宁德师专化学系

1. 宁德师专化学系 第 13 章 氢和稀有气体

2. 第13章 氢和稀有气体 1.了解氢及氢化物的性质和用途. 2.了解氢能源. 3.了解稀有气体的发现简史，单质、化合物的性质及用途。 本章基本要求

3. 第13章 氢和稀有气体 §13-1 氢 §13-2 稀有气体 习 题 解 析

4. 13-1氢 一、氢的同位素 二、氢的成键特征 三、氢的性质和用途 四、氢化物

5. 一、氢的同位素 元素周期表 宇宙中含量最丰富的元素，为一切元素之源 在自然界中主要以化合态 ——水、碳氢化合物形式存在

6. 一、氢的同位素 氢有三种同位素 符号 含量/% 1H （氕） H 99.98 2H （氘） D 0.016 3H （氚） T 0.004 氘和氚是热核反应的原料 氘还广泛地应用于 反应机理的研究和光谱分析 化学性质基本相同 物理性质和生化性质则不同

7. 例 题 Question 为什么氢同位素的物理性质差异较其它元素的同位素要大得多？ 这是由于氢同位素核素的质量数成倍改变的缘故。 1H （氕） H 2H （氘） D 3H （氚） T

8. 二、氢的成键特征 氢键 氢桥键 金属氢化物 4.独特的键型 1.失去价电子→H+ 由于H+的强极化力，它总是与其它的原子或分子相结合，如：H3O+ 2.结合一个电子—与活泼金属 因H-半径大易变形， 故只存在于离子型氢化物晶体中 3.共用电子对——与非金属

9. 三、氢的性质和用途 1.单质氢 ①氢气是无色、无味、无臭的最轻可燃性气体。 氢气球可携带仪器作高空探测，也可 携带干冰、碘化银等试剂进行人工降雨。 ②熔、沸点极低，难液化。 液氢是重要的高能燃料。是宇宙航天飞机和火箭常用燃料。液氢是超低温制冷剂，可将除氦外的所有气体冷冻成固体。 ③难溶于水。可大量溶于镍、钯、铂等金属中。 利用此性质可制得极纯的氢气

10. 三、氢的性质和用途 注意 1 H2 + O2 = H2O△rHm ø= -285.83 kJ·mol-1 2 氢的爆炸极限为：4%～74%，使用时应严禁烟火并加强通风，点燃前应验纯。 1.单质氢 ④在常温下不活泼，高温下具良好的还原性。 半径特小，又无内层电子，H-H键能反常的大 ●在空气中燃烧 可得到温度近3000℃的氢氧焰 用于金属的切割或焊接

11. 三、氢的性质和用途 高温 WO3 + 3H2 ==== W + 3H2O 高温 1 SiHCl3 + H2 ==== Si + 3HCl↑ H2 + O2 = H2O△rHm ø= -285.83 kJ·mol-1 2 H2 + Cl2 ==== 2HCl 3H2 + N2 ==== 2NH3 h P. T Fe 1.单质氢 ④在常温下不活泼，高温下具良好的还原性。 ●在空气中燃烧 ●热还原剂 ●合成盐酸、氨

12. 三、氢的性质和用途 2. 原子氢 高温或低压放电，氢分子解离为原子 H2 = 2H rHm ø = 436 kJ·mol-1 强还原性： 2H + S = H2S 2H + CuCl2 =Cu + 2HCl 当原子氢结合为分子时，可放出大量热 利用此性质可制作原子氢吹管， 用于熔化难熔的金属(如W、Ta等)

13. 三、氢的性质和用途 优点：可防止焊接金属表面被氧化。

14. 氢气的制备 1000℃ C + H2O ====== CO + H2 ●水煤气法 Fe、Cr CO + H2O ===== CO2 + H2 电解 2H2O ==== O2↑+ 2H2↑ 实验室 Zn + 2H+ =Zn2+ + H2↑ 常含少量PH3，H2S，可通过KMnO4溶液除去。 工业上 制得的氢气较纯净，但耗电量大 高压水洗除去CO2 ●电解法

15. 例 题 Question 氢能源具有哪些优点？，发展氢 能源存在哪些问题？ ①氢能源的特点： 热值高——其燃烧热为同质量石油的3倍 洁净无毒——无污染，能保持生态平衡 资源丰富，应用广泛。 ②氢能源研究面临的三大问题： 氢气的发生 ——如何降低生产成本 氢气的储存——氢气易燃易爆易渗透 氢气的利用

16. 氢能源的研究方向 298K,2.5×102kPa 微热 LaNi5 + 3H2 LaNi5H6 ●太阳能分解水制氢 制取 一些过渡元素的配合物在光能激发下活化， 再向水分子转移电子，使 H+ 变为 H2 放出。 ●生物分解水制氢 生物体分解水不需要电和高温，小规模的实验已成功。 贮存 某些过渡金属和合金可做储氢材料。 为理想的储氢材料 含H2量大于同体积液氢

17. 四、氢化物 不同种类的氢化物之间 在性质和键型上没有明显的界限

18. 1. 离子型氢化物 金属含氢配合物是有机中常用的还原剂。 △ 2MH == 2M + H2↑ 乙醚 4LiH + AlCl3 ===== Li[AlH4] + 3LiCl △ MH2 == M + H2↑ △ TiCl4 + 4NaH == Ti + 4NaCl + 2H2↑ ①具有离子化合物特征 ——如熔沸点较高， 熔融时能导电 ②受热易分解 ③易水解MH + H2O = MOH + H2↑ ④强还原性 (H2/H-) = -2.23V

19. 2. 分子型氢化物 ①大多数为无色，熔、沸点较低 常温下除H2O、BiH3为液体外,其余均为气体 ②化学性质差异较大 PH3、AsH3、SbH3气体的毒性较大

20. 3. 过渡型氢化物 ①组成不定，基本保持金属的外观特征 ——有金属光泽，能导电。 ②高流动性：在稍高温度下，H原子能在固体 中快速扩散。 某些过渡金属和合金可做储氢材料

21. 3. 过渡型氢化物 2Pd + H2 2PdH 制备超纯氢 微热时，PdH分解，由于压力差和H原子在金属Pd中的流动性，氢以原子形式迅速扩散穿过 Pd–Ag 合金，而杂质气体则不能.

22. 13-2稀有气体 一、稀有气体的制备 二、稀有气体的性质和用途 三、稀有气体的化合物

23. 一、稀有气体的制备 Ar 发现 He Ne Ar Kr Xe Rn 价电子构型：ns2np6 稀有气体的发现 “第三位小数的胜利” 空气分馏氮：1.2572 g·L-1 化学法制备氮：1.2505 g·L-1

24. 一、稀有气体的制备 ●空气的液化

25. 一、稀有气体的制备 稀有气体+N2+O2等 蒸馏 蒸馏 蒸馏 N2 O2 NaOH，除CO2 赤热Cu，除O2 灼热Mg，除N2 低温分馏或 低温选择性吸附 稀有气体 各个组分 ●空气的液化 ●液化空气的分馏 液化空气 ●稀有气体的分离

26. 二、稀有气体的性质和用途 1.性质 ①极不活泼 随原子半径增大，电离能减小，活泼性增强 Xe ＞ Kr ＞ Ar ＞ Ne ＞ He 饱和电子构型——ns2np6 电离能同周期中最高，电子亲合能接近0，不易得失电子。 ②易于发光放电——填充灯管 ③熔、沸点低，并随原子序数的增加而递增 稀有气体的原子是全充满的 球形对称结构，难变形，色散力极弱。

27. 例 题 Question 氦的沸点为什么比H2还低？ 氦的分子量虽然大于氢，但由于其为单原子分子，变形性极小，分子间的色散力极弱，所以沸点比氢低。

28. 二、稀有气体的性质和用途 2.用途 ●填充气 He —— 填充气球和汽艇； He + O2——人造空气供潜水员呼吸，以防得潜水病； Ar ——热传导系数小，填充灯泡，减少钨丝挥发； ●保护气：可用做电弧焊中的惰性保护气体。 ●制冷剂 He——可获得0.001K的低温； Ne—— 致冷温度为25-40K。

29. 二、稀有气体的性质和用途 2. 用途 ●光学应用 氖——产生鲜艳的红光，可用于霓红灯、灯塔； 氙——产生强烈的白光，有“小太阳”之称； ●医学应用 氪和氙——其同位素用于测量脑血流量和研究肺功能、计算胰岛素分泌量等。 氡——用于恶性肿瘤的放射性治疗

30. 三、稀有气体的化合物 1962年巴特列在研究铂和氟的反应时制得O2+[PtF6]- 联想 预测 Xe[PtF6]的晶格能略小些，可能稳定存在。

31. 三、稀有气体的化合物 至今已制成稀有气体化合物数百种 如：卤化物 XeF2、XeF4、XeCl2、KrF2 氧化物 XeO3、XeO4 氟氧化物 XeOF2、XeOF4 含氧酸盐 M(I)HXeO4、M(I)4XeO6 含Xe—N键和Xe—C键的化合物也已合成

32. 氟化物 F2 F2 F2 Xe XeF2 XeF4 XeF6 价层电对数 2+3 4+2 6+1 直线型 平面四方型 变形八面体 稳定的白色结晶状共价化合物

33. 氟化物 ①易水解 反应不能在玻璃 或石英器皿中进行 2XeF2 + 2H2O = 2Xe + 4HF + O2↑ ②优良的氟化剂 2XeF6 + 3SiO2 = 2XeO3 + 3SiF4 一般情况下被还原为单质 ③强氧化剂 XeF2+ 2KCl = Xe + 2KF + Cl2 NaBrO3 + XeF2 + H2O = NaBrO4 + 2HF + Xe

34. 习 题 解 析 有成键效应，均可存在。 1.用价键理论和分子轨道理论解释HeH、HeH+、He2+粒子存在的可能性。为什么氦没有双原子分子存在？ 解：按价键理论： HeH 、He2+粒子不存在配对的电 子对，无价键形成，故不可能存在； HeH+则可以存在。 而按分子轨道理论： HeH：[(1s)2(*1s)1] 键级 = 0.5 HeH+：[(1s)2] 键级 = 1 He2+： [(1s)2(*1s)1] 键级 = 0.5 He2： [(1s)2(*1s)2] 键级 = 0 不可能存在。

35. 习 题 解 析 2.给出与下列物种具有相同结构的稀有气体化合物 的化学式并指出其空间构型。 ①ICl4- ②IBr2- ③ BrO3- ④ ClF 解：①XeF4 ——价层电对数= 4 + 2 平面四方形 ②XeF2 ——价层电对数= 2 + 3 直线型 ③XeO3 ——价层电对数= 3 + 1 三角锥 ④XeF+ ——线型

36. 习 题 解 析 3.已知 （1）Xe(g) + 2F2(g) = XeF4(g) K =1.07×108 (523K) K =1.98×103 (673K) （2）Xe(g) + 3F2(g) = XeF6(g) K =1.01×108 (523K) K =36 (673K) 问：①用Xe与F2反应制取XeF4，在满足反应速率的前提下，应如何控制反应温度才有利于XeF4的生成。 ② 求673K时 XeF4(g) + F2(g) = XeF6(g)的K值。 解：①在较低的温度下进行，因为温度升高K下降。 ② (2)式-(1)式得： XeF4(g) + F2(g) = XeF6(g)

37. 习 题 解 析 ③ 若在523K下以XeF4和F2制取XeF6，并使产物中p(XeF6)/p(XeF4)＞10，则F2的平衡分压应保持多少？ 解： 523K时： XeF4(g) + F2(g) = XeF6(g)

38. 第13章结束 谢谢