A-level 化学/AQA/模块 5/周期性

第三周期元素与水的反应

Na、Mg、Al 和 Si 比 H 更具电正性，可以将水还原成氢气

Na 与水剧烈反应，生成氢氧化物和氢气

2Na(s) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g)

所得溶液呈强碱性，pH 值为 14。

Mg 与冷水反应非常缓慢，但可以与蒸汽迅速反应生成氧化物和氢气

Mg(s) + 2H2O(l) → Mg(OH)2(aq) + H₂(g)

Mg(s) + H2O(g) → MgO(s) + H2(g)

所得溶液呈弱碱性，因为氧化物略微碱性（pH = 9）。

Al 和 Si 在某些条件下也会与蒸汽反应。

P、S 和 Cl₂ 不会将水还原成氢气。磷和硫不与水反应，但氯会歧化生成酸性溶液

Cl₂(g) + H₂O(l) → HClO(aq) + HCl(aq)

所得溶液含有 HCl(aq)，因此呈酸性（pH = 2）。

第三周期元素对水的反应活性从 Na 到 Si 降低，然后从 P 到 Cl 升高。所得溶液的酸性逐渐增强。

第三周期元素的氧化物

氧化物的形成

第三周期中除氯和氩外，所有元素都能与氧直接反应生成氧化物。

4Na(s) + O₂(g) → 2Na₂O(s)

Na₂O 是一种离子型氧化物。这种反应非常剧烈，钠会以黄色火焰燃烧

2Na(s) + O2(g) → Na2O2(s)

Na 也可以与 O2 反应生成 Na2O2（过氧化钠）。

2Mg(s) + O₂(g) → 2MgO(s)

MgO 也是一种离子型氧化物。这种反应非常剧烈，会发出耀眼的白色火焰，生成白色的氧化镁灰烬。

4Al(s) + 3O₂(g) → 2Al₂O₃(s)

Al₂O₃ 主要为离子型，但存在明显的共价性。这种反应一开始很剧烈。

Si(s) + O₂(g) → SiO₂(s)

SiO₂ 是一种巨型共价氧化物。这种反应很慢。

P₄(s) + 5O₂(g) → P₄O₁₀(s)

P₄O₁₀ 是一种分子共价氧化物。P 在该氧化物中的氧化数为 +5。这是一种剧烈反应，会生成大量五氧化二磷的白烟。

S(s) + O₂(g) → SO₂(g)

SO₂ 是一种分子共价氧化物。硫很容易熔化，并以蓝色火焰燃烧，生成二氧化硫（二氧化硫），一种无色且具有窒息性气味的气体。

另一种氧化物 SO₃ 在 SO₂ 和 O₂ 在 V₂O₅ 催化剂（接触法）的作用下加热时形成，这是一个可逆过程。

氧化物的物理性质

这些氧化物的物理性质取决于键的类型。

Na₂O、Al₂O₃ 和 MgO 都是离子型氧化物，因此具有高熔点。MgO 和 Al₂O₃ 的熔点高于 Na₂O，因为电荷更高，原子半径更小，导致离子之间的静电吸引力（力）更强。

SiO₂ 具有巨型共价结构，因此具有高熔点。所有原子之间存在强共价键，因此需要大量能量才能断裂它们。

P₄O₁₀ 和 SO₃ 是分子共价的，因此分子之间只存在分子间力（范德华力）。因此熔点要低得多。 P₄O₁₀ 是一个比 SO₃ 大得多的分子，因此具有更高的熔点，因为范德华力更强。

元素	氧化物的分子式	氧化物的结构	氧化物的熔点 /°C
Na	Na2O	离子型	1275
Mg	MgO	离子型	2852
Al	Al2O3	主要为离子型	2072
Si	SiO2	巨型共价	1703
P	P4O10	分子共价	300
S	SO3	分子共价	-10

氧化物的酸碱性

离子型氧化物含有 O²⁻ 离子。这是一种强碱性离子，与水反应生成氢氧根离子

O²⁻(aq) + H₂O(l) → 2OH_-(aq)

因此，所有离子型氧化物都呈碱性。

共价氧化物不含离子，但在非氧原子上具有强正偶极。这会吸引水分子上的孤对电子，释放 H 离子

MO(s) + H₂O(l) → MO(OH)_-(aq) + H⁺(aq)

因此，所有共价氧化物都呈酸性。

中间氧化物可以根据条件以上述两种方式中的任何一种方式反应。因此，它们可以表现出酸性或碱性，因此为两性的。

Na₂O 是一种碱性氧化物。它溶于水生成碱性溶液（pH = 14）。它也会与酸反应

Na₂O(s) + H₂O(l) → 2NaOH(aq)

Na₂O(s) + 2H⁺(aq) → 2Na⁺(aq) + H₂O(l)

MgO 是一种碱性氧化物。它在水中仅微溶，因此溶液仅呈微碱性（pH = 9）。它会与酸迅速反应

MgO(s) + H₂O(l) == Mg(OH)₂(s) == Mg(OH)₂(aq)

MgO(s) + 2H⁺(aq) → Mg²⁺(aq) + H₂O(l)

Al₂O₃ 是一种两性氧化物。它不溶于水（pH = 7），但溶于酸和碱。

Al₂O₃(s) + 6H⁺(aq) → 2Al³⁺(aq) + 3H₂O(l)

Al₂O₃ + 3H₂O(l) + 6OH_-(aq) → 2Al(OH)3−6(aq)

Al₂O₃ + 3H₂O(l) + 2OH_-(aq) → 2Al(OH)₄-(aq)

SiO₂ 是一种酸性氧化物。它不溶于水（pH = 7），但溶于热的浓碱。

SiO₂(s) + 2OH_-(aq) → SiO2−3(aq) + H₂O(l)

P₄O₁₀ 是一种酸性氧化物。它溶于水形成酸性溶液，也溶于碱。

P₄O₁₀(s) + 6H₂O(l) → 4H₃PO₄(aq)   pH = 3

P₄O₁₀(s) + 12OH_-(aq) → 4PO3−4(aq) + 6H₂O(l)

SO₂ 和 SO₃ 是酸性氧化物。它们溶于水形成酸性溶液，也与碱反应。

SO₂(g) + H₂O(l) $\rightleftharpoons$ H₂SO₃(aq)   pH = 2

SO₃(g) + H₂O(l) → H₂SO₄(aq)   pH = 1

SO₂(g) + 2OH_-(aq) → SO2−3(aq) + H₂O(l)

SO₃(g) + 2OH_-(aq) → SO2−4(aq) + H₂O(l)

SO₂ 是许多工业过程中的废气。它是有害的，因为它溶解在雨水中形成酸雨。它可以从废气中去除，因为它溶解在碱中，因此它通过废气出口中的碱性溶液来减少排放到大气中的量。

第三周期氧化物的酸碱性质可以总结在下表中

元素	Na	Mg	Al	Si	P	S
氧化物的分子式	Na2O	MgO	Al2O3	SiO2	P4O10	SO2	SO3
氧化物的酸碱性质	碱性	碱性	两性	酸性	酸性	酸性
溶于水时溶液的pH值 溶于水	12 - 14	8 - 9	7（不溶）	7（不溶）	2 - 4	2 - 4	1 - 3

因此，氧化物在元素周期表中从左到右移动时，酸性增强。

第三周期元素的氯化物（自2010年1月起不再属于教学大纲）

自2010年1月起，第三周期氯化物不再属于AQA化学5单元的教学大纲

氯化物的形成

第三周期所有元素，除了氩，都能直接与氯气反应生成氯化物。

2Na(s) + Cl₂(g) → 2NaCl(s)

NaCl 是一种离子氯化物。这是一个非常剧烈的反应。

Mg(s) + Cl₂(g) → MgCl₂(s)

MgCl₂ 也是一种离子氯化物。当元素被加热时，反应剧烈。

2Al(s) + 3Cl₂(g) → 2AlCl₃(s)

AlCl₃ 是共价的。它在固态中形成聚合物结构，在加热时迅速转化为二聚体气体（Al₂Cl₆）。因此，它的行为类似于简单的分子氯化物。当元素在无水条件下加热时，该反应剧烈。

Si(s) + 2Cl₂(g) → SiCl₄(s)

SiCl₄ 是一种分子共价氯化物。反应缓慢。

P₄(s) + 10Cl₂(g) → 4PCl₅(s)

这是一个缓慢的反应。实际上，P₂Cl₁₀ 在固态中是离子性的 - 它以 [PCl₄]⁺[PCl₆]_- 的形式存在于固态中。

氯化物的物理性质

NaCl 和 MgCl₂ 是离子氯化物。由于分离离子需要大量能量，因此熔点很高。

AlCl₃ 和 SiCl₄ 是分子共价氯化物，因此分子之间只存在分子间力。因此，它们的熔点远低于离子氯化物。

AlCl₃ 实际上以聚合物形式存在于固态中，在气相中转化为二聚体形式。这是因为铝原子是缺电子的 - 它只有四个价电子轨道中的三个被占据，因此它有一个空轨道可以接受来自相邻单体的 Cl 原子的孤对电子。在高温下，它会恢复到简单的分子结构。

PCl₅ 是离子性的，因此其熔点很高。然而，在加热时，它会恢复到简单的共价结构并升华。

元素 Na Mg Al Si P 氯化物的化学式 NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 PCl5 氯化物的结构 离子 离子 聚合物 分子共价 离子 氯化物的熔点 /°C 801 710 184 58 162

氯化物与水的反应

氯化物与水的反应方式取决于氯化物中存在的键类型

离子氯化物溶于水形成中性溶液

NaCl(s) → Na⁺(aq) + Cl_-(aq)   pH = 7

MgCl₂(s) → Mg²⁺(aq) + 2Cl_-(aq)   pH = 7

氯化铝与水反应生成水合铝离子与氯离子。水合铝离子会发生去质子化，形成酸性溶液

AlCl₃(s) + 6H₂O(l) → Al(H₂O)3+6(aq) + 3Cl_-(aq)

Al(H₂O)3+6(aq) + H₂O(l) → [Al(H₂O)₅(OH)]²⁺(aq) + H₃O⁺(aq)

其他共价氯化物在室温下易与水反应，生成氧化物或氢氧化物和 HCl(g)。HCl 以白色雾状蒸汽的形式生成，观察到这些蒸汽是氯化物为共价物的良好指示。

SiCl₄(l) + 2H₂O(l) → SiO₂(s) + 4HCl(g)   pH = 1 - 2

PCl₅(s) + 4H₂O(l) → H₃PO₄(aq) + 5HCl(g)   pH = 1 - 2

因此，共价氯化物与水反应生成酸性溶液。酸性是由于溶解的 HCl 造成的。

水分子通过将孤对电子捐献到电正性原子上的低能空轨道，攻击共价氯化物。在 AlCl₃ 的情况下，有一个可用的 3p 轨道，而在 SiCl₄ 和 PCl₅ 中，有可用的 d 轨道

  3s                        3p    3d

AlCl₃ [Ne] ↓↑ ↓↑ ↓↑

SiCl₄ [Ne] ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑

PCl₅ [Ne] ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑

正是这些低能空轨道的存在，使得这些氯化物能够与水发生容易反应。