第五氢和稀有气体

4/14/20224/14/20221 1第五章第五章 氢和稀有气体氢和稀有气体5-1 5-1 氢氢一、氢在自然界的存在一、氢在自然界的存在 1 11 1H H（氕，（氕，H H） 2 21 1H H（氘，（氘，D D） 3 31 1H H（氚，（氚，T T） 丰度丰度99.98% 99.98% 可变天然丰度可变天然丰度 放射性放射性4/14/20224/14/20222 2二二 、氢的成键特征、氢的成键特征H H 价电子层结构价电子层结构1s1s2 2 , ,电负性电负性2.22.21 1 离子键：离子键：MHMH（M=M=碱金属或碱土金属）碱金属或碱土金属）2 2 共价键：非极性键共价键：非极性键 H H2 2 极性键极性键 HXHX（非金属元素）（非金属元素）3 3 特殊键：氢桥键特殊键：氢桥键 B B2 2H H6 6 氢键氢键 H H2 2O O 金属氢化物中的键金属氢化物中的键4/14/20224/14/20223 3三、氢的性质和用途三、氢的性质和用途（一）单质氢（一）单质氢1 1 物理性质：无色无味气体，难溶于水，难液物理性质：无色无味气体，难溶于水，难液 化，密度小。化，密度小。2 2 化学性质化学性质 常温稳定（与常温稳定（与F F2 2暗处反应），高温活泼。暗处反应），高温活泼。 （1 1）与非金属反应）与非金属反应 （2 2）还原金属氧化物或卤化物）还原金属氧化物或卤化物 （3 3）与活泼金属反应）与活泼金属反应 （4 4）加氢反应）加氢反应4/14/20224/14/20224 4放出大量热（放出大量热（4273K4273K）（原子氢焰），焊接高）（原子氢焰），焊接高熔点金属。熔点金属。强还原性强还原性 S(GeS(Ge、SnSn、AsAs、SbSb等）等）+2HH+2HH2 2S S CuCI CuCI2 2+2H Cu+2HCI+2H Cu+2HCI BaSO BaSO4 4+8H BaS+4H+8H BaS+4H2 2O O通通入入金金属属表表面面H H2 2H H2 2电电弧弧H H（二）原子氢（二）原子氢4/14/20224/14/20225 5四、氢的制备四、氢的制备实验室：实验室：Zn+Zn+稀稀H H2 2SOSO4 4 水电解水电解 工业：电解食盐水工业：电解食盐水 碳还原水蒸气碳还原水蒸气 烃类裂解烃类裂解 水蒸气转化法水蒸气转化法 烷烃脱氢烷烃脱氢 两性金属与碱反应等两性金属与碱反应等4/14/20224/14/20226 6核聚变反应堆与氢弹核聚变反应堆与氢弹4/14/20224/14/20227 7五五 氢化物氢化物 氢与其它元素（除稀有气体）形成的氢与其它元素（除稀有气体）形成的二元化合物。二元化合物。 依据元素电负性的不同，氢可形成多依据元素电负性的不同，氢可形成多种类型的氢化物。种类型的氢化物。 1 1 离子型氢化物离子型氢化物 MHMH（M=LiM=Li、NaNa、K K、RbRb、Cs)Cs) MH MH2 2(M=Ca(M=Ca、SrSr、Ba)Ba)4/14/20224/14/20228 8强还原性强还原性 CaHCaH2 2+2H+2H2 2O=Ca(OH)O=Ca(OH)2 2+2H+2H2 2 除去气体或溶剂中的微量水，野外制氢。除去气体或溶剂中的微量水，野外制氢。 TiCITiCI4 4+4NaH=Ti+4NaCI+2H+4NaH=Ti+4NaCI+2H2 2 2CO 2CO2 2+BaH+BaH2 2（热）（热）=2CO+Ba(OH)=2CO+Ba(OH)2 2制备复合氢化物制备复合氢化物 2LiH+B2LiH+B2 2H H6 62LiBH2LiBH4 4（乙醚做溶剂）（乙醚做溶剂） 4LiH+AICI4LiH+AICI3 3 LiAIHLiAIH4 4 +3LiCI+3LiCI（乙醚做溶剂）（乙醚做溶剂） 无机和有机合成中做还原剂和负氢离子无机和有机合成中做还原剂和负氢离子4/14/20224/14/20229 92 2 金属型氢化物（间充型氢化物）金属型氢化物（间充型氢化物） 从结构上可看作是由金属原子组成的从结构上可看作是由金属原子组成的金属晶体的四面体或八面体空隙中接纳了金属晶体的四面体或八面体空隙中接纳了半径较小的氢原子。半径较小的氢原子。 d d区：区：BB、BB、BB及及CrCr、PdPd、NiNi等等 如：如：PdHPdHx x(x(x1),CrH1),CrH2 2 ,VH,VH0.560.564/14/20224/14/20221010 物理性质：物理性质：基本保留着金属的外观特征，基本保留着金属的外观特征，有金属光泽，有导电性。有金属光泽，有导电性。吸吸氢氢放放氢氢M M( (S S) )+ +X X2 2H H2 2( (g g) )M MH Hx x( (s s) )U U( (s s) )+ +U UH H3 3( (s s) )3 32 2H H2 2( (g g) )3 30 00 02 25 50 0上述反应可用于储存氢和制超纯氢上述反应可用于储存氢和制超纯氢4/14/20224/14/202211113 3 分子型氢化物分子型氢化物 氢与氢与P P区元素（稀有气体、区元素（稀有气体、InIn、TITI除外）除外）结合形成的共价型氢化物。结合形成的共价型氢化物。 缺电子氢化物：缺电子氢化物：B B2 2H H6 6 满电子氢化物：满电子氢化物：CHCH4 4 富电子氢化物：富电子氢化物：NHNH3 3，H H2 2O O。HFHF等等 P P区氢化物属于分子晶体，熔沸点较低，区氢化物属于分子晶体，熔沸点较低，通常条件下多为气体。通常条件下多为气体。4/14/20224/14/20221212六、氢能源六、氢能源氢被认为是理想的二级能源氢被认为是理想的二级能源氢气作为动力燃料的优点氢气作为动力燃料的优点 (1)(1)干净、无毒；（干净、无毒；（2 2）热值高；（）热值高；（3 3）资源）资源丰富（丰富（H H2 2O O）；（）；（4 4）输送方便；（）输送方便；（5 5）应用范）应用范围广，适应性强。围广，适应性强。氢作为能源的三大课题氢作为能源的三大课题 1.1.氢气的发生：太阳能光解水氢气的发生：太阳能光解水 2.2.氢的储存：金属氢化物、金属合金储氢氢的储存：金属氢化物、金属合金储氢 3.3.氢的利用氢的利用4/14/20224/14/202213135-2 5-2 稀有气体稀有气体一、简介一、简介HeHe、NeNe、ArAr、KrKr、XeXe、RnRn 1894-1900 1894-1900年先后在大年先后在大气和某些铀矿中发现。气和某些铀矿中发现。发现的主要功绩应归功发现的主要功绩应归功于英物理学家莱姆赛于英物理学家莱姆赛（Ramsay),He-Xe.Ramsay),He-Xe.4/14/20224/14/2022141419621962年，加拿大年，加拿大2929岁的青年化学家巴特列脱岁的青年化学家巴特列脱（N.Bartlett),N.Bartlett),制得了第一个真正的稀有制得了第一个真正的稀有气体化合物：气体化合物：XePtFXePtF6 6 （红色晶体）。（红色晶体）。4/14/20224/14/20221515二、通性和用途二、通性和用途 通性：通性： 通常稀有气体以单原子状态存在，通常稀有气体以单原子状态存在，原子之间存在微弱的范氏力（主色散力），原子之间存在微弱的范氏力（主色散力），且随原子序数的增加而增大。所以有关的物且随原子序数的增加而增大。所以有关的物理性质如熔、沸点也随着升高。理性质如熔、沸点也随着升高。 氦是所有气体中最难液化。氦是所有气体中最难液化。2.2K2.2K以下的以下的液氦是一种超导体。液氦是一种超导体。4/14/20224/14/20221616 用途：用途：基于稀有气体不活泼、电阻小、易基于稀有气体不活泼、电阻小、易发光放电等。发光放电等。He:He:代代H H2 2充气球更安全，血液中溶解度小，充气球更安全，血液中溶解度小，“氦氦空气空气”代替空气供潜水员呼吸。代替空气供潜水员呼吸。NeNe：作霓虹灯或指示灯等。：作霓虹灯或指示灯等。ArAr：充填电灯泡（防产生电弧），工业上作保：充填电灯泡（防产生电弧），工业上作保护气。护气。KrKr：充填电灯泡等。：充填电灯泡等。XeXe：高压长弧氙灯，做运动场、舞台等照明。：高压长弧氙灯，做运动场、舞台等照明。4/14/20224/14/20221717三、自然界中的分布与分离三、自然界中的分布与分离He-XeHe-Xe主要来源于空气主要来源于空气RnRn是放射性元素是放射性元素(Ra)(Ra)的蜕变产物的蜕变产物液液态态空空气气分分馏馏O O2 2+ +稀稀有有气气体体除除N N2 2分分馏馏O O2 2稀稀有有气气体体N Na aO OH H液液除除C CO O2 2赤赤热热C Cu u除除微微量量氧氧灼灼热热M Mg g除除N N2 2稀稀有有气气体体 （A Ar r为为主主）4/14/20224/14/20221818四、化合物四、化合物氙的含氧、含氟化合物氙的含氧、含氟化合物1.1.氙的氟化物氙的氟化物 Xe(g)+nFXe(g)+nF2 2(g)XeF(g)XeF2 2 、XeFXeF4 4 、XeFXeF6 6（镍容器）（镍容器）性质：强氧化性：性质：强氧化性：XeFXeF2 2+H+H2 2 Xe+HFXe+HF XeF XeF4 4+PtXe+PtF+PtXe+PtF4 4 水解：水解：XeFXeF2 2+H+H2 2O O Xe+1/2OXe+1/2O2 2 +2HF +2HF XeF XeF6 6+3H+3H2 2O O XeOXeO3 3+6HF +6HF 作氟化剂：作氟化剂：XeFXeF4 4+2SF+2SF4 4 2SF2SF6 6+Xe+Xe 2XeF 2XeF6 6+SiO+SiO2 2 2XeOF2XeOF4 4+SiF+SiF4 4 不能用玻璃容器或石英容器盛氟化氙。不能用玻璃容器或石英容器盛氟化氙。4/14/20224/14/202219192.2.氙的含氧化合物氙的含氧化合物 XeOXeO3 3白色易潮解、易爆固体，水中以分子白色易潮解、易爆固体，水中以分子形式存在。强氧化性。形式存在。强氧化性。4/14/20224/14/20222020五、稀有气体化合物的结构五、稀有气体化合物的结构1.1.杂化轨道法杂化轨道法Xe:nsXe:ns2 2npnp6 6 ns ns2 2npnp6-x6-xndndx xXeFXeF2 2 ,x=1,sp,x=1,sp3 3d d杂化（三角双锥），直线型。杂化（三角双锥），直线型。XeFXeF4 4 ,x=2,sp ,x=2,sp3 3d d2 2杂化（八面体），四边形。杂化（八面体），四边形。XeFXeF6 6 ,x=3,sp,x=3,sp3 3d d3 3杂化，变形八面体。杂化，变形八面体。4/14/20224/14/202221212.2.价层电子对互斥理论价层电子对互斥理论 价层电子对及构型价层电子对及构型 分子构型分子构型 XeFXeF2 2 5 5 三角双锥三角双锥 直线直线 XeFXeF4 4 6 6 八面体八面体 平面正方形平面正方形XeFXeF6 6 7 - 7 - 变形八面体变形八面体