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11氢与稀有气体


第十一章 氢与稀有气体

第一节



11-1 氢原子
ⅠA 0 ⅡA

氢是宇宙间所有元素中含量最丰富的元素 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 在自然界中主要以化合态存在 Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 39 40 41 42 43

44 45 46 47 48 是周期系中第一号元素 Y Zr Ne Mo Tc Re Rh Pa Ag Cd
7 87 88 Fr Ra
5771 La 89103 Ac

1 1 H 2 3 Li 3 11 Na 4 19 K 5 37 Rb 6 55 Cs

元素周期表
ⅢB ⅣB ⅤB ⅥB ⅦB Ⅷ ⅠB ⅡB

ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA 2

4 Be 12 Mg 20 Ca 38 Sr 56 Ba

72 73 74 75 76 77 78 79 80 Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg 104 105 106 107 108 109 110 111 112 Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub

5 B 13 Al 31 Ga 49 In 81 Tl

6 C 14 Si 32 Ge 50 Sn 82 Pb

7 N 15 P 33 As 51 Sb 83 Bi

8 O 16 S 34 Se 52 Te 84 Po

9 F 17 Cl 35 Br 53 I 85 At

He 10 Ne 18 Ar 36 Kr 54 Xe 86 Rn

11-1-1 氢原子的性质及其成键特征

氢有三种同位素
符号
1 1H 2 1H 3 1H

含量/%

(氕) H

99.98

(氘) D
(氚) T

0.016
0.004

氢有三种同位素
1 1H 2 1H 3 1H

符号 H D T

含量/% 99.98 0.016 0.004

目前世界各地建造的实验性聚变反应堆 用的是一种D和T构成的等离子体燃料

氢有三种同位素 符号 含量/% 1H H 99.98 2H D 0.016 3H T 0.004
∵三种同位素质子数相同, 中子数不同。
∴它们的单质和化合物的化学性质基本 相同,物理性质和生化性质则不同。

价层电子 构型 2. 结合一个电子 :H 氧化数 -1,0,+1 易与活泼金属形 原子半径 37 成离子型氢合物 /pm 电离能 1312 3.易与非金属通过 -1 (kJ· mol ) 共用电子对形成 电子亲合能 -72.8 (kJ· mol-1) 共价型氢化物 2.20 电负性 1s1

1.失去价电子→H+

11-1-2 氢气的性质和用途
1. 氢气是无色、 熔点/℃ 无味、无臭 沸点/℃ 的可燃性气 气体密度 (g· cm-3) (为空气的1/40倍) 体,是所有气 △fusHm 117.15 -1 体中最轻的。 (J· mol ) △vapH 氢气球可携带仪器作高空探测 m 903.74 -1 (J· mol ) 也可携带干冰、碘化银等试剂进 0.187 热导率 -1· (W· m K-1) (为空气的5倍) 行人工降雨。

-259.23 -252.77 8.988×10-5

11-1-2 氢气的性质和用途
熔点/℃ 沸点/℃ 气体密度 -259.23 -252.77 8.988×10-5

2. 熔、沸点极低,

难液化。

(g· cm-3) (为空气的1/40倍)

液氢是重要的高能燃料。是美国宇宙航 △fusHm 117.15 -1 (J· mol ) 天飞机和我国“长征”三号火箭所用燃料 △vapHm 903.74 -1 (J· mol ) 液氢是超低温制冷剂,可将除氦外的所 0.187 热导率 有气体冷冻成固体。 (W· m-1· K-1) (为空气的5倍)

11-1-2 氢气的性质和用途
熔点/℃ 沸点/℃ 气体密度
△fusHm
(J· mol-1)

-259.23 -252.77 8.988×10-5 117.15
903.74

(g· cm-3) (为空气的1/40倍)

3. 在水中的溶 解度很小。 可大量溶于 镍、钯、铂 等金属中。

0.187 (W· m-1· K-1) (为空气的5倍) 利用此性质可制得极纯的氢气

△vapHm (J· mol-1) 热导率

补充催化剂 原理

11-1-2 氢气的性质和用途

4. 氢分子在常温下不活泼,但当已 解离的氢原子结合为分子时,可 放出大量热:
2H → H2 ?rHm = -436 kJ· mol-1

利用此性质可作原子氢吹管,用 于熔化难熔的金属(如W、Ta等)

11-1-2 氢气的性质和用途

5. 氢气在氧气或空气中燃烧,
可得到温度近3000℃的氢氧焰
1

H2 + 2 O2 → H2O △rHm = -285.830 kJ· mol-1
可用于金属的切割或焊接

1-1-2 氢气的性质和用途

5. 氢气在氧气或空气中燃烧,
可得到温度近3000℃的氢氧焰。 注 意 1.点燃或加热氢气时,必须确 保氢气的纯净; 2.使用氢气的厂房要严禁烟火 加强通风。

11-1-2 氢气的性质和用途
6. 氢气在高温下,可与氧化物氯

化物反应,得到金属或非金属 如 工业上高纯钨和硅的制取
WO3 + 3H2 SiHCl3 + H2
高温 高温

W + 3H2O Si + 3HCl↑

11-1-3 氢气的制备
实验室

用锌和盐酸或稀硫酸作用 Zn + 2H+ → Zn2+ + H2↑

11-1-3 氢气的制备 工业上:1. 水煤气法
(1) 天然气或焦炭与水蒸气作用, 得到水煤气

CH4 +

700-870℃ H2O Ni、Co催化剂
1000℃

CO + 3H2

C + H2O

CO + H2

(2) 水煤气与水蒸气反应,得到CO2和H2的混合气

CO + H2O

Fe、Cr催化剂

CO2 + H2

(3) 除去CO2可得较纯的氢气

11-1-3 氢气的制备 工业上:2. 电解法 电解15%-20%氢氧化钠溶液

阴极: 2H+ +2e- → H2↑
阳极:4OH- - 4e- → 2H2O + O2↑ 制得的氢气较纯净,但耗电量大

11-1-4 氢化物 氢与其它元素形成的二元化合物
Li Be Na Mg B C N O F Al Si P S Cl

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I

Cs Ba La Hf Ta W Ir Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At

离子 型氢 化物

金属型氢化物 (原子态氢)

共价型 氢化物

11-1-4 氢化物

1. 离子型(类盐型)氢化物

形成
2M + H2 → 2MH (M代表碱金属)
M + H2 →MH2 (M代表碱土金属)

11-1-4 氢化物 1. 离子型(类盐型)氢化物

(1)纯的为白色晶体, 不纯的为浅灰色至黑色 (2)具有离子化合物特征, 如熔、沸点较高, 熔融时能导电 (3)受热时能分解为氢气和游离金属 2MH MH2
△ △

性质

2M + H2↑ M + H2↑

1. 离子型(类盐型)氢化物

(1)纯的为白色晶体, 不纯的为浅灰色至黑色 (2)具有离子化合物特征, 如熔、沸点较高, 熔融时能导电 (3)受热时能分解为氢气和游离金属 (4)与水反应产生氢气
MH + H2O → MOH + H2↑

性质

1. 离子型(类盐型)氢化物

(1)纯的为白色晶体, 不纯的为浅灰色至黑色 -能在非水溶剂中与B3+、Al3+、Ga3+等 H (2)具有离子化合物特征, 结合成复合氢化物 如熔、沸点较高, 熔融时能导电
( 3)受热时能分解为氢气和游离金属 4LiH + AlCl3 Li[AlH4] + 3LiCl Li[AlH ( 4)与水反应产生氢气 4]+4H2O → LiOH +Al(OH)3 +H2 (5)是极强的还原剂 E (H2/H-)=-2.23V
如 TiCl4 + 4NaH
400℃

性质

乙醚

Ti + 4NaCl + 2H2↑

2.共价型(分子型)氢化物
(1) 大多数在固态时属分子晶体
(2) 大多数为无色,熔、沸点较低 (3) 化学性质差异较大
常温下除H2O、BiH3为液体外,其余均为气体 不稳定 稳定性 稳定存在 能形成 稳定的 或不存在 氢化物 F、O、N Ge、Br At、Po、Pb

PH3、AsH3、SbH3气体的毒性较大

3.金属型氢化物
氢以原子状态存在与金属晶格中 氢的价电子进入氢化物导带中, 以H+形式存在 氢从氢化物导带中得一个电子, 以H-形式存在

(1) 在过渡型氢化物中, 氢以三种形式存在。

(2) 某些过渡金属和合金具有可逆吸收和 释放氢气的作用。 2Pd + H2 2PdH
298K,2.5×102kPa 某些过渡金属或过渡金属合金可做储氢材料 LaNi + 3H LaNi H
5 2

为理想的储氢材料

微热

5

6

H失去1s电子→H+
H+实际上是氢原子核——质子 质子半径很小,具有很强的极

化力,在水溶液中与H2O结合,
形成水合氢离子(H3O+)。
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第九章 元素概论
第七节稀有气体

第七节

稀有气体

9-7-1 稀有气体的发现
元素 发现年代 1868 氦 1895 1894 氩 1898 氖 1898 氪 1898 氙 1900 氡 发 现 者
J.N.Lockyer, S.E.Frankland (英) W.Ramsay(英) J.W.Rsyleigh W.Ramsay(英) W.Ramsay(英) W.Ramsay(英) F.E.Dorn

9-7-2 稀有气体的存在、 结构、性质和用 途

存在
主要存在于空气 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

9-7-2 稀有气体的存在、 结构、性质和用途

结构
氦为2电子构型 其它为稳定的8电子构型

9-7-2 稀有气体的存在、 结构、性质和用途

性质
在一般条件下不具备化学活性 在自然界以原子形式存在
熔、沸点低, 并随原子序数的增加而递增

用途



是除氢以外最轻的气体,可用它 取代氢气填充气球和汽艇; 可利用氦和氧的混合物制成“人 造 空气”供潜水员呼吸,以防得潜 水 可作超低温研究中的制冷剂, 病; 还可作低温温度计的填充气体; 可用做电弧焊中的惰性保护气体。

用途
能产生鲜艳的红光,可用于



霓红灯、灯塔等照明工程;

氖也可作冷冻剂
致冷温度为25-40K。

用途
当电流通过充氩灯管时,



能产生蓝光,可用于霓红 灯、灯塔等照明工程; 氩和氦的混合气体充填灯泡;

常用作保护气体。

用途



制造特种光源、高效灯泡; 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。

用途
制造特种光源;



用于充填光电管和闪光灯,

有“小太阳”之称; 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。

用途



用于

恶性肿瘤的
放射性治疗

9-7-3 稀有气体化合物
(1) 1962年,由英国化学家N.Bartlett 合成了第一个稀有气体化合物Xe+[PtF6]-

Xe + PtF6

Xe+[PtF6]-

如 卤化物

(2) 至今已制成稀有气体化合物数百种
XeF2、XeF4、XeCl2、KrF2 氧化物 XeO3、XeO4 氟氧化物 XeOF2、XeOF4 含氧酸盐 M(I)HXeO4、M(I)4XeO6

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稀有气体化合物
1. 稀有气体化合物中 简单化合物甚少 2. 大多数化合物的制备与氟化 物有关,有的化合物可看作 是氟化物的衍生物

稀有气体化合物
3. XeF2、XeF4、XeF6的性质:

(1) 为稳定的白色结晶状共价化合物
(2) 能与水反应
如 2XeF2 +2H2O → 2Xe+4HF +O2↑

(3) 是优良的氟化剂
如 2XeF6 +SiO2 → 2XeOF4 + SiF4
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