第十八章 氢和稀有气体.ppt

第十八章氢和稀有气体 大气中有少量的氢气 除此之外 地壳中的氢元素均以化合态存在 质量百分含量0 76 居第九位 若以原子百分比计算 氢占17 居第二位 仅次于氧 氢是太阳的主要化学成分 太阳的辐射能量就是氢的核聚变产生的 聚变的结果生成氦 因此氦也是太阳的重要成分 1氢单质一氢气的性质常温下 氢气无色 无味 无臭 在水中溶解度很小 分子间色散力很小 难于液化 b p 20K H2和O2的混合物在常温下点燃会发生爆炸反应 H2和Cl2的混合物在光照下爆炸化合 H2和F2的混合物在没有光照时亦将爆炸化合 高温下H2能还原许多种金属氧化物或金属卤化物CuO H2 Cu H2OWO3 H2 W 3H2OTiCl4 2H2 Ti 4HCl 高温下 H2与活泼金属反应 生成金属氢化物H2 2Na 2NaHH2 2Ca CaH2 在特定的温度 压强下 采用特定的催化剂 H2和CO反应 可以合成一些有机化合物 如CO H2 CH3OH g 二氢气的制备 实验室制H2常采用稀盐酸与金属锌反应的方法 但是由于金属锌中有时含有砷化物 磷化物等杂质 制得的H2不纯 用电解水的方法制取的H2较纯 单质硅和氢氧化钠溶液反应也可以制得H2 由于碱较盐酸便于携带 且反应温度不高 因此这种方法适于野外操作的需要 2甲烷的转化高温且有催化剂作用时 甲烷可以按下式转化为H2和COa CH4 H2O CO 3H2 工业生产中 H2主要有三种来源 1水煤气 主要是H2和CO的混合气体 在较高的压强下 用水吸收掉CO2 得到H2 3高温下水蒸气与碳化钙反应 CaC2 5H2O CaCO3 CO2 5H2 H2和CO的混合气体与水蒸气一同通过500 的Fe2O3 H2O CO H2 CO2 2氢化物 碱金属和碱土金属与氢生成离子型氢化物 其中LiH和BaH2较稳定 离子型氢化物易于水解NaH s H2O l H2 g NaOH aq b CH4 CO2 2CO 2H2 这类反应不是在水中进行的 p区元素与氢生成分子型氢化物 分子型氢化物种类很多 性质差别很大 有的在水中发生酸式解离 如H2S 有的显碱性 如NH3 有的与水基本没有作用 如CH4 过渡金属与氢形成金属型氢化物 它保持金属晶体的形貌 从组成上看 有的是非整比化合物 如VH0 56 ZrH1 75 3稀有气体 一稀有气体的发现 英国物理学家Ramsay发现 从空气中得来的氮气每升的质量为1 257g 而从氮的化合物分解得来的氮气每升的质量为1 251g 基于敏锐的观察力和高超的实验技术 Ramsay面对这第三位小数上的微小差别所带来的机遇 获得极大成功 周期表中零族的6种稀有气体元素是在1894 1900年间陆续被发现的 他设法从空气中除去氮气和氧气后 发现还有很少的气体 约占总体积的1 这种剩余气体不同任何物质发生反应 但在放电管中发生特殊的辉光 有特征的波长 于是 Ramsay宣布他在空气中发现了一种新元素 命名为 氩 拉丁文名的原意是 不活泼 1895年 他们又从空气中发现了氦 本来人们认为它只是存在于太阳中的元素 在1898年 Ramsay等人最后鉴定了他们从空气中连续分离出来的氖 氪和氙 1900年在某些放射性矿物中又发现了氡 至此 周期表中零族元素已全部发现 由于它们的惰性 被命名为 惰性气体元素 这一发现惊动了科学界 因为当时普遍认为空气已研究得够清楚了 所以Ramsay的工作具有划时代的历史意义 二稀有气体化合物 1第一种稀有气体化合物 人类的认识是永无休止的 加拿大青年化学家N Bartlett 巴特列脱 的工作 使人们 Bartlett曾使O2同六氟化铂反应 而生成一种新的化合物O2 PtF6 他联想到 惰气 氙Xe的第一电离能 1171 5kJ mol 1 同O2分子的第一电离能 1175 7kJ mol 1 相近的事实 由此推测到PtF6氧化Xe的可能性 此外 他又估算了XePtF6的晶格能 发现它只比O2PtF6的晶格能小41 84kJ mol 1 这说明XePtF6一旦制得 尚能稳定存在 认识到 惰气 也不是绝对惰性的 他的工作为开拓 惰气 元素化学打下了基础 他按此理论分析进行了实验 把等体积的PtF6蒸汽和Xe混合起来 使之在室温下反应 结果获得一种橙黄色晶体 其化学式为Xe PtF6 这是 惰气 的第一种真正的化合物 这个发现又一次震动了科学界 动摇了长期禁锢人们思想的 绝对惰性 的形而上学观念 惰性气体 也随之改名为 稀有气体 由于稀有气体元素在化合状态时氧化数可达 8 所以有人建议把稀有气体列为VIIIA族 把原铁系元素和铂系元素作为VIIIB族 但目前仍称稀有气体为零族元素 2氙的氟化合物的生成 氙的氟化物可以由两种单质直接化合生成 反应在一定的温度和压强下 在镍制的容器中进行 Xe g F2 g XeF2 g Xe大过量 避免XeF4的生成 为什么在镍制容器中进行 Xe g 2F2 g XeF4 g F2过量 但反应时间应短些 避免XeF6的生成 F2和Xe的混合气体在光照下 也可以直接化合成XeF2晶体 Xe化合物的最重要的化学性质应数氧化性 XeF2 2HCl Xe Cl2 2HF3XeF4 4BCl3 3Xe 6Cl2 4BF3XeF6 8NH3 Xe 6NH4F N2 Xe g 3F2 g XeF6 g F2大过量 反应时间长 3氙的化合物的反应 与水的反应 也是Xe化合物重要的化学性质 XeF2 H2O Xe 1 2O2 2HF 注意该反应与一般水解反应的不同点 水解后某些元素的氧化数发生变化 这个反应在酸中进行比较缓慢 在碱中迅速些 6XeF4 12H2O 2XeO3 4Xe 24HF 3O2 1 可以理解成 是Xe IV 的歧化 Xe VI 的水解和Xe VI 的部分分解 6XeF4 4XeF6 2Xe歧化 4XeF6 12H2O 4XeO3 24HF水解 可以理解成XeF2先分解出F2 F2再把水氧化 这一步属一般的水解反应 没有氧化数的变化 XeF6不完全水解时 有XeOF4生成 XeF6 H2O XeOF4 2HF反应中有Xe OH 2F4脱去1个H2O分子的步骤 XeO3在碱中以HXeO4 形式存在 二者之间有平衡 HXeO4 会发生歧化反应 生成Xe VIII 和Xe 0 2HXeO4 2OH XeO64 Xe O2 2H2O并不是Xe VI 的标准的歧化反应 氧参与了歧化反应 先生成Xe OH 6 再脱去3个H2O分子 2XeO3 3O2 2Xe分解 三个步骤相加即为原反应 1 注意 这是一种理解 而不是在讨论反应的基元步骤 若向XeO3的碱性溶液中通入O3 将生成高氙酸盐XeO3 4NaOH O3 6H2O Na4XeO6 8H2O O2 Na2XeO4和Na4XeO6都是很强的氧化剂 在上述反应中涉及到的Xe的氟化物 氧化物以及高氙酸盐均为无色或白色晶体 只有XeOF4为无色液体 而XeO4为无色气体 XeF6有下面的特殊反应2XeF6 3SiO2 XeO3 3SiF4所以不能用玻璃瓶盛放XeF6 4Xe化合物的分子结构 XeF2价层电子总数10对数5配体数2孤电子对数3 电子对构型三角双锥sp3d不等性杂化 XeF2的分子构型为直线形 XeF4价层电子总数12对数6配体数4孤电子对数2 电子对构型正八