第13章氢和稀有气体

内容提要： 1 氢及氢化物的物理和化学性质； 2 了解稀有气体的发现简史，单质、化合物 的性质及用途； 3 应掌握用VSEPR理论、分子轨道理论来判 断、解释稀有气体化合物的的结构。
13- 1
13-1-1 氢的成键特征
氢
氢的价电子构型1s1
1. 氢失去一个电子形成H+, H+ + H2O 2. 氢得到一个电子形成H3. 氢原子和电负性不大的非金属原子通过共用电子对形成共 价键。 H 3O+
H+ +
H-
= H2
13-1-5 氢化物
1. 离子型氢化物：碱金属、碱土金属
生成复合氢化物
4LiH + AlCl3 = LiAlH4 + 3LiCl B2H6 + 2LiH = 2LiBH4 LiAlH4 + 4H2O =LiOH + Al（OH）3 + 4H2
13-1-5 氢化物
2. 分子型氢化物：ⅢA
氙的氟化物：是由元素直接反应制得的。
通常使用镍制反应器，使用前用F2使之钝化形成NiF2保
护膜，除去表面氧化物。
4000C, 0.1MPa
6000C, 0.6MPa
Xe(g)+F2(g)
XeF2 （Xe过量）
XeF4 （Xe:F2=1:5）
Xe(g)+2F2(g)
Xe(g)+3F2(g)
3000C, 6MPa
氪Kr、氖Ne、氙Xe
由于氦和氩的性质非常相近，而且它们与周期系中已被发现的其它 元素在性质上有很大差异，莱姆赛根据周期系的规律性，推测出氦 和氩可能是另一族元素，在它们之间一定有一个性质和氦、氩相近 的家族。果然，在1898年5月30日莱姆赛和特拉弗斯在大量液态空 气蒸发后的残余物中，用光谱分析首先发现了比氩重的氪，他们把 它命名为Krypton，即隐藏之意。隐藏于空气中多年才被发现。 1898年6月，莱姆赛和特拉弗斯在蒸发液态氩时收集了最先逸出的 气体，用光谱分析发现了比氩轻的氖。他们把它命名为neon，源自 希腊词neos，意为新，即从空气中发现的新气体。中译名为氖。也 就是现在氖灯里的气体。 1898年7月12日，莱姆赛和特拉弗斯在分馏液态空气，制得了氪和 氖后，又把氪反复地分次萃取，从其中又分出一种质量比氪更重的 新气体，他们把它命名为Xenon，源自希腊文xenos，意为陌生人， 即为人们所生疏的气体，因为它在空气中的含量极少，仅占总体积 的一亿分之八。
Baidu Nhomakorabea阴极
阳极
2H2O +2e4OH-
H2 + 2OHO2 + 2H2O + 2e-
2 矿物燃料制氢（1）煤为原料制取氢气 （2）以天然气或轻质油为原料制取氢气 CH4 +H2O CO + 3H2
（3）以重油为原料部分氧化法制取氢气
3 生物质制氢
（1）生物质气化制氢 （2）微生物制氢
4 其它含氢物质制氢 国外曾研究从硫化氢中制取氢气。
能把某些金属氧化物或氯化物还原为金属； CuCl2 + 2H Cu + 2HCl
能使固体化合物中某些含氧的阴离子还原。 BaSO4 + 8H BaS + 4H2O
原子氢结合成分子氢，放出大量热，可用来焊接高熔点金属， 而且在焊接时，起到防止焊接金属表面被氧化的作用。
13-1-4 氢的制备 1. 实验室方法：利用稀盐酸、稀硫酸和锌 2. 电解水制氢：传统的电解水制氢技术电耗过高，一般约为 4．5 kw/m3 H2，成本过高不利于氢气使用技术的普 及
1962年英国化学家巴特列首次合成了第一个稀有气体 化合物XePtF6。 O2 + PtF6 Xe + PtF6 O2+PtF6Xe+PtF6深红色固体 橙黄色固体
到目前为止，已合成的稀有气体化合物有数百种，主
要是氙的化合物。
Rare gases Inert gases Noble gases
氙的氟化物
13-2-2 稀有气体性质 1.稀有气体具有稳定的电子结构，为无色、无嗅、无 味的单原子气体。 2.高电离能，一般不形成化学键；在同族中随着原子 体积的增加，电离能依次降低，特别是较重稀有气体
的电离能比第二周期元素如氟和氧的电离能小，因此
具有化学活性。
3. 稀有气体原子间的作用力：色散力。随原子序数
太阳能--氢能转换 1. 太阳能电解水制氢。 2 太阳能热分解水制。达到3000K以上的高温水的氢氧才能 分解，这需要大量高倍聚光器意味着大面积土地和空间被占 用，同时也是对景观的一种污染
3 太阳能热化学循环制氢。在较低温度（900－1200K）就 能进行，但大量中间物的使用影响着氢气的价格并造成环境 污染 4 太阳光络合催化分解水制氢
氡Rn
氡是一种具有天然放射性的稀有气体，它是镭、钍和锕这 些放射性元素在蜕变过程中的产物，因此，只有这些元素 发现后才有可能发现氡。 1899年，英国物理学家欧文斯(Owens R B)和卢瑟福 (Rutherford E,1871-1937)在研究钍的放射性时发现钍射气， 即氡-220。1900年，德国人道恩(Dorn F E)在研究镭的放 射性时发现镭射气，即氡-222。1902年，德国人吉赛尔 (Giesel F O,1852-1927)在锕的化合物中发现锕射气，即氡219。直到1908年，莱姆赛确定镭射气是一种新元素，和 已发现的其它稀有气体一样，是一种化学惰性的稀有气体 元素。其它两种射气，是它的同位素。1923年国际化学会 议上命名这种新元素为radon，中文音译成氡，化学符号 为Rn。
氚 tritium（ 31H，符号T ）
1、氢原子核外只有一个电子，它是最简单
的原子 2、H2是无色、无味的可燃性气体，比空气 轻14.38倍，具有很大的扩散速度和很好的导热
性，氢在水中的溶解度很小，273K时1体积水
仅能溶解0.02体积的氢。
3、H2容易被镍、钯、铂等金属吸附，以钯
对氢的吸附最显著。
5 利用光合作用制氢
太阳光络合催化分解水制氢
13-1-5 氢化物
1. 离子型氢化物：碱金属、碱土金属
强还原性
4NaH + TiCl4 = Ti + 4NaCl + 2H2 ↑
UO2+CaH2 = U + Ca(OH)2 剧烈水解 LiH + H2O =LiOH + H2
NaH + H2O =NaOH + H2
的增加而增大，与之相关的性质也发生有规律的变化；
4.由于氦的极性小，它的沸点是已知物质中最
低的，为4.215K，（比氢气还低，20.4K）。 当液氦在4.18K时，它的性质同一般液体一样， 但当温度降至2.178K时，由液氦(I)转变为一
种具有流动性的液氦(II)，粘度接近于零，因
此液氦(II)被成为“超流体”。
原子的电子结构
原子间的化学键
化合物的电子结构
化合物的空间结构
化合物的存在
化合物的性质
化合物的应用
化合物的制备
第13章 氢和稀有气体
• • • • • •
H: hydrogen He:helium Ne:Neon Ar :Argon Kr: Krypton Xe: Xenon
the noble gases
4. 与电负性极强的元素如氟、氧、氮相结合的氢原子易与电 负性极强的其它原子形成氢键，以及在缺电子化合物如乙 硼烷中存在的氢桥键。
13-1-2 氢的物理性质和存在
H+
+
H• + •
存在
1、化合态存在：单质、共价型化合物、离子态（ H- ）
2、氢有三种同位素：
氕或普通氢 protium （11H，符号H，沸点20.4K，熔点 14.0K） 氘或重氢 deuterium（ 21H，符号D ，沸点23.5K，熔点 18.65K）
氟化氙 XeF4 ：强氧化剂、氟化剂 XeF2：强氧化剂 XeF6：复分解反应
氙的氧化物 XeO3是一种易潮解和极易爆炸的化合物，在水溶液中 是一种极强的氧化剂，以分子形式存在。 在酸性条件下，可将Cl-氧化为Cl2，I-氧化成I2，Mn2+ 氧化成MnO4- 。能使醇和羧酸氧化为H2O和CO2。 在碱性条件下，呈HXeO4-形式，与XeO3处于平衡态： XeO3 + OH歧化： HXeO4- +2OHHXeO4XeO64- +Xe +O2 +2H2O
13-1-3 氢的化学性 质
1、氢分子中H-H的离解能为436kJ/mol，较高，因此 氢分子具有一定惰性，在常温下不太活泼。 2、同氟即使在暗处也能化合； 3、同卤素、氧混合引燃、光照， 发生猛烈反应 4、还原性 氢气能迅速还原PdCl2水溶液： PdCl2 (aq) + H2 Pd(s)+ 2HCl(aq)
氦能扩散穿过许多实验室常用的材料，如橡胶
和PVC等，甚至能透过大多数玻璃。
13-2-3 稀有气体的应用
1. 基于稀有气体的化学不活波 2.氦的低密度性 3.液氦超低温保护
4.稀有气体用于各种光源：霓虹灯（Ne）
5.Kr Xe的同位素用于测量脑中的血流量
6.Ru 用于治疗癌症
13-2-4 稀有气体化合物
XeF6 (Xe:F2=1:20）
XeF2(光照)
Xe(g)+F2(g)
1.和水反应 XeF2溶于水，在稀酸中会缓慢水解，而在碱性溶 液中迅速水解： XeF2 +2OHXe + 1/2O2 + 2F- + H2O
XeF4和XeF6与水反应，完全水解后得到XeO3：
3XeF4 +6H2O XeF6 +3H2O XeO3 + 2Xe +3/2O2 +12HF XeO3 + 6HF
XeF6 +4H2O
XeOF4 + 2HF
2. 氟化氙是强氧化剂： NaBrO3 + XeF2 +H2O XeF4 + 2H2 氟化氙是较好的氟化剂： NaBrO4 +2HF +Xe 4HF +Xe
Hg + XeF4
3SiO2+ 2XeF6
Xe + 2HgF2
2XeO3 + 3SiF4
氙的氟化物与强的路易斯酸反应生成氟化物阳离子： XeF2(s)+SbF5(l) [XeF]+[SbF6]-(s)
氦He
早在1868年，法国天文学家简森(Janssen P J C,1824-1907) 在观察日全蚀时，就曾在太阳光谱上观察到一条黄线D， 这和早已知道的钠光谱的D1和D2两条线不相同。同时， 英国天文学家洛克耶尔(Lockyer J N,1836-1920)也观测到这 条黄线D。当时天文学家认为这条线只有太阳才有，并且 还认为是一种金属元素。所以洛克耶尔把这个元素取名为 Helium，这是由两个字拼起来的，helio是希腊文太阳神的 意思，后缀-ium是指金属元素而言。中译名为氦。 1895年，莱姆赛和另一位英国化学家特拉弗斯(Travers M W,1872-1961)合作，在用硫酸处理沥青铀矿时，产生一种 不活泼的气体，用光谱鉴定为氦，证实了氦元素也是一种 稀有气体，这种元素地球上也有，并且是非金属元素。
该反应可用做H2的灵敏检验反应。
在高温下， H2能还原许多金属氧化物或金属卤化物， 用来制备金属；
WO3 + 3H2
W + 3H2O
5、在高温下， H2与许多金属和非金属剧烈反应，得 到相应的氢化物；
800K
2Li + H2
2LiH
6、催化加氢
CO (g) + 2H2(g) CH3OH(g)
7、原子氢的还原性 将氢分子加热，或经过一定波长的辐射或进行低压放电，都可得到 原子氢。原子氢H是比H2还强的还原剂，它能与Ge、Sn、As、 Sb 等直接化合； As + 3H AsH3
3. 能源
4. 密度最小，可以填充气球
13-2 稀有气体
13-2-1 稀有气体的发现简史
氩Ar
早在1785年，英国著名科学家卡文迪什（Cavendish H,1731-1810）在研究空气组成时，发现一个奇怪的现象。 卡文迪什把空气中的这些成分除尽后，发现还残留少量气 体，这个现象当时并没有引起化学家们应有的重视。谁也 没有想到，就在这少量气体里竟藏着一个化学元素家族。 100多年后，英国物理学家瑞利（Rayleigh J W S,18421919）在研究氮气时发现从氮的化合物中分离出来的氮气 每升重1.2508g，而从空气中分离出来的氮气在相同情况 下每升重1.2572g，这0.0064g的微小差别引起了瑞利的注 意。他与化学家莱姆赛合作，把空气中的氮气和氧气除去， 用光谱分析鉴定剩余气体，终于在1894年发现了氩。由于 氩和许多试剂都不发生反应，极不活泼，故被命名为 Argon，即“不活泼”之意。
~ ⅦA
3. 金属型氢化物：d区、 f 区元素
整比化合物：CrH2 NiH CuH ZnH2 非整比化合物：PdH0.8 金属光泽、导电性等金属特有的物理性质。 特点：氢原子在稍高温度下能在固体中快速扩 散。—— 储氢材料
13-1-6 氢的用途
1.利用还原性，还原金属氧化物、卤化物成单 质 2.有机原料