第第 五五 章章 氢氢 希希 有有 气气 体体本章介绍氢和希有气体单质和重要化合物的性质，制备和用途。通过希有气体的结构介绍价层电子对互斥理论。1教学要求教学要求、掌握氢的物理和化学性质。、一般地了解希有气体的发展简史，单质的性质，用途和从空气中分离它们的方法。、了解希有气体化合物的性质和结构特点。、掌握价层电子对互斥理论的基本内容及其应用。2第一节第一节 氢氢1-1 氢的存在和物理性质一、存在一、存在主要以化合态存在于水、石油、天然气以及生物的组织中。由光谱数据分析表明，太阳和其他一些星球的大气中含有大量的氢。氢的发现氢的同位素1 H又称氕，符号为H，占99.98%2H又称为氘，符号为D，占0.02%3H又称为氚，符号为T，是H的1017分之一，主要是核衰变的产物。HDT3二、氢的物理性质二、氢的物理性质氢是密度最小的无色无味的气体扩散速度快，因而具有很高的导热性微溶于水（一体积水在273K时溶解0.02体积氢）沸点低，是20.4K，液态氢可以把除氦以外的所有气体冷却为固体易被钯、铂、镍等金属吸收，其中钯的吸氢能力最强，室温下一体积的粉末状钯可吸收900体积的氢。因此这些金属是有关于氢反应的优良催化剂。41-2 1-2 氢的化学性质和氢化物氢的化学性质和氢化物一、氢的成键特点1. 离子键离子键Na+H-NaHH- 半径较大，有很强的还原性，仅存在于离子化合物中，水溶液中很快与水反应放出氢气 H- + H2O = H2+OH-2.共价键共价键HClHOH共价键是氢最谱遍的成键方式。3.氢键和氢桥键氢键和氢桥键 这是氢特殊的成键方式H1s15二、氢气的制备二、氢气的制备实验室制备实验室由活泼金属和稀酸反应或两性金属与碱反应制备,也可用电解法制备Zn + 2H+ = H2+ Zn2+Zn + 2H2O + 2OH- = Zn(OH)42- + H2由两性金属与碱反应或电解法得到的氢气纯度更高氢气的工业制备天然气裂解法:CH4 = C + 2H2催化剂水煤气法:C + H2O = CO + H21273 K阴极: 2H2O + 2e =H2 + 2OH-电解法阳极: 4OH- - 4e =O2 + 2H2O 水蒸气转化法：CH4 + H2O CO + 3H2(g)10731273 K催化剂6三、氢气的化学性质三、氢气的化学性质氢气的键能很大(436kJmol-1) 主要反应是高温反应1、少数常温反应例子：H2+F22HF 2H2+O2 = 2H2OPd2、高温还原反应作为能源：2H2 + O2 =H2O(g)燃烧H =241.8 kJmol-1 还原金属氧化物WO3 + 3H2 = =W + 3H2OFe2O3 + 3H2 =2Fe + 3H2O高温高温C=CCH-CH高温加氢还原3、生成金属氢化物Na + H2 =2NaH Li + H2 =2LiH高温高温7第二节第二节 希有气体希有气体 （0 0 族元素）族元素）*2-1 希有气体的发展简史（自学）2-2 希有气体的物理性质和用途价电子价电子层结构层结构H e N e A r K r X e Rn 1s2 2s22p6 3s23p6 4s24p6 5s25p6 6s26p6希有气体的价电子结构称为饱和电子层结构，因此希有气体不易失去电子、不易得到电子，不易形成化学键。希有气体均为单原子分子，He是所有单质中沸点最低的气体。物理性质物理性质82-3 希有气体的用途希有气体的用途He超低温冷却剂；填充气球；作惰性保护气用于核反应堆热交换器；液氦在温度小于2.2K时，是一种超流体，具有超导性和低粘性，对于研究和验证量子理论有重要的意义。Ne氖的导电性是空气的75倍，用于放电管中发射红光，也用于作金属焊接的保护气。Ar氩的导热性很差，用于填充灯泡，也用作焊接的保护气。Xe氪和氙 导热性均很差，用于填充灯泡，用氙制的电光源氙灯有“小太阳”之称。Kr92-4 2-4 希有气体化合物希有气体化合物希有气体化合物主主要要是是氙氙的的氟氟化化物物和氧化物和氧化物希有气体化合物是1962年才开始制得成功，是巴特列在发现O2和六氟化铂能发生反应的实验事实后受到启发。O2+PtF6O2+PtF6-由于O2的第一电离能(1175.7kJmol-1)和氙的第一电离能(1171.5kJmol-1)非常接近，于是想到用氙代替氧可能会发生同样的反应。结果它成功了。Xe+PtF6Xe+PtF6-一、氟化物一、氟化物Xe + F2 =XeF2 1 ： 2 673K，1.03105 PaXe + F2 =XeF2 1 ： 5 873K，6.18105 PaXe + F2 =XeF2 1 ： 20 573K，6.18105 Pa氙和氟在密闭的镍反应器中加热就可得到氙氟化物10二、氟化物的性质二、氟化物的性质强氧化性强氧化性: 氧化能力按XeF2XeF4XeF6顺序递增高溴酸钠就是用XeF2作氧化剂才首次制得成功的NaBrO3+XeF2+H2O NaBrO4+2HF+XeXeF2 + H2 2HF + XeXeF2 + 2Cl- 2F- + Xe + Cl2XeF4+ Pt 2PtF4 + Xe 与水反应与水反应 氙氟化物与水反应活性不同2XeF2 + 2H2O = 2Xe + 4HF + O2 (在碱中迅速反应)XeF4, XeF6在水中反应生成氧化物6XeF4+12H2O2XeO3+4Xe+3O2+24HFXeF6+3H2OXeO3+6HFXeF6+H2OXeOF4+2HF (不完全水解)11三、氧化物三、氧化物氙的氧化物是无色、易潮解、易爆炸的晶状固体。由氟化物水解制备。氧化物XeO3，在酸性溶液中具有强氧化性：XeO3盐酸盐酸 Cl2 Fe2+ Fe3+ Br- BrO3-+XeOOO在碱性溶液中表示出弱酸性质： XeO3+OH- HXeO4-并缓慢歧化： 2HXeO4- + 2OH-XeO64- + Xe + O2 + 2H2O122-5 2-5 价层电子对互斥理论（价层电子对互斥理论（VSEPRVSEPR理论）简介理论）简介Valence Shell Electron Pair Repulsion TheoryValence Shell Electron Pair Repulsion Theory一、VSEPR理论的基本要点、分子的几何图形、分子的几何图形 取决于中心原子的价电子对价电子对的几何构型。中心原子周围的价电子对总是按彼此间斥力最小的构型（电子对间最大远离）排列，价电子对数单键电子对数未成键的孤电子对数 BeF2: 直线型BF3: 平面三角形CH4: 四面体CO2: 2 直线型价电子对数 价电子对几何构型 不同电子对的几何构型列于表不同电子对的几何构型列于表9-4(page 233)9-4(page 233)注意注意:在出现奇数电在出现奇数电子时子时,此电子也当作此电子也当作电子对对待电子对对待.双键电双键电子对数不计子对数不计.13、价电子对间的斥力大小、价电子对间的斥力大小 电子对间的夹角越大，斥力越小； 相邻电子对间的斥力大小顺序为： 孤电子对孤电子对孤电子对成键电子对成键电子对成键电子对 如果分子中有重键，把它当作单键看待。如O=C=O，C的价电子对数应看作是2，分子是直线型。根据价电子对的几何构型如何确定分子的几何构型？14二、确定分子构型的一般规则、确定中心原子的价电子对数、确定中心原子的价电子对数价电子对数价电子对数中心原子的价电子数其他原子提供的单键电子数离子的负电荷数（或减去离子的正电荷数）/2AsOAsO4 43-3-As价电子数：5其他原子提供的单键电子数：0（氧原子与中心原子是以双键结合）负电荷数：3所以As的价电子对数 = （5 + 3）2 =4、根据价电子对数确定价电子对电子构型、根据价电子对数确定价电子对电子构型如出现奇数电子时，将此电子也当作电子对来对待。AsO43-的电子对构型是四面体，由于配位原子数（氧）也是4，所以它的分子构型也是四面体15当配位原子数与价电子对数不相等时，就有可能存在多当配位原子数与价电子对数不相等时，就有可能存在多种构型，应用下列方法判断出最稳定构型种构型，应用下列方法判断出最稳定构型、绘出构型图、绘出构型图 每一电子对连一个配位原子，余下的是孤电子对。、确定稳定构型、确定稳定构型 根据成键电子对、孤电子对之间相互作用的大小，确定排斥力最小的构型为稳定构型。(1) 相距角度最小的孤电子对孤电子对的数目越少，其构型越稳定。(2) 如果(1)的判断还不能确定，则由相距角度最小的孤电子对成键电子对数目最少的作为稳定构型。(3) 如果(2)还不能确定，则由成键电子对成键电子对最少的构型作为稳定构型。16例 试根据上述原则判断XeF4的稳定构型价电子对数(8+4)2=6价电子对构型为八面体XeF4可能的构型有两种：XeXeFFFFFFFF(a)(b)所以XeF4的分子构型是平面四边形90孤孤： 0 190孤成： 8 690成成： 4 5构 型： （a） （b） 172-6 希有气体化合物的结构分子 价电子对数 价电子对构型 可能构型 最稳定构型XeF2 5 三角双锥 三种 直线型XeF4 6 八面体 二种 平面四面形XeF6 7 变形八面体 二种 变形八面体XeOF4 6 八面体 二种 四方锥形XeO3 4 四面体 一种 三角锥形XeO4 4 四面体 一种 正四面体18希有气体的一些物理性质19氟化氙的结构XeF2XeF4XeF620XeO3 的结构三氧化氙XeOOO21氢的发现Cavendish(1731-1810)Laviusiser(1743-1794)早在16世纪就有人发现了氢气体,它是硫酸与铁反应生成的一种气体，1766年英国物理学家卡尔文迪西确认它是一种易燃气体，并称为“易燃空气”。而到1787年，拉瓦锡才将其命名为“Hydrogen”，“Hydro”是希拉文“水”的意思，指出，水是氢和氧的化合物。22表: 根据价电子对互斥理论的理想几何构型M2电子对电子对直线型直线型3电子对电子对平面三角形平面三角形180M120 四电子对四电子对四面体四面体M109.5 M5电子对电子对三角双锥三角双锥6电子对电子对用八面体用八面体M9023氢桥键和氢键24