第15章氮族元素课件.ppt
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1、第 15 章 氮族元素,15 1 氮的单质,N2:m.p.210.01,b.p.195.79,V 1.25 gdm3,15 1 1 N2 分子的结构,2 分子轨道式为KK(2s)2(*2s)2(2Py)2(2Pz)2(2Px)2,键级为 3,分解 N2 能量 941.69 kJmol-1,对比氧分子的分子轨道:KK(2s)2(*2s)2(2Py)2(2Pz)2(2Px)2(*2Py)1(*2Pz)1,15 1 2 N2 的化学性质,与非金属反应:B、Si,15 1 3 N2 的制备,1 工业制备 液体空气分馏,出水和氧气 150105 Pa 左右压强下钢瓶运输和使用,15 2 氮的成键特征,离
2、子键 同电负性较小的金属 Li,Ca,Mg 等 形成二元氮化物,2 共价键 同非金属形成化合物时,总是以共价键同其它 原子相结合。,大 键:杂化的 2p 轨道的电子对可以参与成大 键参与形成大键的几个原子尽可能共平面 电子不再限定于某个原子的轨道中运动,大 键,NO2 分子的轨道杂化和成键示意图,3 配位键 氮的化合物,作为电子对给予体向金属离子 配位或 N2 分子的孤电子对也可以向金属离子配位。,15 3 氮的氢化物,15 3 1 氨,1 氨的制备,工业制备:1/2N2+3/2 H2=NH3 300105700105 Pa,约400450,3 氨的物理性质 气态:常温常压下是具有刺激性气味的
3、无色气体 溶液:在 20 时 l dm3 水可溶解 700 dm3 氨 液态:2NH3 NH4+NH2-K=1.9 10-33(55),2 氨分子的结构,不等性 sp3 杂化,有一对孤电子对,分子呈三角锥形结构,键角变小至 10718,偶极矩为 1.66 D,4 氨的化学性质,原子晶体,熔点高,硬度大,(2)取代反应 2 Na+2 NH3 2 NaNH2+H23 Mg+2 NH3 Mg3N2+3 H2NH4C1+3 C12 4 HCl+NCl3,(3)氨解反应 4 NH3+COCl2 CO(NH2)2+2 NH4Cl 4 NH3+SOCl2 SO(NH2)2+2NH4Cl 2 NH3+HgCl
4、2 Hg(NH2)Cl+NH4Cl,NH3 以-NH2(氨基)取代其它化合物中的原子或原子团,5 铵盐,NH4+:半径 143 pm,和 Na+是等电子体,与钾或铷盐类质同晶。,NH4NO3(s)N2O(g)+2H2O(g)铵被氧化,爆炸,15 3 2 联氨,1 联氨的结构,顺 式,反 式,N 原子采取 sp3 杂化,3个键,氧化数为-2,NN 键长为 145 pm,NH键长为 102 pm,HNH 为 108,NNH 为 102,扭转角为 9095,偶极距=1.85 D,顺式结构。,2 联氨的制备,2 NH3+C1O N2H4+C1+H2O(NH2)2CO+NaClO+2 NaOH N2H4
5、+NaCl+Na2CO3+H2O,3 联氨的化学性质,N2H4 N2+2 H2;3 N2H4 N2+4 NH3 动力学上是稳定的,但在热力学上是不稳定。,N2H4(aq)+H2O N2H5+(aq)+OH K 8.710-7N2H5+(aq)+H2O N2H62+(aq)+OH K 1.910-14,N2H4(aq)+2 X2 4 HX+N2 氧化还原性4 AgBr+N2H4 4 Ag+N2+4 HBr,15 3 3 羟氨,NH2OH(aq)+H2O NH3OH+OH,K=1.9 10-33,酸性溶液 NH3OH+2 H+2 e NH4+H2O E=1.35V N2+2 H2O+2 H+2 e
6、 2 NH2OH E=-1.87V,碱性溶液 NH2OH+2 H2O+2 eNH3H2O+2 OH E=0.42V N2+4 H2O+2 e 2 NH2OH+2 OH E=-3.04V,2 NH2OH+4 AgBr 4 Ag+N2O+4 HBr+H2O,不稳定性,弱碱性,氧化还原性,15 3 4 叠氮酸,结 构,大 键,分子中三个 N 原子以直线相联,NNN 键和 HN 键间的夹角是 111。显然靠近 H 原子的第1个 N 原子(N1)是 sp2 杂化的,第 2 个 N 原子(N2)是 sp 杂化的,在三个N原子间存在离域的大 键,N2 和 N3 之间还有一个 键。N1 和 N2 的距离是 1
7、24 pm,N2 和 N3的距离是 113 pm。,15 4 氮的含氧化合物,15 4 1 氮的氧化物,1 N2O 分子中有2个离域的 三中心四电子大键,2 NO NO 距离为 115 pm NO 分子中有单电子,具有顺磁性,在低温时部分发生聚合,生成 N2O2 NO 距离为 112 pm,NN 距离 为 218 pm,OO 距离为 262 pm,3 N2O3 分子中存在 56 离域 键,NO2 中 NO 距离为 120 pm,NO 中 NO 距离为 114 pm,NN 距离为 186 pm,ONO 130,4 NO2 和N2O4 NO2 与 N2O4 很容易达到平衡。在 NO2 分子中有 3
8、4 离域大 键,ONO134,NO 距离为 120 pm。在 N2O4 分子中有 68 离域大 键,ONO135,NO 距离为 121 pm,NN 距离为 175 pm。,现有火箭推进剂:四氧化二氮和偏二甲肼 有一定的腐蚀性和毒性、污染环境,面临淘汰。新一代火箭推进剂:全液氧和煤油 无毒、无污染。先进的火箭推进剂:全液氧和液氢系统,替换航天飞机 美新飞船用笑气作燃料,一氧化二氮可以用作火箭氧化剂。这比其他氧化剂优势之处是因为它是无毒的,在室温下稳定,易于储存和相对安全地进行飞行。第二个好处是可以很容易分解成呼吸的空气。美国内华达山脉公司正在研制一种名为追梦者的新型的载人飞行器,这种飞行器可能具
9、备垂直起飞,水平着陆的能力,在发射时,飞船将绑在发射台上的其中一个大型火箭助推器上。“追梦者”飞船不使用低温液氢或含氧燃料,相反,它将使用燃烧液态一氧化二氮(笑气)氧化剂和固体橡胶燃料固液混合火箭。,5 N2O5 分子中有2个离域34 键,氮元素的自由能氧化态图 酸性条件.碱性条件,氧化物的化学通性,15 4 2 亚硝酸及其盐,1 亚硝酸的结构 V 字形结构,有离域的 34 键 NO 键长为 123.6 pm,ONO115.4 气态或室温下主要以反式平面结构形式存在,2 亚硝酸的制备 NaNO2+H2SO4 HNO2+NaHSO4NO2+NO+H2O 2 HNO2 盐的制备Pb(粉)+NaNO
10、3 PbO+NaNO2 2 NaNO3 2 NaNO2+O2,3 亚硝酸及其盐的化学性质,弱酸性 HNO2 H+NO2-Ka=7.2410-4,氧化还原性 酸介质氧化性显著,碱介质还原性为主5 HNO2+2MnO4-+H+5 NO3-+2Mn2+3 H2O2 HNO2+2I-+2 H+2 NO+I2+2 H2O,稳定性 亚硝酸是不稳定的,歧化反应 3 HNO2 HNO3+2 NO+H2O 第 IA 和 IIA 族元素的亚硝酸盐都有较高的热稳定性 阳离子极化能力越强,亚硝酸盐越不稳定,配位性 能与许多过渡金属离子生成配离子,15 4 3 硝酸及其盐,1 硝酸的结构 平面结构,一个 34 键 键角
11、 HON 为 102,由两个端氧形成的键角 ONO 130,硝酸中 HO 键长为 96pm,NO(端)键长为 121 pm,NO(羟基)键长为 140 pm,有分子内氢键。,硝 硝酸根的结构 正三角形结构,NO 键长为 121 pm。硝酸根离子有一个键,离子的对称性高,因而硝酸盐在正常状况下是稳定的。,(1)氨的催化氧化 4 NH3+5 O2 4 NO+6 H2O 2 NO+O2 2 NO2 2 NO2+H2O 2 HNO3+NO,3 硝酸的化学性质 氧化性,NO3+2 H+e-NO2+H2O E 0.803VNO3+4 H+3 e-NO+H2O E 0.983VNO3+10 H+8 e-NH
12、4+H2O E 0.87V,2 硝酸的制备,2 HNO3+S H2SO4+2NO5 HNO3+3 P+2 H2O 3 H3PO4+5 NO4 HNO3(浓)+Cu Cu(NO3)2+2 NO2+2 H2O6 Hg+8 HNO3(稀)3 Hg2(NO3)2+2 NO+4 H2O8 HNO3(稀)+3Cu 3 Cu(NO3)2+2 NO+4 H2O6 HNO3(较稀)+2 Zn 2 Zn(NO3)2+N2O+3 H2O10 HNO3(极稀)+4 Zn 4 Zn(NO3)2+NH4NO3+3 H2O,浓硝酸作为氧化剂时,与金属反应还原产物主要是 NO2,但同非金属元素反应时还原产物往往是 NO。稀硝
13、酸与金属反应,金属越活泼,硝酸的浓度越稀,还原产物中氮的氧化数越低。,影响 HNO3 还原产物因素 a浓 HNO3 NO2 为主;稀 HNO3 NO 为主 b活泼金属(Mg,Al,Zn,Fe)c非金属(C、S、P、I2)d冷、浓 HNO3 使下列金属“钝化”:Al,Cr,Fe,Co,Ni,Ti,V e贵金属 Au、Pt、Rh 铑、Ir 铱和 Zr 锆 Ta 钽不与HNO3 反应。,还原剂的性质、温度和硝酸的浓度,硝酸盐的热稳定性与阳离子的极化能力有关,阳离子的极化能力越强,硝酸盐越不稳定,分解反应越容易进行。,5 硝酸盐,(1)碱金属和碱土金属(不包括锂、铍和镁)等极化能力弱的硝酸盐受热分解生
14、成亚硝酸盐和氧气,(2)活泼性在镁与铜之间的金属(包括锂、铍、镁和铜)其无水硝酸盐热分解时得到金属氧化物、二氧化氮和氧气,(3)活泼性比铜差的金属,其硝酸盐热分解时生成金属单质、二氧化氮和氧气,若硝酸盐的阳离子有还原性,在分解过程中,阳离子常被氧化,15 4 4 王水,浓盐酸和浓硝酸的体积比约3:1的混合物叫做王水 王水能够溶解金和铂,Au+HNO3+4 HCl HAuCl4+NO+2 H2O3 Pt+4 HNO3+18 HCl 3 H2PtCl6+4 NO+8 H2O,Au3+3 e Au E 1.50 V AuCl4+3 e Au+4 C1 E 1.00 VNO3+4 H+3 e NO+2
15、 H2O E 0.96 V,王水能溶解 Au 和 Pt 不是王水的氧化能力比浓硝酸强 而是 Cl 的配位使金属的还原能力增强。,15 5 磷单质,磷原子的价电子层结构是 3s23p3,第三电子层有 5 个价电子,还有 5 个空的 3d 轨道。,15 5 1 磷的成键特征,1 离子键 P3 离子型化合物,为数不多,极易水解 在水溶液中不存在 P3 离子,2 共价键(1)sp3 杂化,分子为三角锥形结构(2)sp3d 杂化,分子为三角双锥结构(3)d-p配键,3 配位键 电子对给予体 d-d配键,d-p配键:重叠的轨道是 d 轨道与 p 轨道,即 d-p 重叠;从对称性看属于 键;从电子对来源看,
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- 第15章 氮族元素课件 15 元素 课件
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