无机化学(4).pdf

无机化学无机化学无机化学无机化学 Inorganic ChemistrInorganic Chemistry 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 第四章第四章稀有气体稀有气体第四章第四章稀有气体稀有气体 Chapter 4 The Rare Gases Helium He Neon Ne Argon Ar 太阳太阳新的新的懒惰的懒惰的太阳太阳新的新的懒惰的懒惰的 Krypton Kr Xenon Xe Radon Rn 稳定的稳定的陌生的陌生的发光的发光的稳定的稳定的陌生的陌生的发光的发光的 4 1 稀有气体的发现稀有气体的发现 4 2 稀有气体的单质稀有气体的单质 4 3 稀有气体化合物稀有气体化合物4 3 稀有气体化合物稀有气体化合物 1868 J N Lockyer 英英 He 1868 y S E Frankland 英英 1895W Ramsay 英 英 y Ar1894J W Rayleigh N1898 英英 Ne1898W Ramsay 英英 Kr1898W Ramsay 英英 Kr1898W Ramsay 英英 Xe1898W Ramsay 英 英 Rn1900F E Dorn 4 1 稀有气体的发现稀有气体的发现 4 2 稀有气体的单质稀有气体的单质 4 3 稀有气体化合物稀有气体化合物4 3 稀有气体化合物稀有气体化合物 1 存在存在 主要存在于空气主要存在于空气氦也存在于某些天然气中氦也存在于某些天然气中主要存在于空气主要存在于空气氦也存在于某些天然气中氦也存在于某些天然气中 氡为某些放射性元素的蜕变产物氡为某些放射性元素的蜕变产物 2 结构结构 H eN eA rK rX eR n 1s22s22p63s23p64s24p65s25p66s26p6 氦原子为氦原子为2电子构型电子构型 ppppp 氦原子为氦原子为2电子构型电子构型 其它稀有气体原子为稳定的其它稀有气体原子为稳定的8电子构型电子构型 3 性质性质 价电子结构称为饱和电子层结构 其电子亲合势都价电子结构称为饱和电子层结构 其电子亲合势都 接近于零接近于零而且都有很高的电离势而且都有很高的电离势因此不易失去因此不易失去接近于零接近于零 而且都有很高的电离势而且都有很高的电离势 因此不易失去因此不易失去 电子 不易得到电子 不易形成化学键 电子 不易得到电子 不易形成化学键 均为单原子分子 均为单原子分子 He是所有单质中沸点最低的气体 是所有单质中沸点最低的气体 蒸发热 在水中的溶解度以及熔 沸点都很低 并 且 蒸发热 在水中的溶解度以及熔 沸点都很低 并 且随着原子序数的增加而随着原子序数的增加而逐逐渐升高渐升高 随着原子序数的增加而渐升高随着原子序数的增加而渐升高 在一般条件下不具备化学活性 在一般条件下不具备化学活性 稀有气体的一些物理性质稀有气体的一些物理性质 元素符号元素符号HeNeArKrXeRn元素符号元素符号HeNeArKrXeRn 沸点沸点 K 4 2 27 87 120 166 211 第一电离能第一电离能 mol kJ 1 2372 2033 1523 1351 1171 1038 mol kJ 是除氢以外最轻的气体是除氢以外最轻的气体 可用它取代氢气填充气可用它取代氢气填充气 4 用途用途 氦氦 是除氢以外最轻的气体是除氢以外最轻的气体 可用它取代氢气填充气可用它取代氢气填充气 球和汽艇球和汽艇 可利用氦和氧的混合物制成可利用氦和氧的混合物制成 人造空气人造空气 供供可利用氦和氧的混合物制成可利用氦和氧的混合物制成 人造空气人造空气 供供 潜水员呼吸 以防得潜水病潜水员呼吸 以防得潜水病 可作超低温研究中的制冷剂可作超低温研究中的制冷剂还可作低温温度还可作低温温度可作超低温研究中的制冷剂可作超低温研究中的制冷剂 还可作低温温度还可作低温温度 计的填充气体计的填充气体 可用做电弧焊的惰性保护气体可用做电弧焊的惰性保护气体可用做电弧焊的惰性保护气体可用做电弧焊的惰性保护气体 能产鲜艳的光能产鲜艳的光灯灯灯塔等灯塔等 氖氖 能产能产生生鲜艳的鲜艳的红红光光 可可用于用于霓霓红红灯灯 灯塔等灯塔等 照明工程 照明工程 氖也可作冷冻剂 致冷温度为氖也可作冷冻剂 致冷温度为25 40 K 当电流通过充氩灯管时 能产生蓝光 可当电流通过充氩灯管时 能产生蓝光 可 用于霓红灯用于霓红灯灯塔等照明工程灯塔等照明工程 氩氩 用于霓红灯用于霓红灯 灯塔等照明工程灯塔等照明工程 氩氩 氩和氦的混合气体可用于充填灯泡氩和氦的混合气体可用于充填灯泡氩和氦的混合气体可用于充填灯泡氩和氦的混合气体可用于充填灯泡 常用作保护气体 常用作保护气体 氪氪 制造特种光源 高效灯泡 制造特种光源 高效灯泡 氪氪 其同位素在医学上用于测量脑血流量和研究其同位素在医学上用于测量脑血流量和研究 肺功能 计算胰岛素分泌量等 肺功能 计算胰岛素分泌量等 制造特种光源 制造特种光源 氙氙 用于充填光电管和闪光灯 有 小太阳 之称 用于充填光电管和闪光灯 有 小太阳 之称 氙氙 其同位素在医学上用于测量脑血流量和其同位素在医学上用于测量脑血流量和 研究肺功能研究肺功能计算胰岛素分泌量等计算胰岛素分泌量等研究肺功能研究肺功能 计算胰岛素分泌量等计算胰岛素分泌量等 用于恶性肿瘤的放射性治疗 用于恶性肿瘤的放射性治疗 氡氡 4 1 稀有气体的发现稀有气体的发现 4 2 稀有气体的单质稀有气体的单质 4 3 稀有气体化合物稀有气体化合物4 3 稀有气体化合物稀有气体化合物 1962年 由英国化学家年 由英国化学家N Bartlett 合成了第个稀有气体化合物合成了第个稀有气体化合物 Xe PtFXe PtF 橙黄色固体橙黄色固体 合成了第合成了第一一个稀有气体化合物个稀有气体化合物Xe PtF6 Xe PtF6 Xe PtF6 橙黄色固体橙黄色固体 O2 PtF6 O2 PtF6 深红色固体 深红色固体 由于由于O2的第一电离能的第一电离能 1175 7kJ mol 1 和氙的第一和氙的第一 电离能电离能 1171 5kJ mol 1 非常接近非常接近 于是想到用氙于是想到用氙电离能电离能 1171 5kJ mol 非常接近非常接近 于是想到用氙于是想到用氙 代替氧可能会发生同样的反应 代替氧可能会发生同样的反应 至今至今已制成稀有气体化合物数百种已制成稀有气体化合物数百种至今至今 已制成稀有气体化合物数百种已制成稀有气体化合物数百种 卤化物 卤化物 XeF2 XeF4 XeCl2 氧化物氧化物 XeO3 XeO4氧化物氧化物 3 4 氟氧化物 氟氧化物 XeOF2 XeOF4 含氧酸盐含氧酸盐 M I HXeO4 M I 4XeO6含氧酸盐含氧酸盐 4 4 6 有气体化合物中简单化合物甚少有气体化合物中简单化合物甚少稀有气体化合物中简单化合物甚少稀有气体化合物中简单化合物甚少 1 氙的氟化物1 氙的氟化物 Xe F2XeF2 s 由由Xe在缺在缺F 情况下加压反应情况下加压反应 Xe F 2 1 1atm C400o 由由Xe在缺在缺F2情况下加压反应情况下加压反应 Xe F2 2 1 Xe 2F2XeF4 s 6atm C600o 较易制得 几十小时后便制得较易制得 几十小时后便制得 Xe F2 1 5 Xe 3F2XeF6Xe F2 1 20 60atm C300o 或或XeF4 F2XeF6 UV 常温常温 为什么 为什么Xe与与F2混合如此容易化合但六十多混合如此容易化合但六十多 年年 间却没有能合成出间却没有能合成出X 的化合物的化合物 年年 间却没有能合成出间却没有能合成出Xe的化合物的化合物 1 Xe的量太少 的量太少 2 对干燥的玻璃仪器不能获得对干燥的玻璃仪器不能获得实验技术落后实验技术落后 2 对干燥的玻璃仪器不能获得对干燥的玻璃仪器不能获得 实验技术落后实验技术落后 3 Inert 大多数化合物的制备与氟化物有关 大多数化合物的制备与氟化物有关 有的化合物作氟化物的衍生物有的化合物作氟化物的衍生物有的化合物可有的化合物可看看作作是是氟化物的衍生物氟化物的衍生物 XeF2 XeF4 XeF6的性质的性质 1 为稳定的为稳定的白色结晶状白色结晶状共价化合物共价化合物 1 为稳定的为稳定的白色结晶状白色结晶状共价化合物共价化合物 2XeF2 2H2O 2Xe 4HF O2 2 能与水反应能与水反应 2XeF2 2H2O 2Xe 4HF O2 2 能与水反应能与水反应 3 是优良的氟化剂是优良的氟化剂 2XeF6 SiO2 2XeOF4 SiF4 2 氙化合物的反应氙化合物的反应 1 与水的反应与水的反应 2 氙化合物的反应氙化合物的反应 1 与水的反应与水的反应 i XeF2在水中的溶解放出刺激性臭味 在酸性溶液中在水中的溶解放出刺激性臭味 在酸性溶液中 水解很慢水解很慢但在碱性溶液中水解很快但在碱性溶液中水解很快水解很慢水解很慢 但在碱性溶液中水解很快但在碱性溶液中水解很快 2XeF2 2H2O 2Xe 4HF O2 XeF2 2OH Xe 1 2O2 2F H2O ii XeF4在水中既有歧化反应又有氧化还原反应在水中既有歧化反应又有氧化还原反应 6X F12H O2X O4X3O24HF6XeF4 12H2O 2XeO3 4Xe 3O2 24HF 分解成 分解成 3XeF4 6H2O 3Xe 3O2 12HF 3XeF4 6H2O 2XeO3 Xe 12HF 上述反应方程式只是上述反应方程式只是XeF4等摩尔参与自身等摩尔参与自身Ox Red以及与水 的氧化还原的配平结果 实际上这是一个多重配平的方程式 以及与水 的氧化还原的配平结果 实际上这是一个多重配平的方程式 iii XeF6 H2O XeOF4 2HF XeOF4 2H2O XeO3 4HF 2 强氧化剂 强氧化剂 XeF6 8NH3 Xe N2 6NH4FXeF6 8NH3 Xe N2 6NH4F 可氧化可氧化H2 Cl Ce III Co II 不能盛放在 玻璃瓶中 不能盛放在 玻璃瓶中 XeF6化学性质非常活泼 甚至与石英反应 化学性质非常活泼 甚至与石英反应 2XeF6 g SiO2 s 2XeOF4 l SiF4 g XeF6也能发生歧化反应 也能发生歧化反应 4XeF6 18Ba OH 2 3Ba XeO6 Xe 8 4XeF6 18Ba OH 2 3Ba2XeO6 Xe 12BaF2 18H2O 3 良好的氟化剂良好的氟化剂 3 良好的氟化剂良好的氟化剂 RbF XeF6 RbXeF7 XeF2 SbF5 XeF SbF6 氙化合物的结构氙化合物的结构 以以XeF4为例 为例 构型 a b 3 氙化合物的结构氙化合物的结构 ABAB4 4E E2 2 价电子对构型为八面体价电子对构型为八面体 90 孤 孤 0 1 构型 a b 价电子对构型为八面体价电子对构型为八面体 XeF4可能的构型有两种 可能的构型有两种 90 孤 成 8 6 90 成 成 45 4 90成 成 4 5 Xe Xe FF F F FF F 平面四边形平面四边形 FF 平面四边形平面四边形 F a b dsp 3 23d sp XeF2AB2E3直线型直线型 XeF4AB4E2平面四方平面四方 3 sp dsp XeF4AB4E2平面四方平面四方 XeO3AB3E三角锥型三角锥型 23d sp 3 sp XeO4AB4正四面体正四面体 XeOF4AB5四角锥型四角锥型dsp dsp 3 XeOF4AB5四角锥型四角锥型 XeO2F2AB4E歪四面体歪四面体 23d spXeO64 AB6正八面体正八面体 符合符合VSEPR理论理论 分子 价电子对构型 可能构型 最稳定构型分子 价电子对构型 可能构型 最稳定构型 XeFXeF三角双锥三角双锥三种三种直线型直线型XeFXeF2 2三角双锥三角双锥三种三种直线型直线型 XeFXeF4 4八面体二种平面四面形八面体二种平面四面形 XeFXeF6 6变形八面体二种变形八面体变形八面体