無機(jī)化學(xué)電子教案.ppt課件

1、第5章 氫和稀有氣體Chapter 5 Hydrogen and Rare Gas無機(jī)化學(xué)基本內(nèi)容和重點(diǎn)要求 掌握氫的成鍵特征、氫的性質(zhì)和用途,掌握稀有氣體單質(zhì)、化合物的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),了解稀有氣體的發(fā)現(xiàn)。 5.1 氫 5.2 稀有氣體5.1.1 氫在自然界中的分布5.1.2 氫的成鍵特征5.1.3 氫的性質(zhì)和用途5.1.4 氫的制備5.1.5 氫化物5.1.6 氫能源 5.1 氫5.1.1 氫在自然界中的分布 （了解） 地殼外層三界（大氣、水、巖石）:絕大部分以化合物形式存在，原子百分比占17%，僅次于氧排第二位。 整個(gè)宇宙充滿了氫: 是太陽和木星大氣的主要成份，原子百分比分別為81.75%

2、和82%。(1) 氫是宇宙中最豐富的元素中文名英文名稱表示方法符號(hào)豐度說明氕(音撇) protium1HH99.98%穩(wěn)定同位素氘(音刀) deuterium2HD0.016%穩(wěn)定同位素氚(音川) tritium3HT極低放射性同位素(2) 氫的同位素人造同位素可制 31H 三種同位素核外均 1e，故化學(xué)性質(zhì)相似，但質(zhì)量相差較大，導(dǎo)致了它們的單質(zhì)、化合物在物理性質(zhì)上的差異 。 H2： b.p: 20.2 K， D2： b.p: 23.3 K H2O： b.p: 373 K， D2O： b.p: 374.2 K 5.1.2 氫的成鍵特征 由于氫的電子結(jié)構(gòu): 1s1 ，且電負(fù)性為x = 2.2，所

3、以它與其他元素的原子化合時(shí)，有以下幾種成鍵情況:（1）形成離子鍵KH ,NaH ,CaH2 .離子型氫化物（2）形成共價(jià)鍵形成非極性共價(jià)鍵。如H2單質(zhì)。形成極性共價(jià)鍵。與非金屬元素的原子化合，HCl等。（3）獨(dú)特的鍵型 氫原子可以填充到許多過渡金屬晶格的空隙中，形成一類非整比化合物，一般稱之為金屬氫化物。如ZrH1.75和LaH2.78。在硼氫化合物（如B2H6）和某些過渡金屬配合物中均以氫橋鍵存在。B利用sp3雜化軌道，與氫形成三中心兩電子鍵。（氫橋）氫鍵：在含有強(qiáng)極性鍵的共價(jià)氫化物中（例H2O，HF，HCl，NH3中）易形成分子間或分子內(nèi)氫鍵。5.1.3 氫的性質(zhì)和用途（1）單質(zhì)氫物理性質(zhì)

4、 HH：無色無臭氣體。273K時(shí)， 1 dm3水溶解0.02 dm3 H2。分子量最小。分子間作用力弱，所以難液化，20 K時(shí)才液化。密度最小， 故常用來填充氣球。74pm HH D = 436 KJ/mol，比一般單鍵高，接近雙鍵離解能。所以常溫下惰性，但特殊條件下反應(yīng)迅速進(jìn)行?；瘜W(xué)性質(zhì)H2 + F2 2HF （低溫，暗處，爆炸，激烈）H2 + Cl2 2HCl （h光照，點(diǎn)燃，才能反應(yīng)）H2 + Br2 2HBr （h光照，點(diǎn)燃，才能反應(yīng)）H2 + I2 2HI (高溫反應(yīng)，且可逆）與鹵素反應(yīng) 2H2 + O2 2H2OH2在O2中安全燃燒生成H2O，溫度可達(dá)3273K，故可切割和焊接金屬

5、。 與氧反應(yīng)爆炸混合物H2 ：O2 = 2 ：1（體積比）， 或H2含量：667% （氫氣空氣混合物）CuO + H2 H2O + Cu （加熱）Fe3O4 + 4H2 4H2O + 3Fe （加熱） WO3 + 3H2 3H2O + W （加熱）TiCl4 + 2H2 4HCl + Ti （加熱）與金屬氧化物、鹵化物反應(yīng)制高純金屬 CO + 2H2 CH3OH CH2=CH2 + H2 CH3CH3有機(jī)反應(yīng)與CO、不飽和烴反應(yīng)高溫下 ，制離子型氫化物方法 2Na + H2 2Na H Ca + H2 Ca H2與活潑金屬反應(yīng)結(jié)論：H2的化學(xué)性質(zhì)以還原性為主要特征。（2）原子氫 (了解，自學(xué)）

6、H2 2 H （電弧或低壓放電）H僅存在半秒鐘，又結(jié)合為H2，放熱。1. 制備原子氫焰：將原子氫流通向金屬表面，則形成H2時(shí)放熱，可達(dá)4273K高溫，用于焊接高熔點(diǎn)金屬。2. 應(yīng)用As + 3H AsH3 S + 2H H2S3. 化學(xué)性質(zhì)：強(qiáng)還原性與Ge、Sn、As、Sb、S直接反應(yīng)：還原金屬氧化物和鹵化物CuCl2 + 2H 2HCl + Cu還原金屬含氧酸鹽BaSO4 + 8H BaS + 4H2O 5.1.4 氫的制備1. Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2 （1）實(shí)驗(yàn)室法Zn中常含有雜質(zhì)Zn3P2，Zn3As2，ZnS等，它們與酸反應(yīng)分別產(chǎn)生PH3，AsH3，H2S氣體混雜在

7、氫氣中。H2S +NaOH = Na2S + H2O5AsH3 +8MnO4- +24H+ = 5H3AsO4+8Mn2+ +12H2OPH3 +8CuSO4 + 4H2O = H3PO4 + 4H2SO4 + 4Cu2SO43Cu2SO4 + 2PH3 = 3H2SO4 + 2Cu3P3Cu2SO4 + 2PH3 +4H2O = H3PO4 + 4H2SO4 +8Cu雜質(zhì)除去（2）工業(yè)制備法 (了解，自學(xué)）陰極 2H2O +2e- H2 + 2OH-陽極 4OH- O2 + 2H2O +4e-2. 電解法1. 氯堿工業(yè)制 H2陰極：2H2O + 2e H2+ 2OH陽極： 2Cl - 2e

8、Cl2C（赤熱） + H2O（g） H2 + CO水煤氣直接做工業(yè)燃料。 1273K2. C還原水蒸氣CO + H2 + H2O（g） CO2 + 2H2紅熱Fe2O3純化 H22106Pa（20 atm），水洗去CO2 H2（純）。C2H6（g） CH2=CH2 + H2（直接合成氨)4. 烷烴脫H23. 甲烷催化分解或水蒸氣轉(zhuǎn)化CH4 C + 2H2 CH4 + H2O CO + 3H2cat, 1273cat, 1073-1173 Si +2NaOH（aq）+ H2O 2H2 + Na2SiO3 Si (s) +2NaOH (s) +Ca(OH)2 (s) 2H2+ Na2SiO3+Ca

9、O（3）野外生氫 H2Li Be B C N O FNa Mg Al Si P S ClK 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 ICs Ba La Hf Ta W Ir Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At5.1.5 氫化物離子型氫化物金屬型氫化物共價(jià)型氫化物氫與其它元素形成的二元化合物叫氫化物H2與 IA、IIA（除Be）生成的氫化物，H（1）離子型氫化物2M + H2 2MH（M：A） NaCl晶型 M + H2 MH

10、2（ M：A） 金紅石型、TiO2晶型 具有離子型晶體的共性，熔沸點(diǎn)高，常溫下白色鹽狀晶體，熔化能導(dǎo)電，不 溶于非水溶劑，可溶于熔化的NaCl晶體中。 H存在的證明：電解溶于NaCl的離子型氫化物溶液。陽極：2H H2+ 2e 陽極有氫氣生成，證實(shí)含H 。 1. 物理性質(zhì)2. 化學(xué)性質(zhì)TiCl4 + 4NaH 4NaCl + Ti + 2H2UO2 + CaH2 Ca(OH)2 + U2CO2 + BaH2（熱） Ba(OH)2 +2CO與水強(qiáng)烈反應(yīng)生成H2NaH（s）+ H2O 2H2 + NaOH （除去氣體或溶劑中的微量水）良好的強(qiáng)還原劑：高溫還原B2H6 + 2LiH 2LiBH4Al

11、Cl3 + 4LiH LiAlH4 +3LiClLiAlH4 + H2O LiOH + Al(OH)3 +4H2(野外生氫劑)非水溶劑中，與缺電子化合物反應(yīng)生成復(fù)合氫化物。Et2OEt2O Cu、Zn、BB、B：Cr、族。Pd、Ni可與 H2生成穩(wěn)定的松散氫化物。 Pt:任何條件下不生成氫化物，但鉑或鎳在表面與H2形成吸附氫化物，從而使Pt在加H2催化中起很重要的作用。 (2) 金屬型（過渡型）氫化物 (了解，自學(xué)）具有金屬外觀特征，有光澤，能導(dǎo)電。加熱 H原子逸出可得高純H2。組 成整 比：PdH、CrH2、ZnH2；非整比：LaH2.87、VH0.56等。物理性質(zhì)d, f 區(qū)元素形成的氫化

12、物1. 缺電子氫化物 B2H6：B中心原子未滿足8e，有2個(gè)3C2e鍵。（3）分子型氫化物 (了解，自學(xué)） P區(qū)元素（除稀有氣體、In、Tl）,在一定條件下均與H2生成分子型氫化物。根據(jù)Lewis結(jié)構(gòu)中的電子數(shù)或鍵數(shù)的差異，有三種形式：2. 滿電子氫化物： CH4及同族氫化物，中心原子價(jià)電子全部成鍵，無剩余非鍵電子。3. 富電子氫化物： NH3、H2O、HF及同族氫化物，中心原子成鍵后有剩余的孤對(duì)電子未參與成鍵，其分子結(jié)構(gòu)可用VSEPR規(guī)則推測。 C、Ge、Sn、P、Sb、As等氫化物不與H2O反應(yīng)；1. 物理性質(zhì) 屬分子晶體，具有分子型氫化物的共性，mp、bp低，常溫下大多數(shù)為氣體。氣態(tài)、固

13、態(tài)、熔化時(shí)不導(dǎo)電。2. 化學(xué)性質(zhì)共價(jià)鍵極性差別大，化性復(fù)雜：僅與H2O反應(yīng)為例說明。 C、Ge、Sn、P、Sb、As等氫化物不與H2O反應(yīng)；與H2O反應(yīng)的氫化物情況各不相同。硅氫化物與H2O反應(yīng)生成H2 SiH4 + 4H2O 4H2 + H4SiO4NH3與H2O加合并電離： NH3 + H2ONH3H2O NH4+ + OHH2S、H2Se、H2Te、HF在水中溶解并弱酸式電離: H2S H+ +HS HS H+ +S2HCl、HBr、HI在水中溶解并強(qiáng)酸式電離 HX H+ + X （X = Cl、Br、I）這些氫化物具有還原性，同族從上到下還原性增強(qiáng)，酸性增強(qiáng)。 5.1.6 氫能源 1

14、Kg H2完全燃燒放熱120918KJ，故是高能燃料，無污染、環(huán)保型燃料。目前有關(guān)氫能源研究，存在著三大課題：發(fā)生、儲(chǔ)存、利用。（1）發(fā)生 從能量的觀點(diǎn)看，利用太陽能光解海水最適宜。目前的研究均以過渡金屬配合物為催化劑，光解海水遠(yuǎn)未達(dá)到生產(chǎn)規(guī)模。三(2,2聯(lián)吡啶) 合釕()(2a) 2a*(已活化)h光能 2a 既是電子給予體，又是電子接受體，在光能的激發(fā)下，可以向水分子轉(zhuǎn)移電子，使 H+ 變?yōu)?H2 放出。從海水中制氫美國Michigan州立大學(xué)H. Ti Tien教授的裝置H2(g)海 水Fe( ),Fe()電解質(zhì)溶液硒化鎘半導(dǎo)體鎳箔可見光海水制氫的裝置示意圖 生物分解水制氫 生物體分解水

15、不需要電和高溫，科學(xué)家們?cè)噲D修改光合作用的過程來完成這一技術(shù)。小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)已成功。 LaNi5 + 3 H2 LaNi5H6(2-3)X105Pa微熱 LaNi5合成方便，價(jià)格低，空氣中穩(wěn)定，儲(chǔ)氫量大，很有發(fā)展前途。180- 200 ml H2/g.（2) 儲(chǔ)存（3) 利用 目前已實(shí)驗(yàn)成功用氫作動(dòng)力的汽車，并投入實(shí)用；氫作為航天飛機(jī)的燃料已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，有的航天飛機(jī)的液態(tài)氫儲(chǔ)罐存有近1800 m3的液態(tài)氫。 對(duì)于使用氫能源最近也有一些反面的看法 氫燃料被譽(yù)為清潔燃料而大行其道，并有取代礦物燃料的態(tài)勢(shì)，但發(fā)表在2004年6月13日美國科學(xué)雜志上的一篇論文卻提出異議：氫燃料的大力推廣和使用，會(huì)加大對(duì)

16、可有效防止地球遭受紫外線輻射的臭氧層的損害。儲(chǔ)存問題15Km50KmO3大氣層UV射線5.2.1 歷史的回顧 5.2.2 通性和用途 5.2.3 自然界中的分布和從空氣中分離5.2.4 化合物 5.2.5 稀有氣體化合物結(jié)構(gòu)5.2 稀有氣體5.2.1 歷史回顧 （自學(xué)） 稀有氣體位于周期表的零族：He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn（放射）。18941900年間被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。英國物理學(xué)家萊姆塞（Ramsay）， 1894年，“第三位小數(shù)的勝利” 空氣分餾氮： 1.2572 gL-1 化學(xué)法制備氮：1.2505 gL-1空氣除去O2和N2后的剩余氣體不同任何氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但在放電管中發(fā)出特殊的輝

17、光。 Ar（不活潑） 1895年，他們又發(fā)現(xiàn)了He 1898年又陸續(xù)從空氣中分離出Ne、Kr、Xe。1900年在某些放射性礦物中發(fā)現(xiàn)了Rn。至此0族元素全部發(fā)現(xiàn)，由于惰性被命名為“惰性氣體”。1904年由于Ramsay小組發(fā)現(xiàn)了稀有氣體并確定了他們?cè)谥芷诒碇械奈恢?，獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。價(jià)層電子結(jié)構(gòu)1s2，ns2np6穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；電子親合能接近零，電離能很高，一般情況下穩(wěn)定。由于以單原子狀態(tài)存在，故原子間僅存在微弱的范德華力，故蒸發(fā)熱小，在水中溶解度小。5.2.2. 通性和用途（了解、自學(xué)）(1) 通性稀有氣體單原子分子。He是所有氣體中最難液化的，Tc = 5.5 K；He在2.2 K以下具有超

18、導(dǎo)性，He不能在常壓下固化。(2) 用途氦：不燃燒，密度小，可用來代替氫氣充填氣球。 氖：用于制造氖燈或儀器中的指示燈。 氪和氙：熱傳導(dǎo)系數(shù)小，填充燈泡；同位素用來測量腦血流量和研究肺功能、計(jì)算胰島素分泌量。氙“人造小太陽”。氬：熱傳導(dǎo)系數(shù)小，用于充填電燈泡，防氧化。 5.2.3 自然界中的分布和從空氣中分離（自學(xué)）(1) 自然界中的分布 存在于接近地球表面的空氣中，1000 dm3空氣中：9.3 dm3 Ar，18 cm3 Ne，5 cm3 He，1 cm3 Kr，0.8 cm3 Xe。(2) 空氣中分離 空氣液化精餾，用活性銅除去少量氧，用灼熱的Mg Ca Al除去氮，得到稀有氣體。再通過

19、它們?cè)诜悬c(diǎn)和吸附能力上的差別分離出每種稀有氣體 He是最難液化的氣體。5.2.4 化合物第一個(gè)化合物: XePtF6，(紅色晶體, Battlett，1962年）思路：已合成 O2PtF6 （1）氙的氟化物的合成和性質(zhì)Xe + F2 XeF2（g）， 673K，1.03X10-5pa， K1 = 8.79104Xe + 2F2 XeF4（g)（Xe ：F2=1：5）， 873K，6.19X10-5 pa, K2 = 1.07108Xe +3F2 Xe F6（g）（Xe ：F2 = 1：20）， 573K，6.19X10-5 pa， K3 = 1.011081. 合成 Windosill合成：X

20、e 和F2放入干燥的玻璃管中日光照射。 在鎳制容器中直接合成Xe + 2F XeF2 ，緩慢生成美麗的XeF2晶體。 XeF2 + 2I Xe + I2 + 2FXeF2 + H2 Xe + 2HFXeF4 + 2H2 Xe + 4HF XeF4 + 4Hg Xe + 2Hg2F2XeF4(s) + Pt(s) Xe(g) + PtF4(s)2. 氟化物的性質(zhì) 都是強(qiáng)氧化劑 都與水反應(yīng)XeF2 + H2O Xe +2HF + 1/2O2 (稀酸中緩慢, 稀堿中快速)XeF4與水歧化: 6XeF4 +12H2O 4Xe + 24HF + 3O2 + 2XeO3 XeF6與水猛烈反應(yīng): 不完全水解: XeF6 + H2O XeOF4 + 2HF 完全水解: XeF6 + 3H2O XeO3 + 6HFXeF6 + 3C6H6 3C6H5F + 3HF + XeXeF2 + IF5 Xe + IF