氢和稀有气体课件.ppt

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1、Chapter 11 Hydrogen and Noble Gases氢和稀有气体氢和稀有气体H氢是周期表中唯一尚未找到氢是周期表中唯一尚未找到确切位置的元素确切位置的元素.11.1 氢的同位素氢的同位素 主主要要同同位位素素有有3种种，此此外外还还有有瞬瞬间间即即逝逝的的4H 和和 5H。重重氢氢以以重重水水（D2O）的的形形式式存存在在于于天天然然水水中中，平平均均约约占氢原子总数的占氢原子总数的 0.016%。中文名中文名 英文名称英文名称 表示方法表示方法 符号符号 说明说明氕氕*(音撇音撇)protium 1H H 稳定同位素稳定同位素氘氘(音刀音刀)deuterium 2H D 稳

2、定同位素稳定同位素氚氚(音川音川)tritium 3H T 放射性同位素放射性同位素 *氕这个名称只在个别情况下使用，通常直接叫氢；氘有时又叫氕这个名称只在个别情况下使用，通常直接叫氢；氘有时又叫“重氢重氢”.”.氢的存在与制备氢的存在与制备 氢氢是是宇宇宙宙中中丰丰度度最最高高的的元元素素，在在地地球球上上的的丰丰度度排排在在第第15位位。某某些些矿矿物物(例例如如石石油油、天天然然气气)和和水水是是氢氢的的主主要要资资源源，大大气气中中 H2 的的含含量量很很低低是是因因为为它它太太轻轻而而容易脱离地球引力场。容易脱离地球引力场。存在存在 氢的制备氢的制备（每年估计达（每年估计达50010

3、9m3）H2H2H2H2H2H2H2NaHN2C1273 KCH41143 K热解热解光解光解电电 解解H2O实验室制备方法实验室制备方法Zn+H3O+Zn2+2H2O+H2 H2S+Pb2+2H2O PbS+2H3O+AsH3 锌和硫酸中含微锌和硫酸中含微 量量As AsH3+3Ag2SO4+3H2O 6Ag+H3AsO3+3H2SO4H2S 锌中含微量锌中含微量 ZnSSO2 锌还原锌还原 H2SO4 产生产生SO2+2KOH K2SO3+H2O工业制备方法工业制备方法水蒸气转化法水蒸气转化法CH4(g)+H2O(g)3 H2(g)+CO(g)1273 K 水煤气反应水煤气反应C(s)+H

4、2O(g)H2(g)+CO(g)1273 K 为为了了制制氢氢，必必须须分分离离出出CO。可可将将水水煤煤气气连连同同水水蒸蒸气气一一起起通通过过红红热热的的氧氧化化铁铁催催化化剂剂，CO变变成成 CO2，然然后后在在 2106 下下用用水水洗洗涤涤 CO2 和和 H2 的的混混合合气气体体，使使 CO2溶溶于水而分离出于水而分离出 H2。CO+H2+H2O(g)CO2+2 H2Fe2O3 723 K工业制备方法工业制备方法有文献报道，加热有文献报道，加热(383(383423423K)K)加压加压(1013(10133039 3039 kPakPa)，效率可提高到效率可提高到 90%90%以

5、上。以上。电解电解 20%NaOH或或 15%KOH水溶液，耗能大，效水溶液，耗能大，效率也只有率也只有 32%4OH-O2+2H2O+4e-(阳极阳极)2H2O+2e-2OH-+H2(阴极阴极)氢燃烧速率快，反应完全。氢能源是清洁能源，没有氢燃烧速率快，反应完全。氢能源是清洁能源，没有环境污染，能保持生态平衡。环境污染，能保持生态平衡。目前，已实验成功用氢作动力的汽车，有望不久能投入实目前，已实验成功用氢作动力的汽车，有望不久能投入实用氢作为航天飞机的燃料已经成为现实，有的航天飞机的液用氢作为航天飞机的燃料已经成为现实，有的航天飞机的液态氢储罐存有近态氢储罐存有近1800 m3的液态氢。的液

6、态氢。氢能源研究面临的三大问题：氢能源研究面临的三大问题：氢气的发生（降低生产成本）氢气的发生（降低生产成本）氢气的储存氢气的储存 氢气的输送（利用）氢气的输送（利用）氢能源氢能源21世纪的清洁能源世纪的清洁能源氢的用途氢的用途燃燃 料料 燃烧值燃烧值/(kJkg-1)氢氢 气气 120918（H2）戊硼烷戊硼烷 64183（B5H9）戊戊 烷烷 43367（C5H12）氢化物氢化物w 离子型氢化物离子型氢化物w分子型氢化物分子型氢化物w金属型氢化物金属型氢化物二元氢化物在周期表中的分布二元氢化物在周期表中的分布 氢氢的的大大多多数数二二元元化化合合物物可可归归入入下下述述三三大大类类中中的的

7、某某一一类类。但但是是这这种种分分类类的的界界限限也也不不十十分分明明确确，结结构构类类型型并并非非非此即彼，而是表现出某种连续性。非此即彼，而是表现出某种连续性。离子型离子型离子型氢化物离子型氢化物(1)与与s 区金属形成。非挥发性，不导电并具明确结构的区金属形成。非挥发性，不导电并具明确结构的晶形固体。晶形固体。(2)H-的的半半径径在在 126 pm(LiH)与与154 pm(CsH)之之间间，说说明明原原子核对核外电子的控制较松弛。子核对核外电子的控制较松弛。(3)H-存存在在的的重重要要化化学学证证据据：电电解解其其与与碱碱金金属属的的熔熔融融物物，阳极放阳极放H2：2 H-H2+2

8、e-(4)与水反应的实质是与水反应的实质是:H-+H2O OH-+H2 此时此时 H-表现出强还原性、不稳定性和强碱性表现出强还原性、不稳定性和强碱性.还原性强还原性强 钛的冶炼钛的冶炼离子型氢化物的化学离子型氢化物的化学性质性质 剧烈水解剧烈水解氢化钙氢化钙剧烈水解剧烈水解 形成配位氢化物形成配位氢化物受潮时强烈水解受潮时强烈水解+4H2O分子型氢化物分子型氢化物 除铝、铋和钋外，第除铝、铋和钋外，第13至第至第17族元素都形成这类族元素都形成这类氢化合物。它们以其分子能够独立存在为特征。氢化合物。它们以其分子能够独立存在为特征。存在形式存在形式 缺电子氢化物，中心原子缺电子氢化物，中心原子

9、未满电子构型。未满电子构型。B2H6 满电子氢化物，中心原子满电子氢化物，中心原子价电子全部参与成键。价电子全部参与成键。CH4 富电子氢化物，中心原子富电子氢化物，中心原子成键后有剩余未成键的孤成键后有剩余未成键的孤电子对电子对.NH3金属型氢化物金属型氢化物CuH，ZnH2(1)大部分是用单质直接化合的方法制备。大部分是用单质直接化合的方法制备。(2)都有金属的电传导性和显有其他金属性质如磁性。都有金属的电传导性和显有其他金属性质如磁性。金属型氢化物金属型氢化物(3)金属金属 Pt不能形成氢化物，但对加氢反应具有催化作用。不能形成氢化物，但对加氢反应具有催化作用。可逆储氢材料可逆储氢材料1

10、体积金属体积金属Pd 可吸收可吸收700 体积体积 H2，减压或加热可使其分解：减压或加热可使其分解：2 Pd+H2 2 PdH U+3/2 H2 UH3减压减压,327 K常况常况523 K573 KLaNi5+3 H2 LaNi5H6,含含H2量大于同体积液氢量大于同体积液氢微热微热(23)105Pa稀有气体稀有气体 Noble Gasesw 存在和用途存在和用途w 化合物化合物 空空气气分分离离中中可可得得 He、Rn外外的的所所有有其其他他稀稀有有气气体体。He最难被液化最难被液化(b.p.4.2K)。Rn是放射性元素。是放射性元素。存在和用途存在和用途 除除氦氦之之外外,大大气气是是

11、其其他他稀稀有有气气体体元元素素的的唯唯一一资资源源。有有些些地区的天然气中含有高浓度的地区的天然气中含有高浓度的He(高达高达8%)。Xe Xe-O2深度麻醉剂，制造高压深度麻醉剂，制造高压“人造小太阳人造小太阳”Rn “氡管氡管”用于治疗癌症和中子源用于治疗癌症和中子源He 大型反应堆的冷却剂，大型反应堆的冷却剂，He-Ne-O2 呼吸气可防呼吸气可防“气气 塞病塞病”，飞船的飞升气体，保护气，飞船的飞升气体，保护气Ne 霓红灯，电子工业中的充气介质，低温冷冻剂霓红灯，电子工业中的充气介质，低温冷冻剂Kr 灯泡填充气，同位素测量灯泡填充气，同位素测量Ar 灯泡填充气，保护气灯泡填充气，保护

12、气稀有气体化合物稀有气体化合物 1962年年3月月32日下午日下午6时时45分分Bartlett N 第一个观察到第一个观察到 “惰性气体惰性气体”元元 素的化学行为：素的化学行为：XePtF6 红色液体生成！红色液体生成！O2（g）+PtF6(s)=O2+PtF6-(s)Xe(g)+F2(g)XeF2(s)(Xe过量过量)K(250)=8.79104Xe(g)+2 F2(g)XeF4(s)n(Xe):n(F2)=1:5 K(250)=1.07104Xe(g)+3 F2(g)XeF6(s)n(Xe):n(F2)=1:20 K(250)=1.01108氙的氟化物可由直接化合反应合成氙的氟化物可由

13、直接化合反应合成 XeF6与氧化物之间的复分解反应可使本身转化为氧化与氧化物之间的复分解反应可使本身转化为氧化物：物：XeF6(s)+3 H2O(l)XeO3(aq)+6 HF(g)2 XeF6(s)+3 SiO2(s)2 XeO3(s)+3 SiF4(g)吸能化合物吸能化合物 XeO3 易爆炸，碱性水溶液中易爆炸，碱性水溶液中Xe（）的的氧阴离子氧阴离子 在歧化并使在歧化并使 H2O氧化的过程中缓慢分解氧化的过程中缓慢分解生成高氙酸根离子生成高氙酸根离子 和和 Xe:XeO3+OH-+Xe+O2+H2OpH 10+OH-价层电子对互斥理论对氙的价层电子对互斥理论对氙的 化合物的空间结构的描述化合物的空间结构的描述 XeF2(直线型直线型)XeF4(平面四方形平面四方形)XeF6(变型八面体变型八面体)XeO64-