1、第九章元素概论 氢、稀有气体

第九章
元素概论 氢、稀有气体
1 氢
3
IA 1 H
元素周期表
2
2 锂 铍 11 Na 12 Mg 3 钠 镁 IIIB
19
IIA Li 4 Be
IIIA IVA 5 B 6 C
VA 7 N
15
VIA VIIA 8 O 9 F
16
氦
He
10 Ne 18 Ar
硼
13
碳
14
氮 氧 磷 硫
P S
氟 氖
17
Al
2、热分解法 原理：某些化合物热稳定性低的特点，制取单质。 原理：某些化合物热稳定性低的特点，制取单质。 o 举例： 举例：2Ag2O(s) >300→ 4Ag(s)+O2(g) C
2HgO(s) → 2Hg(s) + O2 ( g ) Ni(粗) + 4CO → Ni(CO)4 → Ni(纯) + 4CO
（三）金属型氢化物 ds区元素与氢形成金属型氢化物 d区和ds区元素与氢形成金属型氢化物。 区和ds区元素与氢形成金属型氢化物。 过渡金属氢化物中，氢以三种形式存在： 过渡金属氢化物中，氢以三种形式存在： (1)以原子状态存在于金属晶格中； 以原子状态存在于金属晶格中； 形式存在，它的价电子进入氢化物的导带中； (2)以H+形式存在，它的价电子进入氢化物的导带中； 存在，其电子是从氢化物中得到的。 (3)以H-存在，其电子是从氢化物中得到的。
4 钾 钙 钪 钛 钒 铬 锰 铁 钴 镍 铜 锌 镓 锗 砷 硒 溴 氪
37
K
IVB VB VIB VIIB 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn
38 Sr 39
VIII IB 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu
45 Rh 46
IIB 30 Zn
铝
In
硅
离子型（类盐型） （一）离子型（类盐型）氢化物 制取：碱金属和碱土金属（ Be、Mg外 制取：碱金属和碱土金属（除Be、Mg外）加热时能直 接与氢形成离子型氢化物。 接与氢形成离子型氢化物。 2M+H2→2MH M+H2→MH2 代表碱金属） （M代表碱金属） 代表Ca Sr、Be） Ca、 （M代表Ca、Sr、Be）
57 La 58 Ce 59
Rb
Y
40
Zr
41
Nb
42 Mo 43
Tc 44 Ru
Pd
47 Ag 48 Cd 49
Te
I
镧 铈
镨
Pr
60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65
钕 钷
92
钐 铕 钆 镅 锔
Tb
铽 镝
66 Dy 67 Ho 68
Er
69Tm
70 Yb 71
钬
铒 铥
镱 镥
（三）单质的制取方法 归纳起来有五种： 归纳起来有五种： 物理分离法 热分解法 还原法 氧化法 电解法
1、物理分离法 原理：单质与杂质在某些物理性质（如密度、 原理 ： 单质与杂质在某些物理性质 （ 如密度 、 沸点 上有显著差异的特点。 等）上有显著差异的特点。 举例： 淘洗黄金（密度差异） 举例：（1）淘洗黄金（密度差异）； 低温加压下把空气液化，然后蒸发， （2）低温加压下把空气液化，然后蒸发，利 用沸点差异， 沸点-196℃ 比液O 183℃ 用沸点差异 ， 液 N2 沸点 -196℃ ， 比液 O2(-183℃) 低 ， N2 先从液态空气中蒸发出来，留下液O 先从液态空气中蒸发出来，留下液O2。 应用范围：分离、提取以单质状态存在， 应用范围：分离、提取以单质状态存在，且某些物理 性质与杂质差异较大的元素。 性质与杂质差异较大的元素。
共价型（分子型） （二）共价型（分子型）氢化物 周期表中绝大多数p区元素与氢形成的氢化物， 周期表中绝大多数 p区元素与氢形成的Fra Baidu bibliotek化物 ， 为共 价型氢化物，它们的固态大多属分子晶体， 价型氢化物，它们的固态大多属分子晶体，所以又称分子 型氢化物。 型氢化物。
结构特征： 结构特征：共价键 组成：通式RH 式中R IVA—VIIA族某元素， VIIA族某元素 组成：通式RH（8-N），式中R为IVA VIIA族某元素，N 代表元素所在族数， 代表元素所在族数，它们的空间几何构型与中心元素的杂 化轨道方式及具有的孤电子对数有关。 化轨道方式及具有的孤电子对数有关。 性质：因形成分子晶体，故熔、沸点较低，常温下， 性质：因形成分子晶体，故熔、沸点较低，常温下， 为液体外， 其余均为气体； 大多数无色， 除 H2O ， BiH3 为液体外 ， 其余均为气体 ； 大多数无色 ， 物 理性质很多相似。化学性质差异较大。 理性质很多相似。化学性质差异较大。
4LiH + AlCl3 乙醚 Li[ AlH4 ] + 3LiCl →
这类氢化物遇水会分解： 这类氢化物遇水会分解：
Li[ AlH4 ] + 4H 2O → LiOH + Al(OH)3 + 4H2 ↑
最有实用价值的离子型氢化物为CaH2、LiH和NaH。 最有实用价值的离子型氢化物为CaH LiH和NaH。 反应性能最弱，可作氢气源，制备B Ti、 CaH2反应性能最弱，可作氢气源，制备B、Ti、V等 单质，也可作微量水的干燥剂。 单质，也可作微量水的干燥剂。 Li[AlH4]可用作有机合成中的还原剂，可将醛、酮、 可用作有机合成中的还原剂，可将醛、 羧酸还原为醇，将硝基还原成氨基等， 羧酸还原为醇，将硝基还原成氨基等，还可作高分子聚 合反应的引发剂。 合反应的引发剂。
结构特征： 其中化学键为离子键， 结构特征：M+、H-或M2+、H-，其中化学键为离子键， 组成为MH MH， 组成为MH，MH2。
离子型（类盐型） （一）离子型（类盐型）氢化物 性质： 性质： 具有离子化合物特征，如熔、沸点较高， 具有离子化合物特征，如熔、沸点较高，熔融时能导 性质似盐类，所以称类盐氢化物。 电，性质似盐类，所以称类盐氢化物。 86g·cm 密 度 比 相 应 金 属 大 得 多 （ 如 K 为 0.86g·cm-3,KH 为 43g cm 通常为白色晶体（不纯是浅灰或黑色） 1.43g·cm-3 ），通常为白色晶体（不纯是浅灰或黑色）。
TiCl4 + 4NaH →Ti + 4NaCl + 2H 2 ↑
4000 C
化学性质： 化学性质： 热稳定性； (2)热稳定性； 受热会分解， 受热会分解，如
2MH(s) ∆ 2M + H 2 ↑ → MH2 ∆ M + H2 ↑ →
化学性质： 化学性质： 能在非极性溶剂中同B (3) H- 能在非极性溶剂中同 B3+ 、 Al3+ 、 Ga3+ 等结合成复合 型氢化物， 型氢化物，如
一、单质的结构、物理性质和制备方法 单质的结构、
（一） 单质的结构和物理性质
主族元素单质
ⅠAⅡAⅢA Ⅱ Ⅲ
H2 分子 晶体
ⅣA
ⅤA
ⅥA
ⅦA 0
He 分子 晶体
典型金属晶体→原子晶体 层状或链状晶体→分子晶体 一 典型金属晶体 原子晶体、层状或链状晶体 分子晶体 分 子 晶 体 或 原 子 晶 体 金 属 晶 体
Si
氯
53
Cl
氩
54 Xe
31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 50 Sn 51 Sb 52
5 铷 锶 钇 锆 铌 钼 锝 钌 铑 钯 银 镉 铟 锡 锑 碲 碘 氙 55 Cs 56 Ba 57-71 72 Hf 73 Ta 74 W 75Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 6 铯 钡 La- 铪 钽 钨 铼 锇 铱 铂 金 汞 铊 铅 铋 钋 砹 氡 Lu 103 104 Rf 105Db 106Sg 107Bh 108 Hs 109Mt 110 112 87 Fr 88 Ra 89111 118 114 116 7 钫 镭 Ac-Lr 钅 钅 钅 钅 钅 钅 Uun Uuu Uub 卢 杜 喜 波 黑 麦 镧系 锕系
2000 C >500 C >5000 C
应用范围： 应用范围：（1）应用于制取活泼性差的金属单质； 应用于制取活泼性差的金属单质； 制取一些高纯单质， Ni、Zr等 （2）制取一些高纯单质，如Ni、Zr等。
3、还原法 原理： 用还原剂还原化合物（ 如氧化物等） 原理 ： 用还原剂还原化合物 （ 如氧化物等 ） 来制取 单质，一般常用的还原剂是焦炭、CO、 活泼金属等。 单质，一般常用的还原剂是焦炭、CO、H2、活泼金属等。 举例： 举例： ∆ → 高炉炼铁： 高炉炼铁： Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2 Fe+3 ∆ 铝热剂法： 铝热剂法： Fe2O3+2Al → 2Fe+Al2O3 电炉法制黄磷： 电炉法制黄磷： 10C+ C+6 2Ca3(PO4)2+10C+6SiO2
Lu
89 Ac
锕 钍
90 Th 91
镤
Pa
铀 镎 钚
U
93 Np 94 Pu 95Am
96 Cm 97 Bk 98
锫 锎
Cf
99 Es 100 Fm 101 Md 102No 103 Lr
锿 镄
钔 锘 铹
内容概述： 内容概述： 本章综述元素的发现、分类和存在形态；元素 的自然资源； 的自然资源； 单质的性质和制备方法； 单质的性质和制备方法； 氢气的性质， 氢气的性质 ， 氢化物的类型及稀有气体及化合物 的性质和用途。 的性质和用途。 氙化合物的性质。 氙化合物的性质。
电解
熔体） 2Al2O3（熔体）
Na 3 AlF6 , 960 o C
4Al+3O2↑ Al+3
应用范围：制取活泼金属和活泼非金属单质。 应用范围：制取活泼金属和活泼非金属单质。
二、氢化物 氢化物按其结构和性质的不同可大致分为三种 类型： 类型：
离子型 共价型 金属型
某种元素属哪种类型， 某种元素属哪种类型 ， 与元素的电负性和在 周期表中位置有关。 周期表中位置有关。
Si 原子晶体 Ge 原子晶体 Sn 原子晶体 金属结构晶体 Pb 金属晶体
体→ 体
P 分子晶体 层状结构晶体
→S → 体、 体、
斜方硫、单斜硫 斜方硫、 分子晶体 硫 链状结构晶体 Se 分子晶体 链状结构晶体 Te 链状结构晶体 Po 金属晶体
体
四 五 六
As 分子晶体 层状结构晶体 Sb 分子晶体 层状结构晶体 Bi 层状结构晶体 金属晶体
化学性质： 化学性质： 强还原性(H (1)强还原性(H-)； )=- 23V 所以具有极强的还原性， 因Eθ(H2/H-)=-2.23V，所以具有极强的还原性，如 (s)+2 O(l） (s)+2 CaH2(s)+2H2O(l）→Ca(OH)2(s)+2H2↑ 又因H 半径大，易失电子，所以具有强还原性， 又因H-半径大，易失电子，所以具有强还原性，如
二
C Li Be B 金刚石 原子晶体 金属 金属 原子 石墨 片状结构晶体 晶体 晶体 晶体 富勒烯碳原子簇 分子晶体
、 、
N2 分子晶体
→O →
2
分子晶体
F2 Ne 分子 分子 晶体 晶体 Cl2 Ar 分子 分子 晶体 晶体 Kr 分子 晶体 Xe 分子 晶体 Rn 分子 晶体
三
Na Mg Al 金属 金属 金属 晶体 晶体 晶体 K 金属 晶体 Rb 金属 晶体 Cs 金属 晶体 Ca 金属 晶体 Sr 金属 晶体 Ba 金属 晶体 Ga 金属 晶体 In 金属 晶体 Tl 金属 晶体
Br2 分子 晶体 I2 分子 晶体 At 金属 晶体
↓
副族元素单质均为金属晶体 1.一般具有较高的熔点和沸点 1.一般具有较高的熔点和沸点 熔点最高的是 W 3410℃ 其次是 Cr 、Re 2.具有较大的密度和硬度 2.具有较大的密度和硬度 (ⅢB和ⅡB除外 除外) (ⅢB和ⅡB除外) 密度最大的是 硬度最大的是 3.易导电 3.易导电 Os Cr Ir Pt (仅次于金刚石) 仅次于金刚石)
C+8 3FeS2+6C+8O2
∆ →
Fe3O4+6CO2 +6S
应用范围：用以制备以负氧化值存在的非金属单质。 应用范围：用以制备以负氧化值存在的非金属单质。
5、电解法 原理：使用外加直流电源将元素“还原”为单质。 原理：使用外加直流电源将元素“还原”为单质。 举例： 举例： 电解 NaCl+2 2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑
∆ →
10CO 6CaSiO3+10CO +P4
应用范围：用于制取活泼性不是很强的金属及以正 应用范围：用于制取活泼性不是很强的金属及以正 存在的非金属单质 氧化值存在的非金属单质。 氧化值存在的非金属单质。
4、氧化法 原理： 原理：使用氧化剂氧化化合物中处于负氧化值的元素 制取单质。 ，制取单质。 举例：用空气氧化法从黄铁矿中提取硫， 举例：用空气氧化法从黄铁矿中提取硫，冷却硫蒸汽 可得粉状硫。 可得粉状硫。