元素化学

概念

元素化学是"具体物质的性质手册"。它不像前六章那样有一套统一公式，而是把周期表位置的规律套到每个元素上。

一句话：元素化学的记忆量最大，但记住三条递变规律就能自己推出一半性质——同族相似、同周期递变、对角线相似。

本章不是要背完整本无机化学，而是给出能查、能推的骨架。

原理

三条递变规律

① 同主族相似：最外层电子数相同，性质高度相似且随半径增大而渐变。

• 碱金属（IA）：$\text{Li}\to \text{Cs}$，金属性增强，与水反应越来越剧烈。
• 卤素（VIIA）：${\text{F}}_2\to {\text{I}}_2$，氧化性减弱；${\text{F}}_2$ 能置换水中的氧，${\text{I}}_2$ 连淀粉都只能显蓝。

② 同周期递变：从左到右金属性减弱、非金属性增强、最高价氧化物水化物的碱性减弱酸性增强。

$$\text{NaOH（强碱）}\to {\text{Mg(OH)}}_2\to {\text{Al(OH)}}_3\text{（两性）}\to {\text{H}}_2{\text{SiO}}_3\to {\text{H}}_3{\text{PO}}_4\to {\text{H}}_2{\text{SO}}_4\to {\text{HClO}}_4\text{（最强酸）}$$

③ 对角线相似：$\text{Li}\sim \text{Mg}$、$\text{Be}\sim \text{Al}$、$\text{B}\sim \text{Si}$。原因是对角线上电荷/半径比接近。

这条规律解释了为什么 Al 和 Be 都是两性，也解释了 ${\text{Li}}_2{\text{CO}}_3$ 像 ${\text{MgCO}}_3$ 一样难溶。

过渡元素的特点

过渡元素（d 区）与主族最大的三点不同：

1. 多变的氧化数（Fe 有 +2/+3，Mn 有 +2 到 +7）——因为 3d 与 4s 能量接近，都能参与成键。
2. 易形成配合物——d 轨道空、电荷密度高，容易接受配体。
3. 离子有颜色——d 电子跃迁吸收可见光（${\text{Cu}}^{2+}$ 蓝、${\text{Fe}}^{3+}$ 黄棕、${\text{MnO}}_4^{-}$ 紫红）。

配合物由中心离子与配体组成，名称为「配体数 + 配体 + 合 + 中心离子(氧化数)」，如 $[{\text{Cu(NH}}_3{)}_4]{\text{SO}}_4$ 叫硫酸四氨合铜(II)。

常见的典型反应

反应	现象/意义
${\text{Al(OH)}}_3+\text{NaOH}\to {\text{NaAlO}}_2+2{\text{H}}_2\text{O}$	两性氢氧化物，能溶于强碱
${\text{Cl}}_2+2\text{NaOH}\to \text{NaCl}+\text{NaClO}+{\text{H}}_2\text{O}$	歧化，氯既升又降
$2{\text{Fe}}^{3+}+\text{Cu}\to 2{\text{Fe}}^{2+}+{\text{Cu}}^{2+}$	Fe³⁺ 氧化性足以溶解铜
$2{\text{H}}_2{\text{O}}_2\stackrel{{\text{MnO}}_2}{\to }2{\text{H}}_2\text{O}+{\text{O}}_2\uparrow$	H₂O₂ 既是氧化剂又是还原剂
${\text{SiO}}_2+4\text{HF}\to {\text{SiF}}_4\uparrow +2{\text{H}}_2\text{O}$	唯一能腐蚀玻璃的酸是氢氟酸

常见离子颜色（速查）

离子	颜色	离子	颜色
${\text{Cu}}^{2+}$	蓝	${\text{Fe}}^{2+}$	浅绿
${\text{Fe}}^{3+}$	黄棕	${\text{Mn}}^{2+}$	浅粉
${\text{MnO}}_4^{-}$	紫红	${\text{Cr}}_2{\text{O}}_7^{2-}$	橙
${\text{Cr}}^{3+}$	绿	${\text{Cu(OH)}}_2$ 沉淀	蓝

示例

例 1：判断 Fe²⁺ 与 Fe³⁺ 谁更稳定

空气中的 ${\text{Fe}}^{2+}$ 溶液久置为什么会变黄？

完整判断过程：

第一步，比较电极电势：$E^{\circ }({\text{Fe}}^{3+}/{\text{Fe}}^{2+})=+0.77$ V，$E^{\circ }({\text{O}}_2/{\text{H}}_2\text{O})=+1.23$ V（酸性）。

第二步，氧的 $E^{\circ }$ 更大 → ${\text{O}}_2$ 作氧化剂，${\text{Fe}}^{2+}$ 作还原剂，反应向右：

$$4{\text{Fe}}^{2+}+{\text{O}}_2+4{\text{H}}^{+}\to 4{\text{Fe}}^{3+}+2{\text{H}}_2\text{O}$$

第三步，算电动势：$E^{\circ }=1.23-0.77=0.46$ V > 0 → 自发。

结论：${\text{Fe}}^{2+}$ 被空气氧化成黄棕色的 ${\text{Fe}}^{3+}$。所以 亚铁溶液要现配现用，或加铁屑防止氧化（$\text{Fe}+2{\text{Fe}}^{3+}\to 3{\text{Fe}}^{2+}$）。

例 2：氯气的歧化

${\text{Cl}}_2$ 与 NaOH 反应，谁被氧化、谁被还原？

完整判断过程：

${\text{Cl}}_2+2\text{NaOH}\to \text{NaCl}+\text{NaClO}+{\text{H}}_2\text{O}$

标氧化数：反应物中 Cl 为 0；产物中 NaCl 里是 −1（降，被还原），NaClO 里是 +1（升，被氧化）。

同一个元素既升又降，这叫歧化反应。

结论：氯气既是氧化剂又是还原剂。工业上正是用这个反应制漂白液（NaClO）。

例 3：用递变规律推断

不用查表，判断 ${\text{Mg(OH)}}_2$ 与 ${\text{Al(OH)}}_3$ 谁碱性更强？

完整判断过程：

两者都在第三周期，Mg 在 Al 左边。按同周期递变规律：从左到右金属性减弱、氢氧化物碱性减弱。

所以碱性：${\text{Mg(OH)}}_2>{\text{Al(OH)}}_3$。

结论：Mg(OH)₂ 是中强碱，Al(OH)₃ 已经是两性氢氧化物——它既溶于酸又溶于碱，正是"金属性弱到临界点"的表现。

要点

要点与常见误区

1. 氟没有正氧化数（F 是最强氧化剂，只能 −1）；氧在 OF₂ 中才是正价。
2. 两性物质是临界现象，常见的有：Al(OH)₃、Be(OH)₂、Zn(OH)₂、氨基酸、Al₂O₃、ZnO。
3. 浓硫酸、浓硝酸、王水的特殊氧化性靠的不是 H⁺，而是分子本身的强氧化性（王水还能络合溶解 Au）。
4. Fe³⁺ 与 I⁻ 不能共存（会氧化 I⁻ 成 I₂），Fe³⁺ 与 SCN⁻ 显血红色——这是检验 Fe³⁺ 的经典方法。
5. ${\text{CO}}_2$ 通入 ${\text{NaAlO}}_2$ 会生成 ${\text{Al(OH)}}_3$ 沉淀，是一个常考的"弱酸制强酸"型反应（其实靠的是溶解度）。
6. 离子颜色是推断题的钥匙：蓝铜、黄铁、紫锰、橙铬。

小结

• 元素化学看起来是记忆题，实际是周期表推理题：同族相似、同周期递变、对角线相似。
• 过渡元素的三个标签：多变价、易配位、有颜色。
• 离子颜色与典型反应是推断题的线索库，值得单独抄一页。
• 有机化学是另一套独立的规则体系，下一章单独讲。

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