无机化学电子教案.ppt课件.ppt
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1、第第5章章 氢和稀有气体氢和稀有气体Chapter 5 Hydrogen and Rare Gas无机化学基本内容和重点要求基本内容和重点要求 掌握氢的成键特征、氢的性质和用途掌握氢的成键特征、氢的性质和用途,掌握稀有气体掌握稀有气体单质、化合物的性质及结构特点单质、化合物的性质及结构特点,了解稀有气体的发现了解稀有气体的发现。5.1 氢氢 5.2 稀有气体稀有气体5.1.1 氢在自然界中的分布氢在自然界中的分布5.1.2 氢的成键特征氢的成键特征5.1.3 氢的性质和用途氢的性质和用途5.1.4 氢的制备氢的制备5.1.5 氢化物氢化物5.1.6 氢能源氢能源 5.1 氢氢5.1.1 氢在自
2、然界中的分布氢在自然界中的分布(了解)(了解)地壳外层三界(大气、水、岩石)地壳外层三界(大气、水、岩石):绝大部分以化合物形绝大部分以化合物形式存在,原子百分比占式存在,原子百分比占17%,仅次于氧排第二位。,仅次于氧排第二位。整个宇宙充满了氢整个宇宙充满了氢:是太阳和木星大气的主要成份,原子是太阳和木星大气的主要成份,原子百分比分别为百分比分别为81.75%和和82%。(1)氢是宇宙中最丰富的元素氢是宇宙中最丰富的元素中文名中文名英文名称英文名称 表示方法表示方法 符号符号 丰度丰度说明说明氕氕(音撇音撇)protium1HH99.98%稳定同位素稳定同位素氘氘(音刀音刀)deuteriu
3、m2HD0.016%稳定同位素稳定同位素氚氚(音川音川)tritium3HT极低极低放射性同位素放射性同位素(2)氢的同位素氢的同位素16340312nLiHHe人造同位素可制人造同位素可制 31H 三种同位素三种同位素核外均核外均 1e,故化学性质相似,但,故化学性质相似,但质量相差较质量相差较大大,导致了它们的单质、化合物在物理性质上的差异,导致了它们的单质、化合物在物理性质上的差异。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 氢的成键特征氢的成键特征 由于氢的电子结构由于氢的电子结构:1s1,且电负性为,
4、且电负性为x=2.2,所以它与,所以它与其他元素的原子化合时,有以下几种成键情况其他元素的原子化合时,有以下几种成键情况:(1)形成离子键)形成离子键KH,NaH,CaH2.离子型氢化物离子型氢化物(2)形成共价键)形成共价键 形成非极性共价键。如形成非极性共价键。如H2单质。单质。形成极性共价键。与非金属元素的原子化合,形成极性共价键。与非金属元素的原子化合,HCl等。等。(3)独特的键型)独特的键型 氢原子可以填充到许多过渡金属晶格的空隙中,形成一氢原子可以填充到许多过渡金属晶格的空隙中,形成一类非整比化合物,一般称之为金属氢化物。如类非整比化合物,一般称之为金属氢化物。如ZrH1.75和
5、和LaH2.78。在硼氢化合物(如在硼氢化合物(如B2H6)和某些过渡金属配合物中均以)和某些过渡金属配合物中均以氢桥键存在。氢桥键存在。B利用利用sp3杂化轨道,与氢形成杂化轨道,与氢形成三中心两电子键三中心两电子键。(氢桥)。(氢桥)HHBBHHHH 氢键:在含有强极性键的共价氢化物中(例氢键:在含有强极性键的共价氢化物中(例H2O,HF,HCl,NH3中)易形成分子间或分子内氢键。中)易形成分子间或分子内氢键。5.1.3 氢的性质和用途氢的性质和用途(1)单质氢单质氢物理性质物理性质 HH:无色无臭气体。无色无臭气体。273K时,时,1 dm3水溶解水溶解0.02 dm3 H2。分子量最
6、小。分子间作用力弱,所以难液化,。分子量最小。分子间作用力弱,所以难液化,20 K时才液化。密度最小,时才液化。密度最小,故常用来填充气球。故常用来填充气球。74pm HH D=436 KJ/mol,比一般单键高,接近双键离解,比一般单键高,接近双键离解能。所以常温下惰性,但特殊条件下反应迅速进行。能。所以常温下惰性,但特殊条件下反应迅速进行。化学性质化学性质H2 +F2 2HF (低温,暗处,爆炸,激烈)(低温,暗处,爆炸,激烈)H2 +Cl2 2HCl (h 光照,点燃,才能反应)光照,点燃,才能反应)H2 +Br2 2HBr (h 光照,点燃,才能反应)光照,点燃,才能反应)H2 +I2
7、 2HI (高温反应,且可逆)高温反应,且可逆)与卤素反应与卤素反应 2H2 +O2 2H2OH2在在O2中安全燃烧生成中安全燃烧生成H2O,温度可达,温度可达3273K,故可切割,故可切割和焊接金属。和焊接金属。与氧反应与氧反应爆炸混合物爆炸混合物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)CuO +H2 H2O +Cu (加热)(加热)Fe3O4 +4H2 4H2O +3Fe (加热)(加热)WO3 +3H2 3H2O+W (加热)(加热)TiCl4 +2H2 4HCl +Ti (加热)(加热)与金属氧化物、卤化物反应与金属氧化
8、物、卤化物反应制高纯金属制高纯金属 CO +2H2 CH3OH CH2=CH2 +H2 CH3CH3有机反应有机反应 与与CO、不饱和烃反应、不饱和烃反应高温下高温下,制离子型氢化物方法制离子型氢化物方法 2Na +H2 2Na H Ca +H2 Ca H2 与活泼金属反应与活泼金属反应结论:结论:H2的化学性质以还原性为主要特征。的化学性质以还原性为主要特征。(2)原子氢原子氢 (了解,自学)了解,自学)H2 2 H (电弧或低压放电)(电弧或低压放电)H仅存在半秒钟,又结合为仅存在半秒钟,又结合为H2,放热。,放热。1.制备制备原子氢焰:将原子氢流通向金属表面,则形成原子氢焰:将原子氢流通
9、向金属表面,则形成H2时放热,时放热,可达可达4273K高温,用于焊接高熔点金属。高温,用于焊接高熔点金属。2.应用应用As +3H AsH3 S +2H H2S3.化学性质:强还原性化学性质:强还原性 与与Ge、Sn、As、Sb、S直接反应:直接反应:还原金属氧化物和卤化物还原金属氧化物和卤化物CuCl2 +2H 2HCl +Cu 还原金属含氧酸盐还原金属含氧酸盐BaSO4 +8H BaS +4H2O 5.1.4 氢的制备氢的制备1.Zn +H2SO4 ZnSO4 +H2(1)实验室法)实验室法Zn中常含有杂质中常含有杂质Zn3P2,Zn3As2,ZnS等,它们与酸反等,它们与酸反应分别产生
10、应分别产生PH3,AsH3,H2S气体混杂在氢气中。气体混杂在氢气中。H2S+NaOH=Na2S+H2O5AsH3+8MnO4-+24H+=5H3AsO4+8Mn2+12H2OPH3+8CuSO4+4H2O=H3PO4 +4H2SO4+4Cu2SO43Cu2SO4+2PH3 =3H2SO4+2Cu3P3Cu2SO4+2PH3+4H2O=H3PO4 +4H2SO4+8Cu杂质除去杂质除去(2)工业制备法)工业制备法 (了解,自学)了解,自学)阴极阴极 2H2O +2e-H2 +2OH-阳极阳极 4OH-O2 +2H2O +4e-2.电解法电解法1.氯碱工业制氯碱工业制 H2阴极:阴极:2H2O+
11、2e H2+2OH阳极:阳极:2Cl-2e Cl2C(赤热)(赤热)+H2O(g)H2 +CO水煤气直接做工业燃料。水煤气直接做工业燃料。1273K2.C还原水蒸气还原水蒸气CO+H2+H2O(g)CO2+2H2红热红热Fe2O3纯化纯化 H22106Pa(20 atm),水洗去),水洗去CO2 H2(纯)。(纯)。C2H6(g)CH2=CH2 +H2(直接合成氨(直接合成氨)加热4.烷烃脱烷烃脱H23.甲烷催化分解或水蒸气转化甲烷催化分解或水蒸气转化CH4 C +2H2 CH4 +H2O CO +3H2cat,1273cat,1073-1173 Si+2NaOH(aq)+H2O 2H2+Na
12、2SiO3 Si(s)+2NaOH(s)+Ca(OH)2(s)2H2+Na2SiO3+CaO(3)野外生氢)野外生氢 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 氢化物氢化物离子离子型氢型氢化物化物金属型氢化物金属型氢化物共价型共价型氢化物氢化物氢与其它元素形成的二元化
13、合物叫氢与其它元素形成的二元化合物叫氢化物氢化物H2与与 IA、IIA(除(除Be)生成的氢化物,)生成的氢化物,H(1)离子型氢化物)离子型氢化物2M +H2 2MH(M:A)NaCl晶型晶型 M +H2 MH2(M:A)金红石型、金红石型、TiO2晶型晶型高温高温 具有离子型晶体的共性,熔沸点高,常温下具有离子型晶体的共性,熔沸点高,常温下白色盐状白色盐状晶晶体,体,熔化能导电熔化能导电,不,不 溶于非水溶剂,可溶于熔化的溶于非水溶剂,可溶于熔化的NaCl晶体晶体中。中。H存在的证明:电解溶于存在的证明:电解溶于NaCl的离子型氢化物溶液。的离子型氢化物溶液。阳极:阳极:2H H2+2e
14、阳极有氢气生成,证实含阳极有氢气生成,证实含H。1.物理性质物理性质2.化学性质化学性质TiCl4 +4NaH 4NaCl +Ti +2H2UO2 +CaH2 Ca(OH)2 +U2CO2 +BaH2(热)(热)Ba(OH)2 +2CO与水强烈反应生成与水强烈反应生成H2NaH(s)+H2O 2H2+NaOH (除去气体或溶剂中的微量水)(除去气体或溶剂中的微量水)良好的强还原剂:高温还原良好的强还原剂:高温还原B2H6 +2LiH 2LiBH4AlCl3 +4LiH LiAlH4 +3LiClLiAlH4 +H2O LiOH+Al(OH)3+4H2(野外生氢剂野外生氢剂)非水溶剂中,与缺电子
15、化合物反应生成复合氢化物。非水溶剂中,与缺电子化合物反应生成复合氢化物。Et2OEt2O Cu、Zn、BB、B:Cr、族。族。Pd、Ni可与可与 H2生成稳定的松散氢化物。生成稳定的松散氢化物。Pt:任何条件下不生成氢化物,但铂或镍在表面与任何条件下不生成氢化物,但铂或镍在表面与H2形形成吸附氢化物,从而使成吸附氢化物,从而使Pt在在加加H2催化中起很重要的作用催化中起很重要的作用。(2)金属型(过渡型)氢化物金属型(过渡型)氢化物 (了解,自学)了解,自学)具有金属外观特征,有光泽,能导电。具有金属外观特征,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。组组 成成整整 比
16、:比:PdH、CrH2、ZnH2;非整比:非整比:LaH2.87、VH0.56等。等。物理性质物理性质d,f 区元素形成的氢化物区元素形成的氢化物1.缺电子氢化物缺电子氢化物 B2H6:B中心原子未满足中心原子未满足8e,有有2个个3C2e键。键。(3)分子型氢化物分子型氢化物 (了解,自学)了解,自学)P区元素(除稀有气体、区元素(除稀有气体、In、Tl),在一定条件下均与在一定条件下均与H2生成分子型氢化物。根据生成分子型氢化物。根据Lewis结构中的电子数或键数的差结构中的电子数或键数的差异,有三种形式:异,有三种形式:2.满电子氢化物:满电子氢化物:CH4及同族氢化物,中心原子价电子全
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