第八章氢和稀有气体ppt课件.ppt

第八章氢和稀有气体 8 1氢 8 2 稀有气体 1 氢的自然界的分布 1 氢是宇宙中最丰富的元素地壳三界 大气 水 岩石 以化合物形式存在 原子分比 17 仅次于氧 排第二位 整个宇宙充满了氢 是太阳大气的主要成份 原子百分比 81 75 是木星大气的主要成份 原子百分比 82 2 氢的同位素 氕 H 丰度最大 原子百分比 99 98 氘 D 丰度可变 平均原子百分比 0 016 氚 T 放射性同位素 在大气层 宇宙射线裂变产物中 1021个H含有有一个31H 人造同位素 可制 三种同位素 核外均1e 所以化学性质相似 但质量1 2 3相差较大 所以导致了它们的单质 化合物物理性质上的差异 H2 b p 20 2 D2 b p 23 3 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 H 2 形成共价键 a 形成非极性共价键 如H2单质 表现0氧化态 b 形成极性共价键 与非金属的元素的原子化合 HCl HBr H2O 等 表现 1 氧化态 3 独特的键型 a 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 例 ZrH1 75和LaH2 78 b 在硼氢化合物 如B2H6 和某些过渡金属配合物中均以桥键存在 B 利用sp3杂化轨道 与氢形成三中心两电子键 氢桥 记作 要点 B的杂化方式 三中心两电子氢桥键 B 2S22Px12Py02Pz02S12Px12Py12Pz0 氢键 在含有强极性键的共价氢化物中 例H2O HF HCl NH3中 由于氢原子与一个电负性很强的原子相结合 共用电子对强烈偏向电负性强的原子使氢变成近乎裸露的H 可以与另一个电负性高 有孤对电子的原子形成氢键 冰的空间构型 3 氢的性质和用途 1 单质氢a 物理性质 H H 无色无臭气体 273K时 1dm3水溶解0 02dm3H2 分子量最小 分子间作用力弱 所以难液化 20K时才液化 密度最小 故常用来填充气球 74pm b 化学性质 H HD 436KJ 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 i 与卤素反应 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 与氧反应 2H2 O2 2H2O注 H2在O2中安全燃烧生成H2O 温度可达3273K 故可切 焊金属 爆炸混合物 H2 O2 2 1 体积比 或H2含量 6 67 氢气 空气混合物 与金属氧化物 卤化物反应 制高纯金属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CO 不饱和烃反应 CO 2H2CH3OHCH2 CH2 H2CH3CH3有机反应 与活泼金属反应 高温下 2Na H22NaH制离子型氢化物方法Ca H2CaH2结论 H2的化学性质以还原性为主要特征 2 原子氢a 制备 H22H 电弧或低压放电 H仅存在半秒钟 又结合为H2 放热 b 应用 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 c 化学性质 强还原性 与Ge Sn As Sb S直接反应 As 3H AsH3S 2H H2S 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 4 氢的制备 1 实验室法 Zn 2HCl ZnCl2 H2 Fe H2SO4 用Pd Ni吸附H2 高纯H2 加热 杂质除去 H2S NaOH Na2S H2O5AsH3 8MnO4 24H 5H3AsO4 8Mn2 12H2OPH3 8CuSO4 4H2O H3PO4 4H2SO4 4Cu2SO43Cu2SO4 2PH3 3H2SO4 2Cu3P3Cu2SO4 2PH3 4H2O H3PO4 4H2SO4 8Cu 电解法 25 的KOH或NaOH电解液 阴极 2H2O 2e H2 2OH 阳极 4OH 4e O2 2H2O 2 工业制备法 氯碱工业制H2 电解饱和食盐水 阴极 2H2O 2e H2 2OH 阳极 2Cl 2e Cl2 C还原水蒸气 C 赤热 H2O g H2 CO 水煤气 直接做工业燃料 民用管道煤气 纯化H2 CO H2 H2O g CO2 2H22 106Pa 20atm 水洗去CO2 H2 纯 甲烷催化分解或水蒸气转化 CH4C 2H2 CH4 H2OCO 3H2 红热Fe2O3 烷烃脱H2 C2H6 g CH2 CH2 H2 直接合成氨 3 野外生氢H2 Si 2NaOH aq H2O 2H2 Na2SiO3Si s 2NaOH s Ca OH 2 s 2H2 Na2SiO3 Ca 5 氢化物 氢与其它元素形成的二元化合物叫氢化物 周期表中除稀有气体外 其它大多数元素均可与氢直接或间接形成氢化物 根据元素电负性不同 氢化物分三种类型 1 离子型氢化物 H2与 A A 除Be 生成的氢化物 H Si Fe粉 2M H22MH M A NaCl晶型M H2MH2 M A 金红石TiO2晶型 a 物性 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 电解熔于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 b 化性 与水强烈反应生成H2 NaH s H2O 2H2 NaOH 除去气体或溶剂中的微量水 良好的还原剂 高温还原TiCl4 4NaH 4NaCl Ti 2H2 UO2 CaH2 Ca OH 2 U2CO2 BaH2 热 Ba OH 2 2CO 非水溶剂中 与缺电子化合物反应生成复合氢化物 B2H6 2LiH2LiBH4AlCl3 4LiHLiAlH4 3LiClLiAlH4 H2O LiOH Al OH 3 4H2 野外生氢剂 2 金属型 过渡型 氢化物 Cu Zn B B 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 a 组成 整比 PdH CrH2 ZnH2非整比 LaH2 87 VH0 56等b 物性 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 3 分子型氢化物 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 a 形式 缺电子氢化物 B2H6 B中心原子未满足8e 有2个3C 2e键 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 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 b 物性 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 固态 熔化时不导电 c 化性 由于共价键极性差别大 化性复杂 仅就与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H2SiH4 4H2O 4H2 H4SiO4NH3与H2O加合并电离 NH3 H2O NH3 H2O NH4 OH H2S H2Se H2Te HF在水中溶解并弱酸式电离 H2S H HS HS H S2 HCl 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 6 氢能源 1KgH2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 2 储存 因密度小 不安全 装运难度大 目前使用高压容器储存 使用不便 有危险 很多人正在从事金属氢化物的可逆储氢研究 但Pd U均为贵金属 不经济 也有人正在从事多组分金属合金氢化物的研究 LaNi5 3H2LaNi5H6 2 3 X105Pa 微热 LaNi5合成方便 价格低 稳定 储氢量大 很有发展前途 180 200mlH2 g 氢动力汽车 ppt 对于使用氢能源最近也有一些反面的看法 清洁能源未必清洁美国学者提出氢能源可能损伤臭氧层 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 会加大对可有效防止地球遭受紫外线辐射的臭氧层的损害 文中表示 这一论断并不能防止氢燃料电池的发展 但当人们考虑到可能需要采取某些措施以防止氢燃料燃烧带来的环境恶化时 会对这一观点予以重视 与燃烧后产生大量污染空气的温室气体的矿物燃料不同 氢燃料电池在释放能量后产生的仅仅是水 因此氢燃料一直被看做是发展前景绝佳的清洁能源 美国将发展氢能源作为优先考虑的高等能源 美国国会计划在氢能源研究方面再投入几十亿美元的专款 但是在这篇论文里 来自加利福尼亚科技学院的研究者们提出了这样一种可能性 即氢能源并非自始至终都无碍于环境 如果氢燃料完全取代了矿物燃料 10 20 的氢可能会在车辆或发电站的输送管道 贮藏设备 处理设备和燃料电池中泄漏 氢分子重量轻 极易向天空扩散 大量使用氢燃料后 在使用过程中释放出的氢分子与自然环境中的氢分子加在一起 数量将是原来的3倍 它们升到平流层后会被氧化形成水 这将降低平流层的温度并干扰臭氧层的化学物质 令北极与南极上空的臭氧层空洞增大 损害面积甚至将达8 15Km 50Km O3 大气层 UV射线 臭氧层的作用毋庸置疑 它可以阻挡来自太阳的紫外线照射 人类接受紫外线照射时间过长会患上皮肤癌 白内障等疾病 加利福尼亚理工学院的研究员们认为 在限制使用含氯氟烃的国际条约的制约和保护下 臭氧层损耗可得到控制 但一旦平流层的氢浓度迅速增加 臭氧层的恢复进度将大为延误德国科学家警告氢能源会破坏臭氧层德国科学家对八国集团和欧盟有关加快开发氢能源技术的策略提出了批评 德国化学家协会成员于尔根 梅茨格说 未来能源全面转向氢能源可能会带来负面效应 8 2 稀有气体历史的回顾 稀有气体位于周期表的零族 He Ne Ar Kr Xe Rn 放射 1894 1900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 2572g L 1化学法制备氮 1 2505g L 1 Ar 不活泼 1895年 他们又发现了He 本来人们认为它只存在于太阳中的元素 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 2 通性和用途及在自然界分布 1 通性a 稀有气体单原子分子价层电子结构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 b He是所有气体中最难液化的 Tc 5 5K c He在2 2K以下具有超导性 He不能在常压下固化 2 用途a He气不燃烧 比H2密度小 故可用它代替H2充填气球 He的bp在已知化合物中最低 常用于超低温技术 He在水中溶解度比N2小 故可用做 氦空气 He79 O221 代替空气供潜水员水下呼吸 防 气塞病 He还可制做HeNe激光器 b Ne 在电场作用下产生美丽的红光 故用于制造氖灯c Ar在空气中含量最高 热传导系数小和惰性 被广泛用于充填电灯泡 通常可用作保护气体 防止某些物质被空气氧化 d Kr和Xe 热传导系数比Ar还小 也可填充灯泡 Xe在电场激发下发出强烈白光 用于制造高压长弧氙灯 有 人造小太阳 之称 Kr和Xe的同位素在医学上被用来测量脑血流量和脑功能 计算胰岛素分泌量等 稀有气体的物理性质 HeNeArKrXeRn第一电离能大小mp bp 小大水中溶解度小大气体密度小大 3 在自然界的分布 存在于接近地球表面的空气中 1000dm3空气中 9 3dm3Ar 18cm3Ne 5cm3He 1cm3Kr 0 8cm3Xe 液化空气分馏可提取稀有气体 Rn是Ra放射性蜕变的产物 本身也具有放射性 故吸入收体内危险 22688Ra 22286Rn 21884Po 钋的同位素 现有研究表明 Rn是导致肺癌的重要原因之一 除吸烟外 目前全球肺癌发病率每年增长20 以上 所以Rn污染的问题应引起足够的重视 Rn1 ppt 3 化合物 第一个化合物 XePtF6 红色晶体 Battlett 加拿大化学家1962年发现 思路 已合成O2 PtF6 自从1962年Battlett发现了Xe PtF6 之后 明斯特大学鲁道夫研究小组也有新发现 之后人们又发现了几种新的氙的化合物 XeF2 XeF4 XeF6 和许多氙的络合氟化物 氙的含氧化合物 氧化物 XeO3 XeO4 还有含氧酸盐 Na2XeO4 8H2O 迄今为止 在稀有气体中主要研究以Xe为主的含氟含氧化合物 明斯特大学 ppt 1 氙的氟化物的合成和性质 a 合成 在镍制容器中直接合成 Xe F2 XeF2 g 673K 1 03X105pa K1 8 79 104 Xe 2F2 XeF4 g Xe F2 1 5 873K 6 19X105pa K2 1 07 108 Xe 3F2 XeF6 g Xe F2 1 20 573K 6 19X105paK3 1 01 108 Windowill合成 Xe和F2放入绝对干燥的玻璃管中日光照射 F2 2F Xe 2F XeF2缓慢生成美丽的XeF2晶体 b 氟化物的性质 都是强氧化剂XeF2 2I Xe I2 2F XeF2 H2 Xe 2HFXeF4 2H2 Xe 4HFXeF4 4Hg Xe 2Hg2F2XeF4 s Pt s Xe g PtF4 s 都与水反应 XeF2 H2O Xe 2HF 1 2O2 在稀酸中缓慢 在稀碱中快速放出Xe XeF4与水歧化 6XeF4 12H2O 4Xe 24HF 3O2 2XeO3XeF6与水猛烈反应 不完全水解 XeF6 H2O XeOF4 2HF完全水解 XeF6 3H2O XeO3 6HF 均为优良的氟化试剂XeF6 3C6H6 3C6H5F 3HF XeXeF2 IF5 Xe IF7XeF4 2CF3CF CF5 Xe 2CF3CF2CF3XeF4 2SF4 Xe 2SF62XeF6 SiO2 2XeOF4 SiF4 盛氙化物的容器不能是石英器皿 2 Xe的含氧化合物 XeO3 XeO4及氙酸盐与高氙酸盐a 制备 XeOF4 XeF4 XeF6 XeO3 XeO64 XeO4 HXeO4 O3 反应式 2XeF6 XeO3 3XeOF4XeOF4 XeO3 2XeO2F2XeO3 OH HXeO4 2HXeO4 2OH XeO64 Xe 2O2 2H2O氙酸盐高氙酸盐H2XeO62 H HXeO4 1 2O2 H2OXeO3 O3 4OH XeO64 O2 2H2OH4XeO6 XeO4 2H2O 浓H2SO4 PH 10 5 b 性质 XeO3 白色 易潮解 易爆炸固体 易溶于水 浓度高达4mol dm3 水溶液不导电 表明XeO3以分子状态存在 强氧化性 6HCl XeO3 Cl2 Xe 3H2O5XeO3 6Mn2 9H2O 5Xe 6MnO4 18H 2XeO3 2Ba OH 2 Ba2XeO6 Xe O2 2H2O高氙酸钡沉淀 XeO3 M OH 2 M2XeO6 Na4XeO6 8H2O MOH M4XeO6 Na4XeO6 6H2O K4XeO6 9H2O K4XeO6 2H2O 3 稀有气体化合物的结构 对稀有气体化合物的结构 前面不同的理论解释互相间存在一定的矛盾 因而稀有气体化合物的结构目前还未完全解决