第十八章氢和稀有气体精选文档.ppt

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1、第十八章 氢和稀有气体本讲稿第一页，共十六页 H2 和和 Cl2 的混合物在光照下爆炸化合。的混合物在光照下爆炸化合。H2 和和 F2 的混合物在没有光的混合物在没有光照时亦将爆炸化合。照时亦将爆炸化合。高温下高温下 H2 能还原许多种金属氧化物或金属卤化物能还原许多种金属氧化物或金属卤化物 CuO +H2 Cu +H2O WO3 +H2 W +3 H2O TiCl4 +2 H2 Ti +4 HCl 高温下，高温下，H2 与活泼金属反应，生成金属氢化物与活泼金属反应，生成金属氢化物 H2 +2 Na 2 NaH H2 +2 Ca CaH2 在特定的温度，压强下，采用特定的催化剂，在特定的温度，

2、压强下，采用特定的催化剂，H2 和和 CO 反应，可以合反应，可以合成一些有机化合物，如成一些有机化合物，如 CO +H2 CH3OH(g)本讲稿第二页，共十六页 二二 氢气的制备氢气的制备 实验室制实验室制 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，制得的中有时含有砷化物、磷化物等杂质，制得的 H2 不纯。不纯。用电解水的方法制取的用电解水的方法制取的 H2 较纯。较纯。单质硅和氢氧化钠溶液反应也可以制得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，且由于碱较盐酸便于携带，且反应温度不高

3、，因此这种方法适于野外操作的需要。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高温且有催化剂作用时，甲烷可以按下式转化为 H2 和和 CO a)CH4 +H2O CO +3 H2 工业生产中，工业生产中，H2 主要有三种来源：主要有三种来源：1 水煤气水煤气 主要是主要是 H2 和和 CO 的混合气体；的混合气体；本讲稿第三页，共十六页 在较高的压强下，用水吸收掉在较高的压强下，用水吸收掉 CO2，得到得到 H2。3 高温下水蒸气与碳化钙反应，高温下水蒸气与碳化钙反应，CaC2 +5 H2O CaCO3 +CO2 +5 H2

4、 H2 和和 CO 的混合气体与水蒸气一同通过的混合气体与水蒸气一同通过 500 的的 Fe2O3，H2O +CO H2 +CO2 2 氢化物氢化物 碱金属和碱土金属与氢生成离子型氢化物，其中碱金属和碱土金属与氢生成离子型氢化物，其中 LiH 和和 BaH2 较较稳定。稳定。离子型氢化物易于水解离子型氢化物易于水解 NaH(s)+H2O(l)H2(g)+NaOH(aq)b)CH4 +CO2 2 CO +2 H2本讲稿第四页，共十六页 离子型氢化物可以与缺电子型化合物反应离子型氢化物可以与缺电子型化合物反应 2 LiH +B2H6 2 LiBH4 4 LiH +AlCl3 LiAlH4 +3 L

5、iCl乙醚乙醚乙醚乙醚 这类反应不是在水中进行的。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。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，如差别很大。有的在水中发生酸式解离，如 H2S；有的显碱性，如有的显碱性，如 NH3；有的与水基本没有作用，如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。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，如从组成上看，有的是非整比化合物，如 VH0.56 ，ZrH1.75。离子型氢化物有还原性离子型氢

6、化物有还原性 2 CO2 +BaH2 2 CO +Ba(OH)2加热加热本讲稿第五页，共十六页 3 稀有气体稀有气体 一一 稀有气体的发现稀有气体的发现 英国物理学家英国物理学家 Ramsay 发现，从空气中得来的氮气每升的质量为发现，从空气中得来的氮气每升的质量为 1.257 g，而从氮的化合物分解得来的氮气每升的质量为而从氮的化合物分解得来的氮气每升的质量为 1.251 g。基基于敏锐的观察力和高超的实验技术，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。别所带来的机遇，获得极大成功。周期表中零族的周期表中零

7、族的 6 种稀有气体元素是在种稀有气体元素是在 1894 1900 年间陆续被年间陆续被发现的。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，。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，有特征的波长。于是，Ramsay 宣布他在空气中发现了一种新元素，宣布他在空气中发现了一种新元素，命名为命名为“氩氩”(拉丁文名的原意是拉丁文名的原意是“不活泼不活泼”)。本讲稿第六页，共十六页 1895 年，他们又

8、从空气中发现了氦，本来人们认为它只是存在年，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。在于太阳中的元素。在 1898 年，年，Ramsay 等人最后鉴定了他们从空气中等人最后鉴定了他们从空气中连续分离出来的氖、氪和氙。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。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，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

9、了，所以所以 Ramsay 的工作具有划时代的历史意义。的工作具有划时代的历史意义。二二 稀有气体化合物稀有气体化合物 1 第一种稀有气体化合物第一种稀有气体化合物 人类的认识是永无休止的。人类的认识是永无休止的。加拿大青年化学家加拿大青年化学家 N.Bartlett（巴特列脱（巴特列脱）的工作，使人们的工作，使人们本讲稿第七页，共十六页 Bartlett 曾使曾使 O2 同六氟化铂反应，而生成一种新的化合物同六氟化铂反应，而生成一种新的化合物 O2+PtF6 。他联想到他联想到“惰气惰气”氙氙 Xe 的第一电离能的第一电离能 (1171.5 kJmol1)同同 O2 分子的第一电离能分子的第

10、一电离能 (1175.7 kJmol1)相近的事实，由此推测到相近的事实，由此推测到 PtF6 氧化氧化 Xe 的可能性的可能性。此外，他又估算了此外，他又估算了 XePtF6 的晶格能，发现它只比的晶格能，发现它只比 O2PtF6 的晶格能的晶格能小小 41.84 kJmol1。这说明这说明 XePtF6 一旦制得，尚能稳定存在。一旦制得，尚能稳定存在。认识到认识到 “惰气惰气”也不是绝对惰性的。他的工作为开拓也不是绝对惰性的。他的工作为开拓“惰气惰气”元元素化学打下了基础。素化学打下了基础。他按此理论分析进行了实验，把等体积的他按此理论分析进行了实验，把等体积的 PtF6 蒸汽和蒸汽和 X

11、e 混合混合起来，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。本讲稿第八页，共十六页 这是这是“惰气惰气”的第一种真正的化合物。这个发现又一次震动了科学界，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动摇了长期禁锢人们思想的“绝对惰性绝对惰性”的形而上学观念。的形而上学观念。“惰性气体惰性气体”也随之改名为也随之改名为“稀有气体稀有气体”。由于稀有气体元素在化合状态时氧化数可达由于稀有气体元素在化合状态时氧化数可达 +8 ，所以有人，所以有人建议把稀有气体列为建议把稀有气体列为 V

12、III A 族，把原铁系元素和铂系元素作为族，把原铁系元素和铂系元素作为VIII B 族。但目前仍称稀有气体为零族元素。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。强下，在镍制的容器中进行。Xe(g)+F2(g)XeF2(g)Xe 大过量，避免大过量，避免 XeF4 的生成的生成；为什么在镍制容器中进行？为什么在镍制容器中进行？本讲稿第九页，共十六页 Xe(g)+2 F2(g)XeF4(g)F2 过量，但反应时间应短些，避

13、免过量，但反应时间应短些，避免 XeF6 的生成；的生成；F2 和和 Xe 的混合气体在光照下，也可以直接化合成的混合气体在光照下，也可以直接化合成 XeF2 晶体晶体。Xe 化合物的最重要的化学性质应数氧化性化合物的最重要的化学性质应数氧化性。XeF2 +2 HCl Xe +Cl2 +2 HF 3 XeF4 +4 BCl3 3 Xe +6 Cl2 +4 BF3 XeF6 +8 NH3 Xe +6 NH4F +N2 Xe(g)+3 F2(g)XeF6(g)F2 大过量，反应时间长。大过量，反应时间长。3 氙的化合物的反应氙的化合物的反应本讲稿第十页，共十六页 与水的反应，也是与水的反应，也是

14、Xe 化合物重要的化学性质。化合物重要的化学性质。XeF2 +H2O Xe +1/2 O2 +2 HF 注意该反应与一般水解反应的不同点注意该反应与一般水解反应的不同点 水解后某些元素的水解后某些元素的氧化数发生变化。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。这个反应在酸中进行比较缓慢，在碱中迅速些。6 XeF4+12 H2O 2 XeO3 +4 Xe+24 HF +3 O2 (1)可以理解成，是可以理解成，是 Xe(IV)的歧化、的歧化、Xe(VI)的水解和的水解和Xe(VI)的部分分解。的部分分解。6 XeF4 4 XeF6 +2 Xe 歧化歧化 4 XeF6+12 H2O

15、 4 XeO3 +24 HF 水解水解 可以理解成可以理解成 XeF2 先分解出先分解出 F2，F2 再把水氧化。再把水氧化。这一步属一般的水解反应，没有氧化数的变化。这一步属一般的水解反应，没有氧化数的变化。本讲稿第十一页，共十六页 XeF6 不完全水解时，有不完全水解时，有 XeOF4 生成生成，XeF6 +H2O XeOF4 +2 HF 反应中有反应中有 Xe(OH)2F4 脱去脱去 1 个个 H2O 分子的步骤。分子的步骤。XeO3 在碱中以在碱中以 HXeO4 形式存在，二者之间有平衡形式存在，二者之间有平衡 HXeO4会发生歧化反应，生成会发生歧化反应，生成 Xe(VIII)和和

16、Xe(0)2 HXeO4 +2 OH XeO64+Xe +O2 +2 H2O 并不是并不是 Xe(VI)的标准的歧化反应，氧参与了歧化反应。的标准的歧化反应，氧参与了歧化反应。XeO3+OH HXeO4 先生成先生成 Xe(OH)6，再脱去再脱去 3 个个 H2O 分子。分子。2 XeO3 3 O2 +2 Xe 分解分解 三个步骤相加即为原反应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注意：这是一种理解，而不是在讨论反应的基元步骤。本讲稿第十二页，共十六页 若向若向 XeO3 的碱性溶液中通入的碱性溶液中通入 O3，将生成高氙酸盐将生成高氙酸盐 XeO3 +

17、4 NaOH+O3+6 H2O Na4XeO6 8H2O+O2 Na2XeO4 和和 Na4XeO6 都是很强的氧化剂。都是很强的氧化剂。在上述反应中涉及到的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的氟化物，氧化物以及高氙酸盐均为无色或白色晶体。或白色晶体。只有只有 XeOF4 为无色液体，而为无色液体，而 XeO4 为无色气体为无色气体。XeF6 有下面的特殊反应有下面的特殊反应 2 XeF6 +3 SiO2 XeO3 +3 SiF4 所以不能用玻璃瓶盛放所以不能用玻璃瓶盛放 XeF6。向向 XeO3 的溶液中通入的溶液中通入 O3 XeO3+O3+2 H2O H4X

18、eO6 +O2高氙酸高氙酸本讲稿第十三页，共十六页 4 Xe 化合物的分子结构化合物的分子结构5d05p65s2 Xe 的核外电子排布的核外电子排布 XeF2 价层电子总数价层电子总数 10 对数对数 5 配体数配体数 2 孤电子对数孤电子对数 3电子对构型电子对构型 三角双锥三角双锥 sp3d 不等性杂化不等性杂化 XeF2 的分子构型为直线形。的分子构型为直线形。本讲稿第十四页，共十六页 XeF4 价层电子总数价层电子总数 12 对数对数 6 配体数配体数 4 孤电子对数孤电子对数 2电子对构型电子对构型 正八面体正八面体 XeO3 价层电子总数价层电子总数 对数对数 电子对构型电子对构型

19、 孤电子对数孤电子对数 杂化方式杂化方式 分子构型分子构型 XeO4 价层电子总数价层电子总数 对数对数 电子对构型电子对构型 孤电子对数孤电子对数 杂化方式杂化方式 分子构型分子构型84正四面体正四面体1sp3 不等性不等性三角锥三角锥84正四面体正四面体0sp3 等性等性正四面体正四面体 sp3d2 不等性杂化不等性杂化XeF4 的分子构型为正方形。的分子构型为正方形。本讲稿第十五页，共十六页 XeF6 sp3d3 不等性杂化不等性杂化 分子构型为变形八面体分子构型为变形八面体 1 对孤电子对指向一个对孤电子对指向一个边的中心或一个面的中心。边的中心或一个面的中心。XeOF4 价层电子总数价层电子总数 对数对数 电子对构型电子对构型孤电子对数孤电子对数 杂化方式杂化方式 分子构型分子构型126正八面体正八面体1sp3d2 不等性不等性四角锥四角锥本讲稿第十六页，共十六页