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1、无机化学电子教案第1页，本讲稿共56页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,掌握稀有气体单质、化合物的性质及结构特点,了解稀有气体的发现。5.1 氢氢5.2 稀有气体稀有气体第2页，本讲稿共56页5.1.1 氢在自然界中的分布5.1.2 氢的成键特征5.1.3 氢的性质和用途5.1.4 氢的制备5.1.5 氢化物5.1.6 氢能源5.1氢氢第3页，本讲稿共56页5.1.1氢在自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）:绝大部分以化合物形式存在，原子百分比占17%，仅次于氧排第二位。整个宇宙充满了氢:是太阳和木星大气的主要成份
2、，原子百分比分别为81.75%和82%。(1)氢是宇宙中最丰富的元素中文名英文名称 表示方法 符号 丰度说明氕(音撇)protium1HH99.98%稳定同位素氘(音刀)deuterium2HD0.016%稳定同位素氚(音川)tritium3HT极低放射性同位素(2)氢的同位素氢的同位素第4页，本讲稿共56页人造同位素可制 31H 三种同位素核外均 1e，故化学性质相似，但质量相差较大，导致了它们的单质、化合物在物理性质上的差异。H2：b.p:20.2K，D2：b.p:23.3KH2O：b.p:373K，D2O：b.p:374.2K第5页，本讲稿共56页5.1.2 氢的成键特征 由于氢的电子结
3、构:1s1，且电负性为x=2.2，所以它与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。第6页，本讲稿共56页（3）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和和LaH2.78。在硼氢化合物
4、（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）第7页，本讲稿共56页第8页，本讲稿共56页氢键：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。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，1dm3水溶解水溶解0.02dm3H2。分子量最小。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，20K时
5、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第9页，本讲稿共56页HHD=436KJ/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H2+F22HF（低温，暗处，爆炸，激烈）（低温，暗处，爆炸，激烈）H2+Cl22HCl（h 光照，点燃，才能反应）光照，点燃，才能反应）H2+Br22HBr（h 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）与卤素反应与卤素反应第10页，本讲稿共56页 2H2
6、+O22H2OH2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）第11页，本讲稿共56页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）与金属氧化物、卤化物反应与金属氧化物、卤化物反应制高纯金属制高纯金属第12页，本讲稿共56页CO+2H2CH3OHCH2=CH2+
7、H2CH3CH3有机反应与CO、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+H22NaHCa+H2CaH2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。第13页，本讲稿共56页（2）原子氢 (了解，自学）H22H（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.应用应用第14页，本
8、讲稿共56页As+3HAsH3S+2HH2S3.化学性质：强还原性与Ge、Sn、As、Sb、S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+2H2HCl+Cu还原金属含氧酸盐还原金属含氧酸盐BaSO4+8HBaS+4H2O第15页，本讲稿共56页5.1.4氢的制备氢的制备1.Zn+H2SO4ZnSO4+H2（1）实验室法Zn中常含有杂质Zn3P2，Zn3As2，ZnS等，它们与酸反应分别产生PH3，AsH3，H2S气体混杂在氢气中。H2S+NaOH=Na2S+H2O5AsH3+8MnO4-+24H+=5H3AsO4+8Mn2+12H2OPH3+8CuSO4+4H2O=H3P
9、O4+4H2SO4+4Cu2SO43Cu2SO4+2PH3=3H2SO4+2Cu3P3Cu2SO4+2PH3+4H2O=H3PO4+4H2SO4+8Cu杂质除去第16页，本讲稿共56页（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1.氯碱工业制氯碱工业制H2阴极：阴极：2H2O+2eH2+2OH阳极：阳极：2Cl-2eCl2第17页，本讲稿共56页C（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CO+H2+H2O（g）CO2+2H2红热F
10、e2O3纯化纯化H22106Pa（20atm），水洗去），水洗去CO2H2（纯）。（纯）。第18页，本讲稿共56页C2H6（g）CH2=CH2+H2（直接合成氨（直接合成氨)4.烷烃脱烷烃脱H23.甲烷催化分解或水蒸气转化CH4C+2H2CH4+H2OCO+3H2cat,1273cat,1073-1173Si+2NaOH（aq）+H2O2H2+Na2SiO3Si(s)+2NaOH(s)+Ca(OH)2(s)2H2+Na2SiO3+CaO（3）野外生氢）野外生氢H2第19页，本讲稿共56页LiBeBCNOFNaMgAlSiPSClKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrR
11、bSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeICsBaLaHfTaWIrOsIrPtAuHgTlPbBiPoAt5.1.5 氢化物离子型氢化物金属型氢化物共价型氢化物氢与其它元素形成的二元化合物叫氢化物第20页，本讲稿共56页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2M+H22MH（M：A）NaCl晶型晶型M+H2MH2（M：A）金红石型、金红石型、TiO2晶型晶型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，
12、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：2HH2+2e阳极有氢气生成，证实含阳极有氢气生成，证实含H。1.物理性质物理性质第21页，本讲稿共56页2.化学性质TiCl4+4NaH4NaCl+Ti+2H2UO2+CaH2Ca(OH)2+U2CO2+BaH2（热）（热）Ba(OH)2+2CO与水强烈反应生成H2NaH（s）+H2O2H2+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：高温还原第22页，本讲稿共56页B2H6+2LiH2LiBH4
13、AlCl3+4LiHLiAlH4+3LiClLiAlH4+H2OLiOH+Al(OH)3+4H2(野外生氢剂野外生氢剂)非水溶剂中，与缺电子化合物反应生成复合氢化物。Et2OEt2OCu、Zn、BB、B：Cr、族族。Pd、Ni可可与与H2生成稳定的松散氢化物。生成稳定的松散氢化物。Pt:任任何何条条件件下下不不生生成成氢氢化化物物，但但铂铂或或镍镍在在表表面面与与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 (了解，自学）第23页，本讲稿共56页具有金属外观特征，有光泽，能导电。具有金属外观特征，有光泽，
14、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 成整 比：PdH、CrH2、ZnH2；非整比：LaH2.87、VH0.56等。物理性质物理性质第24页，本讲稿共56页d,f区元素形成的氢化物第25页，本讲稿共56页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 (了解，自学）P区元素（除稀有气体、In、Tl）,在一定条件下均与H2生成分子型氢化物。根据Lewis结构中的电子数或键数的差异，有三种形式：第26页，本讲稿共56页2.满电子氢化物：满电子氢化物：CH4及同族氢化物，中心原子价电子全部成键，无剩余非键电
15、子。及同族氢化物，中心原子价电子全部成键，无剩余非键电子。3.富电子氢化物：富电子氢化物：NH3、H2O、HF及及同同族族氢氢化化物物，中中心心原原子子成成键键后后有有剩剩余余的的孤孤对对电电子子未未参与成键，其分子结构可用参与成键，其分子结构可用VSEPR规则推测。规则推测。第27页，本讲稿共56页C、Ge、Sn、P、Sb、As等氢化物不与等氢化物不与H2O反应；反应；1.物理性质 属分子晶体，具有分子型氢化物的共性，mp、bp低，常温下大多数为气体。气态、固态、熔化时不导电。2.化学性质化学性质共价键极性差别大，化性复杂：仅与共价键极性差别大，化性复杂：仅与H2O反应为例说明。反应为例说明
16、。第28页，本讲稿共56页C、Ge、Sn、P、Sb、As等氢化物不与等氢化物不与H2O反应；反应；与与H2O反应的氢化物情况各不相同。反应的氢化物情况各不相同。l硅氢化物与硅氢化物与H2O反应生成反应生成H2SiH4+4H2O4H2+H4SiO4lNH3与与H2O加合并电离：加合并电离：NH3+H2ONH3H2ONH4+OH第29页，本讲稿共56页lH2S、H2Se、H2Te、HF在水中溶解并弱酸式电离在水中溶解并弱酸式电离:H2SH+HSHSH+S2lHCl、HBr、HI在水中溶解并强酸式电离在水中溶解并强酸式电离HXH+X（X=Cl、Br、I）第30页，本讲稿共56页这些氢化物具有还原性，
17、同族从上到下还原性增强，酸性增强。第31页，本讲稿共56页 5.1.6 氢能源 1 KgH2完全燃烧放热120918KJ，故是高能燃料，无污染、环保型燃料。目前有关氢能源研究，存在着三大课题：发生、储存、利用。（1）发生）发生从能量的观点看，利用太阳能光解海水最适宜。目前从能量的观点看，利用太阳能光解海水最适宜。目前的研究均以过渡金属配合物为催化剂，光解海水远未达到的研究均以过渡金属配合物为催化剂，光解海水远未达到生产规模。生产规模。第32页，本讲稿共56页三三(2,2联吡啶联吡啶)合钌合钌()(2a)2a*(已活已活化化)h光能光能2a既是电子给予体，又是电子接受体，在光能的激发下，可以向水
18、分子转移电子，使 H+变为 H2放出。第33页，本讲稿共56页从海水中制氢美国Michigan州立大学H.TiTien教授的装置H2(g)海 水Fe(),Fe()电解质溶液电解质溶液硒化镉半导体镍箔可见光海水制氢的装置示意图第34页，本讲稿共56页生物分解水制氢生物分解水制氢 生物体分解水不需要电和高温，科学家们试图修改光合作用的过程来完成这一技术。小规模的实验已成功。LaNi5+3H2LaNi5H6(2-3)X105Pa微热LaNi5合成方便，价格低，空气中稳定，储氢量大，很合成方便，价格低，空气中稳定，储氢量大，很有发展前途。有发展前途。180-200mlH2/g.（2)储存储存第35页，
19、本讲稿共56页（3)利用 目前已实验成功用氢作动力的汽车，并投入实用；氢作为航天飞机的燃料已经成为现实，有的航天飞机的液态氢储罐存有近1800 m3的液态氢。第36页，本讲稿共56页对于使用氢能源最近也有一些反面的看法氢燃料被誉为清洁燃料而大行其道，并有取代矿物燃料的态势，但发表在2004年6月13日美国科学杂志上的一篇论文却提出异议：氢燃料的大力推广和使用，会加大对可有效防止地球遭受紫外线辐射的臭氧层的损害。储存问题第37页，本讲稿共56页15Km50KmO3大气层UV射线第38页，本讲稿共56页5.2.1 历史的回顾 5.2.2 通性和用途 5.2.3 自然界中的分布和从空气中分离5.2.
20、4 化合物 5.2.5 稀有气体化合物结构5.2稀有气体稀有气体第39页，本讲稿共56页5.2.1 历史回顾（自学）稀有气体位于周期表的零族：He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn（放射）。18941900年间被陆续发现。英国物理学家莱姆塞（英国物理学家莱姆塞（Ramsay），1894年，年，“第三位小数的胜利第三位小数的胜利”空气分馏氮：空气分馏氮：1.2572gL-1化学法制备氮：化学法制备氮：1.2505gL-1空气除去O2和N2后的剩余气体不同任何气体发生化学反应，但在放电管中发出特殊的辉光。Ar（不活泼）第40页，本讲稿共56页n1895年，他们又发现了年，他们又发现了Hen1898年又
21、陆续从空气中分离出年又陆续从空气中分离出Ne、Kr、Xe。n1900年在某些放射性矿物中发现了年在某些放射性矿物中发现了Rn。n至此至此0族元素全部发现，由于惰性被命名为族元素全部发现，由于惰性被命名为“惰性气体惰性气体”。n1904年年由由于于Ramsay小小组组发发现现了了稀稀有有气气体体并并确确定定了了他他们们在在周周期期表表中中的位置，获得了诺贝尔化学奖。的位置，获得了诺贝尔化学奖。第41页，本讲稿共56页价层电子结构1s2，ns2np6稳定结构；电子亲合能接近零，电离能很高，一般情况下稳定。由于以单原子状态存在，故原子间仅存在微弱的范德华力，故蒸发热小，在水中溶解度小。5.2.2.通
22、性和用途（了解、自学）(1)通性稀有气体单原子分子。He是所有气体中最难液化的，Tc=5.5K；He在2.2 K以下具有超导性，He不能在常压下固化。第42页，本讲稿共56页(2)用途氦：不燃烧，密度小，可用来代替氢气充填气球。氖：用于制造氖灯或仪器中的指示灯。氪和氙氪和氙：热传导系数小，填充灯泡；同位素用来测量：热传导系数小，填充灯泡；同位素用来测量脑血流量和研究肺功能、计算胰岛素分泌量。脑血流量和研究肺功能、计算胰岛素分泌量。氙氙“人人造小太阳造小太阳”。氩：热传导系数小，用于充填电灯泡，防氧化。第43页，本讲稿共56页5.2.3 自然界中的分布和从空气中分离（自学）(1)自然界中的分布存
23、在于接近地球表面的空气中，1000dm3空气中：9.3dm3Ar，18cm3Ne，5cm3He，1cm3Kr，0.8cm3Xe。(2)空气中分离空气中分离空气液化精馏，用活性铜除去少量氧，用灼热的空气液化精馏，用活性铜除去少量氧，用灼热的MgCaAl除去氮，得到稀有气体。再通过它们在沸点和吸附能力上除去氮，得到稀有气体。再通过它们在沸点和吸附能力上的差别分离出每种稀有气体的差别分离出每种稀有气体He是最难液化的气体。是最难液化的气体。第44页，本讲稿共56页5.2.4 化合物第一个化合物:XePtF6，(红色晶体,Battlett，1962年）思路：已合成 O2PtF6 第45页，本讲稿共56
24、页（1）氙的氟化物的合成和性质lXe+F2XeF2（g），673K，1.03X10-5pa，K1=8.79104lXe+2F2XeF4（g)（Xe：F2=1：5），），873K，6.19X10-5pa,K2=1.07108lXe+3F2XeF6（g）（Xe：F2=1：20），），573K，6.19X10-5pa，K3=1.011081.合成Windosill合成：合成：Xe和和F2放入干燥的玻璃管中日光照射。放入干燥的玻璃管中日光照射。在镍制容器中直接合成Xe+2FXeF2，缓慢生成美丽的缓慢生成美丽的XeF2晶体。晶体。第46页，本讲稿共56页XeF2+2IXe+I2+2FXeF2+H2Xe
25、+2HFXeF4+2H2Xe+4HFXeF4+4HgXe+2Hg2F2XeF4(s)+Pt(s)Xe(g)+PtF4(s)2.氟化物的性质 都是强氧化剂第47页，本讲稿共56页 都与水反应XeF2+H2OXe+2HF+1/2O2(稀酸中缓慢稀酸中缓慢,稀碱中快速稀碱中快速)XeF4与水歧化与水歧化:6XeF4+12H2O4Xe+24HF+3O2+2XeO3XeF6与水猛烈反应与水猛烈反应:不完全水解不完全水解:XeF6+H2OXeOF4+2HF完全水解完全水解:XeF6+3H2OXeO3+6HF第48页，本讲稿共56页XeF6+3C6H63C6H5F+3HF+XeXeF2+IF5Xe+IF7X
26、eF4+2CF3CF=CF5Xe+2CF3CF2CF3XeF4+2SF4Xe+2SF62XeF6+SiO22XeOF4+SiF4(盛氟化氙的容器不能是石英器皿盛氟化氙的容器不能是石英器皿)均为优良且温和的氟化剂第49页，本讲稿共56页1.制备XeF4(或XeF6)XeO3XeOF4HXeO4-XeO64-XeO4H2OOH-O3H+C,H2SO4OH-OH-XeOF6XeO3,XeO4及氙酸盐与高氙酸盐(2)Xe的含氧化合物第50页，本讲稿共56页XeO3：白色，易潮解，易爆炸固体，易溶于水，浓度高达4mol/dm3，水溶液不导电，表明XeO3以分子状态存在。2.性质性质6HCl+XeO3Cl
27、2+Xe+3H2O5XeO3+6Mn2+9H2O5Xe+6MnO4+18H+2XeO3+2Ba(OH)2Ba2XeO6+Xe+O2+2H2O强氧化剂第51页，本讲稿共56页XeO3+M(OH)2M2XeO6Na4XeO68H2OMOHM4XeO6Na4XeO66H2OK4XeO62H2OXeO3+4NaOH+O3Na4XeO6+O2+2H2O（3 3）其它稀有气体化合物）其它稀有气体化合物Rn，强放射性；，强放射性；Kr，稳定性及其有限。，稳定性及其有限。第52页，本讲稿共56页5.2.5 稀有气体化合物的结构(1)杂化轨道法第53页，本讲稿共56页(2)价电子对互斥理论第54页，本讲稿共56页(3)MO法处理氙化合物的分子结构XeF2为例：为例：Xe用用5px轨轨道道上上的的2个个电电子子与与2个个F原原子子的的2px轨轨道道上上的的各各一一个电子组成个电子组成三中心四电子三中心四电子键键。5px2pxXeXeF22F成键非键反键XeF2分子轨道能级图第55页，本讲稿共56页P234-235：3，6，14作业：第56页，本讲稿共56页