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1、7.3.1 氢,7.3 s区元素的化合物,7.3.3 阳离子分析,7.3.2 碱金属和碱土金属的化合物,Fujian Normal University,Chapter 15,7.1 氢7.1.1 氢在周期表中的位置和同位素,1. 氢在周期表中的位置 氢只有一个电子，是最轻的元素，也是含量最丰富的元素。性质非常独特，兼有碱金属和卤素的性质，但又与它们区别，因此可以将它放入A族或 A族，或者将它独立放置。,Fujian Normal University,Chapter 15,2. 氢的同位素 核素具有特定质子数和中子数的原子。 同位素质子数相同而中子数不同的原子，即同种元素的不同核素。,Fuj
2、ian Normal University,Chapter 15,由于三者之间质量差异较大，导致性质差异也比别的同位素来得大，因此各自有自己的名称。,Fujian Normal University,Chapter 15,氘和氚的能源价值氘和氚是核聚变反应的原料，这种核聚变不仅是太阳能量的源泉，也是人类利用核能中探索的方向。 由于原料氘在海水中的大量蕴藏，核聚变被视为“永久能源” ，也没有核废料的威胁（主要生成氦）。核聚变能产生上亿度的高温，虽然用磁场束缚（托卡马克法）使高温等离子体不直接接触材料，但对材料要求还是十分苛刻，如耐中子辐射、耐高温和抗氢脆等。因此，材料是聚变堆能否实用化的关键因素
3、之一。,Fujian Normal University,Chapter 15,同位素对原子量的影响,周期表上所列的原子量实际上是各种同位素按丰度（数量百分比）加权的平均值。,Fujian Normal University,Chapter 15,7.1.2 氢的制备、性质和用途1. 氢的制备,实验室：是利用无机酸和锌等活泼金属的反应。由于试剂不纯，常导致H2含有杂质。 Zn + 2H+ Zn2+ + H2 野外： CaH2(s) + 2H2O(l) = Ca(OH)2(s) + 2H2(g) Si(s) + 2NaOH(aq) + H2O(l) = Na2SiO3(aq) + 2H2(g),
4、Fujian Normal University,Chapter 15,(1) 天然气或焦炭与水蒸气作用， 得到水煤气（CO和H2的混合物）,(2) 水煤气与水蒸气反应，得到CO2和H2的混合气,(3) 用高压水洗法除去CO2（溶解）可得较纯的氢气。,工业上： a. 水煤气法,Fujian Normal University,Chapter 15,电解15%20%氢氧化钠溶液 （导电）,阴极：2H2O + 2e H2 + 2OH,阳极：4OH- - 4e- 2H2O + O2,可制得高纯度的氢气，但耗电量大，成本很高。,b. 电解法,Fujian Normal University,Chapt
5、er 15,2. 氢的性质和用途,化学性质 氢不太活泼，在常温常压下，不与氟以外的物质反应，但氢与氧或氯的混合物在火花或紫外线照射下会爆炸。 加热、加压下，氢的活泼性大大增加，可与元素直接化合成许多氢化物（如NH3、 H2O 等）。,Fujian Normal University,Chapter 15,物理性质 氢分子间范德华力很弱，因此熔沸点很低。 液氢、固氢的密度在所有液体、固体中最低（待深入）。 氢气在水中的溶解度很小，但可大量溶于镍、钯、铂等金属中。,Fujian Normal University,Chapter 15,用途 冶金工业中常作为高温还原剂 CuO(s) + H2(g)
6、 = Cu(s) + H2O(g) Mo(W)O3(s) + 3H2(g) Mo(W) (s) + 3H2O(g) SiCl4(g) + 2H2(g) = Si(s) + 4HCl(g) 主要用于加氢反应，如石油加氢、食用油加氢等。,Fujian Normal University,Chapter 15,补充资料油脂氢化,油脂氢化是指液态油脂或软脂在一定条件下与氢气发生加成反应，使油脂分子中双键得以饱和的过程。经过氢化的油脂称为“氢化油”，极度氢化的油脂亦称为“硬化油”。 油脂氢化降低了油脂的不饱和度，提高了油脂的熔点、固脂含量、抗氧化稳定性及热稳定性，改善油脂的色泽、气味和滋味，扩大了用途，
7、具有很高经济价值。 如使棉籽油、豆油等液态植物油充分代替原先的乳类脂肪、肉类脂肪，生产人造奶油基料、起酥油（主要用来酥化或软化烘培食品，品种丰富）基料、生产工业用油等。 副作用：反式脂肪酸,Fujian Normal University,Chapter 15,传统化石能源面临枯竭和污染双重困难。 氢能理论上是上述问题的完美解决。氢可以从水中获得，燃烧也不会产生污染，而且燃烧值（单位质量物质燃烧产生的热量）很高。 H2 (g) + O2 (g) H2O (g) rHm = -241.84 kJmol-1，温度达到2800,3. 氢能源,Fujian Normal University,Chap
8、ter 15,几种物质的燃烧值（kJ.g-1）,Fujian Normal University,Chapter 15,氢能利用的关键,氢的制备如何从水（分解）中经济高效地制备氢还是有待解决的问题，人们甚至在尝试用藻类如鱼腥藻分解水制氢。,电镜下的鱼腥藻,Fujian Normal University,Chapter 15,新出路在1960年，荷兰菲利浦公司研制出吸氢能力最强的贮氢材料：镧镍系列吸氢合金，但成本很高。 意外发现 1974年，日本松下公司的一个氢气瓶前一个晚上从10个大气压降低到不足1个大气压。瓶子漏气了吗？查来查去，原来问题出在制造气瓶的材料上。气瓶制造厂知道钛锰合金强度高，
9、耐压保险，就用它装氢气。不料它有很强的吸氢能力，把瓶内的大部分氢气吸进了瓶壁。 现在，全世界已研究出多种储氢合金，除钛锰合金外，还有镁镍合金、镁铜合金、铝锰合金、锆铬合金和各种含稀土的储氢合金。,Fujian Normal University,Chapter 15,氢的贮存 传统有两种方式。一种是采用压缩贮氢的方式，用高压钢瓶（氢气瓶）来贮存氢气。钢瓶贮存氢气的容积很小，即使加压到150个大气压，瓶里所装氢气的质量还不到气瓶质量的1%，而且还有爆炸的危险。 另一种是采用液化贮氢的方式（如我国的“长征”火箭就以液氢为燃料），将氢气降温到-253变为液体进行贮存。氢气液化的费用非常昂贵，它几乎相
10、当于三分之一液氢的成本；而且，液氢的贮存容器异常庞大，需要极好的绝热装置来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化而避免浪费。,Fujian Normal University,Chapter 15,7.1.3 氢化物,狭义氢与电负性比它小的元素（如金属）生成的二元化合物。 广义氢与各种元素生成的二元化合物（这里的讨论基于此）。,Fujian Normal University,Chapter 15,1. 分子型氢化物（甲烷、氨、水等） 主要是氢与AA族元素的二元化合物，又称共价型氢化物。 熔、沸点较低，大多数为无色气体（除水等） 。大多数在固态时属分子晶体。 结构简单，但化学性质差异较大。,Fuji
11、an Normal University,Chapter 15,2. 离子型（类盐型）氢化物 主要是氢与A、A族元素的二元化合物，如 H2(g) + 2Na(s) = 2NaH(s) 纯的为白色晶体，不纯的为浅灰色至黑色； 具有离子化合物特征，如熔、沸点较高， 熔融时能导电；,高温,Fujian Normal University,Chapter 15,H存在的重要化学证据电解时阳极放H2： 2 H- H2 + 2e- 是极强的还原剂， 在高温下可还原金属氯化物、氧化物和含氧酸盐。,Fujian Normal University,Chapter 15,H半径较大，有未共用电子对，因此是强的路
12、易斯碱，可作配位体，形成复合氢化物（如氢化铝锂LiAlH4 ）。 AlCl3 (s) + 4LiH(s) = LiAlH4 (s) + 3LiCl (s) 复合氢化物在合成化学中广泛用作还原剂。,Fujian Normal University,Chapter 15,一些碱金属和碱土金属氢化物的 标准摩尔生成热（kJ.mol-1） 远小于碱金属卤化物的标准摩尔生成热（420 kJ.mol-1左右），说明H-的稳定性较小。,Fujian Normal University,Chapter 15,3. 金属型氢化物 某些金属，特别是过渡金属加热时与氢生成金属氢化物（ 1体积Pd 可吸收 700 体
13、积 H2 ）。 减压或加热可使氢化物分解，因此被用来贮氢和制备超纯氢，即贮氢材料（合金），如,这些物质在吸氢前后性能是类似的（外观、反应性、导电等）。,Fujian Normal University,Chapter 15,由于压差和H原子在Pd中的流动性（吸氢、受热分解），氢以原子形式迅速扩散穿过PdAg合金，而杂质气体则不能。,超纯氢的制备,Fujian Normal University,Chapter 15,7.2 碱金属和碱土金属,Fujian Normal University,Chapter 15,7.2.1 存在与制备,1. 存在 由于碱金属和碱土金属的化学活泼性很强，决定了它
14、们不可能以单质的形式存在于自然界。 碱金属Na和K的丰度较高，主要有NaCl、KCl等。Li、Rb、Cs含量少。Fr很少而且半衰期很短，因此很少研究。,Fujian Normal University,Chapter 15,碱土金属除Be和Ra外，其余都以难溶碳酸盐和硫酸盐的形式大量存在于地壳中。如菱镁矿MgCO3 、白云石CaCO3.MgCO3、方解石CaCO3 、石膏CaSO4 .2H2O 、碳酸锶矿SrCO3 、天青石SrSO4和重晶石BaSO4等。,Fujian Normal University,Chapter 15,2. 制备 （1）熔融电解法（常用）,A：石墨阳极 D：网状隔膜
15、F：铁阴极 G：收集器 H：阳极罩 R：环形槽,阳 极：2Cl - 2e = Cl2 阴 极：2Na+ + 2e= 2Na 2NaCl(l) = 2Na(l) + Cl2 (g),Fujian Normal University,Chapter 15,（2）热还原法 2MgO(s) + 2CaO(s) + Si (s) 2Mg(g) + Ca2SiO4(s) MgO(s) + C(s) CO(g) + Mg(g),白云石CaCO3.MgCO3分解物,Fujian Normal University,Chapter 15,金属钾能否采用类似制钠的方法制备呢？,不能，原因是： 金属 K 因 C 电
16、极（CO）生成羰基钾； 金属 K 易溶在熔盐中，难于分离； 金属 K 蒸气易从电解槽逸出造成易燃爆环境； 在电解槽中容易与O2生成超氧化钾，此化合物与金属钾有爆炸性反应。,KCl(l) + Na(g) K (g) + NaCl (l),Fujian Normal University,Chapter 15,碱金属和碱土金属的制法,Fujian Normal University,Chapter 15,化学性质 碱金属和碱土金属都是活泼金属，尤其是碱金属。同族元素内，活泼性从上而下增加。它们的化合物通常为离子化合物，只有Li 、Be、Mg的某些化合物具有较明显的共价性。,Fujian Normal University,Chapter 15,碱金属容易与空气（的氧和水蒸气）或水反应，因此应在煤油中贮存，也不能在水溶液中 2M(s) + 2H2O(l) = 2MOH(aq) + H2(g) Li与水的反应较平稳，Na剧烈，K燃烧，Rb和Cs爆炸。,Fujian Normal University,Chapter 15,Li的标准电极电势很小（-3.04，水合焓高），比N
