第 10章 主族金属元素（二）铝锡铅砷锑铋

第10章 主族金属元素（二）铝锡铅砷锑铋

【内容】

10.1 P区元素概述 10.2 铝 10.3 锡铅 10.4 砷锑铋

10.5 专题讨论 惰性电子对效应

【要求】

1.了解P区元素的特点、共性和递变规律；

2.掌握铝及其重要化合物的性质和用途； 3.掌握锡和铅及其重要化合物的性质和用途； 4.了解砷锑铋及其重要化合物的性质和用途；

5.能用惰性电子对效应解释P区金属元素性质的递变规律；

10.1 P区元素概述

p区元素是指元素周期表中ⅢA?ⅧA族的所有元素，分为金属元素(左下角)和非金属元素(右上角)两部分。见表10-1。

表10–1 元素周期表中的p区元素

族 周期 IA IIA B～Ⅷ Ⅲ s 区 d区 IB IIB ⅢA ⅣA ⅤA C Si Ge Sn Pb P区 N P As Sb Bi ⅥA ⅦA ⅧA He 1 2 3 4 5 6

B Al Ga In O S Se Te Po F Cl Br I At Ne Ar Kr Xe Rn ds区 Tl 1. p区元素原子价层电子构型及性质递变规律

p区元素原子的价层电子构型为ns2np1? 6，价层除有2个s电子外，还有1?6

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个p电子，He只有2个s电子。

p区元素全属于主族元素，每一族自上而下，原子半径逐渐增大，金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱，第ⅢA、ⅣA、ⅤA主族元素都是从非金属过渡到金属。p区元素从左到右原子半径逐渐减小，金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强（稀有气体除外），F是最强的非金属元素。

2. p区元素氧化数

p区元素除F外，一般都有多种氧化数；除F和O外，其最高正氧化数均等于最外层电子数，即所在族序数，见表10-2。

表10 - 2 元素周期表中p区元素的氧化数

族 价层电子构型 氧化数 最高氧化数示例 ⅢA 硼族 ns2np1 +3,(+1) B2O3 ⅣA 碳族 ns2np2 +4,+2 CO2 ⅤA 氮族 ns2np3 +5,+3, (+1) N2O5 ⅥA 氧族 ns2np4 +6,+4, (+2),-2 SO3 ⅦA 卤族 ns2np5 +7,+5,+3, +1,-1 Cl2O7 ⅧA 稀有气体 ns2np6 +8 Na4XeO6

过渡元素后的p区金属元素，由于ns2惰性电子对效应，使其低氧化态自上而下趋于稳定，ⅢA，ⅣA，ⅤA三族表现得特别突出，尤其是第6周期的Tl(﹢1)，Pb(﹢2)，Bi(﹢3)均很稳定，而其最高正氧化态Tl(﹢3)，Pb(﹢4)，Bi(﹢5)不稳定，具有较强的氧化性。

3. p区金属元素的特性 ①熔点低

表10 - 3 p区金属的熔点

金属 tm /℃ Al Ga In 156.6 Tl 303.5 Ge 973.4 Sn Pb Sb 630.5 Bi 271.3 660.37 29.78 231.88 327.5

周期表中的p区金属与ⅡB族的Zn(419.6℃)，Cd（320.9℃ ），Hg(-38.9℃)合称为低熔点元素区。这些金属相互能形成多种重要的低熔点合金.

② p区准金属及其某些化合物具有半导体性质,其导电性介于金属和绝缘体之间，如硅、锗、硒、磷化铝、砷化镓等。

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③ p区金属元素的金属性较弱，Al、Ga、In、Ge、Sn和Pb的单质、氧化物及其水合物均表现出两性，其化合物表现出明显的共价行。

④ p区金属在自然界都以化合态形式存在，除铝主要是氧化物矿外，其余多为硫化物矿。

本章讨论铝、锡、铅，砷、锑、铋。其中砷不是金属，但砷、锑、铋通常称为砷分族元素，性质相似，且递变规律强，所以放在一起讨论。

10.2 铝

10.2.1 金属铝

铝是地壳中分布最广的金属元素（质量分数为8.3 %），在所有元素中仅次于O（45.5 %）和Si（25.7 % ）。铝在自然界中以各种矿物存在，其中最重要的是铝土矿（矾土）Al2O3 · xH2O，冰晶石Na3AlF6和明矾石KAl(SO4)2 · 2Al(OH)3。

1．铝的性质

铝是银白色的金属，最重要的性质是质轻，密度为2.7g · cm-3，属轻金属，质软，硬度为1.5，熔点为660.37℃，沸点为2467℃。无毒，富有延展性（延性仅次于Au），具有很好的导电性、传热性（导电、导热能力仅次于Ag和Cu），抗氧化、抗酸碱（表面生成一层致密、惰性的氧化膜，最厚达10 nm），不发生火花放电，无磁性。

铝及其合金能被铸、辗、挤、锻、拉或用机床加工，易于制成各种形状的用材，如电线、包装用薄膜、炊具、建筑材料、航空航天材料等等，使它在国民经济中占有重要地位。铝表面有一层氧化物薄膜，经过阳极化处理，其具有更好的抗腐蚀性和抗磨损性。

表10 - 4 常见铝制合金及其主要用途

成分 铝制合金 工业纯铝 硬铝 坚铝 镁铝 Al 99.7 95～96 93～95 70～90 Mg 0.2～0.8 0.5～2 10～30 Cu 2.0～3.5 2.5～5.5 Mn 0.2～0.8 0.5～1.2 Fe、Si 0.3 杂质≤1.3% 0.2～1 主要用途 铝箔、电缆、导电机件材料等 做管、棒、板、线材以及自由锻件等 飞机中仪器零件、航空发动机气缸等 飞机结构材料等 3

铝的化学性质活泼，具有较强的还原性，??(Al3+/Al)= - 1.676 V，在不同温度下能与O2、Cl2、Br2、I2、N2、P等非金属直接化合。根据铝的原子结构特点，铝的典型化学性质有缺电子性、亲氧性和两性。

(1) 缺电子性：Al原子的价层电子结构是3s23p1, 价电子数少于价轨道数,为缺电子原子，其化合物具有缺电子性。如三氯化铝在气态存在双聚分子Al2Cl6。 在Al2Cl6中每个Al原子都是sp3杂化，其相邻的4个Cl-Al键，3个是共价键，1个是配位共价键，其几何构型为共用一条棱边的双四面体，表现出铝（Ⅲ）的化合物为缺电子化合物。

(2) 亲氧性：铝的最突出的化学性质就是亲氧性，这可从Al2O3的生成焓很高得到说明：

2Al(s) +

3O2(g) === Al2O3 ；? f H?= - 1669.7 kJ·mol-1 m2Al与O2反应的自发性程度很大，Al 一接触空气，表面立即被氧化，生成一层致密的氧化膜，此膜可阻止铝继续被氧化，此膜不溶于水和酸，使铝在空气及水中都很稳定，故铝被广泛用来制造日用器皿。一旦此膜被破坏，铝的化学活泼性就表现出来。例如，将一条铝片表面用砂纸擦净，放入热稀NaOH溶液1～2分钟，取出后用水洗净，滤纸擦干。在该铝片上滴入2滴HgCl2饱和溶液，待表面成灰色时（约3分钟），用滤纸擦干，放置，可观察到蓬松的胡须状 “白毛”不断长出，同时放出大量的热。当放入一试管内的热水中，可看到长“白毛”处不断冒出气泡，经验证是氢气。相关化学方程式为：

3HgCl2 + 2Al == 2AlCl3 + 3Hg

Hg + Al == Al（Hg）

4Al（Hg）+ 3O2 + 2xH2O == 2Al2O3 · xH2O +（Hg）

(白毛)

2 Al（Hg）+ 6H2O == 2Al(OH)3 + 3H2↑ +（Hg）

由于生成Al-Hg齐，其中的Al比较疏松，不再形成致密的氧化铝薄膜，所以Al将不断地与外界的氧和水发生反应。

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