无机化学课件稀有气体

1、元素化学丰富多彩的物质世界是由基本的元素及其化合物所组成的。目前，教科书公布的已发现元素为112种（实际已达到117种，甚至更多），其中，有94种存在于自然界，人工合成元素20多种，人体中含有其中60多种。 元素化学即周期系中各族元素的单质及其化合物的化学。特点：它是无机化学的中心内容，下一阶段将分区分族简要介绍元素及其常见化合物的特点、性质、 制备和用途。元素的分类普通元素和稀有元素稀有元素：1.轻稀有金属：Li 、Rb 、Cs、 Be ；2.高熔点稀有金属：Ti、 Zr 、Hf 、V、Nb 、Ta 、Mo、 W、 Re；3. 分散稀有元素：Ga、In、Tl、Ge、Se、Te；4.稀有气体：

2、He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn5.稀土金属：Sc 、Y 、Lu6.镧系元素和铂系元素：Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt 7.放射性稀有元素：Fr、Ra 、Tc 、Po 、At、 Lr8.锕系元素元素的丰度定义：化学元素在地壳中的含量。 其含量可用质量分数表示，称为质量Clarke值。也可用原子分数表示，称为原子Clarke值。含量：氧是含量最高的元素，其次是硅，这两种元素的总质量约占地壳的75%。 氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁这8种元素的总质量约占地壳的99%以上。元素的存在形式在自然界中只有少数元素以单质的形态存在，大多数元素则以化合态存在，而且主要以氧化物、硫化物、卤化物和含氧酸盐

3、的形式存在。我国矿产资源丰富，其中钨、锌、锑、锂和稀土元素等含量占世界首位，铜、锡、铅、汞、镍、钛、钼等储量也居世界前列。13 氢和稀有气体13.1 氢13.2 稀有气体本章学习要求s区元素共13种，其中有12种金属。p区元素共31种，其中有10种金属。本章主要讨论s区中氢元素和p区中稀有气体（零族）及其化合物。 1.了解氢及其同位素。 2. 熟悉氢原子的成键特征； 3.掌握不同类型的氢化物； 4.了解储氢合金的用途和制备方法； 5.了解稀有气体的性质用途及其氟化物和氧化物。13.1.1氢的发现早在16世纪巴拉赛尔斯发现了氢气体,它是硫酸与铁反应生成的一种气体，1766年英国物理学家卡文迪西确

4、认它是一种易燃气体，并称为“易燃空气”。到1787年，拉瓦锡才将其命名为“Hydrogen”，“Hydro”是希拉文“水”的意思，指出水是氢和氧的化合物。13.1.2氢的存在氢是宇宙中最丰富的元素，绝大多数的氢都是以化合物的形式存在。 氢在地壳外层的大气、水和岩石里以原子百分比占17，仅次于氧而居第二位 。氢有三种同位素（氕、符号H），（氘、符号D）和（氚，符号T）。同位素的性质因为氢的同位素核外均含有1个电子，所以它们的化学性质基本相同，但由于它们的质量相差较大，导致了它们的单质和化合物在物理性质上出现差异。13.1.3 氢（H2）的物理性质（1）氢是密度最小的无色无味的气体。（2）扩散速度

5、快，具有很高的导热性。（3）溶于水（273K时1体积水溶解0.02体积氢）。（4）熔沸点低，熔点是14.0K，沸点为20.4K。液态氢可以把除氦以外的所有气体冷却为固体。（5）易被钯、铂、镍等金属吸收，其中钯的吸氢能力最强，室温下1体积的粉末状钯可吸收900体积的氢。因此这些金属是有关于氢反应的优良催化剂。13.1.4 氢（H2）的化学性质（ 1 ） 常温下分子氢不活泼。 （2） 高温下，氢气是一个非常好的还原剂。 能在空气中燃烧生成水。 2H2 O2 2H2O 高温下，能同X2、N2等非金属反应，生成共价型氢化物。 如：3H2 N2 2NH3 ; H2 Cl2 2HCl 高温下与活泼金属反应

6、，生成金属氢化物。 如：H2 2Na 2NaH 高温下，能还原许多金属氧化物或金属卤化物为金属。 如：H2 CuOCuH2O（3）在有机化学中，氢可发生加氢反应。 如：H2 C2H4 C2H6 CO+H2 CH3OH（4）发生离解作用，得到原子氢。 H22H H431 kJmol-1 原子氢的特点 原子氢结合成分子氢的反应热可以产生高达4273K的温度，这就是常说的原子氢焰。利用此反应可以焊接高熔点金属。 原子氢是一种比分子氢更强的还原剂。它可以同锗、锡、砷、硫、锑等直接作用生成相应的氢化物。 如：As3HAsH3 (胂) 它还能把某些金属氧化物或氯化物迅速还原成金属。如：CuCl22HCu2

7、HCl 它甚至还能还原某些含氧酸盐。 如：BaSO48HBaS4H2O13.1.5 氢气的制备1.实验室制备：实验室由活泼金属和稀酸反应或两性金属与碱反应制备，也可用电解法制备 如：Zn + 2H+ = H2+ Zn2+； Zn + 2H2O + 2OH- = Zn(OH)42- + H2电解法：阴极: 2H2O + 2e =H2 + 2OH- 阳极: 4OH- - 4e =O2 + 2H2O 2. 工业制备：天然气裂解法：CH4 C + 2H2催化剂水煤气法：C + H2O CO + H2水蒸气转化法：CH4 + H2O CO + 3H2(g) 10731273 K 催化剂13.1.6 氢原

8、子的成键特征氢原子的价电子层结构型为1s1，电负性为2.2。当氢同其他元素的原子化合时，有如下几种成键特征：1、形成离子键 2、形成共价键 3、独特的键型成键特征1、形成离子键：当它与电负性很小的活泼金属反应生成氢化物时，氢从金属原子上获得一个电子形成H-离子，例如KH，NaH等。 2、形成共价键：1）形成非极性共价键，如H2分子。 2）形成极性共价键，一般是与非金属原子形成的化合物，例如HF分子。3、独特的键型1）金属氢化物：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，例如ZrH1.30、LaH2.87、TaH0.76和VH0.56等。2） 氢桥键：

9、 在硼氢化合物（如B2H6）和某些过渡金属配合物（如HCr(CO)5 2中均存在氢桥键。B2H6和HCr(CO)5 2的立体结构 氢桥（三中心二电子键）3）氢键：在含有强极性共价键的氢化物中，氢原子核上带有部分正电荷，能定向吸引邻近电负性高的F，O，N等原子上的孤电子对而形成分子间或分子内氢键。13.1.7氢化物分类：依据元素电负性的不同，氢与其他元素能形成 1、离子型或类盐型氢化物 2、分子型或共价型氢化物 3、金属型或过渡型氢化物1、离子型氢化物 2M+H2 =2MH (M= 碱金属) M + H2 =MH2 (M= Ca Sr Ba) 2H-（融化电解）= H2+ 2e 证明在这类氢化物

10、中的氢是负离子LiH 和CaH2 等是有机合成中常用的还原剂： TiCl4 + 4NaH = Ti + 4NaCl + 2 H2(g) UO2 + CaH2 = U + Ca(OH)2 2CO2 + BaH2（热）= 2CO + Ba(OH)2离子型氢化物性质不稳定，遇水反应生成氢气： LiH+H2O= LiOH + H2(g) CaH2 + 2H2O =Ca(OH)2 + 2H2(g) 根据这一特性，可利用离子型氢化物除去气体或溶剂中的微量的水分。在非水极性溶剂中能同一些缺电子化合物结合成复合氢化物， 例如：4LiH+BCl3 LiBH4+3LiCl 用途：氢化物被广泛用于无机和有机合成中做

11、还原剂和负氢离子的来源，或在野外用做生氢剂，其缺点是价格昂贵。2、金属氢化物金属氢化物是氢原子填充到过渡金属晶格的空隙中而形成的一类非整比化合物，故金属氢化物的一个重要特征是分子式在很多情况下达不到计量值，如 VH0.56, TaH0.76,和 ZrH1.75等。d区从第III到第VB族的过渡金属元素都能形成氢化物，但第六副族仅有Cr能形成氢化物，第八副族Pd要在适当压力下，才与氢形成稳定松散相化合物，Ni只有在高压下才能形成氢化物金属氢化物特性金属氢化物基本上保留着金属外观特征，例如具有金属的光泽和导电性，但其导电性会随氢含量的改变而改变。 金属氢化物的另一个显著特性是在温度稍有提高时，H原

12、子会通过固体迅速扩散。超纯氢的制备是将普通氢通过Pd-Ag合金管扩散后而得到的。 3.分子型氢化物该类氢化物主要有三种存在形式：富电子氢化物，如：NH3，H2O和HF等满电子氢化物，如：CH4 缺电子氢化物，如：乙硼烷B2H64、储氢合金氢能源（高能燃料、无污染）面临三大课题：氢气的制备、氢的储运、氢的利用（燃料电池）。 如：宝马汽车公司2002年生产了氢汽车, 时速240公里,行驶400多公里氢能利用及其燃料电池，已成为21世纪能源开发的重要方向之一，高性能储氢合金则是其研发重点。因贵金属化合物常作储氢材料，而镧镍等合金是一种替代贵金属的新型储氢材料： LaNi5 + 3H2 LaNi5H6

13、储氢合金是指在一定温度和氢气压力下，能可逆地大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物。因其储氢量大、无污染、安全可靠，且制备技术和工艺相对成熟，是目前应用最为广泛的储氢材料。储氢合金主要分为：镁系(A2B型)、稀土系(AB5型)、钛系(AB型)和锆系(AB2型)4大系列。储氢合金制备方法1）机械粉碎合金化法 2）化学合成法 3）脉冲电化学沉积法 4）快速凝固法5）气态凝聚法6）高温熔炼法7）置换扩散法8）氢化燃烧合成法13.2 稀有气体13.2.1稀有气体的发现 13.2.2稀有气体的存在和分离 13.2.3稀有气体的性质和用途 13.2.4稀有气体的化合物 13.2.1稀有气体的发现稀有气体:

14、 He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn 价电子构型：除了氦为1s2外，其余均为ns2np6“第三位小数的胜利” ：Ar的发现空气分馏氮：1.2572 gL-1 化学法制备氮：1.2505gL-1Ar拉姆赛（Willimas Ramsay），英国化学家，稀有气体元素的主要发现者。1852年10月生于格拉斯歌市，1866年进入格拉斯歌大学文学系学习文学，17岁时曾担任过分析化学助手，从此对化学产生浓厚兴趣，1870年留学德国，1872年，获得博士学位，当时年几仅19岁。1880年28岁的拉姆赛被聘为伦敦大学教授. 拉姆赛不仅是一位科学家，而且还是一位语言文学家。他既精通英语，也能纯熟地用德语演讲，他

15、既可用法语侃侃而谈，也可用意大利语交往。拉姆赛于1912年退休，但仍然在家中进行科学研究，直到1916年7月23 日在英国的白金汉郡病逝，享年64岁。 13.2.2稀有气体的存在和分离存在：每1000L空气中约含9.3 L氩，18 mL氖，5 mL氦和0 .8 mL氙，所以液化空气是提取稀有气体的主要原料。 分离: 液态空气分馏,分馏分离:C吸附O2；NaOH吸附CO2；赤热Cu丝微量O2 ，热Mg屑微量N2。13.2.3稀有气体的性质和用途物理性质： He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn 第一电离能由大到小 mp. bp.由小到大水中溶解度由小到大气体密度由小到大化学性质：很难与其他元素发生化

16、学反应，以至于长期以来被称为“惰性元素”。 1962年，29岁的英国化学家巴特利特（N.Bartlett）在研究铂的氟化合物时，曾将O2分子同六氟化铂反应而生成一种新的化合物O2+PtF6-。当时他联想到氙（ Xe ）的第一电离能（1171.5kJmol-1）同氧分子的第一电离能（1175 .7 kJmol-1）相近，可能PtF6也能氧化Xe。此外，他又估算了XePtF6的晶格能，发现只比O2 PtF6 的晶格能小41 .84 kJmol-1。这说明XePtF6一旦制得，就能稳定存在。他按此理论分析进行实验，把等体积的PtF6蒸汽和Xe混合起来，使之在室温下反应，结果获得一种淡红色的固体Xe

17、PtF6 。 从此，“惰性气体”改名为“稀有气体”，揭开了元素化学的新篇章。 稀有气体的用途氦氦是目前已知的沸点最低的物质，可作超低温冷却剂；液氦在温度小于2.2K时，是一种超流体，具有超导性和低粘性，对于研究和验证量子理论有重要的意义。 氦不燃烧，密度又小，故用它来代替氢气充填的气球，不仅效果好而且比氢气更为安全； 氦在血液中溶解度比氮小得多，所以可以利用“氦空气”（He占79%，O2占21%）代替空气供潜水员呼吸，以防止潜水员 “气塞病”； 氦的光谱线可被用做划分分光器刻度的标准；作惰性保护气用于核反应堆热交换器； 还可制作氦、氖气体激光器。氖、氩、氪、氙、氡的用途氖在电场作用下可产生美丽

18、的红光，所以它被广泛地用来制造霓虹灯（氖灯）或仪器中的指示灯；氩具有热传导系数小、惰性和绝缘性，用作保护气氛； 氙气能发出强烈的白光，利用氙的这一特性，它被用来制作有“人造小太阳”之称的高压长弧氙灯，由于这种氙灯特别亮，常被用作电影摄影、舞台和运动场所等地方的照明； 氪和氙的同位素在医学上被用来测量脑血流量和研究肺功能、计算胰岛素分泌量等； 氡本身也具有放射性，如果被吸入体内将危害人的健康。13.2.4稀有气体的化合物氙的主要化合物及性质: XeF2 XeF4 XeOF2 XeF6不稳定 稳定 勉强稳定 稳定 直线 平面四方形 变形八面体 无色晶体 无色晶体 无色晶体 无色晶体氙的氟化物合成和

19、性质：XePtF6 (红色晶体) 思路：已合成 O2PtF6氙的氟化物性质1.强氧化性: 氧化能力按 XeF2XeF4XeF6顺序递增高溴酸钠就是用XeF2作氧化剂才首次制得成功的NaBrO3+XeF2+H2O NaBrO4+2HF+Xe2.与水反应：氙氟化物与水反应活性不同2XeF2 + 2H2O = 2Xe + 4HF + O2 (在碱中迅速反应) XeF4, XeF6在水中反应生成氧化物 6XeF4+12H2O2XeO3+4Xe+3O2+24HF XeF6+3H2OXeO3+6HF XeF6+H2OXeOF4+2HF (不完全水解)XeF2性质制备：Xe(g)+F2(g)=XeF2(g)

20、 性质：XeF2是强氧化剂，能与卤素离子和氢等还原性物质反应： XeF2+2I- = Xe+I2+2F- XeF2+H2 = Xe+2HF XeF2不稳定，遇水分解生成氙： 2XeF2+2H2O = 2Xe+O2+4HFXeF4性质制备：如果使氟过量至XeF2=15，在873K温度和6.18105Pa压强下氙和氟反应，可制得到XeF4： Xe(g)+2F2(g)=XeF4(g) 性质：XeF4也是一种强氧化剂，能氧化许多低价态物质： XeF4+2H2 = Xe+4HF XeF4+4Hg = Xe+2Hg2F2 XeF4+Pt = Xe+PtF4XeF4遇水发生歧化反应： 6XeF4+12H2O

21、 = 2XeO3+4Xe+24HF+3O2XeF6性质制备：如果再增加氟的比例，使XeF2=120，在573K温度和6.18105Pa压强下氙和氟反应，可制得XeF6： Xe(g)+3F2(g) =XeF6(g) 上述反应不能在玻璃容器中进行反应，因为生成的XeF6可与SiO2反应： 2XeF6+SiO2 = 2XeOF4 + SiF4 XeF6遇水猛烈反应，低温下水解比较平稳。 XeF6不完全水解时，其产物为XeOF4： XeF6+H2O = XeOF4+2HF 完全水解时产物为XeO3： XeF6+3H2O = XeO3+6HFXeF2 、 XeF4 、 XeF6都是优良而且温和的氟化剂。例如：XeF6+C6H6 = C6H5F+HF+Xe XeF2+IF5 = IF7+Xe XeF4+2CF3CFCF3 = 2CF3CF2CF3+Xe氙的氟化物与互卤化物一样，通过F-离子与带相反电荷离子的缔合，与路易斯酸反应形成阳离子氙的氟化物： XeF2+SbF5 = XeF+SbF6-氙的含氧化合物目前已知氙的含氧化合物主要有XeO3，XeO4以及氙酸盐和