无机化学,氢气和稀有气体

1、第13 章氢和稀有气体Chapter 13 Hydrogen and rare gases第四篇 元素化学(一) 非金属 1. 物质的存在物质的存在元素化学学习要求4. 重要单质、化合物的重要单质、化合物的 用途（应用）用途（应用）2. 物质的性质物质的性质(物理性质、化学性质物理性质、化学性质) 3. 重要单质、化合物的主要工业和实验室制法；重要单质、化合物的主要工业和实验室制法；1.了解氢在周期表中的位置；了解氢在周期表中的位置；本章教学要求5.了解稀有气体的发现简史，单质、化合物的性质了解稀有气体的发现简史，单质、化合物的性质6.掌握用掌握用VSEPR理论来判断稀有气体化合物的结构。理论

2、来判断稀有气体化合物的结构。4.掌握二元氢化物的分类及其特点；掌握二元氢化物的分类及其特点；3. 认识氢的三种同位素；认识氢的三种同位素；2.了解氢的存在和用途，掌握氢的主要工业和实了解氢的存在和用途，掌握氢的主要工业和实验室制法；验室制法；本章内容13.1 氢氢hydrogen13.2 稀有气体稀有气体 rare gasesH1 13.1.1 3.1.1 氢的存在和物理性质氢的存在和物理性质 氢是宇宙中丰度最高的元素，在地球上的丰度排在第氢是宇宙中丰度最高的元素，在地球上的丰度排在第15位位. 某些矿物某些矿物( 例如石油、天然气例如石油、天然气)和水是氢的主要资源，大气中和水是氢的主要资源

3、，大气中 H2 的含量很低是因为的含量很低是因为它太轻而容易脱离地球引力场它太轻而容易脱离地球引力场.13.1 氢氢大大 气气 层层 顶顶云云 层层 顶顶液液 氢氢液态金属氢液态金属氢岩岩 石石 核核 心心 木星结构木星结构 根据先锋飞船探测得知，根据先锋飞船探测得知，木星大气含氢木星大气含氢82%82%，氦，氦17%17%，其它元素其它元素1%. 723 KQuestionQuestion 用焦炭或天然气与水反应制用焦炭或天然气与水反应制 H2 ，为什么为什么都需在高温下进行？都需在高温下进行？因为这两个反应都是吸热反应：因为这两个反应都是吸热反应：CH4(g) + H2O(g) 3 H2(

4、g) + CO(g)，Hm = 206.0 kJmol1 C (s) + H2O(g) H2(g) + CO(g), Hm = 131.3 kJmol1 要反应得以进行，则需供给热量，如添加空气或氧气燃烧：要反应得以进行，则需供给热量，如添加空气或氧气燃烧：C + O2 CO2, Hm = 393.7 kJmol1 CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O, Hm = 803.3 kJmol1 这样靠这样靠“内部燃烧内部燃烧”放热，供焦炭或天然气与水作用所需热量放热，供焦炭或天然气与水作用所需热量，无须从外部供给热量，这是目前工业上最经济的生产氢的方法，无须从外部供给热量，这是目前工业上最

5、经济的生产氢的方法. 热化学循环法制热化学循环法制 H2(g)O21(g)HO(g)H )(gI(g)H2HI(g) (g)O21)(gSOO(g)H(g)SOH )2HI(aq(aq)SOH(s)ISOO(l)2H221300K222873K2421073K4242298K222 净反应净反应加热加热(383423K)加压加压(10133039kPa)，效率可提高到效率可提高到 90% 以上以上. 电解电解 20% NaOH或或 15% KOH水溶液，耗能大，效率也只水溶液，耗能大，效率也只 32%4OH- - O2+2H2O + 4e- - (阳极阳极)2H2O +2e- - 2OH- -

6、 + H2 (阴极阴极) 配合催化太阳能分解水配合催化太阳能分解水 2a 既是电子给予体，又是电子接受体，在光能的激发下，可以既是电子给予体，又是电子接受体，在光能的激发下，可以向水分子转移电子，使向水分子转移电子，使 H+ 变为变为 H2 放出放出.三三(2,2联吡啶联吡啶) 合钌合钌()(2a) 2a*(已活化已活化) h光能光能)2(2aO21HOH2(2a*)222 生物分解水制氢生物分解水制氢 生物体分解水不需要电和高温，科学家们试图修改光合作用生物体分解水不需要电和高温，科学家们试图修改光合作用的过程来完成这一技术。小规模的实验已成功。的过程来完成这一技术。小规模的实验已成功。 最

7、近，日本有人把太阳能电池板与水电解槽连接在一起，电解最近，日本有人把太阳能电池板与水电解槽连接在一起，电解部分的材料在产生氢气一侧使用钼氧化钴，产生氧气一侧则使用镍部分的材料在产生氢气一侧使用钼氧化钴，产生氧气一侧则使用镍氧化钴氧化钴. . 使用使用1 1平方米太阳能电池板和平方米太阳能电池板和100100毫升电解溶液，每小时可毫升电解溶液，每小时可制作氢气制作氢气 20 升，纯度为升，纯度为 99.9%. . 从海水中制氢美国从海水中制氢美国Michigan州立大学州立大学H. Ti Tien教授的装置教授的装置 原理原理：当可见光照射在半导体膜上时，电子被激发进入：当可见光照射在半导体膜上

8、时，电子被激发进入导带而留下空穴导带而留下空穴(低能级的电子空间低能级的电子空间).在导带中电子移动到金在导带中电子移动到金属薄膜与海水之间表面上，水即被还原产生属薄膜与海水之间表面上，水即被还原产生H2.同时，空穴迁同时，空穴迁移到半导体与电解质间的表面，来自移到半导体与电解质间的表面，来自Fe2+的电子填充空穴的电子填充空穴.H2(g)海海 水水Fe( ),Fe()电解质溶液电解质溶液硒硒化化镉镉半半导导体体镍镍箔箔可可见见光光海水制氢的装置示意图海水制氢的装置示意图大容量电解槽体大型制氢站氢气纯化装置氢气储罐群氢气储罐群 我 国 已 建 成 大 型 制 氢 设 备H213.1.4 用途用

9、途燃燃 料料 燃烧值燃烧值/kJkg-1氢氢 气（气（H2） 120918戊硼烷（戊硼烷（B5H9） 64183戊戊 烷（烷（C5H12） 43367 氢能源21世纪的清洁能源氢燃烧速率快，反应完全. 氢能源是清洁能源，没有环 境污染，能保持生态平衡. 目前，已实验成功用氢作动力的汽车，有望不久能投入目前，已实验成功用氢作动力的汽车，有望不久能投入 实用实用 氢作为航天飞机的燃料已经成为现实，有的航天飞机的氢作为航天飞机的燃料已经成为现实，有的航天飞机的 液态氢储罐存有近液态氢储罐存有近 1 800 1 800 m m3 3的液态氢的液态氢 氢能源研究面临的三大问题： 氢气的发生（降低生产成本

10、） 氢气的储存 氢气的输送（利用）“机遇号”重大发现13.2.1 13.2.1 稀有气体发现简史（自学）稀有气体发现简史（自学） 对于第对于第18列的元素，随着人们对它们认识的逐步深化而不列的元素，随着人们对它们认识的逐步深化而不断地在改变，现今文献中，常见的命名有以下几种；断地在改变，现今文献中，常见的命名有以下几种；1根据这六个元素在地壳中的含量稀少，又广泛地称它们为根据这六个元素在地壳中的含量稀少，又广泛地称它们为 “稀稀 有气体有气体”(noble metals)；21962年以前，由于未制备出这些元素的任何化合物，确信它们年以前，由于未制备出这些元素的任何化合物，确信它们 的性质不活

11、泼，叫它们为的性质不活泼，叫它们为“惰性气体惰性气体”（inert gases)；3曾因它们与各种化学试剂都不发生反应，于是认为它们的化合曾因它们与各种化学试剂都不发生反应，于是认为它们的化合 价为零，又将其称为价为零，又将其称为“零族元素零族元素”；4这族元素自上而下，以氦为首，故也叫做这族元素自上而下，以氦为首，故也叫做“氦族元素氦族元素”；5也有人称它们为也有人称它们为“单原子气态元素单原子气态元素”(monoatomic gaselements）. 13.2 稀有气体稀有气体(1)(1)稀有气体元素命名的变化稀有气体元素命名的变化(2(2）氩的发现）氩的发现小数点后第三位的胜利小数点后

12、第三位的胜利 十七世纪七十年代只知道空气的固定成分是氮和氧十七世纪七十年代只知道空气的固定成分是氮和氧. 1785年，年，Cavendish 在电火花的作用下使氮和氧化合为橙红色的在电火花的作用下使氮和氧化合为橙红色的氧化氮气体，继而又用氢氧化钠溶液吸收氧化氮，三个星期后氧化氮气体，继而又用氢氧化钠溶液吸收氧化氮，三个星期后才使氮化合完毕，余下的氧用才使氮化合完毕，余下的氧用“硫肝硫肝”吸收后，还残留下吸收后，还残留下1/120的微小气泡的微小气泡. 他对这个现象很重视，写到他对这个现象很重视，写到 “这个气泡是特殊的这个气泡是特殊的，不象一般的氮，因为不管什么样的火花都不能使它同氧结合，不象

13、一般的氮，因为不管什么样的火花都不能使它同氧结合.” 但他又说但他又说 “这是由于某种原因没有跟氧化合而剩下来的氮这是由于某种原因没有跟氧化合而剩下来的氮.” 后来，直到后来，直到 1893 年，物理学家年，物理学家 Rayleigh 和化学家和化学家 Ramsay 分析了由氨分解出来的氮每升分析了由氨分解出来的氮每升1.2507g，而一升由空气中获得的而一升由空气中获得的氮重氮重1.2565g，相差的相差的 5.8 mg 并非是氮，命名为并非是氮，命名为“氩氩”（argon, 原文含有懒惰的意思原文含有懒惰的意思.）这被称为）这被称为 “小数点后第三位的胜利小数点后第三位的胜利.”13.2.

14、2 稀有气体的存在、性质、制备和应用稀有气体的存在、性质、制备和应用 空气分离中可得空气分离中可得 He、Rn外的所有其他稀有气体外的所有其他稀有气体. He 最难被液化最难被液化(b. p. 4.2K). Rn是放射性元素，主要由是放射性元素，主要由 Ra 等的蜕变产物，如等的蜕变产物，如Xe XeO2深度麻醉剂，制造高压深度麻醉剂，制造高压“人造小太阳人造小太阳”,“氡氡 管管”用于治疗癌症和中子源用于治疗癌症和中子源He 大型反应堆的冷却剂，大型反应堆的冷却剂，He-Ne-O2 呼吸气可防呼吸气可防 “气气 塞病塞病”，飞船的飞升气体，保护气，飞船的飞升气体，保护气Ne 霓红灯，电子工业

15、中的充气介质，低温冷冻剂霓红灯，电子工业中的充气介质，低温冷冻剂Kr 灯泡填充气，同位素测量灯泡填充气，同位素测量Ar 灯泡填充气，保护气灯泡填充气，保护气稀有气体的主要用途稀有气体的主要用途Ra-Rn 平衡约需平衡约需30d，1g Ra 达平衡时可放出达平衡时可放出 0.64 mm3 Rn. Rn 本身也有放射性，吸入体内很危险！本身也有放射性，吸入体内很危险！稀有气体在地稀有气体在地 壳中的分布壳中的分布Ra226 88RnPo226 86218 84（1 1）稀有气体化学引人注目的第二次大发现稀有气体化学引人注目的第二次大发现 1962年年3月月32日下午日下午6时时45分分Bartle

16、tt N 第一个观察到第一个观察到 “惰性气体惰性气体” 元元 素的化学行为：素的化学行为：XePtFXePtF6 6 红色液体生成！红色液体生成！ 思路思路：刚刚制备出新化合物：刚刚制备出新化合物：O O2 2（g g）+ PtF+ PtF6 6(s) = O(s) = O2 2+ +PtFPtF6 6 - -(s)(s) O2 O2+ + e-Xe Xe+ + e-I1=1180 kJmol-1I2=1170 kJmol-1r =201 pmR =210 pm设计并测定了设计并测定了XePtF6 的标准生成焓为负值（的标准生成焓为负值（-60 KJmol-1）Xe+PtF6- Xe+ (g

17、) + PtF6- (g) Xe (g) + PtF6 (g) fHm (XePtF6)IEAUO2+Xe+13.2.3 13.2.3 稀有气体化合物稀有气体化合物 反应通常在经反应通常在经 F2 钝化使容器表面生成一层钝化使容器表面生成一层 NiF2 保护层的镍制容器保护层的镍制容器中进行中进行. 氙的氟化物发生许多类似于高氧化态卤素互化物的反应，包括氧氙的氟化物发生许多类似于高氧化态卤素互化物的反应，包括氧化还原反应和复分解反应化还原反应和复分解反应. XeF6与氧化物之间的复分解反应可使本身转与氧化物之间的复分解反应可使本身转化为氧化物：化为氧化物： XeF6(s) + 3 H2O(l)

18、 XeO3(aq) + 6 HF(g) 2 XeF6(s) + 3 SiO2 (s) 2 XeO3(s) + 3 SiF4(g) 吸能化合物吸能化合物 XeO3 易爆炸，碱性水溶液中易爆炸，碱性水溶液中Xe（）的氧阴离子的氧阴离子HXeO4- 在歧化并使在歧化并使 H2O 氧化的过程中缓慢分解生成高氙酸根离子氧化的过程中缓慢分解生成高氙酸根离子XeO64 - 和和 Xe: : (2) 氙的氟化物可由元素之间的直接化合反应合成氙的氟化物可由元素之间的直接化合反应合成 Xe (g) + F2 (g) XeF2 (s) (Xe过量过量) K(250)=8.79104 Xe (g) + 2 F2 (g) XeF4 (s) n(Xe):n(F2) = 1:5 K(250)=1.07104 Xe (g) + 3 F2 (g) XeF6 (s) n(Xe):n(F2) = 1:20 K(250)=1.01108XeO3 + OH- HXeO4- XeO64 - + Xe + O2 + H2OpH10+OH- 强氧化剂强氧化剂 XeF2 在水溶液中能够使在水溶液中能够使 HCl Cl KI I2 Ce(IIIIII) Ce(IVIV) Co(IIII) Co(IIIIII) Ag(I I) Ag(IIII) 1968 年第一次制得年第一次制得 BrO4-: NaBrO3 + XeF2 +