理学大学无机化学四版氢和稀有气体PPT课件
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无机化学 氢和氢化物 PPT课件
有的在水中发生酸式解离，如 HCl 完全解离，而 H2S 部分解离。
有的显碱性，如 NH3； 有的与水反应，如 SiH4 , B2H6； 有的与水基本没有作用，如 CH4。
过渡金属与氢形成金属型氢 化物。
它不仅保持金属晶体的形貌， 而且其中金属原子的排列也与金 属单质中一样。
原子之间的空隙被氢原子占 有，很容易形成非整比化合物。
稀有气体主要从液化空气中 获得，其中氦的重要来源是天然 气。
氡是镭等放射性元素蜕变的 产物，在自然界中痕量存在。
温下，氢气无色，无味， 无臭，在水中溶解度很小。
分子间色散力很小， 难于 液化，沸点 －253℃。
H2 和 O2 的混合物在常温下点 燃会发生爆炸反应。
如 LuH2.2，ZrH1.75，VH0.56 均已制得。
倒是整比的过渡金属氢化物，如 MH1，MH2，MH3 等尚未制得。
但是由于金属锌中有时含有砷 化物、磷化物等杂质，致使制得的 H2 不纯。
单质硅和氢氧化钠溶液反应 也可以制得 H2
Si + 2 NaOH + H2O —— Na2SiO3 + 2 H2
由于碱较盐酸便于携带，且 反应温度不高，因此这种方法适 于野外操作的需要。
电解水制取的 H2 较纯。
工业生产中， H2 主要有 三种来源：
此法制得的氢化铍不纯。
MgH2 也曾利用 LiAlH4 还原 镁的化合物制得，现在工业上已开 始用单质直接合成。
具体做法是： 将金属镁置于 380 400℃ 的 高温球磨机中直接氢化，以确保镁 的新鲜表面和反应温度，产品纯度 可达 97%。
离子型氢化物反应活性的差别 很大，例如与水的作用，
（1） 水煤气 （2） 甲烷的转化 （3） 高温下水蒸气与碳 化钙反应
第十八章氢和稀有气体PPT课件
NaH + H2O = H2(g) + NaOH TiCl4 + 4NaH = Ti + 4NaCl + 2H2↑ UO2 + CaH2 = U + Ca(OH)2
离子型氢化物在非水溶剂中能同一些缺电子化 合物结合成复合氢化物。
2LiH + B2H6 = 2LiBH4 (乙醚) 4LiH + AlCl3 = LiAlH4 + 3LiCl
五、氢化物
氢同其它元素形成的二元化合物叫做氢化物。 除稀有气体外，大多数的元素几乎都能同氢结合而 成氢化物。
1. 离子型氢化物及制备
氢同电负性很小的碱金属和碱土金属在高温下 直接化合时，它倾向于获得一个电子，成为H- 离子。 氢的这类性质类似于卤素。
第十八章 氢和稀有气体
§ 氢
H2(g) + 2Li(s) = 2LiH (加热)
第十八章 氢和稀有气体
§18-1 氢
一、氢在自然界的分布 二、氢的成键特征
氢的电子层构型为1s1，电负性为2.2。 1. 形成离子键：Na、K、Ca等形成H-，这个离子因
有较大的半径(208 pm)，仅存在于离子型氢化物 的晶体中。
第十八章 氢和稀有气体
§18.1 氢
2. 形成共价键
1)、H2 (非极性) 2)、极性共价键 H2O, HCl 3. 独特的键型
第十八章 氢和稀有气体
§18.1 氢
金属型氢化物的密度比母体金属的低，一些 过渡金属能够可逆地吸收和放出氢气。
许多金属型氢化物的另一显著性质是H原子在 稍高温度下能在固体中快速扩散，氢穿过Pd-Ag合 金管壁发生的扩散作用被用来制备超纯H2。
第十八章 氢和稀有气体
离子型氢化物在非水溶剂中能同一些缺电子化 合物结合成复合氢化物。
2LiH + B2H6 = 2LiBH4 (乙醚) 4LiH + AlCl3 = LiAlH4 + 3LiCl
五、氢化物
氢同其它元素形成的二元化合物叫做氢化物。 除稀有气体外，大多数的元素几乎都能同氢结合而 成氢化物。
1. 离子型氢化物及制备
氢同电负性很小的碱金属和碱土金属在高温下 直接化合时，它倾向于获得一个电子，成为H- 离子。 氢的这类性质类似于卤素。
第十八章 氢和稀有气体
§ 氢
H2(g) + 2Li(s) = 2LiH (加热)
第十八章 氢和稀有气体
§18-1 氢
一、氢在自然界的分布 二、氢的成键特征
氢的电子层构型为1s1，电负性为2.2。 1. 形成离子键：Na、K、Ca等形成H-，这个离子因
有较大的半径(208 pm)，仅存在于离子型氢化物 的晶体中。
第十八章 氢和稀有气体
§18.1 氢
2. 形成共价键
1)、H2 (非极性) 2)、极性共价键 H2O, HCl 3. 独特的键型
第十八章 氢和稀有气体
§18.1 氢
金属型氢化物的密度比母体金属的低，一些 过渡金属能够可逆地吸收和放出氢气。
许多金属型氢化物的另一显著性质是H原子在 稍高温度下能在固体中快速扩散，氢穿过Pd-Ag合 金管壁发生的扩散作用被用来制备超纯H2。
第十八章 氢和稀有气体
无机化学第五章氢和稀有气体
些领域的应用前景值得期待。例如，利用稀有气体化合物进行化学合成、
制备新材料等。
04
氢和稀有气体的关系与比较
原子结构与电子排布
原子结构
氢和稀有气体原子的原子核都只有一个质子，但它们的电子 排布不同。氢原子只有一个电子，而稀有气体原子的电子排 布遵循一定的规律，最外层电子数均为8个。
电子排布
氢原子的电子排布为1s1，而稀有气体原子的电子排布遵循洪特 规则和泡利原理，最外层电子数为8个。
化学键合与分子结构
化学键合
氢原子可以与其他元素形成共价键， 形成氢化物。而稀有气体原子因其最 外层电子数为8个，不易与其他元素 形成化学键，表现出惰性。
分子结构
氢化物分子中，氢原子通常与非金属 元素形成共价键，形成分子。而稀有 气体元素通常以单原子分子形式存在 。
物理和化学性质的比较
物理性质
氢气是一种无色、无味的气体，密度较小，易燃易爆。稀有气体元素通常以单 原子分子形式存在，在常温常压下为气态，不易与其他物质发生反应。
稀有气体在高科技领域的应用
随着科技的发展，稀有气体在电子、光学、医疗等领域的应用将更加广泛，需要深入研究 其特性和应用技术。
跨学科合作与交流
无机化学的发展需要与其他学科进行合作与交流，共同推动氢和稀有气体领域的发展。
THANKS
感谢观看
氢可以与碳结合形成大量的有机化 合物，如烷烃、烯烃、炔烃等。
03
稀有气体的概述
稀有气体的物理性质
稀有气体单质的颜色
稀有气体单质在常温常压下均为气体，且在可见光区不吸收光， 因此呈现为无色。
稀有气体单质的熔沸点
由于稀有气体原子间的作用力很弱，因此它们的熔点和沸点都很低， 常温下常见氧化态为+1，但 在某些条件下也可以表现 出-1的氧化态。
第18章--氢和稀有气体PPT课件
工业生产上也利用水蒸气通过红热的炭层来获得氢
气。用该法制备氢气，必须将 CO 分离出去。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C (红热) + H2O(g) 1273K CO(g) + H2(g)
18 － 1 － 3 氢的用途
氢气重要的用途之一是作为合成氨工业的原料，氨又 是生产硝酸，进一步生产硝铵的原料。
高温下，氢气能将许多金属氧化物或金属卤化物还原 成单质，人们经常利用氢气的这一性质制备金属单质。
2 LiBH4
4 LiH + AlCl3
LiAlH4 + 3 LiCl
离子型氢化物以及复合氢化物均具有很强的还原性， 在高温下可还原金属氯化物、氧化物和含氧酸盐。
TiCl4 + 4 NaH
Ti + 4 NaCl + 2 H2(g)
离子型氢化物以及复合氢化物被广泛用于无机和有机 合成中作还原剂和负氢离子的来源，或在野外用作生氢剂。 使用十分方便，但价格昂贵。
分子型氢化物的的结构分 3 种不同的情况。 缺电子氢化物，如 B2H6，其中心原子B未满足8电子 构型，两个 B 原子通过三中心二电子氢桥键连在一起。 中心原子的价电子全部参与成键，没有剩余的孤电子 对，如 CH4 及其同族元素的氢化物。 有孤电子对的氢化物，如 NH3，H2O 和 HF 等氢化物。 它们的中心原子采用不等性杂化轨道与配体 H 原子成键。 如： NH3 分子为三角锥形 ， H2O 分子为“V” 形。 分子型氢化物都具有还原性，而且同族氢化物的还原 能力随原子序数增加而增强。
4 OH–
O2 + 2 H2O + 2 e–
（2）工业制法
氢气是氯碱工业中的副产物。电解食盐水的过程中，
理学大学无机化学第四氢和稀有气体PPT课件
AsH3 锌和硫酸中含微量As AsH3+3Ag2SO4+3H2O→6Ag+H3AsO3+3H2SO4
SO2 锌还原 H2SO4 产生 第S5O页2/共+525页KOH → K2SO3 + H2O
工业制氢
当今制氢最经济的原料是煤和以甲烷为主要成分的天 然气，而且都是通过与水（最廉价的氢资源）的反应实 现的.
Lewis 结构表明 PH3 的 P 原子上有一对孤对电子，因 而是个富电子化合物，乙硼烷是缺电子化合物.
(2) 都有金属的电传导性和显有其他金属性质如磁性. (3) 除 PbH0.8 是非整比外，它们都有明确的物相. (4) 过渡金属吸氢后往往发生晶格膨胀，产物的密度比母体 金属的大.
第23页/共55页
3 金属型氢化物
(5) 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.
第18页/共55页
1 二元氢化合物在周期表中的分布 氢的大多数二元化合物可归入下述三大类中的某一
类：似盐氢化物，金属型氢化物和分子型氢化物. 各类氢 化物在周期表中的分布如下表所示.但是这种分类的界限 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. 例如，很难严格地铍和铝的氢化物归入“似盐型 ”或“分子型”的任一类.
第一节 氢 第二节 稀有气体
本章内容
第1页/共55页
第一节 氢
H
氢是周期表中唯一尚未找到确切位
置的元素.······
第2页/共55页
一 存在、制备和用途
1氢存是在宇宙中丰度最高的元素，在地球上的丰度排在第15 位. 某些矿物( 例如石油、天然气)和水是氢的主要资源，大
SO2 锌还原 H2SO4 产生 第S5O页2/共+525页KOH → K2SO3 + H2O
工业制氢
当今制氢最经济的原料是煤和以甲烷为主要成分的天 然气，而且都是通过与水（最廉价的氢资源）的反应实 现的.
Lewis 结构表明 PH3 的 P 原子上有一对孤对电子，因 而是个富电子化合物，乙硼烷是缺电子化合物.
(2) 都有金属的电传导性和显有其他金属性质如磁性. (3) 除 PbH0.8 是非整比外，它们都有明确的物相. (4) 过渡金属吸氢后往往发生晶格膨胀，产物的密度比母体 金属的大.
第23页/共55页
3 金属型氢化物
(5) 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.
第18页/共55页
1 二元氢化合物在周期表中的分布 氢的大多数二元化合物可归入下述三大类中的某一
类：似盐氢化物，金属型氢化物和分子型氢化物. 各类氢 化物在周期表中的分布如下表所示.但是这种分类的界限 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. 例如，很难严格地铍和铝的氢化物归入“似盐型 ”或“分子型”的任一类.
第一节 氢 第二节 稀有气体
本章内容
第1页/共55页
第一节 氢
H
氢是周期表中唯一尚未找到确切位
置的元素.······
第2页/共55页
一 存在、制备和用途
1氢存是在宇宙中丰度最高的元素，在地球上的丰度排在第15 位. 某些矿物( 例如石油、天然气)和水是氢的主要资源，大
5.第五章 氢和稀有气体-19页PPT资料
储存：LaNi5 +3H2
(2-3)×105pa
微热
LaNi5H6
04.01.2020
8
§5-2 稀有气体
2-1 稀有气体的发现 1894－1900年，英国，Ramsay发现。
2-2 通性和用途
04.01.2020
9
氦 T = 2.2K时, 有超导性 。 充气球 潜水氦空气 霓红灯-浅红色
平均键焓 (kJ·mol–1)
436.0
443.3
463.5
470.9
1-2 氢的成键特征
(1) 离子键（H为-1价）
氢与 s区金属形成离子型氢化物：MH、MH2
碱金属氢化物： LiH NaH KH RbH CsH
均为白色晶体， 熔融导电，电解会产生H2。 热稳定性差，均与水反应→H2
04.01.2020
04.01.2020
4
高温下, 氢作还原剂，用于制备纯净的金属：
CuO + H2 Cu + H2O Fe3O4 + 4H2 3Fe + 4H2O
WO3 + 3H2 W + 3H2O
TiCl4 + 2H2 Ti + 4HCl 有机加氢反应：
CO(g) + 2H2(g) Cu/ZnO CH3OH(g) H2与活泼金属反应：
XeF2(g) K = 8.79104
Xe(g)与 F2(g)比例不同，条件不同 XeF4(g)或XeF6(g)
氖 霓红灯-红色 航标灯
氩 霓虹灯-浅蓝色 充填灯泡 作焊接保护气
氪 充填灯泡，延长寿命 氙 人造小太阳 氙灯产生紫外线
2-3 稀有气体的分布和分离 (1) 接近地球表面的空气中稀有气体的分布
无机化学课件氢和稀有气体
非整比：LaH2.87、VH0.56等 b.物理性质: 具有金属外观特征，有光泽，能 导电。加热 H 原子逸出可得高纯 H2。 (1) 大部分是用单质直接化合的方法制备
(2) 都有金属的电传导性和显有其他金属性质
(3) 过渡金属吸氢后往往发生晶格膨胀，产物 的密度比母体金属的大
b.物理性质: (4) 成键理论 ➢氢以原子状态存在于金属晶格中 ➢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。
➢ 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： 2 H- →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。
b. 化学性质
氢化物
还原性强
E (H2/H ) 2.23V
2 LiH TiO2 Ti 2 LiOH 4 NaH TiCl4 Ti 4 NaCl 2 H2
(2~3) × 105Pa
LaNi5 + 3 H2 微热 LaNi5H6,
含H2量大于同体积液氢
18. 2 稀有气体
稀有气体包括氦、氖、氩、氪、 氙、氡6种元素，
基态的价电子构型除氦的 ns2 以为， 其余均为 ns2np6 。
历史的回顾：1894~1900年间被陆续发现 1．1962年前，确信它们的性质不活泼，叫它们
氢气的制备
CH4 + H2O cat,T,p CO + 3H2 ↑
C3H8 +3 H2O cat,T,p 3CO + 3H2 ↑
（d）甲烷催化分解或水蒸气转化：
CH4 cat,~1273K C + 2H2 ↑
(2) 都有金属的电传导性和显有其他金属性质
(3) 过渡金属吸氢后往往发生晶格膨胀，产物 的密度比母体金属的大
b.物理性质: (4) 成键理论 ➢氢以原子状态存在于金属晶格中 ➢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。
➢ 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： 2 H- →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。
b. 化学性质
氢化物
还原性强
E (H2/H ) 2.23V
2 LiH TiO2 Ti 2 LiOH 4 NaH TiCl4 Ti 4 NaCl 2 H2
(2~3) × 105Pa
LaNi5 + 3 H2 微热 LaNi5H6,
含H2量大于同体积液氢
18. 2 稀有气体
稀有气体包括氦、氖、氩、氪、 氙、氡6种元素，
基态的价电子构型除氦的 ns2 以为， 其余均为 ns2np6 。
历史的回顾：1894~1900年间被陆续发现 1．1962年前，确信它们的性质不活泼，叫它们
氢气的制备
CH4 + H2O cat,T,p CO + 3H2 ↑
C3H8 +3 H2O cat,T,p 3CO + 3H2 ↑
（d）甲烷催化分解或水蒸气转化：
CH4 cat,~1273K C + 2H2 ↑
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CH4(g) + H2O(g) 3 H2(g) + CO(g)，ΔHθm = 206.0 kJ•mol–1
要反应得以进行，则需供给热量，如添加空气或氧气燃烧
： C + O2
CO2,
ΔHθm = –393.7 kJ•mol–1
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O, ΔHθm = – 803.3 kJ•mol–1
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 1 800 m3的液态氢
H2
H2
Zn + H3O+ →Zn2+ + 2H2O + H2 ↑ 方实法验室制氢气中杂质来源与除去方法
H2
实验室中制氢的主要
H2S AsH3
SO2 生
锌中含微量 ZnS H2S + Pb2+ + 2H2O →PbS + 2H3O+ 锌和硫酸中含微量As
AsH3+3Ag2SO4+3H2O→6Ag+H3AsO3+3H2SO4
这样靠“内部燃烧”放热，供焦炭或天然气与水作用 所需热量，无须从外部供给热量，这是目前工业上最经济 的生产氢的方法.
10
热化学循环法制 H2
2H2O(l) SO2 I2 (s) 298K H2SO4 (aq) 2HI(aq)
H 2SO 4
(g)
1073K
H 2 O(g)
钴，产生氧气一侧则使用镍氧化钴
. 使用1平方米太阳能电池版和100
毫升电解溶液，每小时可制作氢气 20 升，纯度为 99.9%.
生物体分解水不需要电
和高温，科学家们试图修
生物分解水制氢
改光合作用的过程来完成
这一技术。小规模的实验
12
海水中制氢
从海水中制氢美国Michigan州立大学H. Ti Tien教授的装
4
一 存在、制备和用途
1 氢存是在宇宙中丰度最高的元素，在地球上的丰度排在第 15位. 某些矿物( 例如石油、天然气)和水是氢的主要资
源，大气中 H2 的含量很低是因为它太轻而容易脱离地球
引力场8 .O
6 4
Fe
偶数Z
元素的相对丰度是指该元素相对于个原子 的原子数
偶数的元素比与之相邻的奇数元素更稳定
木星结构
金刚石砧
根据先锋飞船探测 得知，木星大气含氢82% ，氦17%，其它元素<1%.
大气层 顶 云层顶
液
氢
液态金属氢
岩石核 心
固态氢 0.089
6
2 制备 (每年估计达500×109m3)
N2
H2
NaH
H2
H2
CH4 1143 K
H2O
1273 K
H2
pyrolysis
elecrolysis photolysis
11
配合催化太阳能分解水
hv
三(2,2’—联吡啶) 合钌(Ⅱ)(2a) 光能 2a*(已活化)
2(2a*) H2O H2
1 2 O2
2(2a)
2a 既是电子给予体，又是 电子接受体，在光能的激发下
最近，日本有人把太阳能电池版 ，可以向水分子转移电子，使 与水电解槽连接在一起，电解部分 的材料在产生氢气一侧使用钼氧化 H+ 变为 H2 放出.
2
Sc
Xe
Pb
奇数Z
0
Bi Th
–2
Pb
10 20 30 40 50 60 70 80 90
原子序数
5
氢的存在状态
氢的状态 金属氢(s) 液态氢(l)
(密s)度/g·cm-3 0.562
0.071
H2 (g)
3×108 kPa 11000K
金属氢(s)
2.5×108 kPa
H2 (g)
77K
H(s)
第十三章 氢和希有气体
医药化工学院 无机化学教研室
1
教学要求
本章共2课时 掌握氢的物理和化学性质 了解希有气体的分离、性质和用途 了解希有气体化合物的性质和结构特点
2
本章内容
第一节 氢 第二节 稀有气体
3
第一节 氢
H
氢是周期表中唯一尚未找到确切位
置的元素.· · · · · ·
SO4
(g)
1 2
O2
(g)
2HI(g) 873K H2 (g) I2 (g)
净反应
H
2O(g)
1300K
H
2
(g)
1 2
O2
(g)
电解 20% NaOH或 15% KOH水溶液，耗能大，效率也 只 32% 4OH- → O2+2H2O + 4e- (阳极)
2H2O +2e- → 2OH- + H2 (阴极) 加热(383—423K)加压(1013—3039kPa)，效率可提高 到 90% 以上.
锌还原 H2SO4 产 SO2 + 2KOH → K2SO3 + H2O
7
工业制氢
当今制氢最经济的原料是煤和以甲烷为主要成分 的天然气，而且都是通过与水（最廉价的氢资源）的反 应实现的.
水蒸气转化法 水煤气反应
1 273 K
CH4(g) + H2O(g)
3 H2(g) + CO(g)
其中产物氢的三分之一来自水.
1 273 K
C (s) + H2O(g)
H2(g) + CO(g)
其中产物氢的百分之百来自水.
8
工业制氢
H2(g) + CO(g) 就是水煤气，可做工业燃料，使用 时不必分离. 但若为了制氢，必须分离出CO.
可将水煤气连同水蒸气一起通过红热的氧化铁催化 剂， CO变成 CO2 ，然后在 2×106 下用水洗涤 CO2 和 H2 的混合气体，使 CO2溶于水而分离出 H2 .
CO + H2 + H2O(g)
Fe2O3 > 723 K
CO2 + 2 H2
9
Example
Solution
用焦炭或天然气与水反应制 H2 ，为 什么都需在高温下进行？
因为这两个反应都是吸热反应：
C (s) + H2O(g)
H2(g) + CO(g), ΔHθm = 131.3 kJ•mol–1
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.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
.
可
硒镍
见
化 镉
光
半
H2(g)
导
Fe(Ⅱ ),Fe(Ⅲ) 体 箔 电解质溶液
海水
海水制氢的装置示意图
13
我国已建成大型制氢设备
大容量电解槽体
H2
大型制氢站
氢气纯化装置
氢气储罐群
14
3 用途
燃
料
燃烧值/kJ·kg-1
氢 气（H2） 120918
戊硼烷（B5H9）
15
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