化学自习室移动版

1、地壳中硅元素质量分数很大(26%)，且单质硅的性质很稳定，可为什么地壳中却不存在单质硅？

对于这个问题我们只能做这样的猜测：地球氛围是氧化性的，大气中存在大量的O₂单质，而硅元素是 一种亲氧元素(矿物学中，根据常见矿物的组成把元素分为“亲硫元素”和“亲氧元素”)，在漫长的地球发育过程中，地壳里的硅元素全部被氧结合掉，形成了以硅氧四面体为结构基础的石英或各种硅酸盐矿物。

科学研究发现，人工制得的单晶硅表面总是被一 层薄二氧化硅覆盖着，这也充分说明硅很容易与空气中的氧气化合。但这一层二氧化硅非常致密，一旦在硅表面上形成，就隔绝了硅与空气进一步接触，因而单质硅在空气中能稳定存在。

2、同为第IVA族元素，为什么碳、硅、错、锡的 ＋4价化合物稳定而铅却是＋2价化合物稳定？

首先我们注意到，碳族元素都有＋ 2价和＋4价2 种正化合价(氧化数)，这与它们原子价电子结构 ns²np²有关，s亚层与p亚层电子本身的能量不同，在不同反应条件下，原子可以只失去(偏离)np²的2个 电子显＋ 2价，也可能把最外层的4个价电子全部失 去(偏离)显＋ 4价。

对于碳、硅、错、锡来说，由于其最外层的ns²np²亚层电子能量差较小，在反应中容易全部失去(偏离)，所以在氧化剂充足的情况下，一般是显＋ 4价。虽在氧化剂不足时也可以形成＋ 2价态化合物(如 CO、SnCl₂等)，但是＋ 2价态化合物往往具有较强的还原性。

铅处于第六周期，其原子核外已出现 4f 亚层，按核外电子排布的能级交错规律与能量最低原理，核外电子进入原子轨道时，要先填 6s 再填 4f，之后才填充 6p 亚层，致使 6s、6p 亚层电子之间能力差较大且 6s 的一对电子能量突出地低，不易失去(称为“惰性电子对”)，故铅主要稳定氧化数是＋ 2而非＋ 4，＋4价铅的化合物具有强氧化性，如PbO₂。

这种低价态较稳定而高价态具有强氧化性的情况，同样表现在与铅同周期的Tl ＋ 1价稳定而＋ 3价 化合物具有强氧化性)、Bi( ＋ 3价化合物稳定而＋ 5 价化合物具有强氧化性)等元素身上。

3、锡和铅的金属性到底哪个强？

学习元素周期律时，有些同学提出了如下问题： 根据元素周期律，同主族元素从上到下，金属性增强， 铅的金属性应该比锡强。但在金属活动顺序表中，锡却排在铅的前边，说明锡比铅活泼。对此应该如何理解呢？

关于这个问题，有人试图用“金属性”与“金属活 动性”这2个概念的不同来解释这个问题，认为“金属 性是铅比锡强，而金属活动性则是锡比铅强"，事实果然如此吗？

元素的金属性是指元素的气态原子失去电子的 性质，可以用电离能(从气态原子上去掉电子时，需要 提供的能量，用符号“I”表示)来量度，电离能越小，则元素的金属性越强.査阅有关的化学数据可知，锡的 第一电离能( I₁，即从气态锡原子上去掉1 mol 电子 时，需要吸收的能量，下同)为709 kJ•mol^－1，而铅的第一电离能为716 kJ•mol^－1，故锡应该比铅容易失去电子，其金属性比铅强。

当然，锡和铅在化学反应中往往同时失去2个电 子，我们不妨把它们的合在一起比较：

锡：I₁＋I₂ = 709 kJ• mol^－1＋ 1412 kJ • mol^－1= 2 121 kJ•mol^－1

铅：I₁ ＋ I₂ =716 kJ• mol^－1＋1 450 kJ • mol^－1= 2 166 kJ• mol^－1

显然，同时去掉2个电子，也是锡比铅容易。

金属活动性则是指金属在水溶液中失去电子的倾向，金属活动性除了与元素原子的电离能有关外， 还与金属原子的升华能、离子的水合能的大小等因素有关。金属活动性通常用金属的标准电极电位（）来量度值越低，则金属单质的还原性就越强，金属活动顺序表就是以此为依据编写的。

查得锡和铅在相同情况下的辟值(“”中的 “A”，表示该电极电位是酸性条件下的值)如下：

显然，在水溶液中也是锡的还原性强。

所以，无论金属性还是金属活动性，都是锡比铅强。那种“金属性是铅强，而金属活动性则是锡强”的说法，是为了刻意解释教科书而臆造出来的，没有科学依据。

为什么会出现“锡在铅的上方，其金属性却比铅强''这种“违反”同一主族元素性质递变规律(从上到 下金属性增强)的情况呢？

其实，这是元素周期表中“锕系收缩”造成的效应之一，因为铅位于周期表中第六周期，第六周期比第五周期多出了锕系中锕元素后面的14种元素，虽然锕系的15种元素间原子半径比较接近，性质也很相似， 但15种元素的原子半径连续减小的结果，使锕系后 边元素的原子半径比锕系前边的元素显著地减小。这种效应，叫做“锕系收缩”，对锕系后的元素性质产生了很大的影响。

元素表现出的金属性、非金属性都是核电荷数和原子半径这2种因素共同作用的结果。而这2种因素是一对矛盾体：对于从上到下的同一主族元素，一方 面，核电荷数增大，使核对最外层电子的吸引力增强 (对应的，应该是金属性减弱、非金属性增强)；而另一 方面，原子半径增大，使原子核距最外层电子越来越 远，对最外层电子的吸引力减弱(对应的，应该是金属性增强、非金属性减弱)。

对于大多数的主族元素来说，是原子半径的增大这一因素起主导作用，故有“同一主族元素，从上到下金属性增强，非金属性减弱"的结论。但是因为铅受“锕系收缩”的影响，原子半径相对较小，故从锡到铅，原 子半径的增大所起的作用(使原子失电子能力增强) 减弱，而核电荷数增大(增大了 32)所起的作用(使原子核对最外层电子的控制力增强，原子失电子能力减弱)增强。于是导致了锡在铅的上方，反而金属性比铅强的情况出现，锡的金属活动性比铅强，也主要是由于其金属性强所导致的，而非其他因素。

所以，中学化学里很多规律性的东西往往有其使用范围，不可在任何情况下死搬硬套。