氢和氧的化学

1、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。 3.1.2 氢的三种同位素 D 1 2 T 3 1 H 1 1 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 % 1s 1 三种同位素的电子组态 14 1.01 10K 14 0.19510K 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。 3.1.3 氢的

2、成键类型1s1 1. 1. 共价单键共价单键 H 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的共价单键的半径为32 pm32 pm。 H H2 2O NHO NH3 3 HCl HCl 2. 2. 离子键离子键 H H原子可获得一个电子形成原子可获得一个电子形成H H- - 离子，但是其亲合能较小，只能同电 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。正性高的金属形成盐类氢化物。 H H- - 离子的半径在 离子的半径在130-150 pm130-150 pm之间。之间。 NaH Ca

3、HNaH CaH H H原子失去电子形成原子失去电子形成H H+ +离子后，因其半径较小，除气态离子束外，离子后，因其半径较小，除气态离子束外， H H+ +必须和其他分子或离子结合形成必须和其他分子或离子结合形成H H3 3O O+ +，NH4NH4+ +等离子，再和其他异号离等离子，再和其他异号离 子结合形成化合物。子结合形成化合物。 3. 3. 金属键金属键 高压低温条件下，高压低温条件下，H H2 2分子转变成直线型氢原子链分子转变成直线型氢原子链H Hn n，固态分子转变成金，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。属相。其中的氢原子通过金属键相互结合在一起。

4、H H2 2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。空隙之中，以金属键和金属相结合。 储氢材料储氢材料 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4.44.4倍。倍。 222 1 H (g) +O (g)H O (l) H = -286 kJ 2 4. 4. 氢键氢键 5. 5. 氢分子配键氢分子配键 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

5、 结合，两个氢原子同时等距离地和结合，两个氢原子同时等距离地和M M原子成键。原子成键。 M H H C HM6. 桥键桥键 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。原子之间。H H原子以共价键的形式同时和原子以共价键的形式同时和1 1个个C C原子和一个过渡金属原子成键。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形成一个三中心两电子的键。半个箭头表示形式上H H原子提供原子提供2 2个电子给个电子给M M的空的空 轨道共用。该桥键是弯曲的体系。轨道共用。该桥键是弯曲的体系。 许多过渡金属化

6、合物的中心金属原子少于许多过渡金属化合物的中心金属原子少于1818个电子，为满足个电子，为满足1818电子规则，过电子规则，过 渡金属原子会抓住一个配位的有机配位体上的渡金属原子会抓住一个配位的有机配位体上的H H原子，来增加它的电子数目。原子，来增加它的电子数目。 C HM H B H HH H H B 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。 氢气

7、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。 氢的制备 3.1.5 氢化物 3.2 氧 2226126 6CO +6H O6O +C H O (葡葡萄萄糖糖） 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 3.3.1 水的重要性

8、质 H-O键具有电负性 3.3.2 水的结构 四面体形 电荷分布体系 H2OH-F H2OH-Cl H2OH-CN H2OH-OH 质子受体 质子给体 水的气态二聚体 3.3.3 冰的结构Ih 冰的各种晶型冰的各种晶型 晶型 晶系 氢原子 分布 密度 gcm-3 0 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 “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 溶于四氯化碳中)，极性物质和离

9、子型晶体易 溶于极性溶剂(如水)中。 相似相溶原理 对于一般难溶强电解质 其平衡常数Ksp=AKsp=An+ n+ m mB Bm- m- n 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 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

10、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 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。 2 425 32 HSO , Fe(OH)(H O), HCO ,H O,HS 如如： 等等。 2 244 23 44 43 333 HAc HAc H PO HHPO HPO HPO NH H NH CH NH HCH 2 32 2625 2 25224 NH Fe(H O) HFe(OH)(H O) Fe(O

11、H)(H O) HFe(OH) (H O) 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。 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。 OHHCO)OFe(OH)(H HSO 23 2 524 、 4 NH 4 NH 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（

12、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 3.5.2 酸碱反应的实质： 两个共轭酸碱对之间的质子传递。 (1) (2) (2) ) 1 ( Cl NH NH HCl 43 碱酸碱酸 H+ 酸、碱的解离 )aq(Ac (aq)OH O(l)H HAc(aq) 32 H+ )aq(OH (aq)NH (aq)NH O(l)H 432 H+ )(aqOH (aq)OH O(l)H O(l)H 322 H+ aq-水溶液；s-固体；l-液体 酸、碱的中和 O(l)H O(l)H (aq)OH (aq)OH 223 H+

13、) l (OH (aq)NH (aq)NH (aq)OH 2433 H+ )aq(Ac O(l)H (aq)OH HAc(aq) 2 H+ 盐的水解 (aq)OH HAc(aq) (aq)Ac O(l)H 2 H+ (aq)NH (aq)OH ) l (OH (aq)NH 3324 H+ )aq(O)Cu(OH)(H (aq)OH O(l)H )OCu(H 3232 2 42 H+ 3.5.3 酸碱的相对强弱 105 a 105.8 101.8 HCN HAc K 如以冰醋酸为溶剂 酸性： 3424 HNOSOHHClHClOHI 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

14、Kb表示碱的强弱。 （氢氰酸） 酸越强其共轭碱越弱 碱越强其共轭酸越弱 OHNHHCO Ac POH HSO ClO OHNHCOHHAc POHSOHHClO 3 244 2432 43424 3 4 碱性： 酸性： 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-=10-14 Kw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

15、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+ 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 液适当稀释，而溶液本身pH值能保持相对稳定。 加入1滴(0.05ml) 1molL-1 HCl 加入1滴(0.05ml) 1molL-1 NaOH 实验： 50ml纯水pH =

16、7 pH = 3 pH = 11 pH = 4.73 pH = 4.75 缓冲作用原理 大量极少量大量 Ac H HAc )HAc( )Ac()H( a K c cc )Ac( )HAc( )(H a c c Kc HAcNaAc溶液： 加入少量强酸时，溶液中大量的Ac与外加 的少量的H+结合成HAc，当达到新平衡时，c(HAc) 略有增加，c(Ac)略有减少， 变化不大， 因此溶液的c(H+)或pH值基本不变。 (HAc) (Ac ) c c 加入少量强碱时，溶液中大量的HAc与外加 的少量的OH生成Ac和H2O，当达到新平衡时， c(Ac)略有增加， c(HAc)略有减少，变化 不大，因此

17、溶液的c(H+)或pH值基本不变。 (HAc) (Ac ) c c 3.6 氧化还原反应 氧化是指跟氧化合。 22 2 2 C+OCO 1 Fe+OFeO 2 1 Cu+OCuO 2 还原原来是指金属氧化物还原成金属。 2 22 23 2FeO+C2Fe+CO CuO+HCu+H O 3FeO+2Al3Fe+Al O 氧化还原反应总是同时进行，有物质被氧化， 就有物质同时被还原。易于和氧化合的物质称 为还原剂。如碳、氢气和金属Al等。 2 2 1 Li+FLiF 2 1 Na+ClNaCl 2 氧化是指失去电子，氧化态升高；还原是指得到电 子，氧化态降低。使得另一物质氧化的物质，称为氧 化剂，

18、反应后它本身被还原。 氢的制备 3.1.5 氢化物 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 冰的各种晶型冰的各种晶型 晶型 晶系 氢原子 分布 密度 gcm-3 3的 配位数 氢键长度 pm Ih 六方 无序 0.93 4 274 Ic 立方 无序 0.93 4 274 I 正交 有序 0.93 4 275 三方 有序 1.18 4 275-284 四方 无序 1.16 4 276-280 三方 无序 1.27 4 279-292 单斜 无序 1.23 4 276-287 四方 无序 1.31 4 280-282 立方 无序 1.49 8 295 四方 有序 1.49 6 280-296 四方 有序 1.16 4 276-280 b. 密度：4最大 冰，0