大学无机化学第18章 氢气和稀有气体
《无机化学》第3版 宋天佑 18 氢和稀有气体
WO3 + 3 H2 —∆— W + 3 H2O TiCl4 + 2 H2 —∆— Ti + 4 HCl 氢气是重要的无机化工原料。
氢气也是一种重要的有机化工原 料，如不饱和的有机分子的氢化等都 需要氢气。
氢气可迅速燃烧且无污染，这预 示着氢气可作为燃料。
氢气在氧气或空气中燃烧时，火 焰温度可以达到 3273 K 左右，工业 上利用此反应切割和焊接金属。
第 18 章 氢和稀有气体
氢 稀有气体 主族元素总结
18. 1 氢
氢H 电子构型 1s1 通常列在周期表 IA 族的顶端。 事实上，化学家对氢在周期表所 处的位置是有争议的。
它的 1s1 的电子构型与碱金属的价 电子构型 ns1 相同，
但却与碱金属没有多少化学类似性。
氢比稀有气体缺少一个电子也可 以归为第 VII A族。
As + 3 H —— AsH3 S + 2 H —— H2S
原子氢还能把某些金属氧化物 或氯化物迅速还原成金属，例如：
CuCl2 + 2 H —— 2 HCl + Cu
原子氢甚至能还原某些含氧 酸盐，例如：
BaSO4 + 8 H —— BaS + 4 H2O
2. 氢气的制备 （1） 实验室制法 实验室里，常利用稀盐酸或稀 硫酸与锌等活泼金属资源制取 H2 。
同温同压下，所有气体中氢气 的密度最小，常用来填充气球。
液态氢可把除氦以外的其它气 体冷却并转变成固体。
18. 1. 4 氢化物
氢化物可以分成： 离子型氢化物 分子型氢化物 金属型氢化物 3 大类
1. 离子型氢化物
氢气与碱金属及多数碱土金属在 较高的温度下直接化合时，H 原子获 得一个电子，成为 H- 离子，生成离 子型氢化物。
第18章氢和稀有气体讲解
教学目标： 1.了解氢的成键方式，氢气及氢化物的性质、制备和 用途。了解稀有气体单质和化合物的性质和用途， 建议掌握氙的氟化物和氧化物的强氧化性。 2. 掌握用VSEPR理论判断稀有气体化合物的结构。 3. 掌握非金属氢化物和含氧酸的酸碱性递变规律和 原因；含氧酸盐的热稳定性和溶解性规律；含氧酸 及其盐的氧化还原性递变规律和原因。
4．掌握主族金属的物理化学性质和次级周期性。
18-1 氢
18-1-1 氢的成键方式
1 失去电子 氢的 1s 电子可以失去形成 H+ 离子，H+ 仅是一个质子。 在水溶液中，有溶剂水参与的情况下，H+ 离子将与溶剂分子 结合成 H3O+ 。
2 获得电子
氢原子能获得1个电子，达到氦的结构 1s2，形成含 H– 离 子的活泼金属的氢化物。
氢有三种同位素：普通氢或氕(11H或H)、重氢或氘(21H或D) 和氚(31H或T)。
氢气是无色、无嗅、无味的可燃性气体，比空气轻，具有
很大的扩散速度和很好的导热性，在水中的溶解度很小。氢气 容易被镍、钯、铂等金属吸附。
H2 中 H-H 键能比一般单键高很多，常温下 H2 不活泼，只有
某些特殊的反应能迅速进行，如H2同F2在暗处能迅速化合。
3 共用电子对——共价键的形成
在大多数含氢化合物中，H
原子都与其它元素的原子共用1对 电子，或者说形成1个共价键。
4 特殊键型
(1) 氢桥键 (2)氢桥配位键 (3)氢键
18-1-2 氢气的性质与制备 1 氢气的性质
氢是宇宙中最丰富的元素，在地壳和海洋中化合形式的氢
若以质量计，在丰度序列中占第九位。
多反常的性质，例如超导性、低粘滞性等。
无机化学 第十八章 氢和稀有气体
第十八章氢和稀有气体§18-1 氢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。
氢的电子层构型为1s 1，电负性为2.2。
一、氢在自然界的分布二、氢的成键特征§18.1 氢第十八章氢和稀有气体1)、氢原子可以填充到许多过渡金属晶格的空隙中，形成一类非整比化合物，一般称之为金属氢化物。
如，LaH 2.87。
ZrH 1.302)、氢桥键3)、氢键3.独特的键型1)、H 2 (非极性)2)、极性共价键H 2O, HCl 2.形成共价键§18.1 氢第十八章氢和稀有气体H 2分子具有高键焓(436 kJ.mol -1)和短键长(74pm)，由于分子质量小，电子数少，分子间力非常弱，只有到20K 时才液化。
H 2的高键能，决定了H 2有一定的惰性，在常温下与许多元素的反应很慢，但在加热和光照时反应迅速发生。
2H 2 + O 2 = 2H 2O (加热)H 2 + Cl 2= 2HCl (光照)三、氢的性质和用途§18.1 氢第十八章氢和稀有气体高温下氢是一个很好的还原剂制备许多高纯金属：CuO + H 2= Cu + H 2O TiCl 4+ 2H 2= Ti + 4HCl在适当温度、压力和相应催化剂的条件下，H 2可以和一系列的有机不饱和化合物加氢反应。
§18.1 氢第十八章氢和稀有气体C 6H 5COCH 3 + H 2 →C 6H 5CHOHCH 3 (催化剂)RCHO + H 2 →RCH 2OH (催化剂)C 6H 5NO 2 + H 2 →C 6H 5NH 2 (催化剂)具有前景的是光解水和光电池获得电能电解水，可解决石油资源的枯竭和环境问题。
H 2在地壳中的存在量很低，主要是以水的形式存在。
最经济的方法是用C 和CH 4高温还原H 2O 。
CH 4 + H 2O →CO(g) + 3H 2(g) (1000℃)C(s) + H 2O(g) →CO(g) + H 2(g) (1000℃)CO(g) + H 2O(g) →CO 2(g) + H 2(g) (高温)四、氢的制备（化学法、电解法、工业法）氢也是氯碱工业生产NaOH 和Cl 2的副产物。
无机化学教学课件 18章 氢和稀有气体
会用结构理论和热力学解释它们的某些化学现象；
18-0 18-1 18-2
元素概述
Instruction to the elements
氢
Hydrogen
稀有气体
Rare Gases
18-0 第(18)VIIIA族元素概述
“机遇号”重大发 现
18-1 氢
Hydrogen 18-1-1 氢的成键方式 Bonding mode on hydrogen
4 分子型氢化物(共价型氢化物) 氢与 p 区元素形成二元分子化合物，包括人们熟悉的第2周期化合 物 (CH4、NH3、H2O、HF) 和各族中较重元素的相应化合物
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
18-1-3 氢气的用途 Purpose of Hy20918 64183 43367
氢 气（H2） 戊硼烷（B5H9） 戊 烷（C5H12）
18-1-4 氢化物 Hydride
2. 氢的性质 (1) physical properties： H2极难溶于水和有机溶剂，可以贮存在金属（Pt、Pd）和合金（LaNi5 ）中。固态氢又称为金属氢：在晶格质点上为质子，而电子为整个晶体共 享，所以这样的晶体具有导电性。固态氢是六方分子晶格。 (2) chemical properties：
无机化学(第四版)课后答案
无机化学课后答案 第13章氢和稀有气体13-1 氢作为能源，其优点是什么？目前开发中的困难是什么？ 1、解：氢作为能源，具有以下特点：（1）原料来源于地球上储量丰富的水，因而资源不受限制； （2）氢气燃烧时放出的热量很大；（3）作为燃料的最大优点是燃烧后的产物为水，不会污染环境； （4）有可能实现能量的储存，也有可能实现经济高效的输送。
发展氢能源需要解决三个方面的问题：氢气的发生，氢气的储备和氢气的利用13-2按室温和常压下的状态（气态 液态 固态）将下列化合物分类，哪一种固体可能是电的良导体？BaH 2;SiH 4;NH 3;AsH 3;PdH 0.9;HI13-3试述从空气中分离稀有气体和从混合气体中分离各组分的根据和方法。
3、解：从空气中分离稀有气体和从混合稀有气体中分离各组分，主要是利用它们不同的物理性质如：原子间不同的作用力、熔点沸点的高低以及被吸附的难易等差异达到分离的目的。
13-4试说明稀有气体的熔点 、沸点、密度等性质的变化趋势和原因？4、解：氦、氖、氩、氪、氙，这几种稀有气体熔点、沸点、密度逐渐增大。
这主要是由于惰性气体都是单原子分子，分子间相互作用力主要决定于分子量。
分子量越大，分子间相互作用力越大，熔点沸点越来越高。
密度逐渐增大是由于其原子量逐渐增大，而单位体积中原子个数相同。
13-5你会选择哪种稀有气体作为：（a ）温度最低的液体冷冻剂；（b ）电离能最低 安全的放电光源；（c ）最廉价的惰性气氛。
13-6用价键理论和分子轨道理论解释HeH 、HeH +、He 2+粒子存在的可能性。
为什么氦没有双原子分子存在？13-7 给出与下列物种具有相同结构的稀有气体化合物的化学式并指出其空间构型：(a) ICl 4- (b)IBr 2- (c)BrO 3- (d)ClF7、 解： 4XeF 平面四边形 2XeF 直线形3XeO 三角锥 XeO 直线形13-8用 VSEPR 理论判断XeF 2 、XeF 4、XeF 6、XeOF 4及ClF 3的空间构型。
氢和稀有气体
Al 铝
Si 硅
P 磷
S 硫
Cl 氯
Ar 氩
M8 L8
有
K2
31 32 33 34 35 36
气
Ga Ge 镓锗
As 砷
Se 硒
Br 溴
Kr 氪
N8 M 18 L8
K2
体
49
50
51
52
53
54 O 8
In 铟
Sn 锡
Sb 锑
Te 碲
I 碘
Xe 氙
N 18 M 18 L8
K2
81 Tl
82 Pb
83 Bi
Xe+F2
XeF2
873K,6.18×105Pa
Xe+2F2
XeF4
573K,6.18×105Pa
Xe+3F2
XeF6
17
第18章 氢和稀有气体
2. 性质
性质一：强氧化性
XeF2+H2
2HF+Xe
XeF4+H2
4HF+Xe
XeF6+H2
6HF+Xe
B3 r X O 2 e H 2 O F B4 r X O 2 eHF
Rn
6s26p6
5
第18章 氢和稀有气体
物理性质
H He Ne Ar Kr Xe Rn
第一电离能 /(kJ·mol-1) 1312 2372 2087 1527 1357 1176 1043
熔点/℃ -259 -272 -249 -189 -157 -112 -71
溶解度(ml.kg-1 H2O)
11H，占99.98%。而21H与原子反应堆中的重 水有关，还可以用于反应机理研究和光谱分
天津大学无机化学课件：第十八章 氢和稀有气体
温度高） • 液态氢：可把除氦以外的气体冷却变成固体
氢化物
• 离子型氢化物 H-（与碱金属或碱土金属高温 化合生成） ½ X2=X- rH<0 ½ H2=H- rH<0 (吸热，氢化物在高温实现)
与水反应剧烈 NaH+H2O=H2+NaOH 在非水极性溶剂中，与缺电子化合物生成复合氢
Xe的价电子结构 问题:Xe的氟化物中Xe到构底:是5如s2何5与p6F形成化学键的呢?
XeF2
XeF4 5s25p6
XeF6
5s25p55d1
sp3d1杂化
5s25p45d2
sp3d2杂化
5s25p35d3
sp3d3杂化
三角双锥
八面体
十面体
氙化物的电子空间构型
氟化氙的分子空间结构
XeF2 直线形
HClO＜ HClO2＜ HClO3＜HClO4
n(非羟基氧) 0
1
2
3
酸性 电负性
HClO4 ＞HNO3 3.16 3.04
n(非羟基氧) 3
2
酸性
H2S2O7 ＞ H2SO4
n(非羟基氧) 2.5 2
缩和程度愈大，酸性愈强。
Pauling规则(半定量)：
n=0 弱酸 (Ka ≤10-5)
HClO, HBrO
n=1 中强酸 (Ka =10-4~10-2) H2SO3,HNO2
n=2 强酸 (Ka =10-1~103) H2SO4,HNO3
n=3 特强酸 (Ka >103)
HClO4
二、1.同一主族中，元素的最高氧化态含氧酸的氧化
性，多数随原子序数的增加成锯齿形升高。第三周期 元素含氧酸的ψθ有下降趋势，第四周期元素含氧酸的 ψθ有升高趋势，第四周期元素含氧酸的氧化性比第五 周期强。
无机化学第18章氢和稀有气体
四. 氢 的 性 质 1. 正 氢 和 仲 氢
氢分子可能组成为:H2 ,D2 (重氢),T2 (超重氢), HD,HT,DT.但H2是唯一主要单质. 氢分子H2 / D2中,两个氢原子核的自旋方向
不同导致氢分子有两种变体(自旋异构体).
两个氢原子核的自旋方向相同的为正氢. 两个氢原子核的自旋方向相反的为仲氢. 正氢 仲氢
二. 获 得 电 子 氢原子获得一个电子,达到氦原子的 1s2 的
结构, 形成负氢离子 H- . 这是氢和活泼金属 在
高温下相化合形成离子型氢化物时的价键特征. 由于H- 离子的核外电子数是核的质子数的 2倍, 故核对核外两电子的吸引力很弱,使H-离子 半径很大(理论计算208pm),容易变形,这种弱的吸 引力使H-离子具有高的可压缩性.(125pm~155pm) 如LiH( r(H- ) = 137pm) →CsH( r(H-)=152pm)
变反应的冷却剂. 氚(T)与核聚变有关;也可作为示踪原子,如
对地下水移动的研究,研究氢被金属吸附和氢在
金属表面上的吸附.
通过对水的电解,释放H的速度比释放D的速度 快6倍, 反复电解可得到富集了D2O 的水或纯D2O,
再以任一种从水中制 H2 的方法从 D2O中获得 D2 .
三. 氢在周期表中的位臵 从氢的原子结构和成键特征来看,1s1 属 s 区, 失去1个电子,成为H+ ,与碱金属相似;但它不是金 属,与碱金属没有多少化学类似性; 氢原子得到一个电子,形成H- 离子,可以形成 双原子分子,与卤素类似;但形成的化合物在性质 上有明显的差异.如NaH与水反应生成H2 ,但NaCl 不能与水反应生成Cl2 . 氢兼具有碱金属和卤素的某些性质而又有显 著的差别;是唯一值得单独考虑的元素.
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当用液态空气冷却普通的氢气并用活性炭吸附分离， 可得到氢分子的两种变体，即正氢和仲氢。
18-1 氢
18-1-2 氢的化学性质和氢化物
氢在化学反应中有以下几种成键情况： 1.氢原子失去1s电子成为H+ 。但是除了气态的质子 流外，H+总是与其它的原子或分子相结合。 2.氢原子得到1个电子形成H-离子，主要存在于氢和 IA、IIA中（除Be外）的金属所形成的离子型氢化物 的晶体中。 3.氢原子和其它电负性不大的非金属原子通过共用电 子对结合，形成共价型氢化物。此外，与电负性极强 的元素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中存在的氢桥键。
XeO4：很不稳定，具有爆炸性的气态化合物。 氙的化合物，都是强氧化剂，一般情况被还原 为单质。
18-2 稀有气体
18-2-1 稀有气体的发现简史（自学）
18-2-2 稀有气Байду номын сангаас的存在、性质、制备和应用 制备方法 1、空气的液化 2、稀有气体的分离
18-2-2 稀有气体化合物
氟化物
在一定条件下氟与Xe有下列反应 F2+Xe(过量)→XeF2 F2+Xe(少量)→XeF4 F2+Xe(少量)→XeF6
第18章 氢和稀有气体
1．氢的物理性质与化学性质 2．了解稀有气体的发现简史。 3．掌握稀有气体单质，化合物的性质及其结构特点。 4．了解稀有气体的用途。 5．稀有气体化合物及其结构。
18-1 氢
18-1-1 氢的存在和物理性质
氢是宇宙中最丰富的元素，在地壳和海洋中化合形式 的氢若以质量计，氢在丰度序列中占第九位。以知氢有三 种同位素，它们是普通氢或氕（11H或H ）、重氢或氘 （21H或D ）和氚（31H或T ）。
XeF2是强氧化剂，不太稳定。 2XeF2+2H2O===2Xe+4HF+O2 XeF2+2KCl===Xe+2KF+Cl2
4XeF4+8H2O===2XeO3+2Xe+O2+16HF XeF6+3H2O===XeO3+6HF
18-2-2 稀有气体化合物
氧化物
XeO3：是一种易潮解和易爆炸的化合物，具有 强氧化性。