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第6章 奇妙的化学物质(2)

由于锌在常温下表面易生成一层保护膜,所以锌最大的用途是镀锌工业。锌能和许多有色金属形成合金,其中锌与铝、铜等组成的合金,被广泛用于压铸件。

锌与铜、锡、铅组成的黄铜,用于机械制造业。含少量铅、镉等元素的锌板可制成锌锰干电池负极、印花锌板、有效腐蚀照相制板和胶印印刷板等。

锌与酸或强碱都能发生反应,放出氢气。锌肥(硫酸锌、氯化锌)有促进植物细胞呼吸、碳水化合物的代谢等作用。锌粉、锌钡白、锌铬黄可作颜料。氧化锌还可用于医药、橡胶、油漆等工业。

8.钠(Na)

钠的单质很软,可以用小刀进行切割。切开外皮后,可以看到钠具有银白色的金属光泽。钠的单质还具有良好的延展性。

钠是热和电的良导体,其密度约为0.97克/立方厘米,比水的密度小。钠的熔点约为97℃,沸点大约为882℃。

钠的化学性质非常活泼,所以它在自然界中不能以游离状态存在。而在实验室中,通常将钠保存在煤油或石蜡油里。

钠在空气中燃烧时,迅速熔化为一个闪亮的小球,发出黄色火焰,生成的过氧化钠比氧化钠稳定。氧化钠可以和氧气化合成为过氧化钠,其化学方程式为:2Na2O+O2=2Na2O2。过氧化钠是种淡黄色的化合物,具有较强的氧化性,可与水发生反应生成碱和氧气。

钠在与水反应的时候,十分剧烈。迅速熔化成闪亮的小球,在水面游动,发出“嘶嘶”的声音,放出大量热,且有气体产生,反应后溶液呈碱性。这说明钠的还原性强,能转换出水中的氢元素。

它能引起氢气燃烧,所以钠失火不能用水扑救,必须用干燥的沙土来灭火。

钠具有很强的还原性,可以从一些熔融的金属卤化物中把金属置换出来。由于钠极易与水反应,所以不能用钠把金属活动性顺序中位于钠之后的金属从其盐溶液中置换出来。

纯净的金属钠在工业上并没有多大用处,但钠的化合物可以应用在医药、农业和摄影器材中。

氯化钠就是餐桌上的食盐。液态的钠有时用于冷却核反应堆(钠钾合金在室温下呈液态,是核反应堆的导热剂,起到把反应堆产生的热量传导给蒸气轮机的作用)。

以往,金属钠主要用于制造车用汽油的抗暴剂。但由于会污染环境,已经日趋减少。金属钠还用来制取钛以及生产氢氧化钠、氨基钠、氰化钠等。

钠还是人体中一种重要的无机元素。

9.镁(Mg)

镁是一种银白色的金属,密度约为1.74克/立方厘米,熔点在648℃左右,沸点约为1090℃。

1808年,英国的戴维用钾还原白镁氧(即氧化镁MgO),最早制得少量的镁。

镁具有延展性,金属镁无磁性,且有良好的热消散性。在空气中易被氧化,形成氧化薄膜氧化镁(MgO),俗名苦土。

镁具有比较强的还原性,能与热水反应放出氢气。燃烧时能产生炫目的白光,镁与氟化物、氢氟酸和铬酸不发生作用,也不受苛性碱侵蚀,但极易溶解于有机和无机酸中。镁能直接与氮、硫和卤素等化合,包括烃、醛、醇、酚、胺、脂和大多数油类在内的有机化学药品,与镁仅仅轻微地或者根本不起作用。

镁的应用范围也很广。镁常用来作还原剂,去置换钛、锆、铀、铍等金属。

镁还用于制造轻金属合金、球墨铸铁、科学仪器脱硫剂脱氢和格氏试剂,也用于制造烟火、闪光粉、镁盐等。

镁结构特性类似于铝,具有轻金属的各种用途,可作为飞机、导弹的合金材料。

10.钙(Ca)

钙是银白色的轻金属。它质软,密度约为1.54克/立方厘米,熔点在839℃左右,沸点约为1484℃。

钙的化学性质活泼,能与水、酸反应,有氢气产生。

Ca+H2SO4=CaSO4+H2↑

Ca+2H2O=Ca(OH)2+H2↑。

在空气中,钙的表面会形成一层氧化物和氮化物薄膜,以防止继续受到腐蚀。加热时,几乎能还原所有的金属氧化物。

钙在自然界分布广,以化合物的形态存在,如石灰石、白垩、大理石、石膏、磷灰石等。钙也存在于血浆和骨骼中,并参与凝血和肌肉的收缩过程。少年缺钙易得佝偻病,中年缺钙易得软骨病,老年缺钙则导致骨质疏松。

金属钙可由电解熔融的氯化钙而制得,也可用金属在真空中还原石灰,再经蒸馏而获得。

钙主要用来作合金的脱氧剂以及油类的脱水剂等。钙的氧化物叫生石灰(CaO),能和水反应形成碱并放出大量的热,CaO+H2O=Ca(OH)2,而氢氧化钙又叫熟石灰。

11.钾(K)

钾是银白色金属,很软,可用小刀切割。它的熔点在63℃左右,沸点约为760℃。密度是0.86克/立方厘米(温度在20℃时),钾和钠属于同一主族的。

钾的化学性质比钠还要活泼。钾暴露在空气中,表面会覆盖一层氧化钾和碳酸钾,使它失去金属光泽,因此金属钾应保存在煤油中以防止氧化。

钾在空气中加热就会燃烧。它在有限量氧气中加热,生成氧化钾(K2O);在过量氧气中加热,生成过氧化钾(K2O2)。

金属钾溶于液氨,生成深蓝色液体,可导电。钾的液氨溶液久置或在铁的催化下会分解为氢气和氨基钾。钾的液氨溶液与氧气作用,生成超氧化钾(KO2);与臭氧作用,生成臭氧化钾(KO3)。

钾与水、冰或雪的反应在零下100℃时仍然非常猛烈,生成氢氧化钾和氢气。反应时放出的热量能使金属钾熔化,并引起钾和氢气燃烧。

钾与氢气发生反应,生成氢化钾。钾与氟、氯、溴、碘都能发生反应,生成相应的卤化物。钾与氮气共热可生成不稳定的叠氮化钾,但反应条件要控制得极为严格,否则叠氮化钾又会分解为钾和氮气。钾与氨共热,生成氨基钾,并放出氢气。

金属钾很活泼,贮存和使用时都要注意安全,由钾引起的火灾,不能用水或泡沫灭火剂扑灭,而要用碳酸钠干粉进行灭火。

钾离子能使火焰呈紫色,可用焰色反应和火焰光度计检测。钠的焰色是黄色,铜的焰色为绿色,因此可根据焰色反应去判断金属物质。

钾可以用来制造钾钠合金,在有机合成中用来作还原剂,也用于制光电管等。钾的化合物在工业上用途很广,如钾盐可以用于制造化肥及肥皂。

另外,钾对动植物的生长和发育起很大作用,是植物生长三大营养元素之一。

第二节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、无臭、极易燃烧、由双原子分子组成的气体,也是最轻的气体。其熔点约为零下259℃,沸点大约是零下252℃,临界温度零下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℃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,熔点大约是零下209℃,沸点约为零下1956℃。氮气的气体密度约是1.25克/升,临界温度约为零下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。它的熔点约为零下219℃,沸点在零下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,氟能同其他所有元素化合: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。

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