第十三章 氢和稀有气体13-2 稀有气体13-1 氢13-1-1 氢的存在和物理性质同位素11H( 氕)12D(氘)13T(氚) 相对原子质量amu1.0078252.014102 3.01605 自然界中含量99.9844% 0.0156% 不稳定 单质氢是无色无嗅的气体,沸点20.28K, 在标况下的密度0.08987kgL-1,是所有气 体中密度最低的.将氢气深度冷冻并加压可 转变成液体,在13.84K时 转变为透明固体.氢可被某些金属(如钯、铂)吸附,如室温 时,一体积细钯粉大约吸收900体积的氢气. 被吸附后的氢气有很强的化学活泼性. 氢有三种同位素: 问 题 13-1.1:氢有哪几种同位素?其性质和用 途有何不同?(C级掌握) 答案13-1.2:什么是正氢和仲氢?性质有何区 别?(C级了解) 答案解:氢有三种同位素,分别是普通氢或氕(11H 或H),重氢或氘(12H或D)和氚(13H或T).它们 的化学性质相同,但由于所含中子数不同, 从而引起的物理性质如放射性等方面的性 质是不同的.如H2的沸点为20.4K,熔点为 14.0K,而D2的沸点为23.5K,熔点为18.65K. 另外它们的用途也不同.氘与原子反应堆中 的重水有关,并广泛应用于反应机理的研究 和光谱分析.氚与核聚变反应有关,也可用 做示踪原子. 解:在双原子氢分子内,两个氢原子核 自旋方向相同的叫正氢,两核自旋相反 的叫仲氢.在低温时,仲氢比例较高.正 氢和仲氢的化学性质相同,但物理性质 如熔点,沸点则稍有差异. 一:氢的化学性质 13-1.3:总结氢的几种成键情况,并各举 一例说明(C级掌握)答案13-1.4:归纳总结H2的主要化学性质(C 级掌握)答案13-1-2 氢的化学性质和氢化物解:主要有三种成键方式:(1)氢原子失去1个电子成为H+(质子). 如酸在水中的解离反应.(2)氢原子得到1个电子成为H-.主要存 在于氢和A,A的金属所形成的离子 型氢化物的晶体中.如MgH2,LiH等(3)氢与其他电负性不大的非金属原子 通过共用电子对形成共价型氢化物.如 CH4,H2O等. 解:H2的主要化学性质有:(1)氢的可燃性H2(g)+1/2O2(g)= H2O(l) H=- 286.5kJ/mol(1)(2) 氢的还原性氢可以和许多金属氧化物,卤化物等在加 热的情况下相互发生反应,显示氢的还原性(2) PdCl2(aq) + H2 = Pd(s) + 2HCl(aq)(3)(3) 氢的氧化性氢可以和A族A族(除Be，Mg)活泼金 属相互反应，生成离子型氢化物。(4) H2 + 2Li = 2LiH (4) 加合反应2H2 + CO = CH3OHCHCH + H2 = CH2=CH2(5) 氢与某些金属生成金属型氢化物氢气可以与某些金属反应生成一类 外观似金属的金属型氢化物，在这类氢 化物中氢与金属的比值有的是整数比， 有的是非整数比的。 氢与其它元素形成的二元化合物 称为氢化物.根据与氢化合的元素电 负性不同,生成的氢化物可划分为如 下三种类型:离子型:A和A的氢化物;金属型(过渡型):B到B的氢化物 ;分子型:A到A的氢化物二:氢的氢化物 13-1.5:总结三种类型氢化物的性质特 点(C级了解) 问 题解:离子型氢化物一般稳定性较差,在 熔融温度以前分解为单质(除LiH、 BaH2外),遇水分解成金属氢氧化物和 氢气.均属强还原剂,在高温下可以还 原金属氯化物、氧化物及含氧酸盐. 分子型氢化物属于分子晶体,具有低熔 沸点.有的可与水反应,而有的 解离显酸性 或碱性.金属型氢化物有金属光泽,密度比相应 的金属要小.从化学性质上,铍、镁、镧系 金属、锕系金属等的氢化物多类似于离子 型氢化物;而In、Tl、铜族、锌族金属的氢 化物则多类似于共价型氢化物,从而这类氢 化物也称为过渡型氢化物. 性 质HeNeArKrXeRn 原子序数21018365486 原子量4.0020.1839.9583.80131.3222.0 价电子结构1s22s22p63s23p64s24p65s25p66s26p6 范氏半径 (pm)122160191198-第I电离势 (kJ/mol)237220811521135111701037第II电离势 (kJ/mol)52503952266623502046-1.稀有气体元素的基本性质见下表。 13-2-2 存在,分离,性质,制备和用途一:稀有气体的性质 13-2.1:为什么稀有气体元素的电离势 随原子序数的增大而依次减小?(C级掌 握) 问 题解:因随原子序数的增大其原子半径也 依次增大,最外层电子离核就越远,核 对其吸引力越弱,则电子越易失去,所 以电离势就依次减小. 性 质HeNeArKrXeRn 颜 色无色无色无色无色无色无色 光谱颜色 (放电管中)黄红蓝淡蓝蓝绿-气体密度(g/L)0.1785 0.9002 1.78093.7085.8519.73熔 点(K)0.95*24.584.0116.6161.2202.2 沸 点(K)4.2527.387.5120.3166.1208.2 溶解度 (mol/L,293K)13.814.737.973110.9-临界温度(K)5.2544.45153.15 210.65 289.75 377.65 气化热 (kJ/mol)0.091.86.39.713.718.02. 稀有气体的物理性质*: 在2.6MPa下 13-2.2:为什么稀有气体的单质是由单原子 而非双原子组成?单质的熔沸点,溶解度以及 气化热均随分子量的增大而增加?(C级掌握)答案13-2.3:为什么稀有气体单质的熔沸点比一 般共价化合物的都低?(B级掌握)答案问 题解:因稀有气体元素基态原子价电子层除氦 为2个电子外,其余均为8电子构型,它们的 价电子层均已达饱和,是稳定电子构型,不 能与另一个原子形成共价键,因此以单原子 组成其单质.它们的单质均为非极性共价分 子,随着原子序数的增加,其分子半径增大, 分子的变形性就增大,色散力也就增大,即 分子间作用力增大,则分子的熔沸点,溶解 度以及气化热也就随之而增加. 解:因稀有气体分子是球形对称的单原 子非极性分子,与一般共价分子相比, 其分子体积较小,变形性也小,导致其 分子间作用力即色散力很弱,所以单质 的熔沸点就比一般共价化合物的都低. 如氦的沸点(4.25K)是已知物质中最低 的. 三:稀有气体的制备(自学) 四:稀有气体的用途(自学) 13-2.4:首次合成出的稀有气体化合物是什 么?其结构如何? 解:是Xe+PtF6-.它是一种橙黄色固体,为配 合物.Xe+与PtF6-以离子键相结合,而PtF6-为 正八面体构型的离子. 问 题13-2-3 稀有气体化合物氧化 态化合物 色态熔点 (K )分子 形状性 质XeF2无色 晶体402直线形强氧化剂,水解为Xe,HF和 O2,易溶于液态HF中 XeF4同上390平面四 边形稳定,完全水解后生成 XeO3,Xe,O2,HF XeOF2同上304 变形T型不稳定一:氙的主要化合物 氧化 态化合物 色态熔点 (K)分子形 状性 质 XeF6无色 晶 体322.5变形八 面体稳定,可完全水解为XeO3 和HF;与HCl反应生成 Xe,Cl2,HF. XeOF4同上227四方锥 稳定XeO3同上-三角锥 体吸潮,在溶液中稳定,爆炸 性分解,是强氧化剂,与 Mn2+,NH3,Fe2+,HCl等 均可反应. XeO4同上-四面体易爆炸,氧化性比XeO3更 盛.XeO64-无色 盐-八面体也以HXeO63-,H2XeO62- ,H3XeO6-等形式存在, 强氧化剂二:稀有气体化合物的分子结构 化合物 价电子对数 孤电子对数空间构型分子形状XeF253XeF462XeF671化合物 价电子对数 孤电子对数空间构型分子形状XeOF461XeO341XeO44013-2.5:请分别用价电子对互斥理论和杂化 轨道理论解释XeOF4分子的成键情况和分子 空间构型(B级掌握) 解:价电子对互斥理论:m=(8-2-14)2=1,z=1+5=6.即有6对价电子,则价电子对空间构型为八 面体.由于6对价电子中有5对形成5个键 ,1对为孤对电子,该孤对电子处于从锥底伸 向与锥体相反的方向,则分子空间构型为四 方锥体. 问 题杂化轨道理论:中心Xe的价轨道排布式和 杂化过程如下: 5p轨道上两个电子被激发到空的5d上,形 成四个成单电子.1条5s,3条5p和2条5d采取 sp3d2杂化.含有四条成单电子的杂化轨道与 四个F原子的2p轨道(1个电子)共用电子形成 四个键.含有1对电子的其中1条sp3d2杂化 轨道与O原子的空2p轨道(重排,配对,腾出1 条空2p)形成1个配位键,最后1条sp3d2杂化 轨道被孤对电子占据.所以其杂化轨道空间 构型为八面体,而分子构型为四方锥体.