第13-章氢和稀有气体

无机化学（下册第四版）讲义·燕翔（化学教研室）第13章氢和稀有气体PAGE22PAGE21第13章氢和稀有气体[教学要求]1、掌握氢原子的性质、成键特征、氢化物。2、了解稀有气体的原子结构、性质和用途。[教学重点]氢的物理性质与化学性质。[教学难点]稀有气体化合物的性质。[教学时数]2学时[教学内容]13-1氢13-2稀有气体[

教学方法与媒体]讲解，ppt展示。13.0元素化学引论迄今为止，人类已经发现的元素和人工合成的元素共113种，其中非金属元素有22种，金属元素有91种。从第四篇起我们将系统地学习元素化学，即周期系中各族元素的单质及其化合物的存在、性质、制备和用途等。一、元素化学元素化学是研究元素所组成的单质和化合物的制备、性质及其变化规律的一门学科，它是各门化学学科的基础，也是无机化学的中心内容。元素及其化合物性质对工农业生产及人类生活产生着巨大的影响义。本篇起系统学习元素化学，即周期系中各族元素及其化合物的存在、性质、制备和用途等。无机物单质、化合物的性质：酸碱性质、沉淀溶解性质、配位性质、氧化还原性质学习目的：进一步地应用无机化学基本原理(主要是热力学原理及结构原理)去学习元素的单质及其化合物的存在、制备、性质及性质的变化规律,从而进一步加深了对无机化学基本原理的理解,进一步运用有关原理去研究、讨论、说明、理解、预测相应的化学事实,从而掌握提出问题,分析问题,解决问题的能力。二、元素化学的内容1.物质的存在；2.物质的结构特点、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；4.重要单质、化合物的规律性变化和用途（应用）。三、学习方法元素无机化学的特点：内容庞杂，叙说繁琐，知识零散，要记的东西多，规律性较少，不易理解、记忆困难。1、理论指导：热力学理论（宏观角度——统计）、物质结构（微观结构——分子结构、原子结构和晶体结构）。2、预习——复习——总结：规律性、特殊性、反常性,记忆重要性质。3、注重实验。4．作业。四、元素化学概况1、元素的含量和分布各种元素在地球上的含量相差极为悬殊。一般说来，较轻的元素含量较多，较重的元素含量较少；原子数为偶数的元素含量较多，原子数为奇数的元素含量较少。10203040506070809010203040506070809086420–2PbBiPbThXeScFeO原子序数log（相对丰度）偶数Z奇数Z地球表面下16千米厚的岩石层称为地壳，地壳包括岩石圈、水圈、大气圈，约占地球总重量的0.7%元素在地壳中的含量称为丰度，常用质量分数或原子百分数来表示。为了纪念美国地球化学家克拉克在计算地壳内元素平均含量所作的贡献，通常把元素在地壳中含量的百分比称为克拉克值。如以质量分数表示，称为质量克拉克值；若以原子百分数表示，则称为原子克拉克值。地壳中含量居前十位元素见下表元素OSiAlFeCaNaKMgHTi质量百分数48.626.37.734.753.452.742.472.000.760.42由表可知，这10种元素占了地壳总质量的99.2%。而且轻元素含量较高，重元素含量较低。海洋是元素资源的巨大宝库，人类一直在探索、开发海洋资源。下表列出海水中含量较大的前7种元素（不包括H、O）元素ClNaMgSCaKBr质量百分数1.89801.05610.12720.08840.04000.03800.0065除上表所列元素外，海水中尚含有C、Sr、B、Si、Al、F、N、Rb、Li、I及微量的U、Zn、Cu、Mn、Ag、Au、Ra等，共约50余种元素。这些元素大多与其它元素结合成无机盐的形式存在于海水中。由于海水的总体积（约1.4×109Km3）十分巨大，虽然某些元素的百分含量极低，但在海水中的总含量却十分惊人，如I2总量达7.0×1013Kg（而I元素的质量百分数仅为0.000005）。因此，海洋是一个巨大的物资库。大气也是元素的重要自然资源，世界上向大气索取的O2、N2、稀有气体等物资，每年数以万吨计。表大气的主要成份（未计入水蒸气的量）气体体积分数﹪质量分数﹪

气体体积分数﹪质量分数﹪N278.0975.51CH40.000220.00012O220.9523.15Kr0.000110.00029Ar0.9341.28N2O0.00010.00015CO20.03140.046H20.000050.000003Ne0.001820.00125Xe0.00000870.000036He0.000520.000072O30.0000010.000036人体中大约含有30种元素，其中有11种元素为常量元素（约占人体质量的99.95%2、元素分类根据研究目的的不同，元素的分类常见的有三种：⑴金属与非金属根据元素的性质进行分类，分为金属与非金属。在元素周期表中，以B—Si—As—Te—At和Al—Ge—Sb—Po两条对角线为界，处于对角线左下方元素的单质均为金属，包括s区、ds区、d区、f区及部分p区元素；处于对角线右上方元素的单质为非金属，仅为p区的部分元素；处于对角线上的元素称为准金属，其性质介于金属和非金属之间，大多数的准金属可作半导体。⑵普通元素和稀有元素

根据元素在自然界中的分布及应用情况，将元素分为普通元素和稀有元素。稀有元素一般指在自然界中含量少，或被人们发现的较晚，或对它们研究的较少，或提炼它们比较困难，以致在工业上应用也较晚的元素。前四周期（Li，Be，稀有气体除外），ds区元素为普通元素，其余为稀有元素。通常稀有元素也可继续分为：轻稀有金属：锂、铷、铯、铍高熔点稀有金属：钛、锆、铪、钒、铌、钽、钼、钨、铼分散稀有元素：镓、铟、铊、锗、硒、碲稀有气体：氦、氖、氩、氪、氙、氡稀土金属：钪、钇、镥和镧系元素放射性稀有元素：钫、镭、锝、钋、砹、铹和锕系元素⑶生命元素与非生命元素根据元素的生物效应不同，又分为有生物活性的生命元素和非生命元素。生命元素又可根据在人体中的含量及作用再进行细分，可分为人体必需元素（包括宏量元素和微量元素）和有毒元素大量研究表明，在生物体内检测到的81种化学元素中有27种元素与生命活动有关，见表5-1中有*标记的元素，这些元素有：C、H、N、O、S、P、K、Na、Ca、MR、CI、P’e、I、Zn、Mn、Co、Mo、Cu、Se、Cr、F、Si、V、Br、Sn、Ni、B等，它们参与生命活动，是维持生物体正常生理功能所必需的，称为生命必需元素或生命元素。所谓生命必需，是指这些元素在生命活动中发挥着不可替代的作用。这些作用主要表现在：(1)生命过程中的某一环节(一个或一组反应)需要这一元素的参与；(2)生物体具有主动摄人该元素并自动调节该元素在体内分布和水平的机构；(3)生物体内发挥正常生物功能的生物活性化合物中含这一元素；(4)生物体内缺乏该元素时引起生理化学变化，经补充该元素后其变化可以恢复。除了以上27种元素已经确定为生命必需元素外，其他在生物体中被检测到的50余种元素，在生命活动中不是必需的，有些元素目前的作用还不十分明确，所以被称为不确定元素或非必需元素。这类元素大多是随食物链进入生物体内的，但是不参与生命活动。个别元素是由于一些偶然性因素进入生物体中，它们在生物体内的浓度往往也是变化的。本篇起系统学习元素化学，即周期系中各族元素及其化合物的存在、性质、制备和用途等，在此基础上了解本学科发展的进程，展望化学科学发展的美好前景。13-1氢一、概述1、氢在周期表中的位置氢是周期表中的第一个元素，它在所有元素中具有最简单的原子结构。它由一个带+1电荷的核和一个轨道电子组成。碱金属也都具有一个外层轨道电子，但它们在反应中很容易失去这个电子而生成正离子；与此相反，氢不容易失去这个电子，而是使这个电子配对生成一个共价键。卤素像氢一样，比稀有气体结构缺少一个电子。在许多反应中，卤素容易获得一个电子而生成负离子；但氢只有在同高电正性的金属反应时才会获得电子而生成负离子。氢的这些独特性质是由氢的独特的原子结构、氢原子特别小的半径和低的电负性决定的。因为它的性质与碱金属和卤素的性质都不相同，使得很难把它放在周期表中的一个合适位置上。在元素周期表中，按原子序数把氢放在第IA族元素的位置上。2、氢的同位素同一种元素的原子具有不同的质量数，这些原子就叫同位素。质量数产生差异的原因是原子核中含有不同的中子。氢有三种同位素：11H(氕，符号H)，21H(氘，符号D)和31H(氚，符号T)。在它们的核中分别含有0、1和2个中子，它们的质量数分别为1，2，3。自然界中普通氢内H同位素的丰度最大，原子百分比占99.98%，D占0.016%,T的存在量仅为H的10-17。

二、氢的物理性质和化学性质1、物理性质单质氢是由两个H原子以共价单键的形式结合而成的双原子分子，其键长为74pm。氢是已知的最轻的气体，无色无臭，几乎不溶于水（273K时1dm3的水仅能溶解0.02dm3的氢），氢比空气轻14.38倍，具有很大的扩散速度和很高的导热性。将氢冷却到20K时，气态氢可被液化。液态氢可以把除氦以外的其它气体冷却都转变为固体。同温同压下，氢气的密度最小，常用来填充气球。2、化学性质⑴常温下氢气不活泼。但在常温下能与单质氟在暗处迅速反应生成HF，而与其它卤素或氧不发生反应。高温下，氢气是一个非常好的还原剂。①氢气能在空气中燃烧生成水，氢气燃烧时火焰可以达到3273K左右，工业上常利用此反应切割和焊接金属。2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)△rHmθ＝-571.66kJ/mol②高温下，氢气还能同卤素、N2等非金属反应，生成共价型氢化物。大量的氢用于生产氨。③高温下氢气与活泼金属反应，生成金属氢化物。H2+2Na→2NaH④高温下，氢气还能还原许多金属氧化物或金属卤化物为金属：H2+CuO==Cu+H2O3H2+WO3===W+3H2O能被还原的金属是那些在电化学顺序中位置低于铁的金属。这类反应多用来制备纯金属。⑵在有机化学中，氢的重要反应是加氢反应和还原反应。这类反应广泛应用于将植物油通过加氢反应，由液体变为固体，生产人造黄油。也用于把硝基苯还原成苯胺（印染工业），把苯还原成环己烷（生产尼龙-66的原料）。在催化剂作用下氢同CO反应生成甲醇等等。⑶氢分子虽然很稳定，但在高温下，在电弧中，或进行低压放电，或在紫外线的照射下，氢分子能发生离解作用，得到原子氢。H2→2H

ΔrHm=436kJ/mol所得原子氢仅能存在半秒钟，随后便重新结合成分子氢，并放出大量的热，温度高达4273K，形成原子氢焰，用于焊接高熔点金属。原子氢是一种比分子氢更强的还原剂。它可以与锗、锡、砷、锑、硫等直接作用生成相应氢化物；还能将某些金属氧化物或卤化物迅速还原为金属，甚至能将某些含氧酸盐还原。

As+3H==AsH3CuCl2+2H==Cu+2HClBaSO4+8H==BaS+4H2O三、氢的成键特征氢原子的价电子层结构为1s1，电负性为2.2，当氢原子同其它元素的原子化合时，可以形成：1、离子键当H与电负性很小的活泼金属（如Na、K、Ca等）形成氧化物时，H获得1个电子形成氢负离子。这个离子因具有较大的半径208pm，仅存在于离子型氢化物的晶体中。2、共价键①两个H原子能形成一个非极性的共价单键，如H2分子。②H原子与非金属元素的原子化合时，形成极性共价键，例如HCl分子。键的极性随非金属元素原子的电负性增大而增强。3、特殊的键型①H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，一般称之为金属型氢化物，例如：ZrH1.30和LaH2.87等。②在硼氢化合物（例如乙硼烷B2H6）和某些过渡金属配合物（例如H[Cr(CO)5]2）中均存在着氢桥键。③能形成氢键。在含有强极性键的共价氢化物中，近乎裸露的H原子核可以定向吸收邻近电负性高的原子（如F、O、N等）上的孤电子对而形成分子间或分子内氢键。例如在HF分子间存在着很强的氢键。四、氢化物氢与其它元素形成的二元化合物叫做氢化物。除稀有气体以外，大多数的元素都能与氢结合生成氢化物。依据元素电负性的不同，氢化物可以分为三大类：1、离子型或类盐型氢化物⑴在周期表中的位置在周期表中，活泼性最强的碱金属和碱土金属能够与氢在较高的温度下直接化合，氢获得一个电子成为离子，生成离子型氢化物2Na+H2===2NaHCa+H2===CaH2碱金属氢化物具有NaCl晶格，H-离子占在面心立方晶格的结点上，H-

与X-所带电荷相同，它的半径在F-和Cl-的半径大小之间（理论值208pm，实测值126~154pm），如此大的变化幅度说明原子核对核外电子的控制较松弛。⑵物理性质离子型氢化物都是白色盐状晶体，常因含少量金属而显灰色。除LiH和BaH2具有较高的熔点（LiH965K，BaH21473K）外，其它氢化物均熔化前就分解成单质。离子型氢化物不溶于非水溶剂，但能溶解在熔融的碱金属卤化物中。离子型氢化物熔化时能导电，并在阳极上放出氢气，这一事实证明了离子型氢化物都含有负氢离子。⑶化学性质H-

半径较大，容易变形，离子型氢化物具有很高的活性。①离子型氢化物都具有很高的反应活性，与水发生激烈的反应，放出氢气：NaH+H2O===NaOH+H2↑利用这一特性，有时可用离子型氢化物如CaH2除去水蒸气或溶剂中微量的水分。但水量较多时不能使用此法，因为这是一个放热反应，能使产生的氢气燃烧。这个反应的实质是H++H-===H2↑②离子型氢化物都是强还原剂，尤其在高温之下可还原金属氯化物、氧化物和含氧酸盐：TiCl4+4NaH=====Ti+4NaCl+2H2↑2LiH+TiO2====Ti+2LiOHUO2+CaH2=====U+Ca(OH)2PbSO4+2CaH2=====PbS+2Ca(OH)22CO2+BaH2(热)=====2CO↑+Ba(OH)22CO+NaH====HCOONa+C③离子型氢化物在非水溶剂中能与一些缺电子化合物（如B3+、Al3+、Ga3+）结合成复合氢化物，而表现出强碱性。例如：乙醚乙醚2LiH+B2H6====2Li[BH4]4乙醚乙醚4LiH+AlCl3====Li[AlH4]+3LiCl这类氢化物还有LiGaH4、Al(BH4)3等，它们被广泛的用于有机和无机合成中作为还原剂或在野外用做生氢剂，因为它们与水猛烈反应生成氢气。虽然十分方便，但价格十分昂贵。2、共价型或分子型氢化物⑴在周期表中的位置在周期表中，p区元素的单质（稀有气体、铟、铊除外）与氢结合生成的氢化物属于共价型氢化物，亦称为分子型氢化物。根据它们结构中电子数和键数的差异，分三种存在形式：①缺电子氢化物第IIIA族B与Al的氢化物都属于缺电子氢化物。例如在B2H6分子中，中心原子硼未满足8电子构型，在这个分子中，两个B原子通过氢桥键连在一起，形成一个三中心两电子键。再如，由于氢化铝也是缺电子化合物，所以氢化铝是聚合型的(AlH3)n.两个Al原子之间也是通过氢桥键连结在一起的。②满电子氢化物第IVA族的C、Si等均有4个价电子，在形成CH4、SiH4时，中心原子的价电子全部参与成键，没有剩余的非键合电子，满足了8电子构型，形成满电子氢化物。CH4、SiH4等均为正四面体结构。③富电子氢化物第V、VI、VIIA族的氢化物都属于富电子氢化物。例如NH3、H2O、HF等，中心原子成键后，还有剩余未成键的孤电子对，由于孤电子对对成键电子的排斥作用，使NH3分子成为三角锥形，H2O分子为V形，HF是通过氢键而缔合的链状结构等。⑵物理性质 p区氢化物属于分子型晶体，它们是由单个的饱和共价分子通过很弱的范德华力，或在某些情况下通过氢键把分子结合在一起而构成的。这种结构使得共价型氢化物的熔沸点比较低，一般条件下多为气体，比较软，有挥发性，没有导电性等。⑶化学性质由于分子型氢化物共价键的极性差别较大，所以它们的化学性质比较复杂。例如单就与水的反应来说：①C、Ge、Sn、P、As、Sb等的氢化物不与水作用。②Si、B的氢化物与水作用时放出氢气SiH4+4H2O——H4SiO4+4H2↑③N的氢化物NH3在水中溶解并发生加合作用而使溶液显弱碱性：④S、Se、Te、F等的氢化物H2S、H2Se、H2Te、HF等在水中除发生溶解作用外，还会发生弱的酸式电离而使溶液显弱酸性。⑤Cl、Br、I的氢化物在水中则发生强的酸式电离而使溶液显强酸性。HCl、HBr和HI都具有还原性，同族氢化物的还原能力随原子序数的增加而增强。3、金属型或过渡型氢化物⑴在周期表中的位置d区或过渡金属的钪族、钛族、钒族以及铬、镍、钯、镧系和锕系的所有元素，还有s区的Be和Mg，与氢生成确定的二元氢化物。它们被称为过渡型氢化物。⑵性质过渡型氢化物基本上保留着金属的外观特征，有金属光泽，具有导电性，它们的导电性随氢含量的改变而改变。这些氢化物还表现有其它金属性如磁性等。所以这些氢化物又叫做“金属型”氢化物。金属型氢化物的密度比母体金属的密度低，某些过渡金属能够可逆的吸收和释放氢气。在大多数情况下，金属型氢化物的性质与母体金属的性质非常相似。例如它们都具有强还原性等。从组成上看，金属型氢化物有的是正比化合物，如CrH2、NiH，有的是非整比化合物，如VH0.56、TaH0.76、ZrH1.75等。过渡金属吸氢后往往发生晶格膨胀，产物的密度比母体金属的大。在大多数情况下，金属型氢化物的性质与母体金属的性质非常相似。例如它们都具有强还原性等。1体积金属Pd可吸收900体积H2，减压或加热可使其分解，利用这个性质可以制备高纯氢，也可作可逆储氢材料。五、制备方法(1)实验室方法①化学法常利用稀盐酸或稀硫酸与锌或铁等活泼金属作用制备氢气。需经纯化后才能得到纯净的氢气。实验室制氢气中杂质来源与除去方法氢气中杂质杂质来源除去方法H2S锌中含微量ZnSH2S+Pb2++2H2O→PbS+2H3O+AsH3锌和硫酸中含微量AsAsH3+3Ag2SO4+3H2O→6Ag+H3AsO3+3H2SO4SO2锌还原H2SO4产生SO2+2KOH→K2SO3+H2O②电解法在电解法中，采用质量分数为25%的NaOH或KOH溶液作为电解液，电解法制得的氢气比化学法纯。(2)工业生产方法①用碳来还原水蒸气制取氢气。用赤热的碳与水蒸气在1273K的高温下反应的H2与CO的混合气体——俗称水煤气。水煤气可以用做工业燃料，此时H2与CO不必分离，为了制备H2，必须分离CO。具体分离方法是：用氧化铁Fe2O3为催化剂，将水煤气与水蒸气一起通过红热的Fe2O3，CO就回转变成CO2，然后在下用水洗涤CO2和H2的混合气体，使CO2溶于水而分离出H2。用煤来制取氢的方法，成本过于昂贵。②在天然气丰富的国家里，采用烃类裂解的方法（甲烷高温裂解）制取氢。其它烃类如石脑油和柴油也可以用作氢原料。*石脑油是石油产品之一。英文名称Naphtha，别名轻汽油、化工轻油，是由C4-C12烷烃、环烷烃、芳烃、烯烃组成的混合物。③水蒸气转换法制取氢得到水煤气。也必须分离出CO，方法繁琐，不如用烃类直接裂解的方法。④在石油化学工业中，由烷烃制取烯烃反应的副产物即氢气。可直接用于合成氨或石油的精细加工等生产中。⑤盐型氢化物与水反应也可以制取氢气：NaH+H2O→NaOH+H2↑⑥用硅与碱反应制备氢气：Si+2NaOH+H2O→Na2SiO3+2H2↑⑦配合催化太阳能分解水法三三(2,2’—联吡啶)合钌(Ⅱ)(2a)2a*(已活化)νh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.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氧化钴。使用1平方米太阳能电池板和100毫升电解溶液，每小时可制作氢气20升，纯度为99.9%.⑧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的过程来完成这一技术。小规模的实验已成功。⑨海水制氢原理：当可见光照射在半导体膜上时，电子被激发进入导带而留下空穴(低能级的电子空间).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H2。同时，空穴迁移到半导体与电解质间的表面，来自Fe2+的电子填充空穴。美国密西根州立大学H.TiTien教授的装置HH2(g)海水Fe(Ⅱ),Fe(Ⅲ)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六、氢能源（自学）我们知道氢气可以燃烧，并且在燃烧时产生大量的热。按每千克燃料燃烧放出的热量：H2气120918kJB5H9(戊硼烷)

64183kJC5H12(戊烷)

45367kJ相比之下，氢气燃烧放出的热量大约是戊烷（汽油的主要组分之一）的三倍。氢气可算是一种高能燃料。氢气和电力一样，是一种二级能源，因为要取得氢气必须用一种来自一级能源如石油、煤炭、太阳能或原子能取得的能量，并把这种能量转化为电能，再用电解或其它方法分解水而产生氢气。使用氢气作为气体燃料的最大优点是它不会造成污染，它唯一燃烧产物是水气，这对人和环境都无害。另外，氢气本身也无毒，可以用管道把它输送到千家万户，在充分注意安全使用的条件下，可以代替煤气或天然气作为民用和工业用的燃料气。作为能源，氢有以下特点：（l）所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/l；在-252.7°C时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为金属氢。（2）所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。（3）氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75％，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大90O0倍。（4）除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。（5）氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。（6）氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境巨，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。（7）氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造现在的内燃机稍加改装即可使用。（8）氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。由以上特点可以看出氢是一种理想的新的含能体能源。目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，但氢能的大规模的商业应用还有待解决以下关键问题：目前，有关氢能源研究的三大课题是：1、氢气的发生从能量的观点看，利用太阳能来光解水是最好的办法，太阳能取之不尽，而水用之不竭。但光解水的工作尚在研究中，现在还达不到生产性的规模。2、氢气的储存氢气是一种密度最低的气体。常温常压下，每立方分米氢气不到0.09g。作为燃料，装载和运输都不方便。另外,它同空气接触容易引起爆炸，不够安全。怎样把氢气储存起来备用和运输，就成为氢能源利用的一项很重要的课题。一种办法是在高压下使氢气连续冷冻和绝热膨胀，使之液化成为液态氢。由于液氢的沸点很低，常温下它的蒸汽压又很大，所以必须把它装在特制的高压容器里储存，这是利用液氢的一个很大的障碍。另一种方法是使氢气与某些金属生成金属型氢化物的储氢方法。例如过渡金属与氢气在一定条件下作用，可以得到金属氢化物；在另一条件下，这类氢化物即会分解成相应的金属和氢气。这是一种金属或合金吸收氢和放出氢的可逆过程，因此叫做可逆储氢。这类金属或合金即称为储氢材料。目前研究发展中的储氢合金，主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。钯和铀都是价格昂贵的金属材料，用它们储氢不经济。近年来，人们研究的镧镍合金由于价格较便宜，在空气中稳定，储氢量大，因而被认为是一种很有希望的储氢材料。储氢合金还有将储氢过程中的化学能转换成机械能或热能的能量转换功能。储氢合金在吸氢时放热，在放氢时吸热，利用这种放热－吸热循环，可进行热的储存和传输，制造制冷或采暖设备。此外它还可以用于提纯和回收氢气，它可将氢气提纯到很高的纯度。例如，采用储氢合金，可以以很低的成本获得纯度高于99.9999％的超纯氢。储氢合金的飞速发展，给氢气的利用开辟了一条广阔的道路。目前中国已研制成功了一种氢能汽车，它使用储氢材料90千克，可行驶40千米，时速超过50千米。今后，不但汽车会采用燃料电池，飞机、舰艇、宇宙飞船等运载工具也将使用燃料电池，作为其主要或辅助能源。另外由于大量使用的镍镉电池（Ni－Cd）中的镉有毒，使废电池处理复杂，环境受到污染。镍氢电池与镍镉电池相比，具有容量大、安全无毒和使用寿命长等优点。发展用储氢合金制造的镍氢电池（Ni－MH），也是未来储氢材料应用的另一个重要领域。

3、氢气作为能源的利用氢气燃烧产生的化学能可以用做能源，氢还可以通过核聚变反应产生核能。氢可作为直接燃料用于火箭、燃氢汽车、燃氢飞机、电池等。在这三大课题中，氢气的储存是中心研究课题，因为它同能量储存和能量回收的问题紧密相连。

4、氢的应用及展望早在第二次世界大战期间，氢即用作A—2火箭发动机的液体推进剂。196O年液氢首次用作航天动力燃料。1970年美国发射的“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料。现在氢已是火箭领域的常用燃料了。对现代航天飞机而言，减轻燃料自重，增加有效载荷变得更为重要。氢的能量密度很高，是普通汽油的3倍，这意味着燃料的自重可减轻2／3，这对航天飞机无疑是极为有利的。今天的航天飞机以氢作为发动机的推进剂，以纯氧作为氧化剂，液氢就装在外部推进剂桶内，每次发射需用1450m3，重约100t。现在科学家们正在研究一种“固态氢”的宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料。在飞行期间，飞船上所有的非重要零件都可以转作能源而“消耗掉”。这样飞船在宇宙中就能飞行更长的时间。在超声速飞机和远程洲际客机上以氢作动力燃料的研究已进行多年，目前已进人样机和试飞阶段。在交通运输方面，美、德、法、日等汽车大国早已推出以氢作燃料的示范汽车，并进行了几十万公里的道路运行试验。其中美、德、法等国是采用氢化金属贮氢，而日本则采用液氢。试验证明，以氢作燃料的汽车在经济性、适应性和安全性三方面均有良好的前景，但目前仍存在贮氢密度小和成本高两大障碍。前者使汽车连续行驶的路程受限制，后者主要是由于液氢供应系统费用过高造成的。美国和加拿大已联手合作拟在铁路机车上采用液氢作燃料。在进一步取得研究成果后，从加拿大西部到东部的大陆铁路上将奔驰着燃用液氢和液氧的机车。氢不但是一种优质燃料，还是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精炼需要氢，如烃的增氢、煤的气化、重油的精炼等；化工中制氨、制甲醇也需要氢。氢还用来还原铁矿石。用氢制成燃料电池可直接发电。采用燃料电池和氢气-蒸汽联合循环发电，其能量转换效率将远高于现有的火电厂。随着制氢技术的进步和贮氢手段的完善，氢能将在21世纪的能源舞台上大展风采。13-2稀有气体一、稀有气体发现简史（自学）周期表中零族元素有氦、氖、氩、氪、氙和氡一共六种，它们都是气体。六种稀有气体元素是在1894-1900年间陆续被发现的。发现稀有气体的主要功绩应归于英国化学家莱姆赛（RamsayW,1852-1916）。下面我们按元素发现的先后顺序，分别简介这六种元素的发现经过。氩Ar早在1785年，英国著名科学家卡文迪什（CavendishH,1731-1810）在研究空气组成时，发现一个奇怪的现象。当时人们已经知道空气中含有氮、氧、二氧化碳等，卡文迪什把空气中的这些成分除尽后，发现还残留少量气体，这个现象当时并没有引起化学家们应有的重视。谁也没有想到，就在这少量气体里竟藏着一个化学元素家族。100多年后，英国物理学家瑞利（RayleighJWS,1842-1919）在研究氮气时发现从氮的化合物中分离出来的氮气每升重1.2508g，而从空气中分离出来的氮气在相同情况下每升重1.2572g，这0.0064g的微小差别引起了瑞利的注意。他与化学家莱姆赛合作，把空气中的氮气和氧气除去，用光谱分析鉴定剩余气体，终于在1894年发现了氩。由于氩和许多试剂都不发生反应，极不活泼，故被命名为Argon，即“不活泼”之意。中译名为氩，化学符号为Ar。氦He早在1868年，法国天文学家简森(JanssenPJC,1824-1907)在观察日全蚀时，就曾在太阳光谱上观察到一条黄线D，这和早已知道的钠光谱的D1和D2两条线不相同。同时，英国天文学家洛克耶尔(LockyerJN,1836-1920)也观测到这条黄线D。当时天文学家认为这条线只有太阳才有，并且还认为是一种金属元素。所以洛克耶尔把这个元素取名为Helium，这是由两个字拼起来的，helio是希腊文太阳神的意思，后缀-ium是指金属元素而言。中译名为氦。1895年，莱姆赛和另一位英国化学家特拉弗斯(TraversMW,1872-1961)合作，在用硫酸处理沥青铀矿时，产生一种不活泼的气体，用光谱鉴定为氦，证实了氦元素也是一种稀有气体，这种元素地球上也有，并且是非金属元素。氪Kr、氖Ne、氙Xe由于氦和氩的性质非常相近，而且它们与周期系中已被发现的其它元素在性质上有很大差异，莱姆赛根据周期系的规律性，推测出氦和氩可能是另一族元素，在它们之间一定有一个性质和氦、氩相近的家族。果然，在1898年5月30日莱姆赛和特拉弗斯在大量液态空气蒸发后的残余物中，用光谱分析首先发现了比氩重的氪，他们把它命名为Krypton，即隐藏之意。隐藏于空气中多年才被发现。1898年6月，莱姆赛和特拉弗斯在蒸发液态氩时收集了最先逸出的气体，用光谱分析发现了比氩轻的氖。他们把它命名为neon，源自希腊词neos，意为新，即从空气中发现的新气体。中译名为氖。也就是现在氖灯里的气体。1898年7月12日氡Rn氡是一种具有天然放射性的稀有气体，它是镭、钍和锕这些放射性元素在蜕变过程中的产物，因此，只有这些元素发现后才有可能发现氡。1899年，英国物理学家欧文斯(OwensRB)和卢瑟福(RutherfordE,1871-1937)在研究钍的放射性时发现钍射气，即氡-220。1900年，德国人道恩(DornFE)在研究镭的放射性时发现镭射气，即氡-222。1902年，德国人吉赛尔(GieselFO,1852-1927)在锕的化合物中发现锕射气，即氡-219。直到1908年，莱姆赛确定镭射气是一种新元素，和已发现的其它稀有气体一样，是一种化学惰性的稀有气体元素。其它两种射气，是它的同位素。1923年国际化学会议上命名这种新元素为radon，中文音译成氡，化学符号为Rn。至此，氦、氖、氩、氪、氙、氡六种稀有气体作为一个家族全被发现了，它们占据了元素周期表零族的位置。这个位置相当特殊，在它前面是电负性最强的非金属元素，在它后面是电负性最小的金属活泼性最强的金属元素。由于这六种气体元素的化学惰性，很久以来，它们被称为"隋性气体"。人类的认识是永无止境的，经过实践的检验，理论的相对真理性会得到发展和完善。1962年，在加拿大工作的英国青年化学家巴特列特(BartlettN,1932~)首先合成出第一个惰性气体的化合物──六氟合铂酸氙Xe[PtF6]，动摇了长期禁锢人们思想。"隋性气体"也随之改名"稀有气体"。二、稀有气体的性质稀有气体的化学性质是由它的原子结构所决定的。除氦以外，稀有气体原子的最外电子层都是由充满的ns和np轨道组成的，它们都具有稳定的8电子构型。稀有气体的电子亲合势都接近于零，与其它元素相比较，它们都有很高的电离势。因此，稀有气体原子在一般条件下不容易得到或失去电子而形成化学键。表现出化学性质很不活泼，不仅很难与其它元素化合，而且自身也是以单原子分子的形式存在，原子之间仅存在着微弱的范德华力（主要是色散力）。稀有气体的熔、沸点都很低，氦的沸点是所有单质中最低的。它们的蒸发热和在水中的溶解度都很小，这些性质随着原子序数的增加而逐渐升高。稀有气体的原子半径都很大，在族中自上而下递增。应该注意的是，这些半径都是未成键的半径，应该仅把它们与其它元素的范德华半径进行对比，不能与共价或成键半径进行对比。表1稀有气体的基本性质名称性质氦氖氩氪氙氡元素符号HeNeArKrXeRn原子序数21018365486原子量4.00320.1839.9583.80131.3222.0价电子层结构1s22s2p63s2p64s2p65s2p66s2p6原子半径(pm)93112154169160220第一电离势(kJ/mol)237220811521135111701037蒸发热(kJ/mol)0.013.718.0熔点(K)0.9524.4883.95116.55161.15202.15沸点(K)4.2527.2587.45120.25166.05208.15临界温度(K)5.2544.45153.152010.65289.75377.65临界压强(Pa)2.29×10527.25×10548.94×10555.01×10558.36×10563.23×105在水中的溶解度(cm3/dm3)8.810.433.662.6123222在大气中的丰度5.2×10-61.8×10-59×10-31.1×10-58.7×10-8氦是所有气体中最难液化的，温度在2.2K以上的液氦是一种正常液态，具有一般液体的通性。温度在2.2K以下的液氦则是一种超流体，具有许多反常的性质。例如具有超导性、低粘滞性等。它的粘度变得为氢气粘度的百分之一，并且这种液氦能沿着容器的内壁向上流动，再沿着容器的外壁往下慢慢流下来。这种现象对于研究和验证量子理论很有意义。三、稀有气体的用途稀有气体广泛应用到光学、冶金和医学等领域中。氦气是除了氢气以外密度最小的气体，可以代替氢气装在飞船里。使用氦气的飞艇不会着火和发生爆炸。液态氦的沸点为-269°C，利用液态氦可获得接近绝对零度(-273.15℃)的超低温。氦气还用来代替氮气作人造空气，供深海潜水员呼吸，因为在压强较大的深海里，用普通空气呼吸，会有较多的氮气溶解在血液里。当潜水员从深海处上升，体内逐渐恢复常压时，溶解在血液里的氮气要放出来形成气泡，对微血管起阻塞作用，引起“气塞症”。氦气在血液里的溶解度比氮气小得多，用氦跟氧的混合气体(人造空气)代替普通空气，就不会发生上述现象。此外，这种含氦的人造空气，还可用来医治支气管气喘，因为它的平均密度比普通空气小三倍，容易吸入或呼出。氦—氖激光器是利用氦、氖混合气体，密封在一个特制的石英管中，在外界高频振荡器的激励下，混合气体的原子间发生非弹性碰撞，被激发的原子之间发生能量传递，进而产生电子跃迁，并发出与跃迁相对应的受激辐射波，近红外光。氦—氖激光器可