BChap氮族元素资料.pptx
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1、元素N,NitrogenP,PhosphorusAs,ArsenicSb,AntimonyBi,Bismuth本族元素可形成富电子化合物本族元素存在丰富的可变氧化数,氧化还原化学非常丰富Bi是最后一个存在稳定同位素的元素第1页/共87页4.1 N及其化合物第2页/共87页概述:N的成键特征N的电子排布2s22p3,可形成离子键:N3-3(+1),sp3杂化:NH3,各种氨配合物2+1,sp2杂化:HO-N=O、NO2-3+1,sp2杂化:HNO32+2,sp杂化:N2O、NO2+、N3-1+2,sp杂化:N2、HCN、NO+第3页/共87页N是氧化态变化最多的元素之一氧化态氧化态实例实例氧化态
2、氧化态实例实例-3NH3+1N2O-2N2H4+2NO-1NH2OH+3HNO3-1/3HN3+4NO20N2+5HNO3第4页/共87页4.1.1 N2分子基本性质、结构(略)N2的化学反应N2反应性极弱,只在高温下才发生少量化学反应某些生物体具有独特固氮功能,是生物化学中值得研究的课题第5页/共87页一些关于N2反应的事实碱金属中只有Li与N2直接反应N2不与F2、Cl2、Br2、I2、S等活泼非金属单质直接化合,但反而能与活泼性较低的Si、B单质化合N2与O2反应只有在高温下才有一定程度进行(K1),或者通过放电方式进行N2与H2的反应是工业上最重要反应之一第6页/共87页N2离子型氮化
3、物 共价型巨分子氮化物 NH3NOLi、Mg、Ca、SrBa、Sc、Mn B、Si、Al,高温 H2,催化剂加热加压 O2,放电 间充型氮化物 Ti、V等活泼过渡金属 N2的化学反应第7页/共87页N2的制备工业方法:空气分馏将气体混合物冷凝为液体,然后再按各组份蒸发温度的不同将其分离可制备N2、O2、稀有气体O2,90.18K Ar,87.45K N2,77.35K 100kPa下的沸点 第8页/共87页研制中的氮-氧膜分离器第9页/共87页N2的制备实验室方法NH4+NO2-=N2+2H2O重铬酸铵分解法NH3氧化法NH3+Br2NH3+CuO第10页/共87页4.1.2 N的氢化物N可形
4、成多种氢化物NH3N2H4NH2OHHN3名称名称氨氨联氨、肼联氨、肼 羟胺、胲羟胺、胲 氢叠氮酸氢叠氮酸熔点熔点/oC-781.432-80沸点沸点/oC-33113.6分解分解37偶极矩偶极矩/D 1.471.75-第11页/共87页NH3NH3是合成其他含氮化合物的基础N2NH3固氮Mg+N2 Mg2N3 NH3Haber法(1913)1918年诺贝尔化学奖实验室制法NH4+OH-第12页/共87页NH3的结构和性质NH3的结构和物理性质(略)NH3的化学性质极性溶剂自偶电离与碱金属的反应配位反应取代反应氧化反应第13页/共87页NH3的配位反应(加合反应)NH3有孤对电子,为Lewis
5、碱,能与其他分子或离子形成配合物与Cu2+、Zn2+、Ag+等VIBIIB金属离子形成氨配离子与质子酸形成NH4+与缺电子化合物BF3等Lewis酸结合与水以氢键结合:H3NHOH第14页/共87页NH3的取代反应NH3分子中H被其他原子或原子团取代NH3与活泼金属反应NH3与Cl2(过量)反应氨解反应COCl2+4NH3=CO(NH2)2+2NH4Cl对比:COCl2+4H2O=CO(OH)2+2HCl第15页/共87页氨解反应的微观过程O|CClCl:NH3C+O-ClClNHHHO|CClNH2O|CH2NNH2第16页/共87页NH3的氧化反应NH3作为还原剂,不同条件下产物不同NH3
6、与O2反应直接燃烧,生成N2(黄色火焰)催化氧化,生成NONH3与Cl2反应Cl2过量:(取代反应)生成NCl3Cl2不足:生成N2第17页/共87页NH4+,铵盐NH4+半径接近K+、Rb+,具有很多类碱金属盐的性质(无色、易溶、复盐、晶格结构等)NH4+稳定性低,易热分解,易被氧化掌握NH4NO3的分解情况NH4+的鉴定Nessler试剂:HgI42-碱性溶液与NH4+反应得到褐色红色沉淀第18页/共87页N2H4N2H4是NH3中H被氨基取代的产物NH3+NH2Cl+OH-=N2H4+Cl-+H2O2NH3+ClO-=N2H4+Cl-+H2O实质上,反应第一步是NH3+ClO-=NH2C
7、l+OH-N2H4极性很强(大于NH3,略小于H2O)HNH和NNH NNH第19页/共87页N2H4化学性质N2H4具有配位性,是桥联配体而非多基配体N2H4二元碱,弱于NH3N2H4热力学不稳定N2H4具有还原性,碱性条件下还原能力很强N2H4具有氧化性,酸性环境下氧化性很强(没有实际价值)第20页/共87页N2H4化学性质由于动力学原因,N2H4溶液尚能稳定存在,一般保存在酸性环境,用作还原剂N2H5+,无“污染”的还原剂可用作高能燃料(火箭推进剂)N2H4(l)+2H2O2(l)=N2(g)+4H2O(g),rHm=-642.24kJmol-1N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2
8、H2O(g),rHm=-621.74kJmol-1第21页/共87页NH2OHNH2OH是NH3中H被羟基取代的产物NH2OH极不稳定,酸性条件下由于动力学原因存在NH2OH也具有配位性和碱性,但都弱于NH3和N2H4NH2OH具有强烈的氧化型和还原性,但由于动力学原因而作为还原剂随着氧化剂不同,产物可能是N2或N2O注意:课本P505羟胺作为氧化剂E=+1.34V第22页/共87页HN3和N3-制备N2H4+HNO2=HN3+2H2ONaNO3+NaNH2=NaN3+NaOH+NH3性质HN3弱酸性(HAc),稳定性很差MN3类似于MX,稳定性差(NaN3稳定性尚可)一般分解成金属+N2,C
9、sN3微热分解生成Cs3NPb(N3)2是应用广泛的起爆剂第23页/共87页HN3和N3-结构:NNN:-:NNNH请注意:N3-是CO2的等电子体!第24页/共87页4.1.3 N的含氧化合物N能形成多种氧化物N2O、NO、N2O3、NO2、N2O5二聚体N2O2、N2O4一些不稳定氧化物(N4O、N4O2等)N-O化物研究较为深入有机及基本化学工业用作硝化剂或氧化剂主要的大气污染源常见的配体各类N-O化物结构、性质参阅课本第25页/共87页N的氧化物N2O是N3-和CO2的等电子体,键长接近三键NO和NO2都含有单电子,可双聚离域键均为34N2O2、N2O3和N2O4可看成两个单元耦合而成
10、,N-N键(175218pm)显著大于单键键长(147pm),意味着化学键很脆弱N2O3中右侧N-O键长接近三键(图15-10)除N2O5外常温为气体,且为平面分子N2O5固态时以NO2+NO3-离子形式存在第26页/共87页N的含氧酸和含氧酸盐N主要有两种含氧酸HNO2:弱酸,仅存在于溶液中HNO3:强酸,可获得纯酸强氧化性HNO2和HNO3都是强氧化剂与还原剂作用,可分别得到NO、N2O、NH3OH+、N2H5+甚至NH4+(HNO3还可得到NO2)第27页/共87页N的含氧酸和含氧酸盐的结构HNO2和NO2-:参阅图15-13和15-14NO2-是O3的等电子体,存在34HNO3和NO3
11、-:参阅图15-15HNO3中存在34NO3-是CO32-的等电子体,存在46第28页/共87页HNO2及其盐制备NO2+NO通入冰水或碱硝酸盐高温分解或还原NaNO3 强热 NaNO2+O2HNO2以氧化性为主HNO2不稳定,久置歧化为HNO3和NO,但NO2-稳定性较强,几乎没有氧化性NO2-配位能力很强(两可配体)第29页/共87页HNO2及其盐NO2-被强氧化剂氧化为NO3-5NO2-+2MnO4-+6H+=2Mn2+5NO3-+3H2ONO2-+H2O2=NO3-+H2O但与HNO3相比,HNO2氧化性更强稀溶液中HNO2能把I-氧化为I2,而HNO3不能亚硝酸盐一般易溶(AgNO2
12、例外)亚硝酸盐稳定性强于相应硝酸盐,但高温下仍会分解第30页/共87页HNO3HNO3中存在分子内氢键(挥发酸)HNO3受热或见光易分解,NO2溶于HNO3呈黄色从电极电势而论,HNO3可被还原成HNO2和N2,但事实上不会发生浓HNO3与金属反应一般得到NO2,但与非金属反应往往得到NOS+HNO3(浓)H2SO4+NOP4+HNO3(浓)H3PO4+NOI2+HNO3(浓)HIO3+NO第31页/共87页HNO3浓HNO3还原产物一般是NO2的原因浓HNO3会氧化掉低氧化态氮的化合物HNO3+NONO2,低氧化态氮化合物来不及逸出就重新反应掉稀HNO3环境下,NO2继续与还原剂反应NO2在
13、HNO3被还原的反应中起催化作用(NO2-可起类似作用)第32页/共87页金属被HNO3氧化的产物金属被氧化的产物大多数是可溶性的高氧化态硝酸盐Sn、Sb、Ti、Mo、W与浓HNO3作用生成不溶于HNO3的水合氧化物(含氧酸)Sn+HNO3(浓)SnO2xH2O+NO2Sb+HNO3(浓)Sn2O5xH2O+NO2Mo+HNO3(浓)H2MoO4+NO2+H2OFe、Cr、Al在冷浓HNO3中钝化第33页/共87页王水部分不溶于浓HNO3的金属(Au、Pt、Os、Ir)能溶于王水浓HNO3(15moldm-3):浓HCl(12moldm-3)=1:3(V/V)的混合液Au+HNO3+4HCl=
14、HAuCl4+NO+2H2O这主要是因为高浓度的Cl-的存在Cl-与Au3+形成稳定的配离子AuCl4-,降低了溶液中Au3+浓度,有利于反应向Au溶解的方向进行但仍有金属甚至不溶于王水(Nb、Ta、Ru、Rh)第34页/共87页其他HNO3混酸HNO3-HF混酸腐蚀力很强,能迅速溶解Nb、Ta以及在王水中溶解很慢的V、Ti、Mo、W、Ir、Os等金属Nb+5HNO3+7HF=H2NbF7+5NO2+6H2OHNO3-H2SO4混酸有机化学中常用的硝化剂HNO3+2H2SO4=NO2+H3O+HSO4-第35页/共87页硝酸盐硝酸盐一般以溶于水,高温分解碱金属(Li除外)碱土金属(Be、Mg)
15、除外 Li、Be、Mg活动性在Cu之前的元素 Cu活动性在Cu之后的元素 亚硝酸盐+O2 氧化物+NO2+O2 金属+NO2+O2 NH4NO3、Fe(NO3)2等 单质或氧化物+NO2 如果带结晶水,则发生水解,生成碱式盐或氧化物第36页/共87页NO3-的检验棕色环试验在溶液中加入少量FeSO47H2O晶体,沿杯壁缓缓加入浓H2SO4,则在交界面上出现棕色环生成棕色配离子Fe(NO)(H2O)52+NO2-也有类似反应,但NO2-只需用HAc酸化即可显棕色第37页/共87页NO2-的检验棕色环试验酸化溶液后,有棕红色气体释放,可使淀粉-KI试纸变色NO2-可与Co2+反应,生成Co(NO2
16、)63-,是定性鉴定K+的试剂7NO2-+Co2+2H+=Co(NO2)63-+NO+H2OCo(NO2)63-+3K+=K3Co(NO2)6(黄色沉淀)此反应亦可用于Co2+的鉴定第38页/共87页4.2 P及其化合物第39页/共87页P的成键特征P的电子排布3s23p3,可形成离子键:P3-,稳定性极差3(+1),sp3杂化:PH3、PCl3、P4O63+1,sp2杂化:HPO3(不稳定)5,sp3d杂化:PCl54+1,sp3d杂化:POCl3、H3PO4反馈键 第40页/共87页P化合物结构特征P4四面体氧化物、硫化物 PO43-四面体含氧酸及其盐 第41页/共87页P与N的主要差别P
17、可形成多于4个共价键,最高配位数为6(PF6-),而N为4(NH4+)P多进行sp3杂化,而不进行sp2或sp杂化P难以形成普通键和离域键,类似N2的P2分子结构仅在高温下存在P可形成反馈键P的常见氧化数比N少得多-3,+1,+3,+5第42页/共87页4.2.1 P的单质制备:磷酸钙、石英砂、炭粉+电弧炉Ca3(PO4)2+SiO2 CaSiO3+P4O10P4O10+C P4+CO_Ca3(PO4)2+SiO2+CCaSiO3+P4+CO 利用反应耦合可显著降低反应温度可利用P4易升华的特征进行提纯第43页/共87页同素异形体白磷(黄磷)P4,不稳定 红磷,介稳 黑磷,最稳定 密闭加热40
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