無機化學電子教案

無機化學電子教案第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六基本內(nèi)容和重點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,了解稀有氣體的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

5.1氫§

5.2稀有氣體第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六5.1.1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氫第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六5.1.1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%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)氫的同位素第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六人造同位素可制31H三種同位素核外均1e，故化學性質(zhì)相似，但質(zhì)量相差較大，導致了它們的單質(zhì)、化合物在物理性質(zhì)上的差異。H2：b.p:20.2K，D2：b.p:23.3KH2O：b.p:373K，D2O：b.p:374.2K第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六5.1.2

氫的成鍵特征由于氫的電子結(jié)構(gòu):1s1

，且電負性為x=2.2，所以它與其他元素的原子化合時，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）形成共價鍵形成非極性共價鍵。如H2單質(zhì)。形成極性共價鍵。與非金屬元素的原子化合，HCl等。第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六（3）獨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）第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六氫鍵：在含有強極性鍵的共價氫化物中（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)H——H：無色無臭氣體。273K時，1dm3水溶解0.02dm3H2。分子量最小。分子間作用力弱，所以難液化，20K時才液化。密度最小，故常用來填充氣球。74pm第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六H—HD=436KJ/mol，比一般單鍵高，接近雙鍵離解能。所以常溫下惰性，但特殊條件下反應迅速進行?；瘜W性質(zhì)H2+F2→2HF（低溫，暗處，爆炸，激烈）H2+Cl2

→2HCl（h光照，點燃，才能反應）H2+Br2

→2HBr（h光照，點燃，才能反應）H2+I2

2HI(高溫反應，且可逆）與鹵素反應第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六

2H2+O2

→2H2OH2在O2中安全燃燒生成H2O，溫度可達3273K，故可切割和焊接金屬。與氧反應爆炸混合物H2

：O2=2：1（體積比），或H2含量：6～67%（氫氣—空氣混合物）第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六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→制高純金屬第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六

CO+2H2

→

CH3OHCH2=CH2+H2

→

CH3CH3有機反應與CO、不飽和烴反應高溫下，制離子型氫化物方法2Na+H2

→

2NaHCa+H2

→

CaH2與活潑金屬反應結(jié)論：H2的化學性質(zhì)以還原性為主要特征。第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六（2）原子氫(了解，自學）H2

→2H（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時放熱，可達4273K高溫，用于焊接高熔點金屬。2.應用第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六As+3H→AsH3

S+2H→H2S3.化學性質(zhì)：強還原性與Ge、Sn、As、Sb、S直接反應：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第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六5.1.4氫的制備1.

Zn+H2SO4→ZnSO4+H2↑（1）實驗室法Zn中常含有雜質(zhì)Zn3P2，Zn3As2，ZnS等，它們與酸反應分別產(chǎn)生PH3，AsH3，H2S氣體混雜在氫氣中。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)除去第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六（2）工業(yè)制備法(了解，自學）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→Cl2↑第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六C（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H22×106Pa（20atm），水洗去CO2

→H2（純）。第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六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CH4C+2H2↑CH4+H2OCO+3H2cat,1273cat,1073-1173Si+2NaOH（aq）+H2O→2H2↑+Na2SiO3Si(s)

+2NaOH(s)+Ca(OH)2(s)→2H2↑+Na2SiO3+CaO（3）野外生氫H2第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六LiBeBCNOFNaMgAlSiP

SClKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBr

RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdIn

SnSbTeICsBaLaHfTaWIrOsIrPtAuHgTlPbBiPoAt5.1.5氫化物離子型氫化物金屬型氫化物共價型氫化物氫與其它元素形成的二元化合物叫氫化物第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六H2與IA、IIA（除Be）生成的氫化物，H—（1）離子型氫化物2M+H2

2MH（M：ⅠA）NaCl晶型M+H2MH2（M：ⅡA）金紅石型、TiO2晶型具有離子型晶體的共性，熔沸點高，常溫下白色鹽狀晶體，熔化能導電，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，證實含H—

。1.物理性質(zhì)第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六2.化學性質(zhì)TiCl4+4NaH→4NaCl+Ti+2H2↑UO2+CaH2

→Ca(OH)2+U2CO2+BaH2（熱）→Ba(OH)2+2CO與水強烈反應生成H2NaH（s）+H2O→2H2↑+NaOH（除去氣體或溶劑中的微量水）良好的強還原劑：高溫還原第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六B2H6+2LiH2LiBH4AlCl3+4LiHLiAlH4+3LiClLiAlH4+H2OLiOH+Al(OH)3+4H2↑(野外生氫劑)非水溶劑中，與缺電子化合物反應生成復合氫化物。Et2OEt2O

Cu、Zn、ⅢB→ⅤB、ⅥB：Cr、Ⅷ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）第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六具有金屬外觀特征，有光澤，能導電。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)第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六d,f

區(qū)元素形成的氫化物第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六1.缺電子氫化物B2H6：B中心原子未滿足8e，有2個3C—2e鍵。（3）分子型氫化物(了解，自學）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：第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六2.滿電子氫化物：CH4及同族氫化物，中心原子價電子全部成鍵，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電子未參與成鍵，其分子結(jié)構(gòu)可用VSEPR規(guī)則推測。第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六C、Ge、Sn、P、Sb、As等氫化物不與H2O反應；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)、固態(tài)、熔化時不導電。2.化學性質(zhì)共價鍵極性差別大，化性復雜：僅與H2O反應為例說明。第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六C、Ge、Sn、P、Sb、As等氫化物不與H2O反應；與H2O反應的氫化物情況各不相同。硅氫化物與H2O反應生成H2SiH4+4H2O4H2↑+H4SiO4NH3與H2O加合并電離：

NH3+H2O→NH3·H2O→NH4++OH—第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六H2S、H2Se、H2Te、HF在水中溶解并弱酸式電離:H2SH++HS—HS—

H++S2—HCl、HBr、HI在水中溶解并強酸式電離HXH++X—（X—=Cl—、Br—、I—）第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六這些氫化物具有還原性，同族從上到下還原性增強，酸性增強。第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六5.1.6氫能源1KgH2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、儲存、利用。（1）發(fā)生從能量的觀點看，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，光解海水遠未達到生產(chǎn)規(guī)模。第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六三(2,2’—聯(lián)吡啶)合釕(Ⅱ)(2a)2a*(已活化)hν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)镠2放出。第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六從海水中制氫美國Michigan州立大學H.TiTien教授的裝置H2(g)海水Fe(Ⅱ),Fe(Ⅲ)電解質(zhì)溶液硒化鎘半導體鎳箔可見光海水制氫的裝置示意圖第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六●生物分解水制氫

生物體分解水不需要電和高溫，科學家們試圖修改光合作用的過程來完成這一技術(shù)。小規(guī)模的實驗已成功。

LaNi5+3H2LaNi5H6(2-3)X105Pa微熱

LaNi5合成方便，價格低，空氣中穩(wěn)定，儲氫量大，很有發(fā)展前途。180-200mlH2/g.（2)儲存第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六（3)利用目前已實驗成功用氫作動力的汽車，并投入實用；氫作為航天飛機的燃料已經(jīng)成為現(xiàn)實，有的航天飛機的液態(tài)氫儲罐存有近1800m3的液態(tài)氫。

第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六對于使用氫能源最近也有一些反面的看法氫燃料被譽為清潔燃料而大行其道，并有取代礦物燃料的態(tài)勢，但發(fā)表在2004年6月13日美國《科學》雜志上的一篇論文卻提出異議：氫燃料的大力推廣和使用，會加大對可有效防止地球遭受紫外線輻射的臭氧層的損害。儲存問題第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六15Km50KmO3大氣層UV射線第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六5.2.1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稀有氣體第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六5.2.1歷史回顧（自學）稀有氣體位于周期表的零族：He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn（放射）。1894~1900年間被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。英國物理學家萊姆塞（Ramsay），1894年，“第三位小數(shù)的勝利”空氣分餾氮：1.2572g·L-1化學法制備氮：1.2505g·L-1空氣除去O2和N2后的剩余氣體不同任何氣體發(fā)生化學反應，但在放電管中發(fā)出特殊的輝光。Ar（不活潑）

第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六1895年，他們又發(fā)現(xiàn)了He1898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在周期表中的位置，獲得了諾貝爾化學獎。第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六價層電子結(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）(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=5.5K；He在2.2K以下具有超導性，He不能在常壓下固化。第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六(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、計算胰島素分泌量。氙“人造小太陽”。氬：熱傳導系數(shù)小，用于充填電燈泡，防氧化。第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六5.2.3自然界中的分布和從空氣中分離（自學）(1)自然界中的分布存在于接近地球表面的空氣中，1000dm3空氣中：9.3dm3Ar，18cm3Ne，5cm3He，1cm3Kr，0.8cm3Xe。(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MgCaAl除去氮，得到稀有氣體。再通過它們在沸點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。第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六5.2.4化合物第一個化合物:

XePtF6，(紅色晶體,Battlett，1962年）思路：已合成O2[PtF6]

第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六（1）氙的氟化物的合成和性質(zhì)Xe+F2

→XeF2（g），673K，1.03X10-5pa，K1=8.79ⅹ104Xe+2F2

→XeF4（g)（Xe：F2=1：5），873K，6.19X10-5pa,K2=1.07ⅹ108Xe+3F2

→XeF6（g）（Xe：F2=1：20），573K，6.19X10-5pa，

K3=1.01ⅹ1081.合成Windosill合成：Xe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。

第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六XeF2+2I—

→Xe+I2+2F—XeF2+H2

→Xe+2HFXeF4+2H2

→Xe+4HFXeF4+4Hg→Xe+2Hg2F2XeF4(s)

+Pt(s)→Xe(g)+PtF4(s)2.氟化物的性質(zhì)都是強氧化劑第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六都與水反應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:不完全水解:XeF6+H2O→XeOF4+2HF

完全水解:XeF6+3H2O→XeO3+6HF第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期六XeF6+3C6H6→3C6H5F+3HF+XeXeF2+IF5

→Xe+IF7XeF4+2CF3CF=CF5

→Xe+2CF3CF2CF3XeF4+2SF4

→Xe+2SF62XeF6+SiO2

→2XeOF4+SiF4(盛氟化氙的容器不能是石英器皿)均為優(yōu)良且溫和的氟化劑第49頁，共56頁，2023年，2月20日，