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内蒙古民族大学无机化学吉大武大版第18章氢和稀有气体市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx
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1、精品课程精品课程第十八章第十八章 氢和稀有气体氢和稀有气体第1页18-1氢氢 1-1氢在自然界分布氢在自然界分布:1.氢是宇宙中最丰富元素氢是宇宙中最丰富元素 地壳三界(大气、水、岩石)地壳三界(大气、水、岩石):以化合物形式存在,原子百分比以化合物形式存在,原子百分比:17%,仅次于氧,仅次于氧,排第二位。排第二位。整个宇宙充满了氢整个宇宙充满了氢:是太阳大气主要成份是太阳大气主要成份:原子百分比原子百分比:81.75%是木星大气主要成份是木星大气主要成份:原子百分比原子百分比:82%第2页2.氢同位素氢同位素(Isotopesofhydrogen)汉字名汉字名英文名称英文名称表示方法表示方
2、法符号符号说明说明氕氕*(音撇音撇)protium1HH稳定同位素稳定同位素氘氘(音刀音刀)deuterium2HD稳定同位素稳定同位素氚氚(音川音川)tritium3HT放射性同放射性同位素位素 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 又叫又叫“重氢重氢”.”.氕氕H:丰度最大丰度最大,原子百分比原子百分比:99.98%氘氘D:丰度可变。平均原子百分比丰度可变。平均原子百分比:0.016%氚氚T:放射性同位素。在大气层放射性同位素。在大气层,宇宙射线裂变宇宙射线裂变产物中产物中1021个氢原子中只含有一个个氢原子中只含有一个第3页
3、3.制备制备利利用用重重水水与与水水差差异异,富富集集重重水水,再再以以任任一一个个从从水水中制中制H2方法从方法从D2O中取得中取得D。慢中子轰击锂产生慢中子轰击锂产生氕氕(11H)是是丰丰度度最最大大氢氢同同位位素素,占占99.9844%;同同位位素素21H叫叫氘氘,占占0.0156%。氚氚(31H)存存在在于于高高层层大大气气中中,它是来自外层空间中子轰击它是来自外层空间中子轰击N原子产生:原子产生:我国首座重水堆核电站我国首座重水堆核电站秦山核电站用上国产核燃料秦山核电站用上国产核燃料第4页:三种同位素,核外都有三种同位素,核外都有1个电子,所以化学性质相个电子,所以化学性质相同,但质
4、量同,但质量1,2,3相差较大,所以造成了它们单质,相差较大,所以造成了它们单质,化合物物理性质上差异。化合物物理性质上差异。H2b.p:20.2D2b.p:23.3 1-2氢成键特征氢成键特征 因为氢电子结构为因为氢电子结构为1s1电负性为电负性为x=2.2,所以,所以它与其它元素原子化合时,有以下几个成键情况它与其它元素原子化合时,有以下几个成键情况:(1)形成离子键)形成离子键:如如KH,NaH,CaH2等。在离子型等。在离子型氢化物中氢氧化态为负氢化物中氢氧化态为负1。第5页(2)形成共价键形成共价键:a.形成非极性共价键形成非极性共价键:如如H2单质,表现单质,表现0氧化态。氧化态。
5、b.形成极性共价键形成极性共价键:与非金属元素原子化合与非金属元素原子化合:HCl,HBr,H2O等,表现为等,表现为+1氧化态。氧化态。(3)独特键型独特键型 a.氢原子能够填充到许多过渡金属晶格空隙中,氢原子能够填充到许多过渡金属晶格空隙中,b.形成一类非整比化合物形成一类非整比化合物,普通称之为金属氢化普通称之为金属氢化物。物。c.例例:ZrH1.75和和LaH2.78 b.在硼氢化合物在硼氢化合物(如(如B2H6)和和一些过渡金属配合一些过渡金属配合 物中均以氢桥键存在。物中均以氢桥键存在。第6页氢键:氢键:在含有强极性键共价氢化物中(例在含有强极性键共价氢化物中(例H2O,HF,HC
6、l,NH3中)因为氢原子与一个电负性中)因为氢原子与一个电负性很强原子相结合,共用电子对强烈偏向电负很强原子相结合,共用电子对强烈偏向电负性强原子使氢变成近乎裸露性强原子使氢变成近乎裸露H+,能够与另,能够与另一个电负性高,有孤对电子原子形成氢键。一个电负性高,有孤对电子原子形成氢键。1-3氢性质和用途氢性质和用途(1)单质氢单质氢a.物理性质物理性质 HH:共价键长为共价键长为 74pm,无色无臭气体。,无色无臭气体。273K时,时,1dm3水溶解水溶解0.02dm3H2。分子量最小。分子量最小。分子间作用力弱,所以难液化,分子间作用力弱,所以难液化,20K时才液化。时才液化。密度最小,密度
7、最小,故惯用来填充气球。故惯用来填充气球。第7页b.化学性质化学性质:HHD=436KJ/mol比普通单键高,靠近双键离比普通单键高,靠近双键离解能。常温下惰性,但特殊条件下反应能快速进行。解能。常温下惰性,但特殊条件下反应能快速进行。(1)与卤素反应:)与卤素反应:H2+F22HF(低温,暗处,爆炸,激烈)(低温,暗处,爆炸,激烈)H2+Cl22HCl(光照,点燃,才能反应)(光照,点燃,才能反应)H2+Br22HB(光照,点燃,才能反应)(光照,点燃,才能反应)H2+I22HI(高温反应,且可逆)高温反应,且可逆)(2)与氧反应:)与氧反应:2H2+O22H2OH2在在O2中安全燃烧生成中
8、安全燃烧生成H2O,温度可,温度可3273K,可切、焊金属。可切、焊金属。第8页易形成爆炸混合物:易形成爆炸混合物:H2:O2=2:1(体积比)(体积比)或或H2含量:含量:667%(氢气(氢气空气混合物)空气混合物)(3)与金属氧化物、卤化物反应(制备高纯金属)与金属氧化物、卤化物反应(制备高纯金属)CuO+H2H2O+Cu(加热)(加热)Fe3O4+4H24H2O+3Fe(加热)(加热)WO3+3H23H2O+W(加热)(加热)TiCl4+2H24HCl+Ti(加热)(加热)第9页(4)与)与CO、不饱和烃反应:、不饱和烃反应:CO+2H2CH3OHCH2=CH2+H2CH3CH3 (5)
9、与活泼金属反应:(制离子型氢化物方法)与活泼金属反应:(制离子型氢化物方法)高温下高温下:2Na+H22NaHCa+H2CaH2结论:结论:H2化学性质以还原性为主要特征。化学性质以还原性为主要特征。第10页 1-4氢制备:氢制备:1.试验室制法:试验室制法:(1)Zn+2HClZnCl2+H2(2)电解法:)电解法:25%KOH或或NaOH电解液:电解液:阴极:阴极:2H2O+2eH2+2OH-阳极:阳极:4OH-4eO2+2H2O 2.工业制备法:工业制备法:(1)氯碱工业制氯碱工业制H2:电解饱和食盐水:电解饱和食盐水:阴极:阴极:2H2O+2eH2+2OH-阳极:阳极:2Cl-2eCl
10、2(2)C还原水蒸气:还原水蒸气:C(赤热)(赤热)+H2O(g)H2+CO(水煤气)直接做工业燃料,民用管道煤气(水煤气)直接做工业燃料,民用管道煤气。第11页 为了制氢,必须分离出为了制氢,必须分离出CO。可将水煤气连同水。可将水煤气连同水蒸气一起经过红热氧化铁催化剂,蒸气一起经过红热氧化铁催化剂,CO变成变成CO2,然,然后在后在2106Pa(20atm)下,用水洗涤)下,用水洗涤CO2和和H2混混合气体,使合气体,使CO2溶于水而分离出溶于水而分离出H2。(3)甲烷催化分解或水蒸气转化:)甲烷催化分解或水蒸气转化:CH4C+2H2CH4+H2OCO+3H2(4)烷烃脱)烷烃脱H2:C2
11、H6(g)CH2=CH2+H2(直接合成氨(直接合成氨)第12页 3.野外生氢野外生氢H2:Si+2NaOH(aq)+H2O2H2+Na2SiO3Si(s)+2NaOH(s)+Ca(OH)2(s)2H2+Na2SiO3+Ca 4.配合催化太阳能分解水配合催化太阳能分解水 三三(2,2联吡啶联吡啶)合钌合钌()(2a)光能光能2a*(已活已活化化)2a既是电子给予体,又是电子接收体,在光能激发下,能够向水分子既是电子给予体,又是电子接收体,在光能激发下,能够向水分子转移电子,使转移电子,使H+变为变为H2放出。放出。最近,日本有些人把太阳能电池板与水电解槽连接在一起,电解部分材最近,日本有些人把
12、太阳能电池板与水电解槽连接在一起,电解部分材料在产生氢气一侧使用钼氧化钴,产生氧气一侧则使用镍氧化钴。使用料在产生氢气一侧使用钼氧化钴,产生氧气一侧则使用镍氧化钴。使用1平平方米太阳能电池板和方米太阳能电池板和100毫升电解溶液,每小时可制作氢气毫升电解溶液,每小时可制作氢气20升,纯度为升,纯度为99.9%。第13页第14页 1-5氢化物:氢化物:氢与其它元素形成二元化合物叫氢化物。氢与其它元素形成二元化合物叫氢化物。周期表中除稀有气体外,其它大多数元素均可与氢周期表中除稀有气体外,其它大多数元素均可与氢直接或间接形成氢化物。依据元素电负性不一样,氢直接或间接形成氢化物。依据元素电负性不一样
13、,氢化物分三种类型:化物分三种类型:(1)离子型氢化物()离子型氢化物(Saline hydrides)H2与与A、A(除(除Be)生成氢化物,氢氧化态为负)生成氢化物,氢氧化态为负1。2M+H22MH(M:A)NaCl晶型晶型M+H2MH2(M:A)金红石()金红石(TiO2)第15页a.a.物理性质:物理性质:含有离子型晶体共性,熔沸点高,常温下白色含有离子型晶体共性,熔沸点高,常温下白色盐状晶体,熔化能导电,不溶于非水溶剂,可盐状晶体,熔化能导电,不溶于非水溶剂,可溶于熔化溶于熔化NaClNaCl晶体中。晶体中。H-半径在半径在126pm(LiH)与与154pm(CsH)之间,之间,如此
14、大改变幅度说明原子查对核外电子控制较如此大改变幅度说明原子查对核外电子控制较松弛。松弛。H-与与X-所带电荷相同,半径介于所带电荷相同,半径介于F-与与Cl-间,间,所以才显示出所以才显示出NaCl型。型。H-存在主要化学证据:电解其与碱金属熔融物,存在主要化学证据:电解其与碱金属熔融物,阳极放阳极放H2:2H-H2+2e-与水反应实质是与水反应实质是:H-+H2OOH-+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。第16页还原性强还原性强b.化学化学性质性质猛烈水解猛烈水解氢化钙氢化钙猛烈水解猛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
15、水解+4H2O第17页 在非水溶剂中,与缺电子化合物反应生成复合氢化物在非水溶剂中,与缺电子化合物反应生成复合氢化物 B2H6+2LiH2LiBH4AlCl3+4LiHLiAlH4+3LiClLiAlH4+H2O=LiOH+Al(OH)3+4H2(野外生氢剂(野外生氢剂)(2)金属型(过渡型)氢化物金属型(过渡型)氢化物(Metallic hydrides)Cu、Zn、BB、B:Cr、族:族:Pd、Ni可与可与H2生成稳定涣散氢化物。生成稳定涣散氢化物。a.组组成成:整比:整比:PdH、CrH2、ZnH2非整比:非整比:LaH2.87、VH0.56等等b.物理性质物理性质:含有金属外观特征,有
16、光泽,能导电。含有金属外观特征,有光泽,能导电。加热加热H原子逸出可得高纯原子逸出可得高纯H2。第18页(1)大部分是用单质直接化合方法制备大部分是用单质直接化合方法制备(2)都有金属电传导性和显有其它金属性质如磁性都有金属电传导性和显有其它金属性质如磁性(3)过渡金属吸氢后往往发生晶格膨胀,产物密度过渡金属吸氢后往往发生晶格膨胀,产物密度比母体金属大比母体金属大(4)成键理论成键理论氢以原子状态存在于金属晶格中氢以原子状态存在于金属晶格中以以H+存在于氢化物中存在于氢化物中,氢将电子供入化合物导带中。氢将电子供入化合物导带中。氢以氢以H-形式存在,每个氢原子从导带取得形式存在,每个氢原子从导
17、带取得1个电子。个电子。(5)金属金属Pt含有催化作用含有催化作用能够被解释为表面能够被解释为表面Pt原子形成原子形成PtH键键焓大得键键焓大得足以使键断开,却不足以赔偿足以使键断开,却不足以赔偿PtPt金属键断裂所需能金属键断裂所需能量。量。第19页(7)可逆储氢材料可逆储氢材料1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,减压或加热可使其分解可使其分解2Pd+H22PdHU+3/2H2UH3减压减压,327K常况常况523K573KLaNi5+3H2LaNi5H6,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第20页(3)分子型氢化物()分子型氢化
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