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第9章 性质各异的非金属元素

1.氢(H)

氢的原子是所有原子中最小的,通常呈单质形态。氢是宇宙中含量最高的物质。

氢气是无色、无味、无嗅、极易燃烧、由双原子分子组成的气体,也是最轻的气体。其熔点约为-259℃,沸点大约是-252℃,临界温度-240℃,临界压力约为13个大气压。气体密度约为0.0899克/升,稍溶于有机溶剂。

氢原子存在于水、有机化合物和活生物中。它的导热能力特别强,能跟氧化合成水。在0摄氏度和一个大气压下,每升氢气只有0.09克重——仅相当于同体积空气重量的十四分之一。

在常温下,氢气比较不活泼,但可用催化剂活化。单个存在的氢原子则有极强的还原性。在高温下氢非常活泼,除稀有气体元素外,几乎所有的元素都能与氢生成化合物。例如用氢气和氯气化合,发出苍白色的火焰,生成氯化氢气体。

氢是重要的工业原料,如生产合成氨和甲醇,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。氢还广泛用于钨、钼、钴、铁等金属粉末和锗、硅的生产。例如氢气还原氧化铜,将黑色的氧化铜还原成红亮的铜且有水珠生成。

由于氢气很轻,人们利用它来制作氢气球。氢气与氧气化合时,放出大量的热,因此可以用来切割金属。

利用氢的同位素——氘和氚的原子核聚变时产生的能量,能生产杀伤力和破坏性极强的氢弹,其威力比原子弹大得多。

现在,氢气还作为一种可替代性的未来清洁能源,用于汽车等的燃料。

2.氮(N)

氮气为无色、无味的气体,熔点大约是-209℃,沸点约为-1956℃。氮气的气体密度约是1.25克/升,临界温度约为-147℃,临界压力为33个大气压。

氮分子是由两个氮原子组成,特别稳定,它对许多反应试剂是惰性的。在高温、高压并有催化剂存在的情况下,氮和氢产生作用生成氨。

空气中的单质氮和氧在雷电的作用下,可生成氧化氮。锂和氮在常温下即可反应,过渡金属在高温下也可和氮反应,生成氮化物。

氮是组成动植物体内蛋白质的重要成分,主要用来制造氨。

3.氟(F)

氟在常温下为淡黄色气体,有刺激性臭味。它的熔点约为-219℃,沸点在-188℃左右。密度约为1.69克/升,其单质在水中溶解度不大。

氟是化学性质最活泼、氧化性最强的物质,除氦、氖、氩外,氟能同其它所有元素化合:其中与水反应生成水和氢氟酸;氟与溴、碘、硫、磷、碳、硅等物质在低温下就能猛烈化合;氟离子体积小,容易与许多正离子形成稳定的配位化合物;氟与烃类会发生难以控制的快速反应。

单质氟主要用作氟化剂,以制取各种有用的氟化物。氟化物通常具有比较良好的性质。

另外,单质氟对人体具有较强的刺激性。

4.硅(Si)

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。硅不溶于水、硝酸和盐酸,溶于氢氟酸和碱液,用于制造合金如硅铁、硅钢等。

硅在自然界分布极广,地壳中约含27.6%,含量仅次于氧,居第二位。

晶体硅为灰黑色,无定形硅为黑色,密度约为2.32~2.34克/立方厘米,熔点在1410℃左右,沸点约为2355℃。晶体硅属于原子晶体,硬而且有金属光泽,有半导体性质。

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。

高纯的单晶硅是重要的半导体材料,是金属陶瓷、宇宙航行的重要材料,用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维,通信容量高,具有高度的保密性。

同时,硅还可制成性能优异的硅有机化合物。例如有机硅塑料是极好的防水涂布材料。硅的氧化物二氧化硅用途相当广泛,主要用于玻璃、陶瓷等制造。硅酸是一种不溶于水的酸,是一种白色的胶状物。

5.磷(P)

磷有白磷、红磷、黑磷三种同素异构体。

白磷又叫黄磷,为白色至黄色蜡性固体,熔点约44℃,沸点约为280℃,密度约为1.82克/立方厘米。

白磷活性很高,必须储存在水里,人吸入0.1克白磷就会中毒死亡。白磷在没有空气的条件下,加热到260℃或在光照下就会转变成红磷。而红磷在加热到416℃变成蒸汽,之后冷凝就会变成白磷。红磷无毒,加热到240℃以上才燃烧。

在高压下,白磷可转变为黑磷,它具有层状网络结构,能导电,是磷的同素异形体中最稳定的。

如果氧气不足,在潮湿情况下,白磷氧化很慢,并伴随有磷光现象。白磷可溶于热的浓碱溶液,生成磷化氢和次磷酸二氢盐。干燥的氯气与过量的磷反应生成三氯化磷,过量的氯气与磷反应生成五氯化磷。

磷在充足的空气中燃烧可生成五氧化二磷,五氧化二磷是白色的烟。如果空气不足则生成三氧化二磷,三氧化二磷是白色的雾。

约三分之二的磷用于磷肥,磷还用于制造磷酸、烟火、燃烧弹、杀虫剂等,三聚磷酸盐用于合成洗涤剂。

6.硫(S)

硫通常为淡黄色晶体。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。

硫单质的导热性和导电性都很差,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。弹性硫不稳定,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,还可以与强氧化性的酸、盐、氧化物以及浓的强碱溶液反应。

硫存在正氧化态,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。硫有正四、正六价,也有负二价。硫常见化合物为SO2、SO3、H2S等。

硫在工业中很重要。比如作为电池中或溶液中的硫酸;硫被用来制造火药;在橡胶工业中做硫化剂;硫还被用来杀真菌,用做化肥;硫化物在造纸业中用来漂白;硫酸盐也用在烟火中;硫代硫酸钠和硫代硫酸氨在照相中做定影剂;硫酸镁可用做润滑剂,被加在肥皂中和轻柔磨砂膏中,也可以用做肥料。

硫的氧化物有两种:一种是二氧化硫,是有刺激性气味的气体,溶于水形成亚硫酸(H2SO3);另一种是三氧化硫,具有刺激性气味的固体,溶于水后形成硫酸(H2SO4),具有很强的氧化性。

7.氯(Cl)

氯常温常压下为黄绿色气体。1774年,瑞典化学家舍勒最先发现了氯。氯的密度约为3.21克/升,熔点约为-101℃,沸点约为-35℃。

氯相当活泼,湿的氯气比干的还活泼,具有强氧化性。除了氟、氧、氮、碳和惰性气体外,氯能与所有元素直接化合生成氯化物。氯还能与许多化合物反应,还可以与水发生反应形成氯水,呈酸性,具有氧化性。

氯主要用于化学工业尤其是有机合成工业,用来生产塑料、合成橡胶、染料及其它化学制品或中间体,氯还用于漂白剂、消毒剂、合成药物等。

氯有毒,有剧烈窒息性臭味,每升大气中含有2.5毫克的氯气时,即可在几分钟内使人死亡。