的化学性质却不如卤素活泼。最主要的原因在于O2分子中除存在σ键外，还存在着2个3电子π键。所以与氯不同，氧能以单质形态存在于大气中。氧的化学性质主

5、要表现在它具有强的氧化性，即在反应过程中能从别的单质或化合物中夺取电子。在常温下，氧的化学性质不活泼，仅能使一些还原性强的物质如NO、SnCl2、KI、H2SO3等氧化。在加热条件下，除卤素、少数贵金属（如Au和Pt）和稀有气体外，氧几乎能与所有元素直接化合生成相应的化合物。氧还可氧化一些具有还原性的化合物，如H2S、CH4、CO、NH3等能在氧中燃烧。2Mg＋O2==2MgO2H2S＋3O2==2SO2＋2H2O4NH3＋3O2==2N2＋6H2O4.氧的用途氧的用途广泛，主要用于助燃和呼吸，是人类赖以生存的最重要的一种元素。在工业上，利用乙炔在氧气中燃烧产生的高温(227

6、3K以上)熔化金属，达到焊接或切割金属的目的；可利用氧代替空气，不但可加速化学反应，还可以降低能耗。用氧冶炼钢铁、用富氧（空气中掺入一部分纯O2）生产氮肥，都能取得较好的效果。另外，可利用液态氧、液态氢剧烈反应放出大量热的性质，可制成火箭燃料使航天器飞向太空。可利用木屑、煤粉浸泡在液氧中制成使用方便、成本低廉的“液态炸药”；氧在医疗中还常用于抢救缺氧或呼吸困难的危重病人。5.氧的制备实验室制备O2常采用KClO3或KMnO4等含氧化合物的热分解法制备。MnO22KClO32KCl＋3O2473K氧气的工业制法常采用分馏液态空气或电解水的方法。分馏液态空气是工业上制取氧气最重要

7、的方法。氧的沸点（90K）比氮的沸点（77.2K）高，因此当液态空气蒸发时，液相中氧的含量将增加，而气相中氮的含量将增加。若使用工艺精密的分馏柱，可得到高纯度的氮和氧。电解法制氧一般是以Fe或Ni作为电极来电解质量分数为20%的NaOH溶液。在阳极得到氧气，阴极得到氢气：－2H－阳极4OH2O+O2↑+4e++4e－2H阴极4H2↑电解法制取氧气，实质上是电解水。由于纯水电阻太大，电解时需要加入不改变电极反应的电解质。但由于酸性溶液对设备的腐蚀比碱性溶液更严重，因此一般采用NaOH溶液来制取纯的氧气和氢