元素化学1.pptx

1.1.氢氢1.1 1.1 基本性质：基本性质：1766年年 英国英国 （卡文迪许）确定元素氢的存在（卡文迪许）确定元素氢的存在 Fe+H2SO4 FeSO4+H2 法法 国国 化化 学学 家家 拉拉 瓦瓦 锡锡（Lavoisier）将将 其其 命命 名名 为为 hydrogen（源源于于希希腊腊文文“hydro genes”），意意思思“生生成成水水的的物物质质”。氢氢在在自自然然界界的的主主要要来来源源是是水水、石石油油和和天然气天然气氢的三种同位素的原子性质氢的三种同位素的原子性质 氕氕 氘氘 氚氚符号符号 H D T原子量原子量 1.007825 2.014102 3.016049自然丰度自然丰度 99.985%0.015%10-17核自旋量子数核自旋量子数 1/2 1 1/2核磁矩（核磁矩（N）2.79210 0.85735 2.9788核四极矩（核四极矩（10-28m2）0 2.76610-3 0放射性和稳定性放射性和稳定性 稳定稳定 稳定稳定 -,t1/2 =12.35y 氕：一个质子氕：一个质子氘：一个质子、氘：一个质子、一个中子一个中子氚：一个质子、氚：一个质子、二个中子二个中子D2O是是通通过过电电解解水水富富集集制制备备的的，一一般般用用于于核核反反应应堆堆的的减减速速剂剂和和冷冷却却剂剂。在在实实验验室室中中作作示示踪踪元元素素，用用于于化学反应机理研究，也用作溶剂用于化学反应机理研究，也用作溶剂用于NMR。普普通通水水电电解解时时，H2的的产产生生比比D2容容易易。电电解解后后水水中中的的D2O富集，进一步纯化可得到纯净的富集，进一步纯化可得到纯净的D2O。含氘的化合物一般利用含氘的化合物一般利用D2O通过交换反应制备通过交换反应制备NaOH +D2O NaOD +HDONH4Cl +D2O NH3DCl +HDONH3DCl继续用继续用D2O处理，可以转化为处理，可以转化为ND4Cl氢的物理性质氢的物理性质氢的物理性质氢的物理性质_熔点熔点(K)13.957沸点沸点(K)20.39熔化焓熔化焓(kJ mol-1)0.117蒸发焓蒸发焓(kJ mol-1)0.904临界温度临界温度(K)33.19临界压强临界压强(kPa)1298键离解焓键离解焓(kJmol-1)435.88零点能零点能(kJmol-1)25.9核间距核间距(pm)74.14密度密度(gdm-3)0.08988氢氢气气是是无无毒毒无无色色、无臭、最轻的气体无臭、最轻的气体 难溶于水难溶于水1atm,20oC:20.6 mL/L 液液化化温温度度仅仅次次于于氦氦易易发发生生爆爆炸炸，在在储储存存时时应应当当十十分分小小心心爆炸极限：爆炸极限：4%74%(体积分数体积分数)1、实验室制备氢气、实验室制备氢气 1.2 1.2 氢的制备氢的制备实验室制氢：实验室制氢：（1）Zn(s)+2HCl(aq)ZnCl2(aq)+H2(g)(2)CaH2(s)+2H2O(l)Ca(OH)2(s)+2H2(g)工业上制氢：来源天然气、煤、水工业上制氢：来源天然气、煤、水甲烷重整反应：甲烷重整反应：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)H0=206 KJ/mol转化反应：转化反应：CO(g+)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)H0=-41 KJ/mol 水煤气反应：水煤气反应：C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)H0=131KJ/mol水的电解与光化反应水的电解与光化反应2H2O(l)H2(g)+O2(g)2H2O(l)H2(g)+O2(g)？氯碱工业氯碱工业 2NaCl+2H2O 2NaOH+Cl2(g)+H2(g)电解电解电解电解 光催化剂光催化剂烧碱烧碱1.3 1.3 化学性质化学性质 氧化数氧化数 +1，0，-1 既有氧化性又有还原性，主要还是还原性既有氧化性又有还原性，主要还是还原性 HH键能（键能（B.E.）453.6 KJ/mol 室温下稳定，高温下强的还原剂室温下稳定，高温下强的还原剂与非金属反应：与非金属反应：可与非金属单质发生强烈反应可与非金属单质发生强烈反应 H2(g)+F2(g)2HF(g)H2(g)+Cl2(g)2HCl(g)2H2(g)+O2(g)2H2O(g)与金属反应：与金属反应：可以与活泼金属（碱金属、碱土金属）发生反应可以与活泼金属（碱金属、碱土金属）发生反应 2Li(S)+H2(g)2LiH(S)Ca(S)+H2(g)CaH2(S)分子型氢化物分子型氢化物类盐型氢化物类盐型氢化物与氧化物反应：与氧化物反应：作为常用的还原剂与金属氧化物或金属离子反应作为常用的还原剂与金属氧化物或金属离子反应金属钨的制取以及湿法炼铜金属钨的制取以及湿法炼铜 WO3(s)+3H2(g)W(s)+3H2O(g)Cu2+(aq)+H2(g)Cu(s)+2H+(aq)与卤化物等无机盐发生还原反应与卤化物等无机盐发生还原反应 PdCl2(aq)+H2(g)Pd(s)+2HCl使使PdCl2 水溶液（粉红色）变黑（水溶液（粉红色）变黑（Pd黑）这是氢的检验反应黑）这是氢的检验反应氢的应用：氢的应用：合成氨合成氨 合成甲醇（合成甲醇（CO+H2;CO2 +H2）食食品品加加工工：把把液液态态的的不不饱饱和和植植物物油油通通过过催催化化加加氢氢转转变为固态的人造黄油变为固态的人造黄油 石石油油化化工工中中加加氢氢反反应应相相当当重重要要，如如加加氢氢裂裂化化、加加氢氢精制，是生产汽油、柴油基本化学品的重要反应精制，是生产汽油、柴油基本化学品的重要反应1.4 1.4 氢化物氢化物 氢氢化化物物是是指指氢氢和和另另一一种种元元素素形形成成的的二二元元化化合合物物，根根据据成成键键特特征征，大大体体可可分分为为类类盐盐型型氢氢化化物物、金金属属型型氢氢化化物和分子型氢化物物和分子型氢化物类盐型氢化物：氢和类盐型氢化物：氢和s区元素形成区元素形成金属型氢化物：氢和金属型氢化物：氢和d区、区、f区元素形成区元素形成分子型氢化物：氢和分子型氢化物：氢和p区元素形成区元素形成P253类类盐盐型型氢氢化化物物：MH和和MH2的的固固态态化化合合物物。具具有有离离子子固固体体的的结结构构，熔熔融融时时呈呈离离子子导导电电性性，电电解解熔熔融融盐盐在在阳阳极极析析出氢气出氢气还原性（还原性（H 具有很强的还原能力具有很强的还原能力）：）：NaH(s)+H2O(l)=NaOH(aq)+H2(g)NaH +CO2 =HCOONa4NaH +Na2SO4=Na2S +4NaOH在在野野外外作作业业时时，由由CaH2和和水水反反应应可可以以方方便便地地制制得得氢氢气气；在实验室里，常用在实验室里，常用CaH2来脱去有机溶剂中的微量水来脱去有机溶剂中的微量水由由LiH和和NaH可可以以制制取取LiAlH4和和NaBH4等等复复合合氢氢化化物物，是很好的还原剂，在有机合成中广泛应用是很好的还原剂，在有机合成中广泛应用(P254)金属型氢化物：金属型导体。具有可变的组成，呈非金属型氢化物：金属型导体。具有可变的组成，呈非化学计量比的特征，如：化学计量比的特征，如：ZrH1.3 ZrH1.75分子型氢化物：分子型氢化物：乙硼烷乙硼烷B2H6分子：分子：2个三中心键个三中心键乙硼烷的化学性质很活泼，在空气中易燃：乙硼烷的化学性质很活泼，在空气中易燃：B2H6 +3O2=B2O3+3H2O室温下，乙硼烷可以和各种化合物发生反应：室温下，乙硼烷可以和各种化合物发生反应：B2H6 +6H2O 2B(OH)3 +6H2B2H6 +6NH3 2B3N3H6 +12H2 硼硼氢氢化化反反应应：B2H6的的B H和和C=C双双键键的的加加成成反反应应，择择向性很强，硼原子加在烃基较少的双键碳原子上向性很强，硼原子加在烃基较少的双键碳原子上(P256)乙硼烷有多种制法：乙硼烷有多种制法：4BCl3 +3LiAlH4 2B2H6+3AlCl3+3LiCl 2BCl3 +6H2 B2H6+6HCl2BF3 +6NaH B2H6+6NaF乙硼烷和所有其他硼烷都有很高的毒性乙硼烷和所有其他硼烷都有很高的毒性硅烷：硅的氢化物，硅烷：硅的氢化物，SiH4、Si2H6硅烷热稳定性差，容易发生分解反应：硅烷热稳定性差，容易发生分解反应：Si2H6 H2 +SiH4 +较高的硅烷较高的硅烷SiH4 Si(晶形晶形)+2H2 半导体材料半导体材料SiH4 Si(无定形无定形)+2H2 制作光电池制作光电池500oC放电放电400oC硅烷：空气中会自燃，和卤素反应剧烈，遇水迅速水解硅烷：空气中会自燃，和卤素反应剧烈，遇水迅速水解SiH4 +2O2 =SiO2 +2H2OSiH4 +4Cl2 =SiCl4 +4HClSiH4 +(n+2)H2O =SiO2 nH2O +4H2和硼烷相似，硅烷也能和和硼烷相似，硅烷也能和C=C双键发生加成反应：双键发生加成反应：CH2=CH2 +SiH4 CH3CH2SiH3工业上制工业上制SiH4：Si +3HCl=SiHCl3 +H24SiHCl3 =SiH4 +3SiCl4P257/例例23-2 氢是重要的能源氢是重要的能源 2H2+O2 2H2O H=123 kJ/g能源能源 氢气氢气 天然气天然气 原油原油 煤煤 酒精酒精 木材木材H(kJ/g)123 50 45 33 30 16热值高热值高 无废物无废物 无污染无污染 清洁燃料清洁燃料液态氢已经十分广泛地用作火箭燃料液态氢已经十分广泛地用作火箭燃料问题问题?：如何廉价获取氢气？如何廉价获取氢气？储存和运输？储存和运输？钢瓶储存，易爆炸，危险性高钢瓶储存，易爆炸，危险性高储存原料：金属储存原料：金属 LaNi5+3H2 LaNi5H6 非金属非金属 WS2,碳纳米管碳纳米管 人们正在寻找储氢材料！人们正在寻找储氢材料！除除把把氢氢直直接接用用作作燃燃料料外外，以以氢氢为为原原料料的的氢氢氧氧燃燃料料电电池已经成功运行池已经成功运行()Pt H2(g)KOH(30%)O2(g)Pt(+)正极反应：正极反应：O2(g)+2H2O(l)+4e =4OH(aq)负极反应：负极反应：H2(g)+2OH(aq)=2H2O(l)+2e 精品课件精品课件！精品课件精品课件！作业：作业：P258/4，6，8