无机化学电子教案.ppt课件

1、第5章 氢和稀有气体Chapter 5 Hydrogen and Rare Gas无机化学基本内容和重点要求 掌握氢的成键特征、氢的性质和用途,掌握稀有气体单质、化合物的性质及结构特点,了解稀有气体的发现。 5.1 氢 5.2 稀有气体5.1.1 氢在自然界中的分布5.1.2 氢的成键特征5.1.3 氢的性质和用途5.1.4 氢的制备5.1.5 氢化物5.1.6 氢能源 5.1 氢5.1.1 氢在自然界中的分布 （了解） 地壳外层三界（大气、水、岩石）:绝大部分以化合物形式存在，原子百分比占17%，仅次于氧排第二位。 整个宇宙充满了氢: 是太阳和木星大气的主要成份，原子百分比分别为81.75%

2、和82%。(1) 氢是宇宙中最丰富的元素中文名英文名称表示方法符号丰度说明氕(音撇) protium1HH99.98%稳定同位素氘(音刀) deuterium2HD0.016%稳定同位素氚(音川) tritium3HT极低放射性同位素(2) 氢的同位素人造同位素可制 31H 三种同位素核外均 1e，故化学性质相似，但质量相差较大，导致了它们的单质、化合物在物理性质上的差异 。 H2： b.p: 20.2 K， D2： b.p: 23.3 K H2O： b.p: 373 K， D2O： b.p: 374.2 K 5.1.2 氢的成键特征 由于氢的电子结构: 1s1 ，且电负性为x = 2.2，所

3、以它与其他元素的原子化合时，有以下几种成键情况:（1）形成离子键KH ,NaH ,CaH2 .离子型氢化物（2）形成共价键形成非极性共价键。如H2单质。形成极性共价键。与非金属元素的原子化合，HCl等。（3）独特的键型 氢原子可以填充到许多过渡金属晶格的空隙中，形成一类非整比化合物，一般称之为金属氢化物。如ZrH1.75和LaH2.78。在硼氢化合物（如B2H6）和某些过渡金属配合物中均以氢桥键存在。B利用sp3杂化轨道，与氢形成三中心两电子键。（氢桥）氢键：在含有强极性键的共价氢化物中（例H2O，HF，HCl，NH3中）易形成分子间或分子内氢键。5.1.3 氢的性质和用途（1）单质氢物理性质

4、 HH：无色无臭气体。273K时， 1 dm3水溶解0.02 dm3 H2。分子量最小。分子间作用力弱，所以难液化，20 K时才液化。密度最小， 故常用来填充气球。74pm HH D = 436 KJ/mol，比一般单键高，接近双键离解能。所以常温下惰性，但特殊条件下反应迅速进行。化学性质H2 + F2 2HF （低温，暗处，爆炸，激烈）H2 + Cl2 2HCl （h光照，点燃，才能反应）H2 + Br2 2HBr （h光照，点燃，才能反应）H2 + I2 2HI (高温反应，且可逆）与卤素反应 2H2 + O2 2H2OH2在O2中安全燃烧生成H2O，温度可达3273K，故可切割和焊接金属

5、。 与氧反应爆炸混合物H2 ：O2 = 2 ：1（体积比）， 或H2含量：667% （氢气空气混合物）CuO + H2 H2O + Cu （加热）Fe3O4 + 4H2 4H2O + 3Fe （加热） WO3 + 3H2 3H2O + W （加热）TiCl4 + 2H2 4HCl + Ti （加热）与金属氧化物、卤化物反应制高纯金属 CO + 2H2 CH3OH CH2=CH2 + H2 CH3CH3有机反应与CO、不饱和烃反应高温下 ，制离子型氢化物方法 2Na + H2 2Na H Ca + H2 Ca H2与活泼金属反应结论：H2的化学性质以还原性为主要特征。（2）原子氢 (了解，自学）

6、H2 2 H （电弧或低压放电）H仅存在半秒钟，又结合为H2，放热。1. 制备原子氢焰：将原子氢流通向金属表面，则形成H2时放热，可达4273K高温，用于焊接高熔点金属。2. 应用As + 3H AsH3 S + 2H H2S3. 化学性质：强还原性与Ge、Sn、As、Sb、S直接反应：还原金属氧化物和卤化物CuCl2 + 2H 2HCl + Cu还原金属含氧酸盐BaSO4 + 8H BaS + 4H2O 5.1.4 氢的制备1. Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2 （1）实验室法Zn中常含有杂质Zn3P2，Zn3As2，ZnS等，它们与酸反应分别产生PH3，AsH3，H2S气体混杂在

7、氢气中。H2S +NaOH = Na2S + H2O5AsH3 +8MnO4- +24H+ = 5H3AsO4+8Mn2+ +12H2OPH3 +8CuSO4 + 4H2O = H3PO4 + 4H2SO4 + 4Cu2SO43Cu2SO4 + 2PH3 = 3H2SO4 + 2Cu3P3Cu2SO4 + 2PH3 +4H2O = H3PO4 + 4H2SO4 +8Cu杂质除去（2）工业制备法 (了解，自学）阴极 2H2O +2e- H2 + 2OH-阳极 4OH- O2 + 2H2O +4e-2. 电解法1. 氯碱工业制 H2阴极：2H2O + 2e H2+ 2OH阳极： 2Cl - 2e

8、Cl2C（赤热） + H2O（g） H2 + CO水煤气直接做工业燃料。 1273K2. C还原水蒸气CO + H2 + H2O（g） CO2 + 2H2红热Fe2O3纯化 H22106Pa（20 atm），水洗去CO2 H2（纯）。C2H6（g） CH2=CH2 + H2（直接合成氨)4. 烷烃脱H23. 甲烷催化分解或水蒸气转化CH4 C + 2H2 CH4 + H2O CO + 3H2cat, 1273cat, 1073-1173 Si +2NaOH（aq）+ H2O 2H2 + Na2SiO3 Si (s) +2NaOH (s) +Ca(OH)2 (s) 2H2+ Na2SiO3+Ca

9、O（3）野外生氢 H2Li Be B C N O FNa Mg Al Si P S ClK Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te ICs Ba La Hf Ta W Ir Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At5.1.5 氢化物离子型氢化物金属型氢化物共价型氢化物氢与其它元素形成的二元化合物叫氢化物H2与 IA、IIA（除Be）生成的氢化物，H（1）离子型氢化物2M + H2 2MH（M：A） NaCl晶型 M + H2 MH

10、2（ M：A） 金红石型、TiO2晶型 具有离子型晶体的共性，熔沸点高，常温下白色盐状晶体，熔化能导电，不 溶于非水溶剂，可溶于熔化的NaCl晶体中。 H存在的证明：电解溶于NaCl的离子型氢化物溶液。阳极：2H H2+ 2e 阳极有氢气生成，证实含H 。 1. 物理性质2. 化学性质TiCl4 + 4NaH 4NaCl + Ti + 2H2UO2 + CaH2 Ca(OH)2 + U2CO2 + BaH2（热） Ba(OH)2 +2CO与水强烈反应生成H2NaH（s）+ H2O 2H2 + NaOH （除去气体或溶剂中的微量水）良好的强还原剂：高温还原B2H6 + 2LiH 2LiBH4Al

11、Cl3 + 4LiH LiAlH4 +3LiClLiAlH4 + H2O LiOH + Al(OH)3 +4H2(野外生氢剂)非水溶剂中，与缺电子化合物反应生成复合氢化物。Et2OEt2O Cu、Zn、BB、B：Cr、族。Pd、Ni可与 H2生成稳定的松散氢化物。 Pt:任何条件下不生成氢化物，但铂或镍在表面与H2形成吸附氢化物，从而使Pt在加H2催化中起很重要的作用。 (2) 金属型（过渡型）氢化物 (了解，自学）具有金属外观特征，有光泽，能导电。加热 H原子逸出可得高纯H2。组 成整 比：PdH、CrH2、ZnH2；非整比：LaH2.87、VH0.56等。物理性质d, f 区元素形成的氢化

12、物1. 缺电子氢化物 B2H6：B中心原子未满足8e，有2个3C2e键。（3）分子型氢化物 (了解，自学） P区元素（除稀有气体、In、Tl）,在一定条件下均与H2生成分子型氢化物。根据Lewis结构中的电子数或键数的差异，有三种形式：2. 满电子氢化物： CH4及同族氢化物，中心原子价电子全部成键，无剩余非键电子。3. 富电子氢化物： NH3、H2O、HF及同族氢化物，中心原子成键后有剩余的孤对电子未参与成键，其分子结构可用VSEPR规则推测。 C、Ge、Sn、P、Sb、As等氢化物不与H2O反应；1. 物理性质 属分子晶体，具有分子型氢化物的共性，mp、bp低，常温下大多数为气体。气态、固

13、态、熔化时不导电。2. 化学性质共价键极性差别大，化性复杂：仅与H2O反应为例说明。 C、Ge、Sn、P、Sb、As等氢化物不与H2O反应；与H2O反应的氢化物情况各不相同。硅氢化物与H2O反应生成H2 SiH4 + 4H2O 4H2 + H4SiO4NH3与H2O加合并电离： NH3 + H2ONH3H2O NH4+ + OHH2S、H2Se、H2Te、HF在水中溶解并弱酸式电离: H2S H+ +HS HS H+ +S2HCl、HBr、HI在水中溶解并强酸式电离 HX H+ + X （X = Cl、Br、I）这些氢化物具有还原性，同族从上到下还原性增强，酸性增强。 5.1.6 氢能源 1

14、Kg H2完全燃烧放热120918KJ，故是高能燃料，无污染、环保型燃料。目前有关氢能源研究，存在着三大课题：发生、储存、利用。（1）发生 从能量的观点看，利用太阳能光解海水最适宜。目前的研究均以过渡金属配合物为催化剂，光解海水远未达到生产规模。三(2,2联吡啶) 合钌()(2a) 2a*(已活化)h光能 2a 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 H+ 变为 H2 放出。从海水中制氢美国Michigan州立大学H. Ti Tien教授的装置H2(g)海 水Fe( ),Fe()电解质溶液硒化镉半导体镍箔可见光海水制氢的装置示意图 生物分解水制氢 生物体分解水

15、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。 LaNi5 + 3 H2 LaNi5H6(2-3)X105Pa微热 LaNi5合成方便，价格低，空气中稳定，储氢量大，很有发展前途。180- 200 ml H2/g.（2) 储存（3) 利用 目前已实验成功用氢作动力的汽车，并投入实用；氢作为航天飞机的燃料已经成为现实，有的航天飞机的液态氢储罐存有近1800 m3的液态氢。 对于使用氢能源最近也有一些反面的看法 氢燃料被誉为清洁燃料而大行其道，并有取代矿物燃料的态势，但发表在2004年6月13日美国科学杂志上的一篇论文却提出异议：氢燃料的大力推广和使用，会加大对

16、可有效防止地球遭受紫外线辐射的臭氧层的损害。储存问题15Km50KmO3大气层UV射线5.2.1 历史的回顾 5.2.2 通性和用途 5.2.3 自然界中的分布和从空气中分离5.2.4 化合物 5.2.5 稀有气体化合物结构5.2 稀有气体5.2.1 历史回顾 （自学） 稀有气体位于周期表的零族：He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn（放射）。18941900年间被陆续发现。英国物理学家莱姆塞（Ramsay）， 1894年，“第三位小数的胜利” 空气分馏氮： 1.2572 gL-1 化学法制备氮：1.2505 gL-1空气除去O2和N2后的剩余气体不同任何气体发生化学反应，但在放电管中发出特殊的辉

17、光。 Ar（不活泼） 1895年，他们又发现了He 1898年又陆续从空气中分离出Ne、Kr、Xe。1900年在某些放射性矿物中发现了Rn。至此0族元素全部发现，由于惰性被命名为“惰性气体”。1904年由于Ramsay小组发现了稀有气体并确定了他们在周期表中的位置，获得了诺贝尔化学奖。价层电子结构1s2，ns2np6稳定结构；电子亲合能接近零，电离能很高，一般情况下稳定。由于以单原子状态存在，故原子间仅存在微弱的范德华力，故蒸发热小，在水中溶解度小。5.2.2. 通性和用途（了解、自学）(1) 通性稀有气体单原子分子。He是所有气体中最难液化的，Tc = 5.5 K；He在2.2 K以下具有超

18、导性，He不能在常压下固化。(2) 用途氦：不燃烧，密度小，可用来代替氢气充填气球。 氖：用于制造氖灯或仪器中的指示灯。 氪和氙：热传导系数小，填充灯泡；同位素用来测量脑血流量和研究肺功能、计算胰岛素分泌量。氙“人造小太阳”。氩：热传导系数小，用于充填电灯泡，防氧化。 5.2.3 自然界中的分布和从空气中分离（自学）(1) 自然界中的分布 存在于接近地球表面的空气中，1000 dm3空气中：9.3 dm3 Ar，18 cm3 Ne，5 cm3 He，1 cm3 Kr，0.8 cm3 Xe。(2) 空气中分离 空气液化精馏，用活性铜除去少量氧，用灼热的Mg Ca Al除去氮，得到稀有气体。再通过

19、它们在沸点和吸附能力上的差别分离出每种稀有气体 He是最难液化的气体。5.2.4 化合物第一个化合物: XePtF6，(红色晶体, Battlett，1962年）思路：已合成 O2PtF6 （1）氙的氟化物的合成和性质Xe + F2 XeF2（g）， 673K，1.03X10-5pa， K1 = 8.79104Xe + 2F2 XeF4（g)（Xe ：F2=1：5）， 873K，6.19X10-5 pa, K2 = 1.07108Xe +3F2 Xe F6（g）（Xe ：F2 = 1：20）， 573K，6.19X10-5 pa， K3 = 1.011081. 合成 Windosill合成：X

20、e 和F2放入干燥的玻璃管中日光照射。 在镍制容器中直接合成Xe + 2F XeF2 ，缓慢生成美丽的XeF2晶体。 XeF2 + 2I Xe + I2 + 2FXeF2 + H2 Xe + 2HFXeF4 + 2H2 Xe + 4HF XeF4 + 4Hg Xe + 2Hg2F2XeF4(s) + Pt(s) Xe(g) + PtF4(s)2. 氟化物的性质 都是强氧化剂 都与水反应XeF2 + H2O Xe +2HF + 1/2O2 (稀酸中缓慢, 稀碱中快速)XeF4与水歧化: 6XeF4 +12H2O 4Xe + 24HF + 3O2 + 2XeO3 XeF6与水猛烈反应: 不完全水解: XeF6 + H2O XeOF4 + 2HF 完全水解: XeF6 + 3H2O XeO3 + 6HFXeF6 + 3C6H6 3C6H5F + 3HF + XeXeF2 + IF5 Xe + IF