第十章 氢和稀有气体

1、10-110-1元素无机化学概论元素无机化学概论(Hydrogen and its Compounds) (Hydrogen and its Compounds) 一、元素的发现、分类和存在形态一、元素的发现、分类和存在形态 1 1、元素的发现、元素的发现 共有共有112112种，地球上天然存在种，地球上天然存在:92:92种种 人工合成人工合成:20 :20 2 2、元素的分类、元素的分类 (1) (1) 金属元素金属元素9090种，非金属元素种，非金属元素2222种种 准金属准金属: :性质介于金属和非金属之间的单质性质介于金属和非金属之间的单质 (2) (2) 普通元素和稀有元素普通元素

2、和稀有元素 普通元素和稀有元素的划分不是绝对的。普通元素和稀有元素的划分不是绝对的。 3 3、元素在自然界中的存在形态、元素在自然界中的存在形态 游离态游离态( (单质单质) )和化合态和化合态( (化合物化合物) ) （1 1）游离态）游离态 a a 气态非金属单质气态非金属单质 b b 固态非金属单质固态非金属单质 c c 金属单质金属单质 (2) (2) 化合态化合态 a a 活泼金属元素活泼金属元素(A(A族和族和AA族中族中Mg)Mg)与与AA族族( (卤素卤素) )形成的离子型卤化物形成的离子型卤化物 b Ab A族元素还常以难溶碳酸盐形式存在于矿物中，族元素还常以难溶碳酸盐形式存

3、在于矿物中， c c 准金属元素准金属元素(B(B除外除外) )以及以及IBIB、IIBIIB族元素常以难溶硫化族元素常以难溶硫化物形式存在物形式存在 d Bd BBB族过渡元素主要以稳定的氧化物形式存在族过渡元素主要以稳定的氧化物形式存在 二、元素的自然资源二、元素的自然资源 地壳中分布最广的地壳中分布最广的1010种元素的原子百分数为：种元素的原子百分数为：丰度可用质量百分数或原子百分数丰度可用质量百分数或原子百分数 原子百分数又称克拉克原子百分数又称克拉克(Clark)(Clark)值值: :用每种元素的质量百用每种元素的质量百分数除以相对原子质量分数除以相对原子质量, , 称为该元素的

4、原子因数，把所称为该元素的原子因数，把所有地壳元素的原子因数总和作为有地壳元素的原子因数总和作为100100，每种元素原子因，每种元素原子因数所占的百分数就是该元素的原子百分数数所占的百分数就是该元素的原子百分数 三、单质的晶体结构和物理性质三、单质的晶体结构和物理性质 1 1、晶体结构、晶体结构 同一周期元素的单质，从左到右，一般由典型的金属晶同一周期元素的单质，从左到右，一般由典型的金属晶体经过原子晶体、层状晶体或链状晶体等，最后过渡到体经过原子晶体、层状晶体或链状晶体等，最后过渡到分子晶体。同一族元素单质由上而下，常由分子晶体或分子晶体。同一族元素单质由上而下，常由分子晶体或原子晶体过渡

5、到金属晶体原子晶体过渡到金属晶体 副族元素单质均为金属晶体副族元素单质均为金属晶体 2 2、物理性质、物理性质 （1 1）熔点、沸点）熔点、沸点 同一周期的主族元素，从左到右，熔、沸点由低同一周期的主族元素，从左到右，熔、沸点由低高高低，即两端元素单质的熔、沸点低，中间的高低，即两端元素单质的熔、沸点低，中间的高 副族元素单质一般具有较高的熔、沸点副族元素单质一般具有较高的熔、沸点 （2 2）密度和硬度）密度和硬度 同周期主族元素从左到右，单质的密度与硬度是两头同周期主族元素从左到右，单质的密度与硬度是两头小中间大小中间大 （3 3）导电性和超导性）导电性和超导性 周期表从左到右，主族元素单质

6、呈现出由导体向半导周期表从左到右，主族元素单质呈现出由导体向半导体、非导体演变的趋势体、非导体演变的趋势 副族元素单质均为金属晶体，易导电副族元素单质均为金属晶体，易导电 四、单质的制取方法四、单质的制取方法 1 1物理分离法物理分离法 2 2热分解法热分解法 2,2( )( )OHgS sHg lSO 3 3电解法电解法 222222NaClH ONaOHHCl 电解2,580 59022(2oCaClCNaClNaCl电解，熔体）4 4还原法还原法 MgOCMgCO 2323Fe O + 2Al2Fe + Al O 3422342Ca (PO ) + 10C + 6SiO6CaSiO +

7、10CO + P 5 5氧化法氧化法 23423FeS+6C+8OFe O +6CO+ 6S * *热还原法的热力学分析热还原法的热力学分析: :埃灵罕姆图埃灵罕姆图 2m2nm1M + OM Onn 每消耗每消耗 1 molO 1 molO2 2，并生，并生成成1/n molM1/n molMmmOO2n2n的吉布的吉布斯自由能变为斯自由能变为: : rmG埃灵罕姆图埃灵罕姆图: : T T图图 rmG(1) (1) 某直线对应的氧化物能被位于其下任一直线对应的金某直线对应的氧化物能被位于其下任一直线对应的金属所还原，而且两直线距离相差越大，反应进行越完全。属所还原，而且两直线距离相差越大，

8、反应进行越完全。 应用应用: :题目题目: :判断判断MnOMnO2 2能否被能否被AlAl还原。还原。 rmGrmG(2) (2) 由图可看出，由图可看出，MgOMgO、AlAl2 2OO3 3、CaOCaO的的 值比其它氧值比其它氧化物的化物的 小得多，所以小得多，所以MgMg、AlAl、CaCa可还原其它金属可还原其它金属氧化物氧化物。 rmGrmG(3) CO(3) CO的的 值随温度升高而减小，在高温下比许多氧值随温度升高而减小，在高温下比许多氧化物的化物的 要小。因此，高温下许多金属氧化物（如要小。因此，高温下许多金属氧化物（如 FeFe2 2OO3 3、ZnOZnO、CaOCaO

9、等）均可被等）均可被C C还原，这就是在材料还原，这就是在材料学上很重要的碳热还原学上很重要的碳热还原。 “价廉物美价廉物美” ” 10-210-2氢及其化合物氢及其化合物(Hydrogen and its Compounds)(Hydrogen and its Compounds) 宇宙间所有元素中宇宙间所有元素中含量最丰富含量最丰富的元素的元素 一、单质氢（一、单质氢（Simple Substance of HydrogenSimple Substance of Hydrogen） 1 1氢的同位素（氢的同位素（The isotopesThe isotopes） 11H21H31H( (氕

10、，氕，ProtiumProtium，符号，符号H)H)占总量的占总量的99.9899.98 ( (氘，氘，DeuteriumDeuterium，符号，符号D)D)占占0.0160.016 ( (氚，氚，TritiumTritium，符号，符号T)T)占总量的占总量的0.0040.004 单质和化合物的化学性质基本相同，物理性单质和化合物的化学性质基本相同，物理性质和生物性质则有所不同质和生物性质则有所不同. . 重水中的氢键比普通水中的氢键重水中的氢键比普通水中的氢键 H H2 2的沸点最低的沸点最低: D: D的发现的发现2 2性质：性质： (1) (1) 物理性质：物理性质： H H2 2

11、极难溶于水和有机溶剂，但它却能大量溶解于金属极难溶于水和有机溶剂，但它却能大量溶解于金属（PtPt、PdPd）和合金（）和合金（LaNiLaNi5 5）中，固态氢又称为）中，固态氢又称为金属氢金属氢 储存氢，提纯氢储存氢，提纯氢 金属氢具有金属氢具有导电性导电性: :晶格质点上为质子，而电子为整个晶格质点上为质子，而电子为整个晶体共享晶体共享 氢气非常氢气非常难液化难液化: : 提纯氢气提纯氢气 (2) (2) 化学性质：化学性质： 氢的一些重要性质氢的一些重要性质a a成键特点：成键特点： 氢与非金属和金属都能化合氢与非金属和金属都能化合 成键方式成键方式: : (1)(1)失去价电子失去价

12、电子(2)(2)结合一个电子结合一个电子(3)(3)形成共价化合物形成共价化合物(4) (4) 形成氢键形成氢键周期表中的位置是不易确定的周期表中的位置是不易确定的 b. b. 氢分子在氢分子在常温下不活泼常温下不活泼 -12H2HD=436 kJ mol35003500高温的原子氢吹管高温的原子氢吹管 c c化合反应：化合反应： 与许多金属或非金属反应，形成各类氢化物与许多金属或非金属反应，形成各类氢化物 22222HOH O22Ca + HCaHd d还原反应：还原反应： 322WO + 3HW + 3H O高温32SiHCl + HSi + 3HCl 高温e. e. 高温下高温下( (如

13、如2000K2000K以上以上) )、辐射、低压放电等情况下，氢、辐射、低压放电等情况下，氢分子可分解为分子可分解为原子氢原子氢。 原子氢比分子氢性质活泼得多原子氢比分子氢性质活泼得多 4284BaSOHBaSH OOHCHHCOZnCu3/22 催化剂存在：催化剂存在：3 3制备制备 +2+2Zn + 2H =Zn+ H (1) (1) 实验室实验室 (2) (2) 工业上工业上 a a电解（在电解（在OHOH- -中）中） OH2Oe4OH4OH2H2eOH22222阳极阴极制备制备NaOHNaOH的副产品的副产品 b b水煤气法水煤气法： 700 870,4223oC Ni CoCHH

14、OCOH催化剂22CH OCOH 催化剂222COH OCOH 催化剂I: I:II:II:或或III:III: 除去除去COCO2 2 c c烃裂解：烃裂解： 24HCCHD D、生物制氢、生物制氢, , 催化制氢催化制氢 (3) (3) 野外野外 2232Si + 2NaOH + H ONa SiO + 2H2222CaH + 2H OCa(OH) +2H二、氢化物（二、氢化物（HydrideHydride） 氢化物，氢化物， 某化氢某化氢 10-310-3稀有气体稀有气体 The Rare Gases The Rare Gases Helium (He) Helium (He) 太阳太阳

15、 Neon (Ne) Neon (Ne) 新的新的 Argon (Ar) Argon (Ar) 懒惰的懒惰的 Krypton (Kr) Krypton (Kr) 稳定的稳定的 Xenon (Xe) Xenon (Xe) 陌生的陌生的 Radon (Rn) Radon (Rn) 发光的发光的Electronic configurationElectronic configuration：nsns2 2npnp6 6 except except： He 1sHe 1s2 2RamsayRamsay：19041904年年NobelNobel化学奖化学奖 一、一、General Properties:

16、General Properties: 1 1单原子分子，惰性气体单原子分子，惰性气体2 2原子间存在微弱的色散力，熔点、沸点、临界温度、原子间存在微弱的色散力，熔点、沸点、临界温度、蒸发热以及在水中的溶解度都很小。蒸发热以及在水中的溶解度都很小。 随着原子序数的增加而递增随着原子序数的增加而递增 氦最难液化，唯一无熔点的物质，低温下是超导体氦最难液化，唯一无熔点的物质，低温下是超导体 3 3稳定的稳定的8 8电子构型电子构型( (氦为氦为2 2电子电子) )4 4液态空气是提取稀有气体的主要原料；液态空气是提取稀有气体的主要原料； 5 5用途：用途： 氦：人造空气，填充气，火箭燃料压力系统，

17、冷冻剂，氦：人造空气，填充气，火箭燃料压力系统，冷冻剂，惰性气体，高效巨变反应原料。惰性气体，高效巨变反应原料。氖和氩：霓虹灯，冷冻剂，保护气体。氖和氩：霓虹灯，冷冻剂，保护气体。氪和氙：特种光源，医学上。氪和氙：特种光源，医学上。氡：放射性治疗氡：放射性治疗 二、二、Chemical PropertiesChemical Properties 19621962：XePtFXePtF6 6 “ “惰性气体惰性气体”-“-“稀有气体稀有气体”。 (1) (1) 制备：制备： 400 C,1atm22Xe(g)F (g)XeF (s) 600 C,6atm24Xe(g)F (g)XeF (s)2

18、300 C,60atm26Xe(g)F (g)XeF (s)3 426XeF (s)F (g)XeF (s) （在常压下）（在常压下） 或或1 1氙的氟化物（氙的氟化物（Fluorides of xenonFluorides of xenon） XeF XeF2 2、XeFXeF4 4、XeFXeF6 6，稳定的白色结晶状，稳定的白色结晶状 镍容器内镍容器内 (2) (2) 性质：性质： a a都与水反应都与水反应：（制备氟化物时要严格干燥制备氟化物时要严格干燥) )2222XeF (s) + 2H O(l)=2Xe(g) + 4HF(l) + O (g)2222XeF (s)4OH (aq)

19、=2Xe(g)O (g)4F (aq)H O(l)2慢慢 快快 (i) (i) (ii) (ii) 42326XeF (s) + 12H O(l)2XeO (aq) + 4Xe(g) + 3O (g) + 24HF(l)分解成分解成： 4223XeF (g) + 6H O(l)=3Xe(g) + 3O (g) + 12HF(l)4233XeF (s) + 6H O(l)=2XeO (aq) + Xe(g) + 12HF(l)氧化还原反应氧化还原反应 歧化反应歧化反应 XeFXeF4 4等摩尔参与歧化反应以及与水的氧化还原反应等摩尔参与歧化反应以及与水的氧化还原反应的配平结果的配平结果 624X

20、eF (s) + H O(l)=XeOF (l) + 2HF(l) (iii) (iii) 423XeOF (l) + 2H O(l)=XeO (aq) + 4HF(l)OHOH- -中中 4662XeFOHXeOXeOF分解成：分解成： 466243632418XeFOHXeOXeFH O62221223126XeFOHXeOFH O上面两个式子相加可得总反应式，如果是上面两个式子相加可得总反应式，如果是1 1：1 1，则第，则第二个方程要乘以二个方程要乘以2 2。 习题：完成反应：习题：完成反应：46622216128XeFOHXeOXeFOH O6216XeFOH不完全水解不完全水解完全

21、水解完全水解b b都是强氧化剂都是强氧化剂 22222XeF (s) + CH =CH (g) = CH F-CH F(s) + Xe(g)446XeF (s) + 2SF (g) = 2SF (g) + Xe(g)6324XeF (g) + 8NH (g) = Xe(g) + N (g) + 6NH F(s)2HCl Cl(III) (IV)Ce Ce2+-4MnMnO33CrCrOc c良好的氟化剂良好的氟化剂 62442XeF (g) + SiO (s) = 2XeOF (l) + SiF (g)不能在玻璃容器中储存或反应不能在玻璃容器中储存或反应 2 6665XeF + C H = C

22、 H F + Xe + HFd. d. 路易斯酸碱反应：路易斯酸碱反应：( (路易斯酸碱概念路易斯酸碱概念) ) 256XeF (s) + SbF (l) = XeFSbF (s)252362XeF (s) + SbF (l) = Xe F SbF (s)67RbFXeFRbXeF和路易斯酸反应：和路易斯酸反应： 和路易斯碱反应：和路易斯碱反应： +-434345XeF + N(CH ) F = N(CH ) XeF2 2氙的氧化物（氙的氧化物（Oxides of xenonOxides of xenon） (1) preparation:(1) preparation: a aXeOXeO3

23、 3由由XeFXeF4 4岐化或岐化或XeFXeF6 6水解制得水解制得 b bXeOXeO4 4由由XeFXeF6 6在在Ba(OH)Ba(OH)2 2中歧化制得的高氙酸钡中歧化制得的高氙酸钡BaBa2 2XeOXeO6 6，高氙酸钡再与硫酸反应：，高氙酸钡再与硫酸反应：2624442Ba XeO (s) + 2H SO (aq) = 2BaSO (s) + XeO (g) + 2H O(l)(2) properties(2) properties： a a稳定性稳定性 XeOXeO3 3溶于水，在水中稳定，固态时溶于水，在水中稳定，固态时XeOXeO3 3会发生爆炸会发生爆炸 OHOH介质中形成介质中形成 离子离子 4HXeO-334HXeOXeO (s) + OH (aq) = 1.5 10K44628OH4HXeOXe3XeO6H O446222HXeO (aq)2OH (aq)=XeO(aq)Xe(g)O (g)2H O(l)或或对于氙的含氧化物，在酸性和中性溶液中对于氙的含氧化物，在酸性和中性溶液中Xe (VI) Xe (VI) 稳定；稳定；在碱性溶液中在碱性溶液中Xe (VIII) Xe (VIII) 稳定稳定 XeOXeO4 4是一种气体，不如是一种气体，不如XeOXeO3 3稳定，正四面体几何构型。稳定，