第五章 氢和稀有气体

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1、第五章氢和稀有气体Chapter5Thehydrogenandraregas(2010级使用)10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和结构.20本章所设置的问题:1.如何根据氢的结构判断氢的性质?2.稀有气体的性质有何变化规律?3.如何根据杂化轨道理论或VSEPR理论判断稀有气体化合物的空间结构?30第五章氢和稀有气体5-1氢一、氢的存在和

2、物理性质氢（hydrogen）希腊文原义为“水之素”，是1787年拉瓦锡命名的。氢是宇宙中最为丰富的元素，仅太阳每秒钟燃烧掉6×1011kg（6000亿公斤），其太阳寿命约140亿年；银河系估计有1000~2000亿颗恒星，而现已发现约有10亿个河外星系。氢在地球上按丰度排列位于所有元素的第九位（0.9%）。40氢有三种同位素：1H，:原子量为1.007277，相对丰度99.9844%；2H(D):原子量为2.01472，相对丰度0.015%；3H(T):原子量为3.0171，1H：3H=1017-18：1氢分子有

3、：H2（正氢：两核自旋方向相同，75%；仲氢，25%）D2，HD，TD，T2，HTH2是无色、无味、无嗅的气体，熔点14.0K，沸点20.4K5二、氢的化学性质和氢化物（一）氢的化学性质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+）、氢桥键（B2H6）、非化学计量型氢化物(LaH2.76)60（二）氢化物1.共价型氢化物（分子型、挥发型）除稀有气体外

4、的其它非金属都可以形成2.离子型氢化物（类盐型）碱金属、碱土金属(铍除外)都可形成，MH、MH2;3.金属型氢化物（间充型）过渡金属较易形成这类氢化物，TiH1.73、TaH0.787三、氢在周期表中的位置1.ⅠA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.ⅦA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.ⅣA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

5、期表之顶，将它与ⅠA、ⅦA、ⅣA相连。8090氢在周期表中的位置，不管放在哪里，都有道理，但也不充分，所以是值得研究的问题。的确，氢在所有元素中是特殊的，无论从原子结构看，还是由性质看，都是如此。10四、氢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。110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

6、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900~1200K就能使水产生出氢。122.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。135.太阳光配合催化分解水制氢

7、：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20~40年，氢能必将成为世界能源舞台上一个新秀而大展风采。140（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储备。2.储氢金属氢化物1969年由荷兰Philips实验室首

8、先研制开发出一种合金LaNi5合金在常温和2.5×102kPa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。15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