《无机化学授》PPT课件.ppt

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1、1.物质的存在,4.重要单质、化合物的 用途（应用）,2.物质的性质(物理性质、化学性质),3.重要单质、化合物的主要工业和实验室制法；,元素化学部分学习方法问题,1.分清主次关系 抓住主线 典型元素-典型化合物性质（酸碱性、化还原性、配位性、溶解性、热稳定性、物理化学性质等）。卤素：Cl-含氧酸盐XOnm(XO-重要的)-氧化性。每一族中的典型（代表性）元素（卤素中的氯）是主要的；典型化合物（次卤酸中的次氯酸）是主要的；性质则是主要的。,2.注意相关知识之间的相互联系，找出异同点,掌握相邻元素之间的关系，前后、上下的相互关系，注意纵比和横比，找出共同的规律和差异。如当讨论到族与族（相邻主族，

2、相邻副族，同类主、副族）之间；周期与周期（长、短周期，第二与第三周期，第四、第五与第六周期）之间；元素与元素（如B与Si，C与Si，Zr与Hf等）之间的相互联系时；应注意找出它们之间的相似和相异之处。,3处理好个性和共性的关系,在掌握通性的同时，特别要注意个性。如F、Cl的电子亲合能的特点，特别小的原因和特别大的原因、变化趋势等 研究某一类化合物（如卤化物、硫化物）时，既要认识该类化合物的通性，又要剖析若干具体化合物。对通性的认识能指导对个别物质的认识，而认识了个别化合物又能丰富对通性的认识。这是一般和个别相结合的认识方法。,4事实描述与理论推理的关系,处理好宏观与微观的关系、处理好尊重事实与

3、理论学习的关系。学会运用以前的理论知识解释在元素部分所遇到的问题。讨论描述性知识时，应当充分发挥理论的指导作用。通常比较多见的是，运用物质结构的观点从微观上推理，或运用能量的观点从宏观上分析。然而，由于受到人们认识的限制和一定阶段知识水平的限制，不必对事实材料都要作理论上的阐述。,学习方法上注意：以教材为主要参考书；以自学为主，自己总结，教师指导。以理论指导实际,但不能牵强附会,结构决定了它的性质而性质又决定其制备途径、分离方法、用途等。抓住共性与个性。即重要反应的规律性、特殊性。学习中以元素周期系为纲、异中求同、同中求异，掌握周期系变化的规律与非规律性。重视实验。取得大量的感性知识，从实验现

4、象观察，从周围生活实际观察，以无机材料，生物无机，有机金属等新兴领域联系理论解释思考“化学与人类”、“化学与我们”、“化学与我”，以一个崭新姿态迎接高新技术挑战。重要性质，方程式要记忆，但是应理解性、推理性记忆，为后续课打下基础。,无机化学,元素部分的学习纲要：,第一节 氢第二节 稀有气体,第13章氢 稀有气体Chapter 13 Hydrogen and rare gases,本章教学要求,1.了解氢的存在形式;2.掌握氢的结构特征和性质;3.认识氢能源的发展现状和趋势;4.了解稀有气体的存在和从空气中分离方法;5.掌握稀有气体的物理性质和化学性质 及其变化规律;6.掌握稀有气体化合物的性质

5、和结构.,氢的发现,Cavendish(1731-1810),Laviusiser(1743-1794),氢发现得比较早，早在十六世纪马拉塞尔斯（Paracelous）就发现硫酸与铁反应时，有一种能燃烧的气体产生。直到1766年英国科学家凯文迪亚才确认它是与空气不同的一种易燃的新物质。他曾称之为“易燃空气”，甚至误认为这种气体就是燃素。直到1787年法国科学家拉瓦锡才命名这种气体为氢，意为“成水元素”（和O2燃烧生成水），并确定它是一种元素。,一、存在三种同位素,氘 T,氕 H,氘 D,氢在邻近地面的空气中含量极少，但光谱分析表明，氢是太阳和某些星球大气的主要组成部分，以原子百分数（即丰度）计

6、，它占81.75%，是太阳发生热核反应的主要原料，是人类赖以生存的最大能量来源。氢分子有：H2（正氢：两核自旋方向相同，75%；仲氢，25%）D2，HD，TD，T2，HT,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%.,核性质,同位素效应,一般情况下不同的同位素形成的同型分子表现为极为相似的物理和化学性质，例如 10BF3 与 11BF3 的键焓、蒸汽压和路易斯酸性几乎相等.然而，质量相对差特大的氢同位素却表现不同，例如：,制备,利用重水与水的差别，富集重水，再以任一种从水中制 H2 的方法从 D2O

7、 中获得 D.,慢中子轰击锂产生：,H2O 和 D2O 之间沸点的差异反映了O H O 氢键不如 O DO氢键强.相同化学环境下 键焓高于键焓的现象在很大程度上是由零点能的差别引起的.零点能低时键焓相对比较高，零点能高时键焓相对比较低.氢同位素造成的性质差别大得足以找到某些实际应用.例如，由于D2O中DO键的键焓相对比较高，电解速率应当低于，其结果是在电解水而得到的残液中得以富集.,我国首座重水堆核电站泰山三核用上国产核燃料,二、性质,（1）溶点、沸点很低，难以液化,（2）有极好的扩散性，导热性,（3）难溶于水，易“溶于”某些金属,（4）常温下不活泼，高温较活泼，以还原性 为主,例:,氢在周期

8、表中的位置,1.A族，ns1,氢原子与碱金属原子一样，价层中仅有 一个价电子，易失去电子形成H+；2.A族，H离饱和的电子层结构只差一个电 子，与卤素相似可以得到一个电子形成H-；3.A族，H的电子层结构处于半满状态,与碳族 元素相似结合能力很强，可形成众多的氢化物；4.周期表之顶，氢具有特殊性，有人建议把它放 在周期表之顶，将它与A、A、A相连。,0,H2在化学反应中的几种成键情况,1.失去价电子，H+，气态离子束中有H+，一般与原子 或分子结合存在；2.获得电子,H-,只存在于电正性大的盐型 氢化物中；3.形成电子对键，存在于大量的无机物和 有机物中；4.独特的键合状态，氢键（H3O+）、

9、氢桥键（B2H6）、非化学计量型氢化物(LaH2.76),将氢气分子加热至2000K以上，特别是通过电弧或者进行低压放电，可得到原子氢。,H2(g)=2H(g),原子氢比单质氢有更强的还原性,例如：As+3H=AsH3 S+2H=H2S,CuCl2+2H=Cu+2HCl,BaSO4+8H=BaS+4H2O,氢化物的合成方法,工业上用第(1)种方法合成放能化合物，然而某些情况下需要采取强化条件(高压、高温和催化剂)以克服不利的动力学因素.采取第(2)和(3)种方法，以避免强化条件带来的麻烦.后两类方法也可用来制备吸能化合物.,H2反应机理,氢分子与大多数元素和不少化合物之间的反应进行得很慢这是

10、因为它的高键焓使反应需要较高的活化能.能使反应进行的条件有：,H2分子在金属表面（a）和配合物中（b）发生的均裂活化,（a）,（b）,H2分子在金属表面(多相催化)或金属配合物上(均相催化)发生均裂而得以活化：,H2分子在固体表面(多相催化)或金属离子(均相催化)发生异裂而得以活化：,外界条件引发产生 H 自由基,爆鸣气在某种恒定温度下的反应速率随压力增大发生不规则变化的事实说明了反应过程的复杂性.773 K 时的反应速率随压力增大两次经过平缓反应区和爆炸反应区：,例如，H2 和 O2 生成水的反应:2 H2O(g)+O2(g)=2 H2O(l),二元氢化合物的标准生成自由能 是判断氢与其它元

11、素直接化合反应的重要判据.为正值的氢化合物都不能由单间的反应合成.,氢化物的热力学,分子型氢化合物由上而下稳定性降低的趋势与其平均键焓(kJ mol-1)有关.较重元素形成较弱的键，这一事实通常归因于相对密实的 H1s 轨道与较松散的重元素 s 和 p 轨道重叠能力比较差.,二元氢化合物在周期表中的分布,二元氢化合物的分类,氢的大多数二元化合物可归入下述三大类中的某一类：共价型氢化物、离子型氢化物和金属型氢化物(间充型氢化物).各类氢化物在周期表中的分布如下表所示.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.例如，很难严格地铍和铝的氢化物归入“离子型”或“共价型

12、”的任一类.,实验室制备:Zn+2H+=H2+Zn2+Zn+2H2O+2OH-=Zn(OH)42-+H2,实验室制氢气中杂质来源与除去方法,H2S锌中含微量 ZnS,H2S+Pb2+2H2O PbS+H3O+,AsH3 锌和硫酸中含微量As,AsH3+3Ag2SO4+3H2O6Ag+H3AsO3+3H2SO4,SO2锌还原 H2SO4 产生,SO2+2KOH K2SO3+H2O,三、氢的制备,工业上制氢主要有三种方法:,（1）水煤气法,C（赤热）+H2O(g)H2+CO(g),水煤气在用作燃料时就不必分离开H2与CO，但为了制备H2，就必须分出CO。,可以将水煤气和水蒸气混合通过红热的催化剂氧

13、化铁，CO转变为CO2，然2.0103KPa(20atm)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+2H2+42.7 KJ,（2）甲烷转化法,CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g),（3）水的电解法,电解反应如下:,阴极 2H2O+2eH2+2OH-,阳极 4 OH-O2+2H2O+4e,2 H2O(l)=2H2(g)+O2(g),四、氢能源,近十多年来，对以氢气作为未来的动力燃料的氢能源的研究获得了迅速的发展，象电一样，氢是一种需要依靠其他能源如石油、煤、原子能等的能量来制取的所谓“二级能源”。（而存在于自然界的可以提供现

14、成形式的能量称为一级能源，如煤、石油、太阳能或原子能）。,氢之所以可被选为未来的二级能源，是因为它具有下述的特点：,1原料来源于地球上贮量丰富的水，地球表面约 71%为水所覆盖，储水量约为2.11021吨。水 分解可制氢，因而资源不受限制。,2氢气燃烧时发热量很大，2H2(g)+O2(g)=2 H2O(g)2mol H2燃烧便能释出484KJ热量。其燃烧热为同 质量石油燃烧的三倍。,3氢气作为燃料的最大优点是它燃烧后生成物是水，不会污染环境，是一种无污染的燃料。,氢能源21世纪的清洁能源,氢作为新能源其特点有：,1.质量轻(所有元素最轻的)；2.热值高(汽油的3倍);3.“爆发力”强(燃烧速度

15、快)；4.来源广(海水含氢量大)；5.品质纯(燃烧前后无污染)；6.能量形式多；7.储运便捷。,0,发展氢能源需解决三个问题：氢气的发生、储备和利用；（一）氢气的发生 尽管世界上含氢物质很多，制氢的方法和技术也很多，但太阳能制氢是最佳选择：1.太阳能热分解水制氢：太阳能将水加热到 3000K以上时，水就分解为H2和O2；若在水 中加入催化剂，只需9001200 K就能使水产 生出氢。,2.太阳能电解水制氢：将太阳能转换为电能，用直流电电解池电解水制氢。3.太阳能光化学分解水制氢：在水中加入光敏 剂(如I2)等，此体系吸收太阳能后就可产生氢。4.太阳能光电化学电池分解水制氢：在强碱性 水溶液中连

16、接阳极(如n型TiO2、SrTiO3、WO3)和阴极(如Pt),在太阳照射下,产生恒定 电流,由此可制出氢。,5.太阳光配合催化分解水制氢：利用某些催化 剂(如三联吡啶钌配合物)催化电荷转移反应的 过程，进行太阳光分解水制氢。6.模拟植物光合作用分解水制氢：利用诸如半 导体隔片光电化学电池的光电效应，可使太 阳光直接电解水制氢。除了以上太阳能制氢外，还有微生物发酵制氢，光合微生物制氢等。以上制氢都处在研制和开发中，再过2040年，氢能必将成为世界能源舞台上一个新秀而大展风采。,0,（二）氢气的储备 1.储备在真空绝缘高压低温罐中 现在制备的储罐可装3400m3以上的液氢，当然还有其它形式的液氢

17、储备。2.储氢金属氢化物 1969年由荷兰Philips实验室首先研制开发出一种合金LaNi5合金在常温和2.5102kPa压力下，每摩尔该合金可吸收7摩尔氢原子，所含氢的密度为液氢单质本身的2倍。,要使储氢合金达到实用的目的，必须满足下列要求 a.储氢量大，能量密度高：一般认为可逆吸氢量不少于150毫升/克。b.吸氢和放氢速度快：H2分子在金属表面分解为H原子，然后向金 属内部扩散，形成金属氢化物等。c.氢化物生成热小：一般为-2946kJ/molH2为宜。,d.分解压适中：在室温附近，具有适当的分解压(0.11MPa)。e.容易活化：储氢合金第一次与氢反应称为活化处理。f.化学稳定性好：经

18、反复吸、放氢，材料性能不衰变，对氢气中所含杂质敏感性小，抗中毒能力强。g.在储存与运输中安全、无害。h.原料来源广，成本低廉。,0,目前开发的有实用价值的储氢合金有以下几类：（1）稀土系储氢合金 a.LaNi5三元系 LaNi5-xMx(M=Al,Mn,Cr,Fe,Co,Cu,Ag,Pd,Pt)R0.2La0.8Ni5(R=Zr,Y,Gd,Nd,Th)b.MmNi5系(Mm为Ce大于40%的混合稀土）如MmNi5-xBx(B=Al,Cu,Fe,Mn,Ga,In,Sn,Cr,Co,Pt,Pd,Ag,Zr)c.MlNi5系(Ml为La+Nd大于40%的混合稀土）,0,（2）钛系储氢合金 钛铁系(T

19、iFe,TiFe2)、钛锰系(TiMn1.5,Ti0.9Zr0.1Mn1.7等)（3）镁系储氢合金 如Mg2Ni,Mg2Ni0.75Fe0.25,Mg2Ni0.75Co0.25,Mg2Ca,Mg2Ni0.9Cu0.1,Mg2Ni0.75Zr0.25,3.储氢合金金属氢化物的应用（1）用于氢气的储存与运输；（2）用于氢气的分离与提纯；（3）用于合成化学中催化加氢与脱氢；（4）用于储氢合金电极材料；（5）氢化物热泵用于空调与采暖。,本节基本要求,1.了解稀有气体的发现简史；2.了解稀有气体单质、化合物的性质,重点：稀有气体单质、化合物的性质,难点：化合物的结构,一、稀有气体发现简史,(一）稀有气体

20、元素命名的变化,对于第18列的元素，随着人们对它们认识的逐步深化而不断地在改变，现今文献中，常见的命名有以下几种；1根据这六个元素在地壳中的含量稀少，又广泛地称它们为“稀有气体”；21962年以前，由于未制备出这些元素的任何化合物，确信它们的性质不活泼，叫它们为“惰性气体”（inert gases)；3曾因它们与各种化学试剂都不发生反应，于是认为它们的化合价为零，又将其称为“零族元素”；,4这族元素自上而下，以氦为首，故也叫做“氦族元素”；5也有人称它们为“单原子气态元素”(monoatomic gaselements）.,（二）氩的发现小数点后第三位的胜利,十七世纪七十年代只知道空气的固定成

21、分是氮和氧.1785年，Cavendish 在电火花的作用下使氮和氧化合为橙红色的氧化氮气体，继而又用氢氧化钠溶液吸收氧化氮，三个星期后才使氮化合完毕，余下的氧用“硫肝”吸收后，还残留下1/120的微小气泡.他对这个现象很重视，写到“这个气泡是特殊的，不象一般的氮，因为不管什么样的火花都不能使它同氧结合.”但他又说“这是由于某种原因没有跟氧化合而剩下来的氮.”,后来，直到 1893 年，物理学家 Rayleigh 和化学家 Ramsay 分析了由氨分解出来的氮每升1.2507g，而一升由空气中获得的氮重1.2565g，相差的 5.8 mg 并非是氮，命名为“氩”（argon,原文含有懒惰的意思

22、.）这被称为“小数点后第三位的胜利.”,一、稀有气体的发现1.氦He(Helium):希腊文“太阳”,1868年简森首先 从太阳光谱中发现，洛克耶尔和富兰克兰德 命名；1889年赫列布莱德从铀矿中找到(认为 是N2)，拉姆齐1895年证明是He。2.氖Ne(Neon):“新”，拉姆齐1898年发现，Ne 灯俗称霓虹灯。3.氩Ar(Argon):“懒惰”，瑞利和拉姆齐1894年 发现。,0,4.氪Kr(Krypton):“隐藏”，拉姆齐1898年发现。5.氙Xe(Xenon):“陌生”，拉姆齐和特拉威尔斯 1898年发现，Xe灯俗称“人造小太阳”。6.氡Rn(Radon):“射线”，道恩1900

23、年从镭衰变 产物中发现，1902年卢瑟福和索迪首先分离出 来，1908年拉 姆齐和格雷研究后命名为镭射 线，后取氡。,氦是宇宙中丰度位于第二号的元素，是氢核聚的产物；空气中含有所有的稀有气体，但含量不同.空气中各种气体含量为:N2O2ArCO2NeHeCH4 KrN2OH2XeO3,0,大气中平均成分和稀有气体在大气中的含量名称 体积组成(%)质量组成(%)大气中总储量(Tkg)N2 78.09 75.51 3864800(亿万公斤)O2 20.95 23.15 1184100Ar 0.93 1.28 65500CO2 0.03 0.046 2330Ne 1.810-3 1.2510-3 63

24、.6He 5.210-4 0.7210-4 3.7CH4 2.210-4 1.210-4 6.2 Kr 1.010-4 2.910-4 14.6N2O 1.010-4 1.510-4 7.7H2 0.510-4 0.0310-4 0.2Xe 0.0810-4 0.3610-4 1.8O3 0.0110-4 0.3610-4 3.1,二.制备,空气的液化：根据空气各组分气体的熔沸点不同，首先使空气液化，然后控制温度范围，分离出稀有气体；稀有气体分离：根据稀有气体各组分的熔沸点不同，控制温度范围，分离出稀有气体各组分气体。,三.化学性质,原子半径递增，原子量递增色散力递增，熔沸点递增 临界温度递增

25、，气体密度递增，在水中溶解度递增 第一电离能递减，相对化学活性递增,XeF2+2I-=Xe+I2+2F-XeF4+2H2=Xe+4HF XeF4+4Hg=Xe+2Hg2F2,XeF2+H2O=Xe+1/2O2+2HF6XeF4+12H2O=2XeO3+4Xe+24HF+3O2XeF6+H2O=XeOF4+2HFXeF6+3H2O=XeO3+6HF,1.氟化物,反应通常在经 F2 钝化使容器表面生成一层 NiF2 保护层的镍制容器中进行.氙的氟化物发生许多类似于高氧化态卤素互化物的反应，包括氧化还原反应和复分解反应.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

26、(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（）的氧阴离子HXeO4-在歧化并使 H2O 氧化的过程中缓慢分解生成高氙酸根离子XeO64-和 Xe:,氙的氟化物可由元素之间的直接化合反应合成 Xe(g)+F2(g)XeF2(s)(Xe过量)K(250)=8.79104 Xe(g)+2 F2(g)XeF4(s)n(Xe):n(F2)=1:5 K(250)=1.07104 Xe(g)+3 F2(g)XeF6(s)n(Xe):n(F2)=1:20 K(250)=1.01108,XeO3

27、+OH-HXeO4-XeO64-+Xe+O2+H2O,pH10,+OH-,2、含氧化合物,（1）稀有气体化学引人注目的第二次大发现 1962年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！思路：刚刚制备出新化合物：O2（g）+PtF6(s)=O2+PtF6-(s),O2 O2+e-Xe Xe+e-,I1=1180 kJmol-1I2=1170 kJmol-1,r=201 pmR=210 pm,设计并测定了XePtF6 的标准生成焓为负值（-60 KJmol-1）,Xe+PtF6-Xe+(g)+PtF6-(g),Xe(g)+PtF6(g),fHm(X

28、ePtF6),I,EA,U,O2+,Xe+,稀有气体化合物,强氧化剂 XeF2 在水溶液中能够使 HCl Cl KI I2 Ce(III)Ce(IV)Co(II)Co(III)Ag(I)Ag(II)1968 年第一次制得 BrO4-:NaBrO3+XeF2+H2O NaBrO4+2HF+Xe 氟化剂：XeF2+2HSO3F Xe+HF+2 SO3F(自由基)2 SO3F S2O6F2 原子能工业中分离放射性Xe、Kr;XeF4作减速剂；U、Pu、Np 的分离；UF6 的生产等.其他如激光，特殊光学波动、高能燃料和炸药等.,（3）稀有气体化合物的实际作用,稀有气体具有很不活泼、导热系数和电阻小、

29、易于发光、熔点低等特性，被广泛应用到光学、医学、冶炼和超低温技术中。He：填充气体、保护气体、光谱线作为分光器刻度标 准、超低温技术中应用、2.2K以下具有超流性和 超导性；Ne：电场激发发美丽红光作霓虹灯、指示灯、激光器。Ar：热传导系数小作灯泡填充气、保护气。Kr：热传导系数小作灯泡填充气,同位素在医学中应用Xe：电场激发发白光作照明光源、人造小太阳，氙灯 放出紫外线以及同位素在医学中应用。Rn：具有放射性在医疗和原子能中应用。,练习一：判断题1.氢的三种同位素的区别是由于它们：（）a.含质子数不同 b.含中子数不同 c.原子序数不同 d.化学性质不同2.氢在与金属和非金属作用时可生成氢化

30、物种类为（）a.共价型 b.离子型 c.金属型 d.三种情况都可能3.氢原子的化学结合力很强是由于它的价电子结构（）a.一个价电子 b.半满状态 c.与饱和结构差一个价电子 d.具备三种状况 4.能与氢形成离子型氢化物者为（）a.大多数元素 b.多数活泼金属 c.不活泼金属 d.s区金属5.在XeF4中的价电子层中电子总数为（）a.8 b.10 c.12 d.14,0,6.在VSEPR理论中，中心原子价电子对为5的是（）a.SO2 b.XeF2 c.PCl3 d.XeO37.XeO4分子的几何构型为（）a.平面方形 b.正四面体 c.正八面体 d.变形八面体8.根据VSEPR理论下列基团其构型为正四面体的为（）a.PF5 b.AsO43-c.XeF4 d.BF39.元素氙的电子组态为（）a.2-8-8 b.2-8-18-18-1 c.2-8-18-18-8 d.2-8-18-18-8-210.下列稀有气体中哪一种沸点最低（）a.氪 b.氦 c.氙 d.氡,0,练习题二：解释题 用VSEPR理论和杂化轨道理论解释氙的氟化物、氟氧化物和氧化物的空间结构 XeF2、XeF4、XeF6、XeOF4、XeO3、XeO4、XeO64-等,