氢和氧的化学精品课件

1、氢和氧的化学第1页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五3.1 氢3.1.1 氢的分布 氢是宇宙中含量最丰富的元素，约占宇宙总质量的74%。 氢是太阳的核原料，在星际空间中大量存在。第2页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五第3页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五3.1.2 氢的三种同位素 核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。 99.9844%0.0156%10-16 %第4页，共70页，2022年，5月20日，0

2、点12分，星期五三种同位素的电子组态因此化学性质比较类似。物理性质： D2相对于H2来说，有更高的熔点、沸点和解离能。第5页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五3.1.3 氢的成键类型1. 共价单键 H原子常常以共价单键和其他非金属原子形成共价化合物。氢原子的共价单键的半径为32 pm。 H2O NH3 HCl2. 离子键 H原子可获得一个电子形成H- 离子，但是其亲合能较小，只能同电正性高的金属形成盐类氢化物。 H- 离子的半径在130-150 pm之间。 NaH CaH H原子失去电子形成H+离子后，因其半径较小，除气态离子束外，H+必须和其他分子或离子结合形成H3O+，

3、NH4+等离子，再和其他异号离子结合形成化合物。第6页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五3. 金属键 高压低温条件下，H2分子转变成直线型氢原子链Hn，固态分子转变成金属相。其中的氢原子通过金属键相互结合在一起。 H2能被多种金属和合金大量吸附，以原子状态存在于金属原子间的空隙之中，以金属键和金属相结合。 储氢材料氢是重要而洁净的能源。同样重量的氢气燃烧的热量至少是煤的4.4倍。4. 氢键第7页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五5. 氢分子配键 在一些过渡金属配位化合物中，氢分子作为配位体和金属原子从侧面结合，两个氢原子同时等距离地和M原子成键。MHH6

4、. 桥键 桥键通常出现在有机金属化合物的碳氢基团和前过渡金属原子之间。H原子以共价键的形式同时和1个C原子和一个过渡金属原子成键。形成一个三中心两电子的键。半个箭头表示形式上H原子提供2个电子给M的空轨道共用。该桥键是弯曲的体系。 许多过渡金属化合物的中心金属原子少于18个电子，为满足18电子规则，过渡金属原子会抓住一个配位的有机配位体上的H原子，来增加它的电子数目。第8页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五 在硼氢化合物(如B2H6)和某些过渡金属配合物(如HCr(CO)52)中均存在氢桥键。氢原子位于两个中心原子之间，正如一座桥一样，把两个中心原子相连。7. 缺电子多中心

5、氢桥键8. 过渡金属氢化物中的M-H键 在过渡金属氢化物中，H原子能以多种形式和金属原子形成多种形式的化学键。第9页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五 氢气是无色、无臭、无味的可燃性气体，比空气轻14.38倍，具有很大的扩散速度和很好的导热性，在水中的溶解度很小。氢气容易被镍、钯、铂等金属吸附。3.1.4 氢气的性质和制备 在H2分子中，由于H原子很小，没有内层电子，H-H间的结合力非常强，解离能达436 kJmol-1，是所有同核共价单键中最强的键。第10页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五氢的制备第11页，共70页，2022年，5月20日，0点12分

6、，星期五第12页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五3.1.5 氢化物第13页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五第14页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五 氧是地球上最丰富的元素之一。在地壳、海洋和大气中，占总质量的46.4%。大气中氧气占大气质量的23%。海水质量的89%是氧。 大气中的氧含量基本保持不变。一方面是由于燃烧和动植物呼吸过程消耗氧气，另一方面，绿色植物利用二氧化碳和水通过光合作用制造氧气。 3.2 氧第15页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五（一）氧气 氧是无色、无臭的气体。在标准下，密度为1.429

7、kgL-1；熔点（54.21K）和沸点（90.02K）都较低，液态和固态氧都显淡蓝色；氧在水中的溶解度很小，通常1ml水仅能溶解0.0308ml O2。 氧最主要的化学性质是氧化性。除稀有气体和少数金属外，氧几乎能所有元素直接或间接地化合，生成类型不同，数量众多的化合物。 第16页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五氧的制备氧的化学性质第17页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五第18页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五（二）臭氧 常温下，臭氧（O3）是浅蓝色的气体，沸点160.6K、熔点21.6K，O3比O2易溶于水（通常1ml水中能溶

8、解0.49ml O3）。 O3的氧化性大于O2。常温下，O3能与许多还原剂直接作用。例如：PbS + 2O3 = PbSO4 + O22Ag + 2O3 = O2+ Ag2O2（过氧化银）2KI + O3 + H2O = 2KOH + I2 + O2 第19页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五 （三）过氧化氢 制备：电解60H2SO4溶液，减压蒸馏得H2S2O8，水解可得H2O2。H2S2O8+2H2O=2H2SO4+H2O2 性 质1、不稳定性2H2O22H2O +O22、弱酸性H2O2 H+ + HO2-H2O2+Ba(OH)2=BaO2+2H2O第20页，共70页，2

9、022年，5月20日，0点12分，星期五3、氧化还原性 由于H2O2氧化数处于中间，因此它既显氧化性又显还原性，氧化还原能力与介质的酸碱性有关。以氧化性为主。例如：Cl2 +H2O22HCl +O2H2O2 +2I- +2H+I2 + 2H2O Pb + 4 H2O2 PbSO4+ 4H2O第21页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五水是地球上数量最多的分子型化合物 1.41021kg可淹没地球平均水深2713m人体一半以上是水化学中最常用的试剂和溶剂3.3 水的结构和性质第22页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五(1)水在4时密度最大，为1；0时冰的密度

10、为0.917。水冻结为冰时，体积膨胀是1.62m1/L。(2)水的沸点和熔点相当高。(3)水的比热较大。(4)水的导热率高，冰的热扩散率比水大。 (5)水的溶解能力强。(6)介电常数高 (7)表面张力高 3.3.1 水的重要性质第23页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五1、水的分子结构4个杂化轨道 2px2 2py1 2pz1 由于氧的高负电性，O-H共价键具有部分离子特征 水分子的四面体结构有对称型氧的另外两对孤对电子有静电力H-O键具有电负性 3.3.2 水的结构第24页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五四面体形电荷分布体系H2OH-FH2OH-Cl

11、H2OH-CNH2OH-OH质子受体质子给体水的气态二聚体第25页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五第26页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五3.3.3 冰的结构Ih第27页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五冰的各种晶型第28页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五从冰的结构可得：（a）水能堆积出11种冰晶体，跨越6个晶系、10种空间群、密度从0.921.49gcm-3（b）四面体取向的O-HO氢键，是使水结晶成冰的共同特征和主要作用力。（c）高压下密度的增加，不是靠压缩氢键键长，而是压短非键距离。（d）O-HO氢键中

12、，H的分布多数（7种）是无序，少数（4种）有序。第29页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五1. 冰和液态水的径向分布g(r)r图冰-Ih液态水 277K3.3.4 液态水的结构模型第30页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五2. 冰化为水，O原子间距离的变化 水的结构不仅有冰的“碎片”，还含有大量通过氢键形成动态平衡的不完整多面体（如五角十二面体）体系。第31页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五3. 液态水的性质和结构a. 热学性质冰水汽升华热高 51kJmol-1熔点高,0沸点高,100比热大蒸发热大熔化热小6 kJmol-176 J

13、mol-1K-140.6 kJmol-1第32页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五b. 密度：4最大冰，0 0.9168 gcm-3水，0 0.99984 gcm-3 4 1.0000 gcm-3 20 0.99821 gcm-3第33页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五 除冰以外，在晶体中和其他组份一起存在的水。1. 骨架水：水作为构建晶体骨架的主要组份。如气体水合物。2. 配位水：水作为配位体和金属离子配位， 如明矾 K(H2O)6+Al(H2O)63+SO42-2 VSO46H2O V(H2O)62+SO42-3. 结构水：水作为填补晶体结构空间，

14、并通过氢键将各组份结合在一起。 如 CuSO45H2O Cu(H2O)42+SO42-H2O4. 层间水：粘土等层型结构间的水。5. 沸石水：沸石型骨架中孔穴内部吸附的水。6. 蛋白质晶体中连续分布的水： 如三方二锌猪胰岛素 Zn2(C255H380O78N65S6)6835H2O1, 2, 3 组成确定；4, 5, 6 组成可变硼砂Na2B4O5(OH)48H2O 结晶水为8个，加热时4个OH可变成H2O脱去，但化学式不应写成 Na2B4O710H2O3.3.5 结晶水第34页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五3.3.6 水分子的振动和转动特性的应用a. 烘干谷物 粮食烘

15、干机（示意）1. 水分子的振动第35页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五水的红外光谱图第36页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五b. 用于理疗理疗灯，表面温度680，IR能量分布第37页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五2. 水分子的转动水分子的转动频率（2.22.5）109Hz，属微波区。（a）微波炉 发射2.45 109Hz微波，使含水食物加热煮熟。 用微波炉灼烧BaSO4沉淀，可缩短试样分析的时间。（b）探测星际空间的水分子。第38页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五3.3.7 从物理学观点看水对生物和地球气

16、候作用1. 水的生物功能生命之源食物、水、氧低熵能量物质生物体物质 (CO2, H2O, 排泄物)能量成年生物体、基本平衡高熵排熵6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 光合、 吸热、 熵减 氧化、 放热、 熵增（消化） -H S0生物体进行消化过程G = H - TS 10g可溶 110g微溶 0.1 1g难溶 0.1g第49页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五“相似相溶”原理主要表现在： (1) 溶质分子与溶剂分子的结构越相似，相互溶解越容易； (2) 溶质分子的分子间作用力与溶剂分子间作用力越相似，越易互溶。 如非极性物质可以溶解在非极性溶剂中(碘溶于四氯

17、化碳中)，极性物质和离子型晶体易溶于极性溶剂(如水)中。相似相溶原理第50页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五对于一般难溶强电解质其平衡常数Ksp=An+mBm-n 称为溶度积常数。简称溶度积。BaSO4(s）Ba2+ + SO42-平衡常数：Ksp(BaSO4)=c(Ba2+ )c(SO42- )AmBnmAn+nBm-3.4.3 溶度积常数第51页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五3.5 酸和碱3.5.1 酸和碱的定义1、酸碱的电离理论（阿伦尼乌斯电离理论） 电离时产生的阳离子全部是H+离子的化合物叫酸； 电离时生成的阴离子全部是OH-离子的化合物叫

18、碱。2、酸碱质子理论 定义：凡能给出质子（ H+ ）的物质都是酸；凡能接受质子的物质都是碱。 酸碱的共轭关系： 一对酸碱，它们依赖获得或给出质子互相依存，这样的酸碱对叫做共轭酸碱对。酸碱反应 酸1+碱2 碱1+酸2第52页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五酸 H+ + 碱例：HAc的共轭碱是Ac ， Ac的共轭酸HAc， HAc和Ac为一对共轭酸碱。两性物质：既能给出质子，又能接受质子的。第53页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五酸 H+ + 碱 一般来说：共轭酸越强，它的共轭碱就越弱；共轭碱越强，它的共轭酸就越弱。第54页，共70页，2022年，5月2

19、0日，0点12分，星期五 酸碱可以是分子也可以是阴离子、阳离子， 如Ac是离子碱， 是离子酸； 两性物质， 如 等； 质子理论中无盐的概念，电离理论中的盐，在质子理论中都是离子酸或离子碱，如 NH4Cl 中的 是离子酸， Cl是离子碱。第55页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五常用的酸和碱酸：盐酸 HCl 硝酸 HNO3 硫酸 H2SO4 磷酸 H3PO4 高氯酸 HClO4 醋酸 CH3COOH碱：氢氧化钠（烧碱） NaOH 碳酸钠（纯碱） Na2CO3 碳酸氢钠（小苏打） NaHCO3 氢氧化钙（熟石灰） Ca(OH)2 氢氧化铵（氨水） NH3H2O第56页，共70页

20、，2022年，5月20日，0点12分，星期五3.5.2 酸碱反应的实质： 两个共轭酸碱对之间的质子传递。H+第57页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五 酸、碱的解离H+H+H+aq-水溶液；s-固体；l-液体 第58页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五 酸、碱的中和H+H+H+第59页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五 盐的水解H+H+H+第60页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五3.5.3 酸碱的相对强弱如以冰醋酸为溶剂酸性： 酸和碱的水溶液都存在解离平衡，酸常数Ka表示酸的强弱，碱常数Kb表示碱的强弱。（氢氰酸

21、）第61页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五酸越强其共轭碱越弱碱越强其共轭酸越弱第62页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五3.5.4 水的离子积和pH 纯水有微弱的导电能力H2O + H2O H3O+OH-（ H2O H+OH-）实验测得295K时1升纯水仅有10-7mol水分子电离，所以H+=OH-=10-7mol/L由平衡原理得：Kw=H+OH-=10-14Kw为水的离子积常数。简称水的离子积。Kw的意义为：一定温度时，水溶液中H+和OH-之积为一常数。水的电离是吸热反应，当温度升高时Kw增大。 水溶液中氢离子的浓度称为溶液的酸度。 pH的定义是：溶液中氢离子浓度的负对数叫做pH值。 pH=-lgH+ 第63页，共70页，2022年，5月20日，0点12分，星期五3.5.5 缓冲溶液 能抵抗外来少量强酸、强碱或稀释的影响，而能保持pH值基本不变的溶液叫做缓冲溶液。缓冲溶液的这种作用叫做缓冲作用。50mLHAcNaAc(c(HAc)=c(NaAc)=0.10molL-1) pH = 4.74 缓冲溶液的特性：向缓冲溶液中加入少量强酸或强碱或将溶