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Chapter 11 Hydrogen and Noble Gases
氢和稀有气体
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H
氢是周期表中唯一尚未找到确切位置的元素 .· · · · · ·
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11.1 氢的同位素
主要同位素有 3 种,此外还有瞬间即逝的 4H 和 5H 。重氢以重水( D2O )的形式存在于天然水中,平均约占氢原子总数的 0.016% 。
中文名 英文名称 表示方法 符号 说明氕 *( 音撇 ) protium 1H H 稳定同位素
氘 ( 音刀 ) deuterium 2H D 稳定同位素
氚 ( 音川 ) tritium 3H T 放射性同位素
* 氕这个名称只在个别情况下使用,通常直接叫氢;氘有时又叫“重氢”.
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氢的存在与制备
氢是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。
存在
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氢的制备(每年估计达 500×109m3 )
H2
H2
H2H2
H2
H2
H2H2
NaHN2
C
1273 K
CH4
1143 K
热解 光解电 解
H2O
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实验室制备方法
Zn + H3O+ →Zn2+ + 2H2O + H2 ↑
H2S + Pb2+ + 2H2O →PbS + 2H3O+
AsH3 锌和硫酸中含微 量 As
AsH3+3Ag2SO4+3H2O→
6Ag+H3AsO3+3H2SO4
H2S 锌中含微量 ZnS
SO2 锌还原 H2SO4 产生 SO2 + 2KOH → K2SO3 + H2O
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工业制备方法
水蒸气转化法CH4(g) + H2O(g) 3 H2(g) + CO(g)
1273 K
水煤气反应 水煤气反应
C (s) + H2O(g) H2(g) + CO(g)
1273 K
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) CO2 + 2 H2
Fe2O3
> 723 K
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工业制备方法
有文献报道,加热 (383 ~ 423K) 加压 (1013 ~ 3039 kPa) ,效率可提高到 90% 以上。
电解 20% NaOH 或 15% KOH 水溶液,耗能大,效率也只有 32%
4OH- → O2+2H2O + 4e- ( 阳极 )
2H2O +2e- → 2OH- + H2 ( 阴极 )
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氢气储罐群氢气纯化装置
大型制氢站大容量电解槽体 H2
我国已建成大型制氢设备equipment
我国已建成大型制氢设备equipment
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★ 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 1800 m3 的液态氢。
★ 氢能源研究面临的三大问题:
氢气的发生(降低生产成本) 氢气的储存 氢气的输送(利用)
氢能源— 21 世纪的清洁能源
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氢的用途
燃 料 燃烧值 /(kJ·kg-1)
氢 气 120918
( H2 )
戊硼烷 64183
( B5H9 )
戊 烷 43367
( C5H12 )
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氢化物
离子型氢化物 分子型氢化物 金属型氢化物
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二元氢化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。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。
离子型
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离子型氢化物
(1) 与 s 区金属形成。非挥发性,不导电并具明确结构的晶形固体。
(2) H- 的半径在 126 pm(LiH) 与 154 pm(CsH) 之间,说明原子核对核外电子的控制较松弛。
(3) 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-
(4) 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 .
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• 还原性强 2.23V)/H(HE 2
• 钛的冶炼LiOH 2TiTiOLiH 2 2
24 H 2NaCl 4TiTiClNaH 4
离子型氢化物的化学性质
• 剧烈水解(g)HMOHOHMH 22
(g)2HCa(OH)O2HCaH 2222
氢化钙剧烈水解
• 形成配位氢化物3LiCl]Li[AlHAlCl4LiH 43 无水乙醚
受潮时强烈水解
23 4H Al(OH)LiOH
+4H2
O
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分子型氢化物
除铝、铋和钋外,第 13至第 17族元素都形成这类氢化合物。它们以其分子能够独立存在为特征。
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存在形式
● 缺电子氢化物,中心原子未满8电子构型。
B2H6
● 满电子氢化物,中心原子价电子全部参与成键。
CH4
● 富电子氢化物,中心原子成键后有剩余未成键的孤电子对 .
NH3
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金属型氢化物
CuH , ZnH2
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(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如磁性。
金属型氢化物
(3) 金属 Pt 不能形成氢化物,但对加氢反应具有催化作用。
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可逆储氢材料
1 体积金属 Pd 可吸收 700 体积 H2 ,减压或加热可使其分解:
2 Pd + H2 2 PdH U + 3/2 H2 UH3减压 ,327 K
常况 523 K
573 K
LaNi5 + 3 H2 LaNi5H6, 含 H2 量大于同体积液氢微热
(2~3) × 105Pa
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稀有气体 Noble Gases
存在和用途 化合物
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空气分离中可得 He 、 Rn 外的所有其他稀有气体。 He 最难被液化 (b. p. 4.2K) 。 Rn 是放射性元素。
存在和用途
除氦之外 , 大气是其他稀有气体元素的唯一资源。有些地区的天然气中含有高浓度的 He( 高达 8%) 。
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Xe Xe-O2深度麻醉剂,制造高压“人造小太阳”
Rn “氡管”用于治疗癌症和中子源
He 大型反应堆的冷却剂, He-Ne-O2 呼吸气可防 “
气 塞病”,飞船的飞升气体,保护气Ne 霓红灯,电子工业中的充气介质,低温冷冻剂
Kr 灯泡填充气,同位素测量
Ar 灯泡填充气,保护气
稀有气体的主要用途applications
稀有气体的主要用途applications
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稀有气体化合物
1962 年 3 月 32 日下午 6 时 45 分 Bartlett N 第一个观察到 “惰性气体”元 素的化学行为: XePtF6 红色液体生成!
O2 ( g ) + PtF6(s) = O2+[PtF6]-(s)
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Xe (g) + F2 (g) XeF2 (s) (Xe 过量 ) K(250 )=8.79×10℃ 4
Xe (g) + 2 F2 (g) XeF4 (s) [n(Xe):n(F2) = 1:5] K(250 )=1.07×10℃ 4
Xe (g) + 3 F2 (g) XeF6 (s) [n(Xe):n(F2) = 1:20] K(250 )=1.01×10℃ 8
氙的氟化物可由直接化合反应合成
XeF6 与氧化物之间的复分解反应可使本身转化为氧化物:
XeF6(s) + 3 H2O(l) XeO3(aq) + 6 HF(g)
2 XeF6(s) + 3 SiO2 (s) 2 XeO3(s) + 3 SiF4(g)
吸能化合物 XeO3 易爆炸,碱性水溶液中 Xe Ⅵ( )的
氧阴离子 在歧化并使 H2O 氧化的过程中缓慢分解生成高氙酸根离子 和 Xe:
4HXeO
46XeO
XeO3 + OH- + Xe + O2 + H2OpH 10﹥ +OH-
4HXeO 46XeO
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价层电子对互斥理论对氙的
化合物的空间结构的描述
XeF2( 直线型 ) XeF4(平面四方形 ) XeF6( 变型八面体 )
[XeO6]4-