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第7章 奇妙的化学物质(3)

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,无定型硅为黑色,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,很难与其他物质发生反应。

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°C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,白磷氧化得很慢,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。

生产中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)。

无定型硫主要有弹性硫,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、共价化合物和配位共价化合物。硫有正四价、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,用作化肥;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;硫酸镁可用作润滑剂,被加在肥皂中和轻柔磨砂膏中;也可以用作肥料。

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,熔点约为零下101℃,沸点约为零下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、染料及其他化学制品或中间体,氯还用于制造漂白剂、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。

第三节性格内向的惰性气体

惰性气体共有6种,按照原子量递增的顺序排列,依次是氦、氖、氩、氪、氙、氡。在通常情况下,它们不与其他元素化合,而仅以单个原子的形式存在,显得很“内向”。

事实上,这些原子对于它们自己同类中的其他原子的存在也漠不关心甚至不愿互相靠近到可以形成液体的程度,因而在常温下,它们都不会液化。

它们全是气体,存在于大气之中。

1.氦(He)

氦的单质是氦气,分子式为He。1868年,法国的让桑和英国的洛基尔分别同时从日冕光谱内发现太阳中有新元素——氦。

氦是一种稀有气体,无色、无臭、无味。它在水中的溶解度是已知气体中最小的,也是除氢气以外密度最小的气体。其密度约为0.18克/升,熔点约零下272℃(26个大气压),沸点约零下268℃。

液体氦可以用来得到接近绝对零度(零下273.15℃)的低温。

氦的化学性质十分不活泼,既不能燃烧,也不能助燃,基本上不形成什么化合物。氦的应用主要是作为保护气体、气冷式核反应堆的工作流体和超低温冷冻剂以及用它填充电子管、气球、温度计和潜水服等。

2.氖(Ne)氖是无色、无臭、无味的,气体密度约为0.91克/升,液体密度约1.20克/立方厘米。熔点约为零下248℃,沸点约为零下245℃。

氖的化学性质极不活泼,不能燃烧,也不助燃。在一般情况下不生成化合物,气态氖为单原子分子。

氖是一种惰性气体,在一般情况下不与其他物质发生反应。

氖在放电时发出橘红色辉光,可大量应用于城市霓虹灯。

此外,日常生活中使用的试电笔中也充入氖气,这是利用了氖放电发光以及电阻很大的特性。

在使用试电笔时,笔尖接触被测电路,手触摸试电笔尾部,这样才能形成回路。电流从电笔一端流入,经过氖气后,电流强度降至人体安全范围,再到达尾部,经人体导入大地。当看到试电笔中间的氖气窗亮起橘红色,证明被检验电路通电良好。

氖还被大量用于高能物理研究方面。

3.氩(Ar)

氩是单原子分子,单质为无色、无臭、无味的气体。

氩是稀有气体,在空气中含量最多的一种惰性气体,100升空气中约含有934毫升氖。其密度约为1.78克/升,熔点约为零下189℃,沸点约为零下185℃。

氩的化学性极不活泼,但是已将其制成了化合物——氟氩化氢。

氩不能燃烧,也不能助燃。氩的最早用途是向电灯泡内充气,焊接和切割金属也使用大量的氩。

同时,氩还用作电弧焊接不锈钢、镁、铝和其他合金的保护气体,即氩弧焊。

氩放电时发出紫色辉光,可应用于霓虹灯。

4.氪(Kr)

氪,无色、无臭、无味。它的密度约为3.74克/升(气),2.16克/立方厘米(液、温度零下156.9℃)。熔点约为零下156℃,沸点约为-152℃。

氪原子的外壳是电子已填满了的稳定结构,所以它的化学性质极不活泼。

氪主要用来充填电灯和各种电子器件,防腐,也可作X射线工作时的遮光材料。它和氩的混合物广泛用于充填荧光灯。

1898年,英国的拉姆赛和特拉威斯,用光谱分析液态空气蒸发氧气、氮气、氩后所剩下的残余气体时,发现了氪。

5.氙(Xe)

氙是惰性气体的一种,无色、无臭、无味。

氙的密度约为5.89克/升,3.52克/立方厘米(液),2.7克/立方厘米(固)。它的熔点约为零下111℃,沸点约零下107.1℃。

氙能吸收X射线,它在较高温度或光照射下可与氟形成一系列氟化物。它是非放射性惰性气体中唯一能形成在室温下稳定化合物的元素。氙也能与水、氢醌和苯酚一类物质在一定条件下反应。

由于氙具有极高的发光强度,所以在照明技术上用来充填光电管、闪光灯和氙气高压灯。

氙气高压灯具有高度的紫外光辐射,可用于医疗技术方面。还可用于深度麻醉剂、激光器、焊接、难熔金属切割、标准气、特种混合气等。

6.氡(Rn)

氡是无色、无味气体,熔点约零下71℃,沸点约零下61℃。

气体密度约为9.73克/升,其水溶解度约为4.93克/千克水。氡也易溶于有机溶剂,如煤油、二硫化碳等。

氡很容易吸附于橡胶、活性炭、硅胶和其他吸附剂上。

氡的化学性质极不活泼,没有稳定的核素,却具有危险的放射性,这种放射性可以破坏形成的任何化合物。

氡较容易压缩成无色发磷光的液体,固体氡有天蓝色的钻石光泽。已经制得的氡化合物只有氟化氡,它与氙的相应化合物类似,但更稳定,更不易挥发。

由于氡具有放射性,衰变后成为放射性钋和α粒子,因此可供医疗使用。例如用于癌症的放射治疗。用充满氡气的金针插进生病的组织,可杀死癌细胞。它通常从辐射源泵并密封于小玻璃瓶中,然后植入患者体内的肿瘤部位。人们称这种氡粒子为“种子”。

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