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氮族元素 版權(quán)信息
- ISBN：9787030737847
- 條形碼：9787030737847 ; 978-7-03-073784-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
氮族元素 內(nèi)容簡介
本書是“無機化學(xué)探究式教學(xué)叢書”的第16分冊。全書共4章，包括氮族元素單質(zhì)，簡單化合物，含氧酸、含氧酸鹽、含氧鹵化物及其他鹽類，氮族元素的生物效應(yīng)，涉及氮（N）、磷（P）、砷（As）、銻（Sb）、鉍（Bi）和鏌（Mc）6種元素。編寫時力圖體現(xiàn)系統(tǒng)性、整體性和前沿性，融入學(xué)科發(fā)展，緊跟學(xué)科前沿，體現(xiàn)學(xué)科交叉，擴充重要物質(zhì)的工業(yè)合成或?qū)嶒炇抑苽湟约皯?yīng)用研究。作為基礎(chǔ)無機化學(xué)教學(xué)輔助用書，本書以促進學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展為出發(fā)點，注重培養(yǎng)科學(xué)研究能力和訓(xùn)練創(chuàng)新思維，努力做到教師好使用，學(xué)生好自學(xué)。
氮族元素 目錄
目錄
序
叢書出版說明
前言
第1章 氮族元素單質(zhì) 3
1.1 氮族元素的通性 3
1.1.1 氮族元素在自然界的存在 3
1.1.2 氮族元素的成鍵特征 5
1.1.3 氮族元素性質(zhì)的規(guī)律性 7
1.1.4 氮族元素的電勢圖 9
1.2 氮族元素的發(fā)現(xiàn)和命名 12
1.2.1 氮單質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和命名 12
1.2.2 磷單質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和命名 13
1.2.3 砷單質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和命名 13
1.2.4 銻單質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和命名 14
1.2.5 鉍單質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和命名 14
1.2.6 鏌的合成和命名 15
1.3 氮族元素單質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和制備 16
1.3.1 氮族元素單質(zhì)的結(jié)構(gòu) 16
1.3.2 氮族元素單質(zhì)的性質(zhì) 19
1.3.3 氮族元素單質(zhì)的制備 22
1.3.4 砷分族元素合金和金屬間化合物 29
1.3.5 氮族元素單質(zhì)的應(yīng)用 32
歷史事件回顧1 氮族元素的同素異形體 34
參考文獻 37
第2章 簡單化合物 43
2.1 氫化物 43
2.1.1 氫化物的制備 43
2.1.2 氫化物的性質(zhì) 50
2.1.3 氫化物及其衍生物的應(yīng)用 64
2.2 氧化物 71
2.2.1 氮氧化物的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 71
2.2.2 磷氧化物的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 81
2.2.3 砷、銻、鉍的氧化物 86
2.3 硫?qū)倩衔铩?1
2.3.1 磷硫化物的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 91
2.3.2 砷硫化物的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 95
2.3.3 銻和鉍的硫化物 97
2.4 鹵化物 100
2.4.1 三鹵化物的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 100
2.4.2 五鹵化物的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 109
2.4.3 多鹵化物 114
2.4.4 低鹵化物 116
歷史事件回顧2 合成氨的研究進展 117
參考文獻 125
第3章 含氧酸、含氧酸鹽、含氧鹵化物及其他鹽類 129
3.1 含氧酸 129
3.1.1 含氧酸的結(jié)構(gòu) 129
3.1.2 含氧酸的制備 133
3.1.3 含氧酸的酸性 138
3.1.4 含氧酸的其他性質(zhì)與應(yīng)用 140
3.2 含氧酸鹽 147
3.2.1 氮氧酸鹽的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 147
3.2.2 磷氧酸鹽的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 153
3.2.3 砷、銻、鉍氧酸鹽的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 175
3.3 含氧鹵化物 184
3.3.1 氮的含氧鹵化物 184
3.3.2 磷的含氧鹵化物 189
3.3.3 砷、銻、鉍的含氧鹵化物 197
3.4 其他鹽類 200
3.4.1 磷的氨基化合物 200
3.4.2 磷化物的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 203
歷史事件回顧3 氮的功能材料化合物 211
參考文獻 219
第４章 氮族元素的生物效應(yīng) 223
4.1 氮的生物效應(yīng) 223
4.1.1 氮在植物生命中的重要性 223
4.1.2 植物吸氮機制 224
4.2 磷的生物效應(yīng) 226
4.2.1 磷是生命的重要元素 226
4.2.2 磷是生命的限制元素 228
4.2.3 磷的生理毒性 229
4.3 砷的生物效應(yīng) 231
4.3.1 砷的生理毒性 231
4.3.2 砷中毒的檢驗方法 232
4.3.3 砷的藥性 233
4.4 銻的生物效應(yīng) 235
4.5 鉍的生物效應(yīng) 236
參考文獻 237
練習(xí)題 239
**類：學(xué)生自測練習(xí)題 239
第二類：課后習(xí)題 241
第三類：英文選做題 242
參考答案 244
學(xué)生自測練習(xí)題答案 244
課后習(xí)題答案 246
英文選做題答案 249
序
叢書出版說明
前言
第1章 氮族元素單質(zhì) 3
1.1 氮族元素的通性 3
1.1.1 氮族元素在自然界的存在 3
1.1.2 氮族元素的成鍵特征 5
1.1.3 氮族元素性質(zhì)的規(guī)律性 7
1.1.4 氮族元素的電勢圖 9
1.2 氮族元素的發(fā)現(xiàn)和命名 12
1.2.1 氮單質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和命名 12
1.2.2 磷單質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和命名 13
1.2.3 砷單質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和命名 13
1.2.4 銻單質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和命名 14
1.2.5 鉍單質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和命名 14
1.2.6 鏌的合成和命名 15
1.3 氮族元素單質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和制備 16
1.3.1 氮族元素單質(zhì)的結(jié)構(gòu) 16
1.3.2 氮族元素單質(zhì)的性質(zhì) 19
1.3.3 氮族元素單質(zhì)的制備 22
1.3.4 砷分族元素合金和金屬間化合物 29
1.3.5 氮族元素單質(zhì)的應(yīng)用 32
歷史事件回顧1 氮族元素的同素異形體 34
參考文獻 37
第2章 簡單化合物 43
2.1 氫化物 43
2.1.1 氫化物的制備 43
2.1.2 氫化物的性質(zhì) 50
2.1.3 氫化物及其衍生物的應(yīng)用 64
2.2 氧化物 71
2.2.1 氮氧化物的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 71
2.2.2 磷氧化物的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 81
2.2.3 砷、銻、鉍的氧化物 86
2.3 硫?qū)倩衔铩?1
2.3.1 磷硫化物的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 91
2.3.2 砷硫化物的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 95
2.3.3 銻和鉍的硫化物 97
2.4 鹵化物 100
2.4.1 三鹵化物的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 100
2.4.2 五鹵化物的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 109
2.4.3 多鹵化物 114
2.4.4 低鹵化物 116
歷史事件回顧2 合成氨的研究進展 117
參考文獻 125
第3章 含氧酸、含氧酸鹽、含氧鹵化物及其他鹽類 129
3.1 含氧酸 129
3.1.1 含氧酸的結(jié)構(gòu) 129
3.1.2 含氧酸的制備 133
3.1.3 含氧酸的酸性 138
3.1.4 含氧酸的其他性質(zhì)與應(yīng)用 140
3.2 含氧酸鹽 147
3.2.1 氮氧酸鹽的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 147
3.2.2 磷氧酸鹽的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 153
3.2.3 砷、銻、鉍氧酸鹽的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 175
3.3 含氧鹵化物 184
3.3.1 氮的含氧鹵化物 184
3.3.2 磷的含氧鹵化物 189
3.3.3 砷、銻、鉍的含氧鹵化物 197
3.4 其他鹽類 200
3.4.1 磷的氨基化合物 200
3.4.2 磷化物的制備、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 203
歷史事件回顧3 氮的功能材料化合物 211
參考文獻 219
第４章 氮族元素的生物效應(yīng) 223
4.1 氮的生物效應(yīng) 223
4.1.1 氮在植物生命中的重要性 223
4.1.2 植物吸氮機制 224
4.2 磷的生物效應(yīng) 226
4.2.1 磷是生命的重要元素 226
4.2.2 磷是生命的限制元素 228
4.2.3 磷的生理毒性 229
4.3 砷的生物效應(yīng) 231
4.3.1 砷的生理毒性 231
4.3.2 砷中毒的檢驗方法 232
4.3.3 砷的藥性 233
4.4 銻的生物效應(yīng) 235
4.5 鉍的生物效應(yīng) 236
參考文獻 237
練習(xí)題 239
**類：學(xué)生自測練習(xí)題 239
第二類：課后習(xí)題 241
第三類：英文選做題 242
參考答案 244
學(xué)生自測練習(xí)題答案 244
課后習(xí)題答案 246
英文選做題答案 249
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氮族元素 節(jié)選
學(xué)習(xí)要求 （1）了解氮族元素的通性，掌握氮分子的結(jié)構(gòu)和特殊穩(wěn)定性。掌握氨的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、銨鹽的性質(zhì)。熟悉聯(lián)氨、羥胺的重要性質(zhì)。熟悉氮的氧化物，掌握硝酸的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、硝酸鹽和亞硝酸鹽的性質(zhì)。 （2）掌握磷的單質(zhì)、氫化物、氧化物及重要鹵化物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。掌握磷酸及其鹽的性質(zhì)。熟悉亞磷酸和次磷酸的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。 （3）掌握砷、銻、鉍氧化物及其水合物的酸堿性及變化規(guī)律。掌握砷、銻、鉍化合物氧化還原性的變化規(guī)律。熟悉砷、銻、鉍硫化物的顏色、生成和溶解性，以及砷、銻的硫代酸鹽的有關(guān)性質(zhì)。 （4）運用結(jié)構(gòu)理論和熱力學(xué)原理解釋氮族元素重要化合物某些化學(xué)性質(zhì)的規(guī)律性。 （5）了解氮族元素重要化合物的重要應(yīng)用，特別是常溫常壓氮氣高效電化學(xué)合成氨的研究進展。 （6）了解氮族元素的生物效應(yīng)和應(yīng)用。 （1）一氧化氮為什么被稱為明星分子？ （2）2011年Science報道了利用X射線發(fā)射光譜證明了固氮酶鐵鉬輔因子的中心碳位置[1]。你認(rèn)為它的意義是什么？ （3）氮氣和氫氣直接合成氨的哈伯-博施（Haber-Bosch）反應(yīng)[2]解決了激增的人口與糧食供求之間日益凸顯的矛盾。然而，常溫常壓條件下的固氮問題一直在挑戰(zhàn)人類的智慧，科學(xué)家一直在努力尋求建立溫和條件下合成氨的新體系。近年來興起的電催化氮氣還原合成氨研究進 行得如火如荼，引起了廣大科研人員的重視[3]。就你的了解，該研究的進展如何？有無可能做到工業(yè)化？其核心技術(shù)是什么？ （4）自2004年石墨烯成功制備以來[4]，二維結(jié)構(gòu)單質(zhì)烯材料的制備層出不窮，其特性新奇，在電子器件與光電納米器件領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。談?wù)劮墙饘偻禺愋误w與先進功能材料的關(guān)系，它們能否成為新的材料寶庫？ 第1章氮族元素單質(zhì) 1.1 氮族元素的通性 1.1.1 氮族元素在自然界的存在 氮族元素是指元素周期表中第15列（ⅤA族）的元素，包括氮（N）、磷（P）、砷（As）、銻（Sb）、鉍（Bi）、鏌（Mc），其中氮和磷為典型的非金屬元素，砷和銻為類金屬（metalloid），其氧化物表現(xiàn)為兩性。砷和銻外觀類似金屬，但只是弱的電導(dǎo)體，在化學(xué)特性上比較像弱的非金屬，可以與金屬形成合金。大部分類金屬的物理特性及化學(xué)特性介于金屬和非金屬之間。鉍和鏌則為貧金屬（poor metal）。由此可見，氮族元素的性質(zhì)遞變規(guī)律表現(xiàn)出從典型的非金屬到典型金屬的過渡。115號元素鏌是人造元素，具有極強的放射性。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，除氮單質(zhì)為氣體外，其他元素的單質(zhì)均為固體，鏌也被推測為固體[1]。2004年2月2日，由俄羅斯杜布納聯(lián)合核子研究所和美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室聯(lián)合組成的科學(xué)團隊用加速到1/10光速的鈣離子（20號元素）轟擊镅元素（95號元素）成功合成了鏌[2]： （1-1） 氮氣是一種無色無味的雙原子氣體，在大氣中的體積分?jǐn)?shù)約為78%，是大氣中*穩(wěn)定的氣體之一。氮在地殼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0046%，氮元素也存在于生物體的氨基酸、蛋白質(zhì)和核酸中。人體中氮元素的質(zhì)量約占3%，僅次于氧、碳和氫元素。氮循環(huán)是指氮元素從空氣進入生物圈中再返回大氣的轉(zhuǎn)移過程（圖1-1）。氮元素在自然界中存在的穩(wěn)定同位素有14N和15N，其中14N的豐度為99.625%。 磷在生物圈內(nèi)的分布很廣泛（圖1-2），磷不以單質(zhì)存在，通常以磷酸鹽形式存在于自然界中，尤其是磷灰石。磷在地殼中的含量較豐富，列前4位（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.09%），在海水中濃度屬第二類。磷存在于動植物組織中，是原生質(zhì)的基本成分。磷也是人體含量較多的元素之一，排列為第六位，約占人體體重的1%，體內(nèi)85.7%的磷集中于骨骼和牙齒，其余分散在全身各組織及體液中，其中一半存在于肌肉組織中。磷作為人體細胞DNA和RNA的重要組成元素，參與生命活動中非常重要的代謝過程，是機體中一種很重要的元素。目前已知的生命形式都需要磷[3-4]。 砷廣泛存在于自然界，如火山噴發(fā)和含砷的礦石。砷分布在多種礦物中，在地殼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為；通常與硫和其他金屬元素共存，主要以硫化物礦的形式在自然界中存在，有雄黃（As4S4）、雌黃（As2S3）、砷黃鐵礦（FeAsS）、硫砷黃鐵礦（FeAsS2）等。另外，也有發(fā)現(xiàn)少量的天然砷晶體[5]。砷在自然界中只有一種穩(wěn)定同位素75As[6]。 銻在地殼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為，主要以單質(zhì)或輝銻礦（主要成分為Sb2S3）、方銻礦（Sb2O3）、銻華（Sb2O3）和銻赭石（Sb2O4）的形式存在，盡管其含量并不豐富，但依然在超過100種礦物中存在[7]。我國銻蘊藏量占世界**位，是銻的主要供應(yīng)國。銻的穩(wěn)定同位素有121Sb和123Sb。 在自然界中有少數(shù)游離鉍金屬存在，但主要以化合態(tài)存在于礦石中：鉍華（Bi2O3）、輝鉍礦（Bi2S3）、硒輝鉍礦（BiSe3S3）等。鉍在地殼中的含量不高，為，豐度排第69位。天然鉍礦的產(chǎn)地主要有澳大利亞、玻利維亞和我國。鉍的穩(wěn)定同位素只有209Bi。 至今約有100個鏌原子被偵測到，而所有鏌原子的質(zhì)量數(shù)介于287～290。 1.1.2 氮族元素的成鍵特征 氮族元素基態(tài)原子的價層電子組態(tài)為ns2np3，即都有5個價電子，使得*高氧化態(tài)可以達到+Ⅴ。其中由于N價層沒有d軌道，價層電子不能向d軌道躍遷，不能形成5個共價鍵；且N電負(fù)性大，原子半徑小，電荷密度高，因此其性質(zhì)和本族其他元素相比大有不同： （1）氮僅能從電正性高的元素中奪取電子，形成離子型氮化物，如Li3N和Na3N。 （2）氮易形成強的（p-p）π多重鍵。 （3）氮的化合物比本族其他元素的化合物多，*多形成4個共價鍵，即配位數(shù)不超過4。 （4）與氧、氟相似，氮也有形成氫鍵的傾向。形成氫鍵時，氮既可作為質(zhì)子的給予體，如N—H X（X=F、O等），又可作為質(zhì)子接受體，如H3N H—X。 （5）氮與其他原子或基團鍵合時共享電子以滿足八隅律是其*大特性（表1-1）。 值得注意的是，在少數(shù)化合物中，氮原子并不具備八隅體的構(gòu)型，典型的實例有NO、NO2及（O3S）2NO2等。它們都有一個未成對電子，是順磁性物質(zhì)。這些化合物的結(jié)構(gòu)通常可用分子軌道理論描述。 氮族元素自上而下+3氧化態(tài)物質(zhì)穩(wěn)定性增加，而+5氧化態(tài)物質(zhì)穩(wěn)定性降低。這是因為自上而下過渡到Bi時，Bi原子半徑較大，成鍵時電子云重疊程度較小；Bi原子的4f和5d軌道對原子核的屏蔽作用較小，6s電子又具有較強的鉆穿效應(yīng)，所以6s電子能量顯著降低，6s電子成為“惰性電子對”（inert electron pair）而不易參與成鍵，導(dǎo)致Bi常顯+3價。這種自上而下低氧化態(tài)比高氧化態(tài)物質(zhì)穩(wěn)定的現(xiàn)象稱為惰性電子對效應(yīng)（inert electron pair effect）。因此，+5價鉍在酸性條件下氧化性很強，不穩(wěn)定。總體來講，As、Sb、Bi的M（Ⅲ）基本以共價方式成鍵，其中M原子通常以不等性sp3雜化軌道形成三個σ鍵并保留ns2孤對電子，使得在氣態(tài)中存在的MX3單分子合乎邏輯地呈三角錐形。As、Sb、Bi形成共價鍵的能力不如N和P，并按As＞Sb＞Bi依次減弱。應(yīng)當(dāng)指出，在配合物中M（Ⅲ）既可作為電子對的給予體，也可作為電子對的接受體進一步形成配位鍵。 除N原子的配位數(shù)不超過4外，其他原子的*高配位數(shù)可達到6，如在固體PCl5中存在[8]，P的雜化方式為sp3d2。 氮族中只有電負(fù)性較大的非金屬元素N和P與活潑金屬作用可以形成極少數(shù)?3價的離子型固態(tài)化合物，如Li3N、Mg3N2、Na3P及Ca3P2等。金屬元素Sb和Bi則形成的是+3價離子型固態(tài)化合物，如Sb2（SO4）3、BiF3及Bi（NO3）3 5H2O等。需要注意的是，氮族元素?zé)o論是-3價還是+3價離子型固態(tài)化合物，遇水都會發(fā)生強烈水解。
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