1、第一章 元素概述,2012年2月,主要内容,第一节 元素的发现、分类和分布 元素的发现 元素的几种分类方法 元素在自然界中分布 第二节 核反应及人工合成新元素 核反应 人工合成新元素 和平利用核能,1-1 元素的发现,目前共发现118种元素，其中天然元素93种，人工合成元素25种。 2000年，美国、俄罗斯科学家联合宣布发现114和116号元素； 2003年，俄罗斯科学家同时发现第113号和第115号元素； 2005年，美国科学家发现第118号元素； 2010年，美国、俄罗斯科学家联合宣布发现117号元素【见Phys. Rev. Lett. 2010, 104(14): 142502】 新元素
2、的发现与人类的进步和科学技术的发展密切相关 。,国际纯粹及应用化学联合会（IUPAC） 2011年在伦敦宣布,110号元素Ds（Darmstadtium），以发现地德国达姆施塔特Darmstadt命名），中文名称：鐽 111号元素Rg（Roentgenium），纪念X光的发现者、德国物理学家伦琴Wilhelm Rontgen，中文名称：錀 112号元素Cn（Copernicium），纪念现代天文学创始人尼古拉哥白尼Nicolaus Copernicus，中文名称：鎶 114号元素Fl（Flerovium），以俄罗斯杜布纳核反应Flerov实验室命名，尚无中文名称 116号元素Lv（Liverm
3、orium），以美国加利福尼亚Livermor国家实验室命名，尚无中文名称,2011版国际最新元素周期表,1-2 元素的分类,118种元素按其性质可以分为 金属元素： 96种 非金属元素：22种 通过硼硅砷碲砹和铝锗锑钋之间的对角线来划分。位于对角线左下方的单质都是金属；右上方的都是非金属；对角线附近的锗、砷、锑、碲等称为准金属。,普通元素和稀有元素,普通元素：如碳、氢、氧、氮、硫、磷、铁、铝、铜、银、金等。 稀有元素：含量少或分布稀散的；发现较晚的；难以分离提取的；制备和应用较晚的等。 这种划分与其储量无关。例如钛，由于冶炼技术要求较高，难以制备，人们对其性质了解很少，被列为稀有元素，但它在
4、地壳中的含量排第十位；而有些元素虽然贮量并不多，但矿物比较集中，如金已早被人们所熟悉，被列为普通元素。,稀有元素,轻稀有元素：锂(Li)、铷(Rb)、铯(Cs)、铍(Be) 分散性稀有元素：镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl)、硒(Se)、碲(Te) 高熔点稀有元素：钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W) 铂系贵金属元素：钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(0s)、铱(Ir)、铂(Pt) 稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)及镧系元素 放射性稀有元素：锝(Tc)、钋(Po)、砹(At)、氡(Rn) 、钫(Fr)、镭(Ra)、钷(Pm)
5、、锕(Ac)，除钍(Th)、镤(Pa)、铀(U)以外的锕系元素等 稀有气体：氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe),1-3. 元素在自然界中的存在形态,1游离态（单质）：大致有三种情况： 气态非金属单质：如N2、O2、H2、稀有气体（He、Ne、Ar、Kr、Xe）等； 固态非金属单质：如金刚石矿、硫黄矿； 金属单质：如Hg、Ag、Au（天然金矿）及铂系元素（Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt）单质，还有由陨石引进的天然铜和铁（铁陨石）等。,从存在的物理形态来看： 常温常压下，元素的单质以气态存在的有11种，即N2、O2、H2、Cl2、F2和He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn
6、； 以液态存在的有2种：Hg、Br2； 还有2种单质，熔点很低，易形成过冷状态，即Cs(熔点为28.5)、Ga(熔点为30)； 其余元素的单质呈固态。,2化合态：元素主要存在形式 离子型卤化物:NaCl, NaNO3, KCl等 难溶碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、硅酸盐等； 难溶硫化物:FeS2, As2S3, PbS等 稳定的氧化物：SiO2, Al2O3, SnO2, TiO2等,1-4元素的分布,1在地壳中的分布-地球化学 元素在地壳中的含量称为丰度，丰度可用质量百分数或原子百分数(克拉克Clark值)来表示。,这10种元素约占99。氧是地壳中分布最广的元素。,我国的矿物资源,金属矿物：钨、锂
7、、锑、锌、稀土居世界之首，锡、钼、铋、铅、汞、铌、钽、铍等储量均居世界前列。稀土总储量占世界的80；钛铁矿居世界第一。 非金属矿物：硼矿、菱镁矿储量居世界首位，磷矿居世界第二。莹石、硅石等重要冶金辅助原料以及石棉、滑石、水泥原料、珍珠岩、大理石、膨润土、石膏等非金属建材矿产也有相当储量。 但铁矿、铜矿等多为贫矿；钾盐、天然碱、天然硫、金刚石等资源不足；金、银、铂等贵金属储量稀少；共生、伴生矿多，地区分布很不均衡。,2动、植物中的元素分布-生物无机化学,除C、H、O、N外，大约有三十种元素对生命极为重要。,3海洋中的分布-海洋化学,海洋中存在80多种元素。其中镁储量2100万亿吨，钾600万亿吨
8、，溴100万亿吨（占99%以上），硼7万亿吨，碘930亿吨，铷1900亿吨，锰储量4000亿吨（为大陆储量的4000倍），铀的储量也很可观。Ag、Au、Ra等微量元素50余种。海水中的重水是提取氘的重要原料。 海洋是元素资源的巨大宝库！国家级蓝色经济区建设，烟台责无旁贷，化学大有可为！,小知识：深海矿产-锰结核矿,锰结核又称多金属结核、锰矿球、锰矿团、锰瘤等，它是一种铁、锰氧化物的集合体，颜色常为黑色和褐黑色。锰结合的形态多样，有球状、椭圆状、马铃薯状、葡萄状、扁平状、炉渣状等。锰结核的大小尺寸变化也比较悬殊，从几微米到几十厘米的都有，重量最大的有几十公斤。,4大气中的元素分布-大气化学,大气
9、组成：在80-100公里以下的低层大气中，气体成份可分为两部分： “不可变气体成份”：主要指氮、氧、稀有气体。维持固定的比例成份，不随时间、空间而变化。 “易变气体成份”：以水汽、二氧化碳和臭氧为主，其中变化最大的是水汽。 大气可以大致分为干洁空气、水汽、微粒杂质和新的污染物。,干洁空气：,水汽,水汽在大气中含量很少（04）。绝大部分集中在低层，1012公里高度以下的水汽约占全部水汽总量的99。 来源：水面、潮湿物体表面、植物叶面的蒸发等。 水汽会引起天气变化。水汽能强烈吸收地表发出的长波辐射，水汽的蒸发和凝结能吸收和放出潜热，从而影响地面和空气的温度，以及大气的运动和变化。,杂质和微粒（PM
10、2.5）,杂质包括：火山爆发、尘沙飞扬、物质燃烧的颗粒；流星燃烧所产生的细小微粒；海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒；细菌、微生物、植物的孢子花粉等。多集中于大气的底层。 液体微粒指悬浮于大气中的水滴、过冷水滴和冰晶等水汽凝结物。 杂质、微粒影响大气的能见度和人们的健康。 但它也能充当水汽凝结的核心，加速大气中成云致雨的过程；它能吸收部分太阳辐射，削弱太阳直接辐射和阻挡地面长波辐射，对地面和大气的温度变化也有一定的影响。,大气污染物,第二节 核反应及人工合成新元素-核化学,化学反应是在原子核不变的前提下发生的核外电子的相互作用，是原子的划分与化合，只生成新的单质和化合物，不生成新的元素。 核反应
11、是原子核发生重组，生成新的元素。 核反应通常可分为4类：衰变、粒子轰击、裂变、聚变。,2-1 核反应-衰变,（1）衰变：放射性元素不断地、自发地放出射线。射线是极高速度的粒子（即氦原子核24He）流。如： 92238U 90234Th + 24He（粒子） 88226Ra 86222Rn + 24He（粒子） 发生衰变时，原来的原子核由于放出氦核而减少了2个质子，剩下的蜕变产物为左移2格的元素。,2-1 核反应-衰变,（2）衰变：放出射线。粒子就是电子-10e 。如： 90234Th 91234Pa + -10e（粒子） 88228Ra 89228Ac + -10e （粒子） 发生衰变时，原来
12、原子核里的一个中子转变成一个质子，同时发出一个电子，因此衰变所得的元素为右移1格的元素。,2-1 核反应-衰变,（3）衰变：放出射线。射线也叫光子。如： 2760Co* 2760Co + 激发态原子核通过发射射线跃迁到低能态（或基态），原子核的质量数和电荷数保持不变，只是能量状态发生了变化。 在、衰变过程中，由于原子核处于激发态，通常伴有衰变。,2-1 核反应-粒子轰击,用高速的粒子（如质子、中子等）或用简单的原子核（如氘核、氦核）去打击一种原子核，结果放出另一种粒子或简单原子核；被打击的原子核同时变成一种新的原子核。如： 36Li + 01n 13H （氚） + 24He 用n代表中子、p代
13、表质子、d代表氘核、代表氦核、代表光子等符号表示。,缩写形式M（a，b）M，M代表被打击的核，a是进行打击的粒子，b是发射出来的粒子，M是产生的新核。上述反应可缩写为36Li（n，）13H。 举例：1327Al（，n）1530P表示如下反应 1327Al + 24He 1530P + 01n 1530P不稳定，可蜕变为1430Si，同时放出正电子： 1530P 1430Si + 10e 正电子10e具有与电子质量相同、电量相同、但电荷符号相反。 粒子轰击是人工合成新元素的主要方法。,2-1 核反应-裂变,当用慢中子轰击235U时，发生裂变，分裂为大小不等的碎核，同时有23个中子射出。如： 92
14、235U + 01n 56Ba + 36Kr + （23）01n 裂变产物除Ba和Kr外，还有其它碎片。这些碎片再经过几步衰变，最后蜕变为稳定的核。原子弹就是基于裂变原理制造的。 核裂变的同时，还放出大量的能量。,2-1 核反应-聚变,很轻的原子核在异常高的温度下合并成较重的原子核。反应进行时放出巨大的能量。这种核聚变一般是不可控的，也称热核反应。 12H + 13H 24He + 01n 氢弹就是基于上述反应制造的。反应所需的高温由原子弹爆炸产生。 主要困难是如何获得热核反应所需的高温及如何约束高温下的热核材料。,核聚变是理想的能源,利用丰富的12D氘同位素作原料，使其聚合发生下列反应： 1
15、2D 12D 23He 01n 3.2MeV 12D 12D 13T 11P 4.0MeV 12D23He 24He 11P 18.3MeV 总反应为： 612D 2 24He211P201n43.1MeV,2-2 超铀元素，人工合成新元素放射化学,超铀元素是指铀以后的元素。1940年，美国Seaborg在用中子轰击92238U时首次合成93号元素镎Np： 92238U + 01n 92239U + 92239U 93239Np + -10e 此后陆续合成了直到原子序数为118的新元素（见下表）。,举例：,Am的合成： 94239Pu + 01n 94240Pu + 94240Pu + 01n
16、 94241Pu + 94241Pu 95241Am + -10e Cm的合成： 94241Pu + 24He 96242Cm + 3 01n Cf的合成： 96242Cm + 24He 98245Cf + 01n,小知识：放射性和铀裂变的重大发现 -6项诺贝尔化学奖,Ernest Rutherford 1871-1937,Frederick Soddy 1877-1956,Nobel化学奖获得者,Otto Hahn (18791968),Marie Curie (18671934),Frdric Joliot (1900-1958),Irne Joliot-Curie (1897-1956)
17、,Edwin M. McMillan (19071991),Glenn T. Seaborg (19121999),2-3 和平利用核反应与核能,1原子弹与氢弹：235U仅占0.7%，238U占99.3%，制造原子弹只能用235U。“贫铀矿”是指235U含量约在0.3%左右，但238U含量也较少的矿。 当235U（ 93%）或239Pu（ 95%）受到中子轰击时，会发生核裂变： 92235U + 01n 92235U* X + Y + i 01n 产生的中子可再次轰击其它U核，诱发新的核裂变，产生更多的中子，从而引起更多U核裂变，即发生链式反应。 每一次核裂变都会产生巨大的能量。,核裂变链式反
18、应,关键是控制中子数的多寡。用善于吸收中子的材料制成控制棒，通过控制棒位置的移动来控制维持链式反应的中子数目，从而实现可控核裂变。镉、硼、铪等材料吸收中子能力强，常用来制作控制棒。,铀核裂变时所放出的能量,要引发爆炸或链式反应，关键是中子数及235U或239Pu的大小。已知中子在U或Pu堆中有五种可能： 引起235U或239Pu核分裂； 引起238U核分裂； 被238U核吸收而引起一系列的核衰变； 从U或Pu堆逸出； 被杂质吸收。 后3种对原子弹爆炸不利。所以原子弹要采用纯净的235U或239Pu，以保证它们受到中子轰击时都能引起核裂变。U块或Pu块不能太小，否则中子逸出的比例太高，不能维持链
19、式反应。,在原子弹里，还装有一个引爆装置（包括雷管及普通炸药）。爆炸时，由普通炸药引爆后压缩两部分U块或Pu块，使之爆炸。原子弹的威力范围在15105吨TNT当量之间。,2核能发电： 铀的和平用途十分广泛，如核发电用的核电反应堆燃料。 核电站通过核反应堆把原子核变化过程中所释放的巨大能量转化为电能。 核电具有发电成本低、对环境污染小等优点？ 关键在于如何控制中子的数目，保持中子的平衡以及如何处理避免核泄漏、核辐射，如何处理核废料等。,1942年，美国建成世界上第一座核反应堆，人类首次自控核裂变链式反应，实现了受控的核能释放。 1954年，世界上第一座核电站在前苏联（即今位于乌克兰的切尔诺贝利核
20、电站）投入运行，发电功率5000kW。2000年因核泄漏被迫关闭。 目前，全世界已有核电站400多座。法国是世界核电发展先进国家之一，核电站数量最多。 根据我国新兴能源产业发展规划，到2020年，规划核电装机容量为 8600万千瓦。尽管目前我国核发电量占比仅为2%，但25台、2773万千瓦的在建规模却占全世界在建核电机组的40%。,核电站,核能的危险性依然存在！没有万一！,1957年10月10日，英格兰西北部的塞拉菲尔德核电站的一座反应堆起火，释放出放射性云雾。核电站附近的农场产品被禁售一个月，数十人因遭受核辐射而罹患癌症死亡。 1979年3月28日，美国宾夕法尼亚州三里岛核电站制冷系统出现故
21、障，致使核反应堆部分熔化，最终造成美国最严重的一次核泄漏事故，至少15万居民被迫撤离。 1986年4月26日，乌克兰切尔诺贝利核电站4号反应堆发生爆炸，造成30人当场死亡，8吨多强辐射物泄漏。此次核泄漏事故使电站周围6万多平方公里土地受到直接污染，320多万人受到核辐射侵害，造成人类和平利用核能史上最大一次灾难，被定义为最严重的7级。 1993年4月6日，俄罗斯西伯利亚托姆斯克市附近的托姆斯克化工厂的一个装满放射性溶液的容器发生爆炸，释放出大量的放射性气体，泄漏的放射性物质污染面积达1000公顷，并引起大火，附近的几个村庄被迫整体迁移。 1999年9月30日，日本茨城县东海村一家核燃料制造厂发
22、生核物质泄漏事故，造成两名工人死亡，数十人遭到不同程度辐射，附近居民被疏散避难。 2004年8月9日，日本关西电力公司位于东京以西约350公里处的反应堆发生涡轮机房内蒸气泄漏事故，导致4人死亡、7人受伤。 2011年3月12日，受强烈地震影响，日本福岛第一核电站发生放射性物质泄漏。,切尔诺贝利 ：人类共同的灾难！,核电跃进，核废物处理待解,核能虽是清洁能源，但其产生的废物不仅不清洁，甚至非常危险。 根据放射性的不同，核废物分为高放废物和中低放废物。反应堆用过的核燃料称为乏燃料，具有极高放射性，而核电站使用过的工作服、手套、废弃退役的仪器设备等则属于中低放废物。尽管乏燃料只占废物的1%，但却对人
23、体危害极大。其中一种被称为钚的核素，只需摄入10毫克就能致人死亡。 根据规划，我国2020年建成的70个反应堆，加上当时在建的30个反应堆，全寿期(60年)产生的乏燃料将为14 万吨。目前，我国对高放射性核废物的处置研究还属于初级阶段，所有的乏燃料都暂存在核电站自建的硼水池中，急切等待一个永久性的处置库安身。,3. 核技术在其它领域中的用途,工业上利用核技术实现生产自动控制； 无损检测技术； 农业上利用射线培育良种，防止病虫害等； 医学上用于灭菌消毒，临床诊断及治疗； 地质勘探工作中用来找矿； 考古专家利用核技术推算文物实际年龄； 同位素示踪技术用于化学反应机理研究等等。,本章小结,元素的种类、存在形式与分布 四种核反应 核能利用,
