氫和氧的化學

氫和氧的化學第一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日§3.1氫§3.1.1氫的分布

氫是宇宙中含量最豐富的元素，約占宇宙總質(zhì)量的74%。

氫是太陽的核原料，在星際空間中大量存在。第二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日§3.1.2氫的三種同位素

核聚變是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。99.9844%0.0156%10-16%第四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日三種同位素的電子組態(tài)因此化學性質(zhì)比較類似。物理性質(zhì)：

D2相對于H2來說，有更高的熔點、沸點和解離能。第五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日§3.1.3氫的成鍵類型1.共價單鍵

H原子常常以共價單鍵和其他非金屬原子形成共價化合物。氫原子的共價單鍵的半徑為32pm。H2ONH3HCl2.離子鍵

H原子可獲得一個電子形成H-離子，但是其親合能較小，只能同電正性高的金屬形成鹽類氫化物。H-離子的半徑在130-150pm之間。

NaHCaH

H原子失去電子形成H+離子后，因其半徑較小，除氣態(tài)離子束外，H+必須和其他分子或離子結合形成H3O+，NH4+等離子，再和其他異號離子結合形成化合物。第六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日3.金屬鍵

高壓低溫條件下，H2分子轉變成直線型氫原子鏈Hn，固態(tài)分子轉變成金屬相。其中的氫原子通過金屬鍵相互結合在一起。

H2能被多種金屬和合金大量吸附，以原子狀態(tài)存在于金屬原子間的空隙之中，以金屬鍵和金屬相結合。儲氫材料氫是重要而潔凈的能源。同樣重量的氫氣燃燒的熱量至少是煤的4.4倍。4.氫鍵第七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日5.氫分子配鍵

在一些過渡金屬配位化合物中，氫分子作為配位體和金屬原子從側面結合，兩個氫原子同時等距離地和M原子成鍵。MHH6.橋鍵

橋鍵通常出現(xiàn)在有機金屬化合物的碳氫基團和前過渡金屬原子之間。H原子以共價鍵的形式同時和1個C原子和一個過渡金屬原子成鍵。形成一個三中心兩電子的鍵。半個箭頭表示形式上H原子提供2個電子給M的空軌道共用。該橋鍵是彎曲的體系。

許多過渡金屬化合物的中心金屬原子少于18個電子，為滿足18電子規(guī)則，過渡金屬原子會抓住一個配位的有機配位體上的H原子，來增加它的電子數(shù)目。第八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日

在硼氫化合物(如B2H6)和某些過渡金屬配合物(如H[Cr(CO)5]2)中均存在氫橋鍵。氫原子位于兩個中心原子之間，正如一座橋一樣，把兩個中心原子相連。7.缺電子多中心氫橋鍵8.過渡金屬氫化物中的M-H鍵

在過渡金屬氫化物中，H原子能以多種形式和金屬原子形成多種形式的化學鍵。第九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日

氫氣是無色、無臭、無味的可燃性氣體，比空氣輕14.38倍，具有很大的擴散速度和很好的導熱性，在水中的溶解度很小。氫氣容易被鎳、鈀、鉑等金屬吸附?！?.1.4氫氣的性質(zhì)和制備

在H2分子中，由于H原子很小，沒有內(nèi)層電子，H-H間的結合力非常強，解離能達436kJ·mol-1，是所有同核共價單鍵中最強的鍵。第十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日氫的制備第十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日§3.1.5氫化物第十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日

氧是地球上最豐富的元素之一。在地殼、海洋和大氣中，占總質(zhì)量的46.4%。大氣中氧氣占大氣質(zhì)量的23%。海水質(zhì)量的89%是氧。大氣中的氧含量基本保持不變。一方面是由于燃燒和動植物呼吸過程消耗氧氣，另一方面，綠色植物利用二氧化碳和水通過光合作用制造氧氣。

§3.2氧第十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日（一）氧氣氧是無色、無臭的氣體。在標準下，密度為1.429kg·L-1；熔點（54.21K）和沸點（90.02K）都較低，液態(tài)和固態(tài)氧都顯淡藍色；氧在水中的溶解度很小，通常1ml水僅能溶解0.0308mlO2。氧最主要的化學性質(zhì)是氧化性。除稀有氣體和少數(shù)金屬外，氧幾乎能所有元素直接或間接地化合，生成類型不同，數(shù)量眾多的化合物。

第十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日氧的制備氧的化學性質(zhì)第十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日（二）臭氧

常溫下，臭氧（O3）是淺藍色的氣體，沸點160.6K、熔點21.6K，O3比O2易溶于水（通常1ml水中能溶解0.49mlO3）。

O3的氧化性大于O2。常溫下，O3能與許多還原劑直接作用。例如：PbS+2O3=PbSO4+O2↑2Ag+2O3=O2↑+Ag2O2（過氧化銀）2KI+O3+H2O=2KOH+I2+O2↑第十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日

（三）過氧化氫

制備：電解60％H2SO4溶液，減壓蒸餾得H2S2O8，水解可得H2O2。H2S2O8+2H2O=2H2SO4+H2O2↑

性質(zhì)1、不穩(wěn)定性2H2O2＝2H2O+O2↑2、弱酸性H2O2＝

H++HO2-H2O2+Ba(OH)2=BaO2+2H2O第二十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日3、氧化還原性

由于H2O2氧化數(shù)處于中間，因此它既顯氧化性又顯還原性，氧化還原能力與介質(zhì)的酸堿性有關。以氧化性為主。例如：Cl2+H2O2＝2HCl+O2↑H2O2+2I-+2H+＝I2+2H2OPb+4H2O2＝PbSO4↓+4H2O第二十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日水是地球上數(shù)量最多的分子型化合物

1.41021kg可淹沒地球平均水深2713m人體一半以上是水化學中最常用的試劑和溶劑§3.3水的結構和性質(zhì)第二十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日(1)水在4℃時密度最大，為1；0℃時冰的密度為0.917。水凍結為冰時，體積膨脹是1.62m1/L。(2)水的沸點和熔點相當高。(3)水的比熱較大。(4)水的導熱率高，冰的熱擴散率比水大。(5)水的溶解能力強。(6)介電常數(shù)高(7)表面張力高§3.3.1水的重要性質(zhì)第二十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日1、水的分子結構4個雜化軌道

2px22py12pz1由于氧的高負電性，O-H共價鍵具有部分離子特征水分子的四面體結構有對稱型氧的另外兩對孤對電子有靜電力H-O鍵具有電負性

§3.3.2水的結構第二十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日四面體形電荷分布體系H2O···H-FH2O···H-ClH2O···H-CNH2O···H-OH質(zhì)子受體質(zhì)子給體水的氣態(tài)二聚體第二十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第二十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日§3.3.3冰的結構——Ih第二十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日冰的各種晶型第二十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日從冰的結構可得：（a）水能堆積出11種冰晶體，跨越6個晶系、10種空間群、密度從0.92~1.49g·cm-3（b）四面體取向的O-H···O氫鍵，是使水結晶成冰的共同特征和主要作用力。（c）高壓下密度的增加，不是靠壓縮氫鍵鍵長，而是壓短非鍵距離。（d）O-H···O氫鍵中，H的分布多數(shù)（7種）是無序，少數(shù)（4種）有序。第二十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日1.

冰和液態(tài)水的徑向分布[g(r)~r]圖冰-Ih液態(tài)水277K§3.3.4液態(tài)水的結構模型第三十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日2.冰化為水，O原子間距離的變化

水的結構不僅有冰的“碎片”，還含有大量通過氫鍵形成動態(tài)平衡的不完整多面體（如五角十二面體）體系。第三十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日3.液態(tài)水的性質(zhì)和結構a.熱學性質(zhì)冰水汽升華熱高51kJ·mol-1熔點高,0℃沸點高,100℃比熱大蒸發(fā)熱大熔化熱小6kJ·mol-176J·mol-1K-140.6kJ·mol-1第三十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日b.密度：4℃最大冰，0℃0.9168g·cm-3水，0℃0.99984g·cm-3

4

℃1.0000

g·cm-320℃0.99821

g·cm-3第三十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日

除冰以外，在晶體中和其他組份一起存在的水。1.骨架水：水作為構建晶體骨架的主要組份。如氣體水合物。2.配位水：水作為配位體和金屬離子配位，如明礬[K(H2O)6]+[Al(H2O)6]3+[SO42-]2VSO4·6H2O[V(H2O)6]2+[SO4]2-3.結構水：水作為填補晶體結構空間，并通過氫鍵將各組份結合在一起。如CuSO4·5H2O[Cu(H2O)4]2+[SO42-]·H2O4.層間水：粘土等層型結構間的水。5.沸石水：沸石型骨架中孔穴內(nèi)部吸附的水。6.蛋白質(zhì)晶體中連續(xù)分布的水：如三方二鋅豬胰島素Zn2(C255H380O78N65S6)6·835H2O1,2,3組成確定；4,5,6組成可變硼砂Na2[B4O5(OH)4]·8H2O結晶水為8個，加熱時4個OH可變成H2O脫去，但化學式不應寫成Na2B4O7·10H2O§3.3.5結晶水第三十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日§3.3.6水分子的振動和轉動特性的應用a.烘干谷物糧食烘干機（示意）1.水分子的振動第三十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日水的紅外光譜圖第三十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日b.用于理療理療燈，表面溫度680℃，IR能量分布第三十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日2.水分子的轉動水分子的轉動頻率（2.2~2.5）109Hz，屬微波區(qū)。（a）微波爐發(fā)射2.45109Hz微波，使含水食物加熱煮熟。用微波爐灼燒BaSO4沉淀，可縮短試樣分析的時間。（b）探測星際空間的水分子。第三十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日§3.3.7從物理學觀點看水對生物和地球氣候作用1.水的生物功能－－生命之源食物、水、氧低熵能量物質(zhì)生物體物質(zhì)(CO2,H2O,排泄物)能量成年生物體、基本平衡高熵排熵6CO2+6H2OC6H12O6+6O2

光合、吸熱、熵減

氧化、放熱、熵增（消化）-HS>0生物體進行消化過程G=H-TS<0

自發(fā)進行、酶催化

(-)(+)排熵：呼吸（排出CO2）、排尿、汗（排出H2O）將熵排出體外（環(huán)境）第三十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日2.水對地球氣候的作用地球排熵靠水的循環(huán)熱傳導對流輻射次要，相變（水）－－主要地表水汽化，帶去大量汽化熱水（18）比空氣（28）輕，上升高空在高空，水汽－－云、霧、雨、雪放出凝結熱排熵冰比水輕，浮在表面：易熔、參加循環(huán)；保護物種高空大氣地球高空T0=250KTG=288K地表靠溫室效應維持溫差第四十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日§3.3.8學習水文化

弘揚傳統(tǒng)美德，提高精神境界“問渠那得清如許，為有源頭活水來”（朱熹）（不斷學習，更新思維）“滴水之恩涌泉報，飲水思源不忘恩”（謝老師教誨，促民族騰飛）“青出于藍而勝于藍，冰水為之而寒于水”（荀子）（認真學習，超越老師）“智者樂水”（孔子）“智者達于事理而周流無滯，有似于水，故樂水”（朱熹）（通達事理，周流無滯）“一水護田將綠繞，兩山排垯送青來”（王安石）（綠水青山）“君不見黃河之水天上來，奔流到海不復回”（李白）（一往無前）“日出江花紅似火，春來江水綠如藍”（白居易）（愛水護綠）第四十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日水乳交融（親密） 近水樓臺（機遇）水泄不通（嚴密） 萍水相逢（偶遇）水深火熱（苦難） 車水馬龍（繁華）水中撈月（枉想） 山高水長（時空）水漲船高（同步） 山明水秀（景色）水到渠成（功底） 山窮水盡（絕境）流水不腐（更新） 一衣帶水（近鄰）背水一戰(zhàn)（決心） 一潭死水（沉悶）滴水成冰（嚴寒） 落花流水（傷感）杯水車薪（不足） 拖泥帶水（煩瑣）萬水千山（遙遠） 行云流水（美感）飲水思源（報恩） 望穿秋水（思念）滴水穿石（持之以恒，再大困難也能克服）第四十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日溶液：兩種或兩種以上的化合物按分子水平混合均勻的液體。溶劑：液體組分（氣體或固體溶于液體）或含量較多的液體（液體溶于液體）若兩種液體含量相當，溶劑和溶質(zhì)沒有明顯區(qū)別溶質(zhì)：溶解在液體中的氣體或固體或含量較少的液體非電解質(zhì)：在水溶液中或熔融狀態(tài)不能導電的物質(zhì)電解質(zhì)：在水溶液中或熔融狀態(tài)能導電的物質(zhì)強電解質(zhì)溶液：在溶液中完全電離弱電解質(zhì)溶液：在溶液中部分電離§3.4溶液§3.4.1基本概念第四十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日物質(zhì)的量濃度(簡稱濃度)溶質(zhì)的物質(zhì)的量除以溶液的體積§3.4.2溶液濃度58.5gNaCl溶于1升水中，濃度不是1.00mol·dm-3第四十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日質(zhì)量摩爾濃度溶質(zhì)的物質(zhì)的量除以溶劑的質(zhì)量摩爾分數(shù)某種組分物質(zhì)的量與總物質(zhì)的量之比第四十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日質(zhì)量分數(shù)某組分的質(zhì)量與總質(zhì)量之比質(zhì)量濃度溶質(zhì)的質(zhì)量除以溶液的體積第四十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日1.溶解度一定溫度和壓力下溶質(zhì)在一定量溶劑中形成飽和溶液時，被溶解的溶質(zhì)的量?！?.4.2溶解度第四十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日

從相平衡的角度理解溶解度即為：在一定溫度和壓力下，固液達到平衡時的狀態(tài)。這時把飽和溶液里的物質(zhì)濃度稱為“溶解度”。按此把溶液分為：不飽和溶液飽和溶液過飽和溶液第四十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日

通常把某溫度下100克水里某物質(zhì)溶解的最大質(zhì)量叫溶解度。習慣上按溶解度大小，把溶液分為：易溶>10g可溶1～10g微溶0.1～

1g難溶<0.1g第四十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日“相似相溶”原理主要表現(xiàn)在：

(1)

溶質(zhì)分子與溶劑分子的結構越相似，相互溶解越容易；

(2)

溶質(zhì)分子的分子間作用力與溶劑分子間作用力越相似，越易互溶。如非極性物質(zhì)可以溶解在非極性溶劑中(碘溶于四氯化碳中)，極性物質(zhì)和離子型晶體易溶于極性溶劑(如水)中。相似相溶原理第五十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日對于一般難溶強電解質(zhì)其平衡常數(shù)Ksp=[An+]m[Bm-]n

稱為溶度積常數(shù)。簡稱溶度積。BaSO4(s）Ba2++SO42-平衡常數(shù)：Ksp(BaSO4)=c(Ba2+)·c(SO42-

)AmBnmAn++nBm-§3.4.3溶度積常數(shù)第五十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日§3.5酸和堿§3.5.1酸和堿的定義1、酸堿的電離理論（阿倫尼烏斯電離理論）電離時產(chǎn)生的陽離子全部是H+離子的化合物叫酸；電離時生成的陰離子全部是OH-離子的化合物叫堿。2、酸堿質(zhì)子理論定義：凡能給出質(zhì)子（H+

）的物質(zhì)都是酸；凡能接受質(zhì)子的物質(zhì)都是堿。酸堿的共軛關系：一對酸堿，它們依賴獲得或給出質(zhì)子互相依存，這樣的酸堿對叫做共軛酸堿對。酸堿反應酸1+堿2堿1+酸2第五十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日酸H++堿例：HAc的共軛堿是Ac－，

Ac－的共軛酸HAc，

HAc和Ac－為一對共軛酸堿。兩性物質(zhì)：既能給出質(zhì)子，又能接受質(zhì)子的。第五十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日酸H++堿

一般來說：共軛酸越強，它的共軛堿就越弱；共軛堿越強，它的共軛酸就越弱。第五十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日

⑴酸堿可以是分子也可以是陰離子、陽離子，如Ac－是離子堿，是離子酸；⑵兩性物質(zhì)，如等；⑶質(zhì)子理論中無鹽的概念，電離理論中的鹽，在質(zhì)子理論中都是離子酸或離子堿，如NH4Cl中的是離子酸，Cl－是離子堿。第五十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日常用的酸和堿酸：鹽酸HCl硝酸HNO3

硫酸H2SO4

磷酸H3PO4

高氯酸HClO4

醋酸CH3COOH堿：氫氧化鈉（燒堿）NaOH

碳酸鈉（純堿）Na2CO3

碳酸氫鈉（小蘇打）NaHCO3

氫氧化鈣（熟石灰）Ca(OH)2

氫氧化銨（氨水）NH3·H2O第五十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日§3.5.2

酸堿反應的實質(zhì)：

兩個共軛酸堿對之間的質(zhì)子傳遞。H+第五十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日⑴酸、堿的解離H+H+H+aq-水溶液；s-固體；l-液體

第五十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日⑵酸、堿的中和H+H+H+第五十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日⑶鹽的水解H+H+H+第六十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日§3.5.3酸堿的相對強弱如以冰醋酸為溶劑酸性：

酸和堿的水溶液都存在解離平衡，酸常數(shù)Ka表示酸的強弱，堿常數(shù)Kb表示堿的強弱。（氫氰酸）第六十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日酸越強其共軛堿越弱堿越強其共軛酸越弱第六十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日§3.5.4水的離子積和pH

純水有微弱的導電能力H2O+H2OH3O++OH-（H2OH++OH-）實驗測得295K時1升純水僅有10-7mol水分子電離，所以[H+]=[OH-]=10-7mol/L由平衡原理得：Kw=[H+][OH-]=10-14

Kw為水的離子積常數(shù)。簡稱水的離子積。

Kw的意義為：一定溫度時，水溶液中[H+]和[OH-]之積為一常數(shù)。水的電離是吸熱反應，當溫度升高時Kw增大。

水溶液中氫離子的濃度稱為溶液的酸度。

pH的定義是：溶液中氫離子濃度的負對數(shù)叫做pH值。

pH=