第十章 氫和稀有氣體

1、10-110-1元素?zé)o機化學(xué)概論元素?zé)o機化學(xué)概論(Hydrogen and its Compounds) (Hydrogen and its Compounds) 一、元素的發(fā)現(xiàn)、分類和存在形態(tài)一、元素的發(fā)現(xiàn)、分類和存在形態(tài) 1 1、元素的發(fā)現(xiàn)、元素的發(fā)現(xiàn) 共有共有112112種，地球上天然存在種，地球上天然存在:92:92種種 人工合成人工合成:20 :20 2 2、元素的分類、元素的分類 (1) (1) 金屬元素金屬元素9090種，非金屬元素種，非金屬元素2222種種 準(zhǔn)金屬準(zhǔn)金屬: :性質(zhì)介于金屬和非金屬之間的單質(zhì)性質(zhì)介于金屬和非金屬之間的單質(zhì) (2) (2) 普通元素和稀有元素普通元素

2、和稀有元素 普通元素和稀有元素的劃分不是絕對的。普通元素和稀有元素的劃分不是絕對的。 3 3、元素在自然界中的存在形態(tài)、元素在自然界中的存在形態(tài) 游離態(tài)游離態(tài)( (單質(zhì)單質(zhì)) )和化合態(tài)和化合態(tài)( (化合物化合物) ) （1 1）游離態(tài)）游離態(tài) a a 氣態(tài)非金屬單質(zhì)氣態(tài)非金屬單質(zhì) b b 固態(tài)非金屬單質(zhì)固態(tài)非金屬單質(zhì) c c 金屬單質(zhì)金屬單質(zhì) (2) (2) 化合態(tài)化合態(tài) a a 活潑金屬元素活潑金屬元素(A(A族和族和AA族中族中Mg)Mg)與與AA族族( (鹵素鹵素) )形成的離子型鹵化物形成的離子型鹵化物 b Ab A族元素還常以難溶碳酸鹽形式存在于礦物中，族元素還常以難溶碳酸鹽形式存

3、在于礦物中， c c 準(zhǔn)金屬元素準(zhǔn)金屬元素(B(B除外除外) )以及以及IBIB、IIBIIB族元素常以難溶硫化族元素常以難溶硫化物形式存在物形式存在 d Bd BBB族過渡元素主要以穩(wěn)定的氧化物形式存在族過渡元素主要以穩(wěn)定的氧化物形式存在 二、元素的自然資源二、元素的自然資源 地殼中分布最廣的地殼中分布最廣的1010種元素的原子百分?jǐn)?shù)為：種元素的原子百分?jǐn)?shù)為：豐度可用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)或原子百分?jǐn)?shù)豐度可用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)或原子百分?jǐn)?shù) 原子百分?jǐn)?shù)又稱克拉克原子百分?jǐn)?shù)又稱克拉克(Clark)(Clark)值值: :用每種元素的質(zhì)量百用每種元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)除以相對原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)除以相對原子質(zhì)量, , 稱為該元素的

4、原子因數(shù)，把所稱為該元素的原子因數(shù)，把所有地殼元素的原子因數(shù)總和作為有地殼元素的原子因數(shù)總和作為100100，每種元素原子因，每種元素原子因數(shù)所占的百分?jǐn)?shù)就是該元素的原子百分?jǐn)?shù)數(shù)所占的百分?jǐn)?shù)就是該元素的原子百分?jǐn)?shù) 三、單質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)三、單質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì) 1 1、晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu) 同一周期元素的單質(zhì)，從左到右，一般由典型的金屬晶同一周期元素的單質(zhì)，從左到右，一般由典型的金屬晶體經(jīng)過原子晶體、層狀晶體或鏈狀晶體等，最后過渡到體經(jīng)過原子晶體、層狀晶體或鏈狀晶體等，最后過渡到分子晶體。同一族元素單質(zhì)由上而下，常由分子晶體或分子晶體。同一族元素單質(zhì)由上而下，常由分子晶體或原子晶體過渡

5、到金屬晶體原子晶體過渡到金屬晶體 副族元素單質(zhì)均為金屬晶體副族元素單質(zhì)均為金屬晶體 2 2、物理性質(zhì)、物理性質(zhì) （1 1）熔點、沸點）熔點、沸點 同一周期的主族元素，從左到右，熔、沸點由低同一周期的主族元素，從左到右，熔、沸點由低高高低，即兩端元素單質(zhì)的熔、沸點低，中間的高低，即兩端元素單質(zhì)的熔、沸點低，中間的高 副族元素單質(zhì)一般具有較高的熔、沸點副族元素單質(zhì)一般具有較高的熔、沸點 （2 2）密度和硬度）密度和硬度 同周期主族元素從左到右，單質(zhì)的密度與硬度是兩頭同周期主族元素從左到右，單質(zhì)的密度與硬度是兩頭小中間大小中間大 （3 3）導(dǎo)電性和超導(dǎo)性）導(dǎo)電性和超導(dǎo)性 周期表從左到右，主族元素單質(zhì)

6、呈現(xiàn)出由導(dǎo)體向半導(dǎo)周期表從左到右，主族元素單質(zhì)呈現(xiàn)出由導(dǎo)體向半導(dǎo)體、非導(dǎo)體演變的趨勢體、非導(dǎo)體演變的趨勢 副族元素單質(zhì)均為金屬晶體，易導(dǎo)電副族元素單質(zhì)均為金屬晶體，易導(dǎo)電 四、單質(zhì)的制取方法四、單質(zhì)的制取方法 1 1物理分離法物理分離法 2 2熱分解法熱分解法 2,2( )( )OHgS sHg lSO 3 3電解法電解法 222222NaClH ONaOHHCl 電解2,580 59022(2oCaClCNaClNaCl電解，熔體）4 4還原法還原法 MgOCMgCO 2323Fe O + 2Al2Fe + Al O 3422342Ca (PO ) + 10C + 6SiO6CaSiO +

7、10CO + P 5 5氧化法氧化法 23423FeS+6C+8OFe O +6CO+ 6S * *熱還原法的熱力學(xué)分析熱還原法的熱力學(xué)分析: :埃靈罕姆圖埃靈罕姆圖 2m2nm1M + OM Onn 每消耗每消耗 1 molO 1 molO2 2，并生，并生成成1/n molM1/n molMmmOO2n2n的吉布的吉布斯自由能變?yōu)樗棺杂赡茏優(yōu)? : rmG埃靈罕姆圖埃靈罕姆圖: : T T圖圖 rmG(1) (1) 某直線對應(yīng)的氧化物能被位于其下任一直線對應(yīng)的金某直線對應(yīng)的氧化物能被位于其下任一直線對應(yīng)的金屬所還原，而且兩直線距離相差越大，反應(yīng)進(jìn)行越完全。屬所還原，而且兩直線距離相差越大，

8、反應(yīng)進(jìn)行越完全。 應(yīng)用應(yīng)用: :題目題目: :判斷判斷MnOMnO2 2能否被能否被AlAl還原。還原。 rmGrmG(2) (2) 由圖可看出，由圖可看出，MgOMgO、AlAl2 2OO3 3、CaOCaO的的 值比其它氧值比其它氧化物的化物的 小得多，所以小得多，所以MgMg、AlAl、CaCa可還原其它金屬可還原其它金屬氧化物氧化物。 rmGrmG(3) CO(3) CO的的 值隨溫度升高而減小，在高溫下比許多氧值隨溫度升高而減小，在高溫下比許多氧化物的化物的 要小。因此，高溫下許多金屬氧化物（如要小。因此，高溫下許多金屬氧化物（如 FeFe2 2OO3 3、ZnOZnO、CaOCaO

9、等）均可被等）均可被C C還原，這就是在材料還原，這就是在材料學(xué)上很重要的碳熱還原學(xué)上很重要的碳熱還原。 “價廉物美價廉物美” ” 10-210-2氫及其化合物氫及其化合物(Hydrogen and its Compounds)(Hydrogen and its Compounds) 宇宙間所有元素中宇宙間所有元素中含量最豐富含量最豐富的元素的元素 一、單質(zhì)氫（一、單質(zhì)氫（Simple Substance of HydrogenSimple Substance of Hydrogen） 1 1氫的同位素（氫的同位素（The isotopesThe isotopes） 11H21H31H( (氕

10、，氕，ProtiumProtium，符號，符號H)H)占總量的占總量的99.9899.98 ( (氘，氘，DeuteriumDeuterium，符號，符號D)D)占占0.0160.016 ( (氚，氚，TritiumTritium，符號，符號T)T)占總量的占總量的0.0040.004 單質(zhì)和化合物的化學(xué)性質(zhì)基本相同，物理性單質(zhì)和化合物的化學(xué)性質(zhì)基本相同，物理性質(zhì)和生物性質(zhì)則有所不同質(zhì)和生物性質(zhì)則有所不同. . 重水中的氫鍵比普通水中的氫鍵重水中的氫鍵比普通水中的氫鍵 H H2 2的沸點最低的沸點最低: D: D的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)2 2性質(zhì)：性質(zhì)： (1) (1) 物理性質(zhì)：物理性質(zhì)： H H2 2

11、極難溶于水和有機溶劑，但它卻能大量溶解于金屬極難溶于水和有機溶劑，但它卻能大量溶解于金屬（PtPt、PdPd）和合金（）和合金（LaNiLaNi5 5）中，固態(tài)氫又稱為）中，固態(tài)氫又稱為金屬氫金屬氫 儲存氫，提純氫儲存氫，提純氫 金屬氫具有金屬氫具有導(dǎo)電性導(dǎo)電性: :晶格質(zhì)點上為質(zhì)子，而電子為整個晶格質(zhì)點上為質(zhì)子，而電子為整個晶體共享晶體共享 氫氣非常氫氣非常難液化難液化: : 提純氫氣提純氫氣 (2) (2) 化學(xué)性質(zhì)：化學(xué)性質(zhì)： 氫的一些重要性質(zhì)氫的一些重要性質(zhì)a a成鍵特點：成鍵特點： 氫與非金屬和金屬都能化合氫與非金屬和金屬都能化合 成鍵方式成鍵方式: : (1)(1)失去價電子失去價

12、電子(2)(2)結(jié)合一個電子結(jié)合一個電子(3)(3)形成共價化合物形成共價化合物(4) (4) 形成氫鍵形成氫鍵周期表中的位置是不易確定的周期表中的位置是不易確定的 b. b. 氫分子在氫分子在常溫下不活潑常溫下不活潑 -12H2HD=436 kJ mol35003500高溫的原子氫吹管高溫的原子氫吹管 c c化合反應(yīng)：化合反應(yīng)： 與許多金屬或非金屬反應(yīng)，形成各類氫化物與許多金屬或非金屬反應(yīng)，形成各類氫化物 22222HOH O22Ca + HCaHd d還原反應(yīng)：還原反應(yīng)： 322WO + 3HW + 3H O高溫32SiHCl + HSi + 3HCl 高溫e. e. 高溫下高溫下( (如

13、如2000K2000K以上以上) )、輻射、低壓放電等情況下，氫、輻射、低壓放電等情況下，氫分子可分解為分子可分解為原子氫原子氫。 原子氫比分子氫性質(zhì)活潑得多原子氫比分子氫性質(zhì)活潑得多 4284BaSOHBaSH OOHCHHCOZnCu3/22 催化劑存在：催化劑存在：3 3制備制備 +2+2Zn + 2H =Zn+ H (1) (1) 實驗室實驗室 (2) (2) 工業(yè)上工業(yè)上 a a電解（在電解（在OHOH- -中）中） OH2Oe4OH4OH2H2eOH22222陽極陰極制備制備NaOHNaOH的副產(chǎn)品的副產(chǎn)品 b b水煤氣法水煤氣法： 700 870,4223oC Ni CoCHH

14、OCOH催化劑22CH OCOH 催化劑222COH OCOH 催化劑I: I:II:II:或或III:III: 除去除去COCO2 2 c c烴裂解：烴裂解： 24HCCHD D、生物制氫、生物制氫, , 催化制氫催化制氫 (3) (3) 野外野外 2232Si + 2NaOH + H ONa SiO + 2H2222CaH + 2H OCa(OH) +2H二、氫化物（二、氫化物（HydrideHydride） 氫化物，氫化物， 某化氫某化氫 10-310-3稀有氣體稀有氣體 The Rare Gases The Rare Gases Helium (He) Helium (He) 太陽太陽

15、 Neon (Ne) Neon (Ne) 新的新的 Argon (Ar) Argon (Ar) 懶惰的懶惰的 Krypton (Kr) Krypton (Kr) 穩(wěn)定的穩(wěn)定的 Xenon (Xe) Xenon (Xe) 陌生的陌生的 Radon (Rn) Radon (Rn) 發(fā)光的發(fā)光的Electronic configurationElectronic configuration：nsns2 2npnp6 6 except except： He 1sHe 1s2 2RamsayRamsay：19041904年年NobelNobel化學(xué)獎化學(xué)獎 一、一、General Properties:

16、General Properties: 1 1單原子分子，惰性氣體單原子分子，惰性氣體2 2原子間存在微弱的色散力，熔點、沸點、臨界溫度、原子間存在微弱的色散力，熔點、沸點、臨界溫度、蒸發(fā)熱以及在水中的溶解度都很小。蒸發(fā)熱以及在水中的溶解度都很小。 隨著原子序數(shù)的增加而遞增隨著原子序數(shù)的增加而遞增 氦最難液化，唯一無熔點的物質(zhì)，低溫下是超導(dǎo)體氦最難液化，唯一無熔點的物質(zhì)，低溫下是超導(dǎo)體 3 3穩(wěn)定的穩(wěn)定的8 8電子構(gòu)型電子構(gòu)型( (氦為氦為2 2電子電子) )4 4液態(tài)空氣是提取稀有氣體的主要原料；液態(tài)空氣是提取稀有氣體的主要原料； 5 5用途：用途： 氦：人造空氣，填充氣，火箭燃料壓力系統(tǒng)，

17、冷凍劑，氦：人造空氣，填充氣，火箭燃料壓力系統(tǒng)，冷凍劑，惰性氣體，高效巨變反應(yīng)原料。惰性氣體，高效巨變反應(yīng)原料。氖和氬：霓虹燈，冷凍劑，保護氣體。氖和氬：霓虹燈，冷凍劑，保護氣體。氪和氙：特種光源，醫(yī)學(xué)上。氪和氙：特種光源，醫(yī)學(xué)上。氡：放射性治療氡：放射性治療 二、二、Chemical PropertiesChemical Properties 19621962：XePtFXePtF6 6 “ “惰性氣體惰性氣體”-“-“稀有氣體稀有氣體”。 (1) (1) 制備：制備： 400 C,1atm22Xe(g)F (g)XeF (s) 600 C,6atm24Xe(g)F (g)XeF (s)2

18、300 C,60atm26Xe(g)F (g)XeF (s)3 426XeF (s)F (g)XeF (s) （在常壓下）（在常壓下） 或或1 1氙的氟化物（氙的氟化物（Fluorides of xenonFluorides of xenon） XeF XeF2 2、XeFXeF4 4、XeFXeF6 6，穩(wěn)定的白色結(jié)晶狀，穩(wěn)定的白色結(jié)晶狀 鎳容器內(nèi)鎳容器內(nèi) (2) (2) 性質(zhì)：性質(zhì)： a a都與水反應(yīng)都與水反應(yīng)：（制備氟化物時要嚴(yán)格干燥制備氟化物時要嚴(yán)格干燥) )2222XeF (s) + 2H O(l)=2Xe(g) + 4HF(l) + O (g)2222XeF (s)4OH (aq)

19、=2Xe(g)O (g)4F (aq)H O(l)2慢慢 快快 (i) (i) (ii) (ii) 42326XeF (s) + 12H O(l)2XeO (aq) + 4Xe(g) + 3O (g) + 24HF(l)分解成分解成： 4223XeF (g) + 6H O(l)=3Xe(g) + 3O (g) + 12HF(l)4233XeF (s) + 6H O(l)=2XeO (aq) + Xe(g) + 12HF(l)氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng) 歧化反應(yīng)歧化反應(yīng) XeFXeF4 4等摩爾參與歧化反應(yīng)以及與水的氧化還原反應(yīng)等摩爾參與歧化反應(yīng)以及與水的氧化還原反應(yīng)的配平結(jié)果的配平結(jié)果 624X

20、eF (s) + H O(l)=XeOF (l) + 2HF(l) (iii) (iii) 423XeOF (l) + 2H O(l)=XeO (aq) + 4HF(l)OHOH- -中中 4662XeFOHXeOXeOF分解成：分解成： 466243632418XeFOHXeOXeFH O62221223126XeFOHXeOFH O上面兩個式子相加可得總反應(yīng)式，如果是上面兩個式子相加可得總反應(yīng)式，如果是1 1：1 1，則第，則第二個方程要乘以二個方程要乘以2 2。 習(xí)題：完成反應(yīng)：習(xí)題：完成反應(yīng)：46622216128XeFOHXeOXeFOH O6216XeFOH不完全水解不完全水解完全

21、水解完全水解b b都是強氧化劑都是強氧化劑 22222XeF (s) + CH =CH (g) = CH F-CH F(s) + Xe(g)446XeF (s) + 2SF (g) = 2SF (g) + Xe(g)6324XeF (g) + 8NH (g) = Xe(g) + N (g) + 6NH F(s)2HCl Cl(III) (IV)Ce Ce2+-4MnMnO33CrCrOc c良好的氟化劑良好的氟化劑 62442XeF (g) + SiO (s) = 2XeOF (l) + SiF (g)不能在玻璃容器中儲存或反應(yīng)不能在玻璃容器中儲存或反應(yīng) 2 6665XeF + C H = C

22、 H F + Xe + HFd. d. 路易斯酸堿反應(yīng)：路易斯酸堿反應(yīng)：( (路易斯酸堿概念路易斯酸堿概念) ) 256XeF (s) + SbF (l) = XeFSbF (s)252362XeF (s) + SbF (l) = Xe F SbF (s)67RbFXeFRbXeF和路易斯酸反應(yīng)：和路易斯酸反應(yīng)： 和路易斯堿反應(yīng)：和路易斯堿反應(yīng)： +-434345XeF + N(CH ) F = N(CH ) XeF2 2氙的氧化物（氙的氧化物（Oxides of xenonOxides of xenon） (1) preparation:(1) preparation: a aXeOXeO3

23、 3由由XeFXeF4 4岐化或岐化或XeFXeF6 6水解制得水解制得 b bXeOXeO4 4由由XeFXeF6 6在在Ba(OH)Ba(OH)2 2中歧化制得的高氙酸鋇中歧化制得的高氙酸鋇BaBa2 2XeOXeO6 6，高氙酸鋇再與硫酸反應(yīng)：，高氙酸鋇再與硫酸反應(yīng)：2624442Ba XeO (s) + 2H SO (aq) = 2BaSO (s) + XeO (g) + 2H O(l)(2) properties(2) properties： a a穩(wěn)定性穩(wěn)定性 XeOXeO3 3溶于水，在水中穩(wěn)定，固態(tài)時溶于水，在水中穩(wěn)定，固態(tài)時XeOXeO3 3會發(fā)生爆炸會發(fā)生爆炸 OHOH介質(zhì)中形成介質(zhì)中形成 離子離子 4HXeO-334HXeOXeO (s) + OH (aq) = 1.5 10K44628OH4HXeOXe3XeO6H O446222HXeO (aq)2OH (aq)=XeO(aq)Xe(g)O (g)2H O(l)或或?qū)τ陔暮趸?，在酸性和中性溶液中對于氙的含氧化物，在酸性和中性溶液中Xe (VI) Xe (VI) 穩(wěn)定；穩(wěn)定；在堿性溶液中在堿性溶液中Xe (VIII) Xe (VIII) 穩(wěn)定穩(wěn)定 XeOXeO4 4是一種氣體，不如是一種氣體，不如XeOXeO3 3穩(wěn)定，正四面體幾何構(gòu)型。穩(wěn)定，