1 / 49

《 无机化学 》

《 无机化学 》. 讲解人：王凡. 考试方式：闭卷考试 办公地点：化工新楼 619 联系方式： 3237022 fanwang@gxu.edu.cn. 氢和稀有气体. 5.1 氢 5.2 稀有气体. 氢. 5.1.1 氢在自然界的分布 5.1.2 氢的成键特征 5.1.3 氢的性质和用途 5.1.4 氢的制备 5.1.5 氢化物. 5.1.1 氢在自然界的分布. 存在： 主要以化合态存在于水、石油、天然气以及生物的组织中。由光谱数据分析表明，太阳和其他一些星球的大气中含有大量的氢。. 氢的发现.

gyula
Download Presentation

《 无机化学 》

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 《无机化学》 讲解人：王凡 考试方式：闭卷考试 办公地点：化工新楼619 联系方式：3237022 fanwang@gxu.edu.cn

  2. 氢和稀有气体 • 5.1 氢 • 5.2 稀有气体

  3. 氢 • 5.1.1 氢在自然界的分布 • 5.1.2 氢的成键特征 • 5.1.3 氢的性质和用途 • 5.1.4 氢的制备 • 5.1.5 氢化物

  4. 5.1.1 氢在自然界的分布 • 存在： 主要以化合态存在于水、石油、天然气以及生物的组织中。由光谱数据分析表明，太阳和其他一些星球的大气中含有大量的氢。

  5. 氢的发现 1766年，英国的物理学家和化学家卡文迪什（1731 ─ 1810）用六种相似的反应制出了氢气。这些反应包括锌、铁、锡分别与盐酸或稀硫酸反应。同年，他在一篇名为“人造空气的实验”的研究报告中谈到此种气体与其它气体性质不同，但由于他是燃素学说的虔诚信徒，他不认为这是一种新的气体，他认为这是金属中含有的燃素在金属溶于酸后放出，形成了这种“可燃空气”。事实上是杰出的化学家拉瓦锡（1743─1794）1785年首次明确地指出：水是氢和氧的化合物，氢是一种元素。并将“可燃空气”命名为“Hydrogen”。这里的“Hydro”是希腊文中的“水”，“gene”是“源”，“Hydrogen”就是“水之源”的意思。它的化学符号为H。

  6. T H D 氢的同位素 1 H——又称氕，符号为H，占99.98% 2H——又称为氘，符号为D，占0.02% 3H——又称为氚，符号为T，是H的1017分之一，主要是核衰变的产物。

  7. ↑ H 1s1 Na+ Na H- H 5.1.2 氢的成键特征 1. 离子键 H-半径较大，有很强的还原性，仅存在于离子化合物中，水溶液中很快与不反应放出氢气 H- + H2O = H2↑+OH- 2.共价键 共价键是氢最普遍的成键方式。 3.独特的键型（金属氢化物、氢桥键、氢键）

  8. 氢桥键和氢键

  9. 5.1.3 氢的性质和用途 • 氢的物理性质 • 氢是密度最小的无色无味的气体 • 扩散速度快，因而具有很高的导热性 • 微溶于水（一体积水在273K时溶解0.02体积氢） • 沸点低，是20.4K，液态氢可以把除氦以外的所有气体冷却为固体 • 易被钯、铂、镍等金属吸收，其中钯的吸氢能力最强，室温下一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。

  10. Pd H2+F2 2HF 2H2+O2 2H2O 氢的化学性质 *氢气的键能很大(436kJ·mol-1) 氢气发生的主要反应是高温反应 1、少数常温反应例子：

  11. 燃烧 2H2 + O2 H2O(g) H =241.8 kJ·mol-1 高温 WO3 + 3H2 W + 3H2O Fe2O3 + 3H2 2Fe + 3H2O 高温 高温 TiCl4 + 2H2 Ti + 4HCl 高温 >C=C< + H2 >CH-CH< 2、高温还原反应 作为能源： 还原金属氧化物、卤化物： 加氢反应

  12. 原子氢 • 1、制备：通过高温、电弧或低压放电使H2解离 • 2、性质：半衰期短（0.3秒） • 化学活性大 • 结合为H2放出大量的热（原子氢焰） • 强还原性（P 216） • 3、应用：焊接高熔点金属

  13. 5.1.4 氢的制备 • 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。 Zn + 2H+ = H2↑+ Zn2+ Zn + 2H2O + 2OH- = Zn(OH)42- + H2↑ 杂质：H2S SO2 PH3 AsH3 KMnO4 KOH Pb(NO3)2

  14. 阴极: 2H2O + 2e H2↑ + 2OH- 阳极: 4OH- - 4e O2↑ + 2H2O • 电解法： （25%的NaOH或KOH为电解液） 由两性金属与碱反应或电解法得到的氢气纯度更高

  15. 阴极: 2H2O + 2e H2↑ + 2OH- 阳极: 2Cl- Cl2 ↑+2e- 1273 K 催化剂 C + H2O ==== CO↑ + H2↑ CH4 ====== C + 2H2 1073~1273 K 催化剂 CH4 + H2OCO + 3H2(g) • 氢气的工业制备： • 1、水煤气法 2、电解水法 3、高温裂解法 4、水蒸气转化法

  16. 特殊方法： 野外制氢

  17. 光催化分解水 • 自1972 年fujishima 等通过Pt－TiO2电极光电转化分解水制氢以来，TiO2光催化剂得到了广泛的研究。主要活性调变方式即阴阳离子掺杂，复合和敏化。 • 继TiO2后，其它过渡金属（复合）氧（硫/硒）化物如ZrO2，CdS，Co3O4，WO3，Fe3O4，IrO2，RuO2，γ-Bi2O3等得到了广泛研究。 • 存在问题： • 主要使用的是紫外光；效率低（~1mol/h）;抗光腐蚀能力差……

  18. 5.1.5 氢化物 • 氢化物的分类： • 1、离子型氢化物（碱金属和碱土金属） • 2、金属型氢化物（d区、f区元素） • 3、共价型氢化物（高电负性元素）

  19. 1 均为白色晶体, 较高的熔点、沸点，熔融可以导电，热稳定性差 LiH NaH KH RbH CsH NaCl -90.4 -57.3 -57.7 -54.3 -49.3 -441 离子型氢化物 • 电负性很小的碱金属和碱土金属与H化合（除Be、Mg） 在氢气流中加热生成

  20. 2 还原性强 (1) 钛的冶炼: (2)剧烈水解:

  21. 3. 形成配位氢化物 铝氢化锂 受潮时强烈水解

  22. 分子型氢化物 • 由氢和ⅢA～ⅦA族元素所形成 • 1、缺电子化合物和聚合型氢化物（ⅢA族元素） • 如乙硼烷B2H6，氢化铝(AlH3)n等； • 2、满电子氢化物（IVA族元素） • 如各种烷烃； • 3、富电子氢化物（VA ~ VIIA族元素） • 氮族、氧族、卤素氢化物

  23. 氢化物的性质： • 1、热稳定性相差很大 • 氢化铅PbH4、氢化铋BiH3在室温下强烈分解，氟化氢、水受热到1000℃时也几乎不分解 • 2、常见的状态为气体 • 3、在水中的行为较为复杂 • 强酸（HCl）、弱酸（H2S）、碱（NH3） • 水解（SiH4）、与水不作用（CH4）

  24. 金属型氢化物 • 过渡型氢化物 • （与过渡金属和Be、Mg、In、Tl形成的氢化物） 整比化合物 非整比化合物 氢化镧LaH2.76，氢化铈CeH2.69，氢化钯Pd2H等

  25. 1、它们晶格中金属原子的排列基本上保持不变，只是相邻原子间距离稍有增加。因氢原子占据金属晶格中的空隙位置，也称间充型氢化物1、它们晶格中金属原子的排列基本上保持不变，只是相邻原子间距离稍有增加。因氢原子占据金属晶格中的空隙位置，也称间充型氢化物 • 2、金属型氢化物保留金属的外观特征，有金属光泽，密度比相应金属小 • 3、导电、导热、熔点高、硬度大、脆性大 • 4、热稳定性差，受热后易放出氢气

  26. 储氢 • 某些金属具有很强的捕捉氢的能力，在一定的温度和压力条件下，这些金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物，同时放出热量。其后，将这些金属氢化物加热，它们又会分解，将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收”氢气的金属，称为储氢合金。　 由于储氢合金都是固体，既不用储存高压氢气所需的大而笨重的钢瓶，又不需存放液态氢那样极低的温度条件，需要储氢时使合金与氢反应生成金属氢化物并放出热量，需要用氢时通过加热或减压使储存于其中的氢释放出来，如同蓄电池的充、放电。　　目前研究发展中的储氢合金，主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。

  27. 镧镍-5LaNi5（吸氢后为LaNi5H6） • 容量为7L的小钢瓶内装镧镍-5所能盛的氢气(304kPa)，相当于容量为40L的15000kPa高压氢气钢瓶所容纳的氢气（重量相当），只要略微加热，LaNi5H6即可把储存的全部氢气释放出来。

  28. 5.2 稀有气体 5.2.1 稀有气体的发现 5.2.2 稀有气体的性质和用途 5.2.3 稀有气体的存在和分离 5.2.4 稀有气体化合物 5.2.5 稀有气体化合物的结构

  29. 5.2.1 稀有气体的发现 • 周期表中零族元素有氦、氖、氩、氪、氙和氡一共六种，它们都是气体。 • 六种稀有气体元素是在1894-1900年间陆续被发现的。发现稀有气体的主要功绩应归于英国化学家莱姆赛（Ramsay W,1852-1916）。下面我们按元素发现的先后顺序，分别简介这六种元素的发现经过。

  30. 氩Ar • 早在1785年，英国著名科学家卡文迪什（Cavendish H,1731-1810）在研究空气组成时，发现一个奇怪的现象。当时人们已经知道空气中含有氮、氧、二氧化碳等，卡文迪什把空气中的这些成分除尽后，发现还残留少量气体，这个现象当时并没有引起化学家们应有的重视。谁也没有想到，就在这少量气体里竟藏着一个化学元素家族。 第三位小数的胜利 100多年后，英国物理学家瑞利（Rayleigh J W S,1842-1919）在研究氮气时发现从氮的化合物中分离出来的氮气每升重1.2505g，而从空气中分离出来的氮气在相同情况下每升重1.2572g，这0.0067g的微小差别引起了瑞利的注意。他与化学家莱姆赛合作，把空气中的氮气和氧气除去，用光谱分析鉴定剩余气体，终于在1894年发现了氩。由于氩和许多试剂都不发生反应，极不活泼，故被命名为Argon，即“不活泼”之意。中译名为氩，化学符号为Ar。

  31. 氦He • 早在1868年，法国天文学家简森(Janssen P J C,1824-1907)在观察日全蚀时，就曾在太阳光谱上观察到一条黄线D，这和早已知道的钠光谱的D1和D2两条线不相同。同时，英国天文学家洛克耶尔(Lockyer J N,1836-1920)也观测到这条黄线D。当时天文学家认为这条线只有太阳才有，并且还认为是一种金属元素。所以洛克耶尔把这个元素取名为Helium，这是由两个字拼起来的，helio是希腊文太阳神的意思，后缀-ium是指金属元素而言。中译名为氦。 • 1895年，莱姆赛和另一位英国化学家特拉弗斯(Travers M W,1872-1961)合作，在用硫酸处理沥青铀矿时，产生一种不活泼的气体，用光谱鉴定为氦，证实了氦元素也是一种稀有气体，这种元素地球上也有，并且是非金属元素。

  32. 氪Kr、氖Ne、氙Xe • 由于氦和氩的性质非常相近，而且它们与周期系中已被发现的其它元素在性质上有很大差异，莱姆赛根据周期系的规律性，推测出氦和氩可能是另一族元素，在它们之间一定有一个性质和氦、氩相近的家族。果然，在1898年5月30日莱姆赛和特拉弗斯在大量液态空气蒸发后的残余物中，用光谱分析首先发现了比氩重的氪，他们把它命名为Krypton，即隐藏之意。隐藏于空气中多年才被发现。 1898年6月，莱姆赛和特拉弗斯在蒸发液态氩时收集了最先逸出的气体，用光谱分析发现了比氩轻的氖。他们把它命名为neon，源自希腊词neos，意为新，即从空气中发现的新气体。中译名为氖。也就是现在氖灯里的气体。 1898年7月12日，莱姆赛和特拉弗斯在分馏液态空气，制得了氪和氖后，又把氪反复地分次萃取，从其中又分出一种质量比氪更重的新气体，他们把它命名为Xenon，源自希腊文xenos，意为陌生人，即为人们所生疏的气体，因为它在空气中的含量极少，仅占总体积的一亿分之八。

  33. 氡Rn • 氡是一种具有天然放射性的稀有气体，它是镭、钍和锕这些放射性元素在蜕变过程中的产物，因此，只有这些元素发现后才有可能发现氡。 • 1899年，英国物理学家欧文斯(Owens R B)和卢瑟福(Rutherford E,1871-1937)在研究钍的放射性时发现钍射气，即氡-220。1900年，德国人道恩(Dorn F E)在研究镭的放射性时发现镭射气，即氡-222。1902年，德国人吉赛尔(Giesel F O,1852-1927)在锕的化合物中发现锕射气，即氡-219。直到1908年，莱姆赛确定镭射气是一种新元素，和已发现的其它稀有气体一样，是一种化学惰性的稀有气体元素。其它两种射气，是它的同位素。1923年国际化学会议上命名这种新元素为radon，中文音译成氡，化学符号为Rn。

  34. 至此，氦、氖、氩、氪、氙、氡六种稀有气体作为一个家族全被发现了，它们占据了元素周期表零族的位置。这个位置相当特殊，在它前面是电负性最强的非金属元素，在它后面是电负性最小的金属活泼性最强的金属元素。由于这六种气体元素的化学惰性，很久以来，它们被称为"隋性气体"。至此，氦、氖、氩、氪、氙、氡六种稀有气体作为一个家族全被发现了，它们占据了元素周期表零族的位置。这个位置相当特殊，在它前面是电负性最强的非金属元素，在它后面是电负性最小的金属活泼性最强的金属元素。由于这六种气体元素的化学惰性，很久以来，它们被称为"隋性气体"。 • 人类的认识是永无止境的，经过实践的检验，理论的相对真理性会得到发展和完善。1962年，在加拿大工作的英国青年化学家巴特列特(Bartlett N,1932~)首先合成出第一个惰性气体的化合物──六氟合铂酸氙Xe[PtF6]，动摇了长期禁锢人们思想。"隋性气体"也随之改名"稀有气体"。

  35. 5.2.2 稀有气体的性质和用途 He Ne Ar Kr Xe Rn 第一电离能 大 小 mp. bp. 小 大 水中溶解度 小 大 气体密度 小 大

  36. 稀有气体的化学性质是由它的原子结构所决定的。稀有气体的化学性质是由它的原子结构所决定的。 • 除氦以外，它们都具有稳定的8电子构型。与其它元素相比较，稀有气体都有很高的电离能。因此，稀有气体原子在一般条件下不容易得到或失去电子而形成化学键。表现出化学性质很不活泼，不仅很难与其它元素化合，而且自身也是以单原子分子的形式存在，原子之间仅存在着微弱的范德华力（主要是色散力）。 • 稀有气体的熔、沸点都很低，氦的沸点是所有单质中最低的。它们的蒸发热和在水中的溶解度都很小，这些性质随着原子序数的增加而逐渐升高。 • 稀有气体的原子半径都很大，在族中自上而下递增。这些半径都是未成键的半径，应该仅把它们与其它元素的范德华半径进行对比。

  37. 氦是所有气体中最难液化的，温度在2.2K以上的液氦是一种正常液态，具有一般液体的通性。温度在2.2K以下的液氦则是一种超流体，具有许多反常的性质。例如具有超导性、低粘滞性等。它的粘度变得为氢气粘度的百分之一，并且这种液氦能沿着容器的内壁向上流动，再沿着容器的外壁往下慢慢流下来。这种现象对于研究和验证量子理论很有意义。氦是所有气体中最难液化的，温度在2.2K以上的液氦是一种正常液态，具有一般液体的通性。温度在2.2K以下的液氦则是一种超流体，具有许多反常的性质。例如具有超导性、低粘滞性等。它的粘度变得为氢气粘度的百分之一，并且这种液氦能沿着容器的内壁向上流动，再沿着容器的外壁往下慢慢流下来。这种现象对于研究和验证量子理论很有意义。

  38. 稀有气体的用途 • 稀有气体广泛应用到光学、冶金和医学等领域中。例如：氦氖激光器、氩离子激光器等在国防和科研上有着广泛的用途。氖在放电管内放射出美丽的红光，加入一些汞蒸气后又发射出蓝光，所以，氖被广泛用来制造霓虹灯。氙在电场的激发下能放出强烈的白光，高压长弧氙灯经常用于电影摄影、舞台照明等。在冶金工业中，氩和氦的最大用途是为熔焊不锈钢等提供惰性气氛。氪、氙和氡还能用于医疗上，氙灯能放出紫外线，氪、氙的同位素还被用来测量脑血流量等。氦还被用来代替氢充填气象气球和飞船，由于它不燃烧，比氢安全得多。由于氦的沸点低，还被用于超低温技术。 P 226

  39. 5.2.3 稀有气体的存在和分离 • 利用它们物理性质的差异，将液态空气分级蒸馏。 • 稀有气体之间的分离是利用低温下活性炭对这些气体的选择性吸附来进行的。

  40. 5.2.4 稀有气体化合物 合成：XePtF6 (红色晶体) 思路：已合成 O2[PtF6]

  41. Δ 光辐射 F2 H2O OH- MF(M=Na, K, Rb, Cs) OH- Xe的化合物

  42. XeF2 + 2I- = Xe + I2 +2F- XeF4 + 2H2 = Xe + 4HF XeF4 + 4Hg = Xe + 2Hg2F2 XeF2 + H2O = Xe +1/2O2 + 2HF 6XeF4 + 12H2O =2XeO3 +4Xe +24HF +3O2 XeF6 + H2O = XeOF4 + 2HF XeF6 + 3H2O = XeO3 + 6HF

  43. Xe O O O • 氧化物 • XeO3：是一种易潮解和易爆炸 • 的化合物，具有强氧化性。 • XeO4：很不稳定，具有爆炸性的气态化合物。 • 　 氙的化合物，都是强氧化剂，一般情况被还原为单质。

  44. 5.2.5 稀有气体化合物的结构 • 杂化轨道法 • ns2np6，不易得失电子，也不易形成共价键。与电负性大的原子作用时，使np轨道中的电子激发到nd上去，从而出现单电子，这些单电子与其它原子形成共价键。 P 232 图5-3

  45. 价电子对互斥理论 分子 价电子对数 价电子对构型 可能构型 最稳定构型 XeF2 5 三角双锥 三种 直线型 XeF4 6 八面体 二种 平面四面形 XeF6 7 变形八面体 二种 变形八面体 XeOF4 6 八面体 二种 四方锥形 XeO3 4 四面体 一种 三角锥形 XeO4 4 四面体 一种 正四面体

  46. 氟化氙的结构 XeF2 XeF4 XeF6

  47. 作业 • 试判断下列Xe 的化合物分子或离子的空间几何构型 ，并指出Xe 原子的杂化轨道类型： • XeF2 XeF4 XeOF4 XeO3 • XeO4 XeO64－

More Related