无机化学-武汉第三版-氢和稀有气体课件.ppt

《无机化学-武汉第三版-氢和稀有气体课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无机化学-武汉第三版-氢和稀有气体课件.ppt（56页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、无机化学电子教案,从本章开始学习元素部分。Humphreyo说：“真正的化学是叙述性化学，即元素化学。只有理论没有性质那就不是化学。”F A Cofton说：“我们确信象其他教科书那样，没有或几乎没有包含实际内容的无机化学，就好象没有乐器演奏的一张乐谱。”因此，我们的学习就是要掌握重要元素及其化合物的重要性质。,序 言,从本章开始学习物质部分，所以对学生介绍学习方法自然科学的研究方法：,归纳法：归纳总结大量基本素材、资料、经验上升为理论规律。,演绎法：从理论上加以推导。,无机化学电子教案,学习方法：以教材为主要参考书；以自学为主，自己总结，教师指导。,以理论指导实际，但不能牵强附会，结构决定了

2、它的性质而性质又决定其制备途径、分离方法、用途等。,抓住共性与个性。即重要反应的规律性、特殊性。学习中以元素周期系为纲、异中求同、同中求异，掌握周期系变化的规律与非规律性。,重视实验。取得大量的感性知识，从实验现象观察，从周围生活实际观察，以无机材料，生物无机，有机金属等新兴领域联系理论解释思考“化学与人类”、“化学与我们”、“化学与我”，以一个崭新姿态迎接高新技术挑战。,重要性质，方程式要记忆，但是应理解性、推理性记忆，为后续课打下基础。,无机化学电子教案,元素部分的学习纲要：,无机化学电子教案,第5章 氢和稀有气体Chapter 5 Hydrogen and Rare Gas,无机化学电子

3、教案,基本内容和重点要求,重点要求掌握氢的成键特征、氢的性质和用途，了解稀有气体化合物。,5.1 氢5.2 稀有气体,无机化学电子教案,5.1 氢,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,无机化学电子教案,氢是宇宙中丰度最大的元素，按原子数计占90%，按质量计则占75%。氢的三种同位素质量之间的相对差值特别高，并因此而各有自己的名称，这在周期表元素中绝无仅有。氢原子是周期表中结构最简单的原子。也是唯一尚未找到确切位置的元素。氢化学是内容最丰富的元素化学领域之一。氢形成氢键。如果没有氢键，

4、地球上不会存在液态水！人体内将不存在现在的DNA双螺旋链！,5.1.1 氢在自然界中的分布,1.氢的特殊性,无机化学电子教案,2.氢的同位素,主要同位素有3种，此外还有瞬间即逝的 4H 和 5H。重氢以重水（D2O）的形式存在于天然水中，平均约占氢原子总数的 0.016%。,无机化学电子教案,3.同位素效应,一般情况下不同的同位素形成的同型分子表现为极为相似的物理和化学性质。然而，质量相对差特大的氢同位素却表现不同：,无机化学电子教案,5.1.2 氢的成键特征,氢原子的价电子构型为1s1，电负性为2.2。因此，当氢同其它元素的原子化合时，其成键特征如下：,离子键,当它与电负性很小的金属（Na，

5、K，Ca等）形成氢化物时，获得一个电子形成 H-离子（半径为208pm），仅存在于离子型氢化物的晶体中。如 NaH,A 非极性共价键，如 H2B 极性共价键，其极性随非金属元素电负性增大而增强。,共价键,无机化学电子教案,(3)独特的键型 金属氢化物、氢桥键、氢键,金属型氢化物：也称过渡型氢化物。铍、镁、铟、钛和d区、f区金属元素的单质都能跟氢生成金属氢化物，如BeH2、MgH2、FeH2、CuH等；还有非整数比化合物，如VH0.56、ZrH1.92、PdH0.8等。金属型氢化物保留金属的外观特征，有金属光泽，密度比相应金属小。据最新研究，金属型氢化物在有机合成及作储氢材料方面有重要用途。例如

6、，1体积钯可吸收700900体积的氢气成为金属氢化物，加热后又释放出氢气。,无机化学电子教案,形成氢桥键 在硼氢化合物(如 B2H6)和某些过渡金属配合物(如HCr(CO)52)中均存在氢桥键。氢原子位于两个中心原子之间，正如一座桥一样，把两个中心原子相连。如下图所示：,无机化学电子教案,H2O分子间的氢键,形成氢键 含有强极性键的共价化合物中，近乎裸露的氢原子核可以定向吸引电负性高的原子上的孤电子对而形成分子间或分子内氢键。（如下图）,HNO3分子内氢键,无机化学电子教案,5.1.3 氢的性质和用途,单质氢 单质氢是以共价键结合的双原子分子，在所有氢分子中分子质量最小，密度最小（同温同压下）

7、。常温下，相对来说氢分子具有一定的惰性，与许多元素反应很慢，但在特殊条件下，某些反应很也能迅速反应：,与卤素或氧的反应 H2 F2 2HF2 H2+O2 2H2O,与金属氧化物或金属卤化物的反应 WO3+3H2 W+3H2O TiCl4 2H2 Ti 4HCl,无机化学电子教案,与CO的反应 2H2+CO CH3OH,从原子结构观点来观察H2的化学性质和化学反应，无疑氢的化学性质与还原性这其主要特征，氢的用途也都基于这一点。,与活泼金属反应 H2+2Na 2NaH,无机化学电子教案,将氢分子加热，特别是通过日以电弧或者进行低压放电，皆可得到原子氢。将原子氢气流通向金属表面即是常说的原子氢火焰，

8、可用于焊接金属。原子氢是一种较分子氢更强的还原剂。,(2)原子氢,与As、S等非金属单质的反应 As+3H AsH3 S+2H H2S,与金属氧化物或氯化物的反应 CuCl2+2H Cu+2HCl,与含氧酸盐的反应 BaSO4+8H BaS+4H2O,无机化学电子教案,无机化学电子教案,5.1.4 氢的制备,(1)实验室制备 实验室里，常利用稀盐酸和锌铁等活泼金属作用或电解水的方法制备氢气。,Zn+H2SO4 ZnSO4+H2,(2)电解法 在电解法中，常常采用质量分数为25%的NaOH或 KOH溶液作为电解液。电极反应为：阴极 2H2O+2e-H2+2OH-阳极 4OH-O2+2H2O+4e

9、-,无机化学电子教案,(3)工业生产 工业生产中，可用碳还原水蒸气的方法来获得氢气。,(4)石油化学工业 C2H6(g)CH2=CH2(g)+H2(g),(5)野外工作的简便制法 Si+2NaOH+H2O Na2SiO3+2H2(g),无机化学电子教案,Light work with water,NATHAN S.LEWISNature 414,589-590(December 6,2001)Direct splitting of water under visible light irradiation with an oxide semiconductor photocatalyst,ZH

10、IGANG ZOU,JINHUA YE,KAZUHIRO SAYAMA&HIRONORI ARAKAWANature 414,625-627(December 6,2001),The semiconducting material(blue)and metal(green)electrode are immersed in water.Under light irradiation,photoexcited electrons reduce water to give H2,whereas the electron vacancies oxidize water to O2.Zou et al

11、.have doped an indiumtantalum-oxide with nickel,and find that this material absorbs light in the visible spectrum,an advance over previous photocatalysts.,(6)2H2O(l)2H2(g)+O2(g)(光解?),无机化学电子教案,从海水中制氢美国Michigan州立大学H.Ti Tien教授的装置,原理：当可见光照射在半导体膜上时，电子被激发进入导带而留下空穴(低能级的电子空间)。在导带中电子移动到金属薄膜与海水之间表面上，水即被还原产生H2

12、。同时，空穴迁移到半导体与电解质间的表面，来自Fe2+的电子填充空穴。,无机化学电子教案,大容量电解槽体,大型制氢站,氢气纯化装置,氢气储罐群,我 国 已 建 成 大 型 制 氢 设 备,无机化学电子教案,5.1.5 氢化物,氢化物：氢同其它元素组成的二元化合物。除稀有气体外，大多数元素都能同氢结合而生成氢化物。依据元素电负性的不同，氢与其它元素化合生成的氢化物可分为：,(1)离子型氢化物（类盐型）如 NaH、MgH3,(2)金属型氢化物（过渡型）如 VH 0.56、CrH2,(3)分子型氢化物（共价型）如 H2O、NH3,无机化学电子教案,氢的大多数二元化合物可归入上述三大类中的某一类。但是

13、这种分类的界限也不十分明确，结构类型并非非此即彼，而是表现出某种连续性。,二元氢化合物在周期表中的分布,无机化学电子教案,电正性高的 s 区金属似盐氢化物是非挥发性，不导电并具 明确结构的晶形固体。H-的半径在 126 pm(LiH)与154 pm(CsH)之间，如此大的 变化幅度说明原子核对核外电子的控制较松弛。H-与X-所 带电荷相同，半径介于 F-与Cl-间，因此才显示出 NaCl 型 H-存在的重要化学证据：电解其与碱金属的熔融物，阳极放H2：2H-H2+2e-与水反应的实质是:H-+H2O OH-+H2 此时 H-表现出强还原性、不稳定性和强碱性。,(1)离子型氢化物(类盐氢化物),

14、无机化学电子教案,制备：,无机化学电子教案,还原性强,钛的冶炼,化学性质：,剧烈水解,氢化钙剧烈水解,无机化学电子教案,(2)金属型氢化物,在在周期表中的分布,无机化学电子教案,大部分是用单质直接化合的方法制备。都有金属的电传导性和显有其他金属性质如磁性。除 PbH0.8 是非整比外，它们都有明确的物相。过渡金属吸氢后发生晶格膨胀，产物的密度比母体金属的大。成键理论 氢以原子状态存在于金属晶格中。氢以H+存在于氢化物中，氢将电子供入化合物的导带中。氢以H-形式存在，每个氢原子从导带取得1个电子。金属 Pt 具有催化作用，可以被解释为表面 Pt 原子形成 PtH 键的 键 焓大得足以使键断开，却

15、不足以补偿Pt Pt 金属键断裂所需的能量。,无机化学电子教案,可逆储氢材料,1体积 金属Pd 可吸收 700 体积 H2，减压或加热可使其分解：,无机化学电子教案,(3)分子型氢化合物,它们以其分子能够独立存在为特征。如:,无机化学电子教案,存在形式,熔沸点低，通常条件下为气体,因共价键极性差别较大而化学行为复杂,缺电子氢化物，如 B2H6中心原子未满电子构型。,B2H6,满电子氢化物，如 CH4中心原子价电子全部参与成键。,CH4,富电子氢化物，如NH3，中心原子成键后有剩余未成键的孤电子对。,NH3,无机化学电子教案,分子型氢化合物由上而下稳定性降低的趋势与其平均键焓(kJ mol-1)

16、有关。较重元素形成较弱的键，这一事实通常归因于相对密实的 H 1s 轨道与较松散的重元素 s 和 p 轨道重叠能力比较差。,无机化学电子教案,火箭燃料,5.1.6 氢能源,氢能源21世纪的清洁能源,氢燃烧速率快，反应完全。氢能源是清洁能源，没有环境污染，能保持生态平衡。,目前，已实验成功用氢作动力的汽车，有望不久能投入实用；氢作为航天飞机的燃料已经成为现实，有的航天飞机的1 800 m3的液态氢,氢能源研究面临的三大问题：氢气的发生（降低生产成本）氢气的储存 氢气的输送（利用）,无机化学电子教案,LaNi5+3H2 LaNi5H6+Q 气压 储氢 热交换,储氢是物质交换，吸放氢功能、储能储氢有

17、气压交还功能，气压敏感氢化物生成热，热敏感和热交换功能储氢材料是加氢脱氢催化剂储氢材料的电化学性能，储氢电极材料,无机化学电子教案,5.2 稀有气体,5.2.1 历史回顾5.2.2 通性和用途 5.2.3 自然界中的分布5.2.4 化合物5.2.5 稀有气体化合物结构,无机化学电子教案,对于第18列的元素，随着人们对它们认识的逐步深化而不断地在改变，现今文献中，常见的命名有以下几种；1.1962年以前，由于未制备出这些元素的任何化合物，确信它们的性质不活泼，叫它们为“惰性气体”（inert gases)；2.曾因它们与各种化学试剂都不发生反应，于是认为它们的化合价为零，又将其称为“零族元素”；

18、3.根据这六个元素在地壳中的含量稀少，又广泛地称它们为“稀有气体”(noble metals)；4.这族元素自上而下，以氦为首，故也叫做“氦族元素”；5.也有人称它们为“单原子气态元素”(monoatomicgaselements）,5.2.1 历史回顾,无机化学电子教案,1893 年，物理学家 Rayleigh 和化学家 Ramsay 分析了由氨分解出来的氮每升1.2507g，而一升由空气中获得的氮重1.2565g，相差的 5.8 mg 并非是氮，命名为“氩”（argon,原文含有懒惰的意思。）这被称为“小数点后第三位的胜利。”,1962年3月32日下午6时45分Bartlett N 第一个

19、观察到“惰性气体”元 素的化学行为：XePtF6 红色液体生成！,无机化学电子教案,5.2.2 通性和用途,通性：均为单原子分子；外电子层相对饱和；电子结构相 当稳定；电子亲和能接近于零，具有很高电离能，一般条件下不易形成化学键。原子间仅有微弱的范 德华力，蒸发热，水中的溶解度都很小。,无机化学电子教案,无机化学电子教案,无机化学电子教案,无机化学电子教案,无机化学电子教案,无机化学电子教案,5.2.3 自然界中的分布,空气分离中可得 He、Rn外的所有其他稀有气体。He 最难被液化(b.p.4.2K)。Rn是放射性元素，主要由 Ra 等的蜕变产物，如：,Ra-Rn平衡约需30d，1g Ra

20、达平衡时可放出 0.64 mm3 Rn。Rn 本身也有放射性，吸入体内很危险！Ar：在大气中所占体积比最多0.934 He：5.2410-4%Ne：1.8210-4%Kr：1.1410-3%Xe：8.710-6%,稀有气体在地壳中的分布,无机化学电子教案,(1)氙的氟化物的合成和性质,5.2.4 化合物,在稀有气体化合物中主要研究了氙含氟、含氧的化合物。,无机化学电子教案,XeF2+2I-=Xe+I2+2F-XeF4+2H2=Xe+4HF XeF4+4Hg=Xe+2Hg2F2,XeF2+H2O=Xe+1/2O2+2HF6XeF4+12H2O=2XeO3+4Xe+24HF+3O2XeF6+H2O

21、=XeOF4+2HFXeF6+3H2O=XeO3+6HF,氙的氟化物都是强的氧化剂，可将许多物质氧化，如：,这些氟化物都可以和水反应:,无机化学电子教案,形成配合物 XeF2能与共价的氟化物形成配合物。如与PF5，AsF5，SbF5和过渡金属氟化物NbF5，TaF5，RuF5，OsF5，RbF5，IrF5及PtF5等。XeF2+2SbF5=XeF+SbF6-,这几种氟化物是优良且温和的氟化剂,XeF2+IF5=IF7+XeXeF4+2CF3CF=CF2 2CF3CF2CF3+Xe XeF4+2SF4=2SF6+XeXeF6+C6H6=C6H5F+HF+Xe2XeF6+3SiO2=2XeO3+3

22、SiF4,氟化能力：XeF6XeF4XeF2,无机化学电子教案,(2)含氧化合物,目前以知氙的含氧化合物有XeO3、XeO4以及氙酸根盐和高氙酸盐等。它们的转化关系如下：,XeO3具有很强的氧化性，能将盐酸氧化成氯气，把Fe2+氧化成 Fe3+，把Br-氧化成，把Mn2+氧化成。,无机化学电子教案,氙酸盐：氙酸盐的化学通式为MHXeO4（M为Na，K，Rb，Cs），其中Xe的氧化数为+6。氙酸盐是一种固体粉末，比XeO3稳定，但受到机械振动即爆炸。能溶于水，不溶于无水乙醇，氯仿和四氯化碳。高氙酸盐:高氙酸钠为白色粉末，通常含有6个或8个结晶水，干燥后转变成Na4XeO62H2O，若在373K以

23、上烘干，可获得无水高氙酸钠。其它碱金属和碱土金属的高氙酸盐M4XeO4（M为Na，K，Rb，Cs等）也已制得。Na4XeO6是强氧化剂，许多还原剂都可被它氧化。如在碱性介质中:5Na4XeO6+2Mn(OH)2+7H2O=5NaHXeO4+2NaMnO4+13NaOH 用浓硫酸与高氙酸钡反应，可以制得很不稳定的具有爆炸性的气态四氧化氙XeO4。,附：氙的含氧酸盐,无机化学电子教案,(3)其它稀有气体化合物,氡（Rn）比Xe的离子电离能还小，可以预料，它能较迅速的与氟形成化合物。但由于氡的强放射性，且半衰期很短，对其化合物研究较少。氪（Kr）比Xe的离子化能高，它所形成的化合物稳定性极其有限。,

24、稀有气体所形成的化合物均为强氧化剂，而其本身有8电子的稳定结构，故发生化学反应的生成物，一般会形成稀有气体本身。,无机化学电子教案,5.2.5 稀有气体化合物的结构,(1)杂化轨道法,稀有气体各原子价电子层都已充满，即ns2np6。因此，它们不易丢失电子，也不易形成共价键。但是当它们与电负很大的原子作用时，有可能使 np 轨道上的电子激发到较高能级的 nd 轨道上去，从而出现单电子，这些单电子与其它原子形成共价键。例如，XeF2向 nd 激发一个电子形成共价键。,无机化学电子教案,a,b,c,XeF2中的 sp3d杂化轨道为三角双锥形，如 a图。三对孤对电子指向等边三角形的三个顶角，FXeF在

25、垂直于该平面的直线上。,XeF4中的sp3d2杂化轨道为正八面体，如b图。四个F原子同Xe位于同一个平面内，两个孤对电子垂直于平面。,XeF6中的sp3d3杂化轨道为五角双锥，六个F原子位于八面体的六个顶点，而另一个孤电子对伸向一个棱边的中点或一个面中心。,无机化学电子教案,a,b,c,(2)价电子对互斥理论,XeF2分子构型为直线形，分子中共有五对电子，中心原子Xe的价层电子对排列方式见图a,XeF4分子构型为平面正方形，分子中共有六对电子，包括中对成键电子与两对孤电子对。中心原子Xe的价层电子对排列方式见图b,XeF6分子构型为变形八面体，中心原子Xe的价层电子对排列方式见图c,无机化学电子教案,价层电子对互斥理论对氙的重要化合物的空间结构的描述:,XeF2(直线型)XeF4(平面四方形)XeF6(变型八面体),XeO64-,无机化学电子教案,(3)MO法处理氙化合物的分子结构,以XeF2为例，Xe的5Px轨道上的2个电子与2个F原子的2Px轨道上的各一个电子组合成三中心四电子的键，此离域的键有效的将氙与氟结合在一起。,