北师大考研无机化学复习题第十七章

一、教学基本要求

1． 了解氢在周期表中的位置；

2． 了解氢的存在和用途，掌握氢的主要工业和实验室制法； 3． 认识氢的三种同位素的概况； 4． 掌握二元氢化物的分类及其特点； 5． 了解氢能源 (发生、储存和利用).

二．要点

1． 水蒸气转化法 (steam reforming) 天然气在高温、高压下与水蒸气反应制取H2的反应叫水蒸汽转化反应。 2． 水煤气反应 (water-gas reaction)

加热至1 000 ℃左右的焦炭与水蒸气反应生成H2与CO的混合气体，这种混合气体

叫作水煤气(water gas), 上述反应叫水煤气反应。 3． 氢经济学 (Hydrogen economy)

考虑到化石燃料终将枯竭的威胁, 以氢作为未来能源的研究方案开始显露出来。氢

能源具有巨大的吸引力，用液氢代替汽油作为汽车燃料时, 尾气中基本上不含污染物; 以液氢为燃料的超音速飞机的航程会大幅提高; 特超音速(超过音速5倍以上)飞机的出现也将成为可能。诸如此类的各种潜在用途如果能够变成现实用途, 将导致人类生活方式的重大变化, 形成所谓的氢经济学。 4． 核聚变 (nuclear fusion)

由两个或多个轻核聚合形成较重核的过程叫核聚变。 5． 似盐型氢化物 (saline hydrides)

s区金属和电正性高的几个碱土金属形成似盐型氢化物，其中氢以负离子的形式存

在。像典型的无机盐一样，似盐型氢化物是非挥发性、不导电并具有明确结构的晶形固体化合物。

6． 金属型氢化物 (metallic hydrides)

金属型氢化物是氢与d区和f区金属元素形成的一类二元氢化物。与前两类氢化物不同，大多数金属型氢化物显示金属导电性，它们也因此而得名。这类化合物的一个重要特征是具有非化学计量(nonstoichiometric)组成，即, 它们是H原子与金属原子之间比值不固定的一类化合物。例如在550 ℃，化合物ZrHx的组成变化在ZrH1.30与ZrH1.75之间。

7． 包含水合物 (Clathrate hydrate)

指水分子彼此间通过氢键形成笼，而将外来中性分子（如Ar，Xe，CH4, Cl2）或离 子包于笼内得到的一类水合物。

三、学生自测练习题

1．是非题（判断下列各项叙述是否正确，对的在括号中填“√”，错的填“×”）

1. 1 在某纯样品中，当一个氢原子与一个高电负性的具备一个非定域电子对的

原子键合时，氢键最强。 ( ) 1. 2 氢键都是直线型。 ( 1. 3 “氢经济学”的设想与方案之一是利用太阳能获得廉价的电力，电解水而

得氢。这是自发制氢最可行的方案。 ( 1. 4 氢的同位素共有1H，2H和3H三种。 ( 1. 5 有的氢化合物都在分子型氢化物，金属型氢化物和似盐型氢化物之列。 ( 1. 6 碳族至卤素元素形成氢化物时都是放能过程。 ( 1. 7 只要H2和O2以2 : 1体积比构成混合物，在任何温度和压力下反应都会引

起爆炸。 ( 1. 8 H2与中心金属原子电荷密度适中时，就会形成稳定的H2分子配合物。 ( 1. 9 氢是最轻的单质，故它也是熔点和沸点最低的单质。 ( 1. 10 若测得某氢化物的溶液呈碱性，可断定此氢化物为离子型氢化物。 ( 2．选择题（选择正确答案的题号填入）

2. 1 在标准状态下，氢能存在的形式是： ( a. H- b. H+ c. H2 d. H

2. 2 考虑氢作为发动机燃料是因为： ( a. 氢燃烧时放出大量的热 b. 氢及其燃烧的产物都是无毒的 c. 氢燃烧放出的热量是等量汽油的三倍 d. 以上三者都是。

2. 3 氢氧化钾属于下列哪种化合物： ( a. 分子型化合物 b. 似盐型氢化物 c. 金属型氢化物 d. 什么都不是

2. 4 木星的核是由氢的哪种形态组成： ( a. 气态 b. 液态 c. 固态 d. 原子态 2. 5 下列哪种化合物是最强的酸？ ( a. NH3 b. PH3 c. H2O d. H2S

2. 6下列哪个物种的碱性最强？ ( a. NH3 b. PH3 c. H2O d. H2S

2. 7 形成酸性最强的非金属X―H键时，则X是： ( ) )

)

) ) ) ) ) ) )

) )

) ) ) )

a. 原子小而电负性也小 b. 原子小而电负性大 c. 原子大而电负性小 d. 原子大而电负性也大

2. 8 氢在下列那种化合物中形成氢桥键： ( ) a. B2H6 b. PH3 c. H2O2 d. H2S 3. 填空题

3. 1 氢是周期表中惟一尚未找到_____的元素, 或者说是惟一_____的元素。

3. 2 氢的原子核中只含_____个质子, 它的三种同位素_____中的中子数分别为_____。 3. 3 H2O的氘代产物是_____, 通常叫作_____，它是通过_____得到的。

3. 4 焦炭与水蒸气在1 000 ℃左右反应生成H2与CO的混合气体, 叫做_____；天然气

在高温、高压下与水蒸气反应制取H2的反应叫_____。

3. 5 H2的大多数反应在室温下进行得很_____，但H2却是金属冶炼过程的重要_____。 3. 6 H2的正式名称为_____，通常非正式地称为_____。 3. 7 氢是用途最大的元素之一，其主要用向有_____。 3. 8 大多数二元氢化合物可归入_____三大类。

3. 9 由于分子中的键电子数不足，不能写出正常路易斯结构的化合物, 叫做_____； 所

有价电子都与中心原子形成化学键，并满足了路易斯结构要求的一类化合物叫做_____；价电子对的数目多于化学键数目的一类化合物叫做_____。 3. 10 氢的研究课题主要有_____三大方面。 4. 以化学方程式表示下列反应：

4. 1 以中子轰击N原子产生氢的第三种同位素氚(31H)；

4. 2 氧化钨被氢气还原为金属钨； 4. 3 二异丁烯加氢反应制备异辛烷； 4. 4 由CO与H2反应合成甲醇。 5． 问答题

5. 1 为什么氢气的熔点和沸点很低？ 5. 2 用氢气作燃料有何优点？ 5. 3 能否可在水溶液中制取CaH2？

5. 4 氢分子在什么场合表现出氧化性？氧化性是否为氢的主要化学性质？

5. 5 氢能否形成离子化合物？这类离子化合物，在水溶液中是否以盐的例子形式存在？

自测练习题答案

1．是非题。

1. 1 (×) 1. 2 (×) 1. 3 (×) 1. 4 (×) 1. 5 (×) 1. 6 (×) 1. 7 (×) 1. 8 (√) 1. 9 (×) 1. 10 (×)

2．选择题。

2. 1（c） 2. 2 （d） 2. 3（d） 2. 4（c） 2. 5 （d ） 2. 6（a） 2. 7 （d） 2. 8（a） 3. 填空题

3. 1 确切位置, 难以归族；

3. 2 1， 11H、 21H和 31H，0、1和2； 3. 3 D2O，重水，电解普通水； 3. 4 水煤气反应，水蒸汽转化反应； 3. 5 慢，还原剂；

3. 6 二氢， “分子氢”或“氢”；

3. 7 合成氨、燃料、还原法制金属、制取甲醇等化工产品、制人造奶油等； 3. 8 似盐型氢化物、金属型氢化物或分子型氢化合物； 3. 9 缺电子化合物，足电子化合物，富电子化合物； 3. 10 制备、储存和运输； 4. 以化学方程式表示下列反应： 4. 1 147N + 10n

126C + 31H

4. 2 WO3(s) + 3 H2(g) W(s) + 3 H2O(g) 4. 3 二异丁烯加氢反应制备异辛烷；

CH3 C C C CH 3 (l) + H2 (g) CH3CH3HH CH3CCCCH3

Cu/Zn 4. 4 CO (g) + 2 H2 (g) 催化剂 CH3OH (g)

高温、高压

CH3HCH3CH3HCH3

5．问答题

5. 1 因为氢是分子型化合物，液态和固态均靠分子间力形成，而它的分子量最小，故

氢气的熔点和沸点很低。

5. 2 原料易得, 无环境污染，热量高，且可以多种状态取用。 5. 3 不可以。因为CaH2要与水反应。

5. 4 氢与碱金属、Ca、Sr、Ba和部分镧系等活泼金属作用表现出氧化性，能将金属离

子氧化成阳离子，自身还原为H-，如H2 + Na ===NaH2。氢分子主要化学性质是还原性。

5. 5 氢能与碱金属、Ca、Sr、Ba和部分镧系等活泼金属形成离子化合物，如KH、CaH2

这类化合物与水强烈作用。如：

2KH + H2O === 2KOH + H2↑; KOH→K+ + OH-，

可见，溶液中存在的是金属离子和OH-离子，并没有组成盐的H-离子。

四、课后习题及答案

1．为什么H既不属于第1族也不属于第17族？为什么它的性质与第1族和第17族元素的性质不同？ 答案

因为H原子只有1个价电子, 所以有人主张将其放在第1族, 即碱金属元素上方的格子里。但是，不论化学性质还是物理性质都不像碱金属，特别是它毕竟不是金属。考虑到H原子加合1个电子即可达到稳定的稀有气体电子组态，所以有人主张将其归入第17族，即放在卤素上方的格子里。氢的确显示出某些相似于卤素的性质，例如都形成双原子分子，但由I2至F2活泼性依次增高的性质显然不能延伸至H2分子。所以H不属于第1族也不属于第17族，它的性质也不同于它们中的任何一个。

2．给出H的三种同位素的名称和化学符号。其中哪一种具有放射性？写出它的核衰变方程。 答案

H的三种同位素的名称和化学符号分别为：氕(H)、氘(D)、氚(T).

氚是个放射性同位素,它的核衰变方程为： 31H 32He + 0-1e t1/2 = 12.3 a

3．写出三种工业制备H2的主要化学方程式。试写出两种适合实验室制备H2方法的化学方程式。 答案

工业制法：

1 000℃ (1) C (s) + H2O (g) H2 (g) + CO (g) (水煤气反应)

(2) CH4 (g) + H2O (g) 5 CO (g) + 3 H2 (g) (水蒸汽转化反应)

10×10Pa 650~1 000℃，

高温, 催化剂

(3) CO(g) + H2O(g) H2(g) + CO2(g) (变换反应)

实验室制法：

(1) Zn + 2H2SO4 ZnSO4 + H2↑

(2) CaH-2 (s) + 2H2O (g) Ca(OH)2 (s) + 2H2 (g) ↑ 4．写出并配平下列反应，注意反应条件。

(a) 氢化钙与水反应制备氢气； (b) 氢化锂与水反应制备氢气；

(c) 水蒸气和一氧化碳反应生成氢气和二氧化碳（转换反应）； (d) 氧化钼被氢气还原为金属钼； (e) 一氧化物和氢气反应生成甲醇； (f) 熔融氢化锂的电解反应； 答案

(a) CaH-2 (s) + 2H2O (g) Ca(OH)2 (s) + 2H2 (g) (b) LiH (s) + H2O (g) LiOH(aq) + H2 (g)

高温, 催化剂

(c) CO (g) + H2O (g) H2 (g) + CO2 (g)

(d) MoO3 (s) + 3 H2 (g) Mo (s) + 3 H2O (g) (e) CO (g) + 2 H2 (g) Cu/Zn 催化 CH3OH (g) (f) LiH (l) 通电 Li (s) + H2 (g) 5．解释下列反应的原理：

(a) 二氢与液态植物油通过加氢反应制备人造黄油； (b) 电解水的过程中可以富集重水； (c) 化合物用氘标记后可以研究其反应机理； (d) Pd/Ag 合金管用于纯化二氢； (e) CaH2可以作为干燥剂； 答案

(a) 在催化剂存在的条件下, 通过加氢反应，使氢原子加到液体油酸(C17H33COOH)

分子的双键或叁键上，使其转化为固体硬脂酸(C17H35COOH)而成为人造黄油(低熔点固体)。

(b) 分子运动理论认为,分子运动速率随分子质量增大而减小，根据这一关系，D2O分

子的运动速率只及H2O的95%。电解水的过程中，重水的电解速率较小, 所以被富集在电解水的残液中。

(c) 普通氢化合物中的标记原子(labeled atom)是指处在该化合物一个或多个特定结构

位置上的氘代原子。比较标记原子在反应物和产物中所处的结构位置，可以推测反应进行的机理。

(d) 待纯化的高压氢气流经炉膛内的外套管, H2与合金管的金属Pd反应形成金属型

氢化物。钯的氢化物在稍高温度下又分出H2，由于合金管内外保持着压差，分出的超纯氢从合金管的开口流出。总过程相当于H2气穿越合金管壁的扩散。

(e) CaH2 (s) + 2 H2O (l)

2 H2 (g) + Ca(OH)2 (s)

CaH2是目前最廉价的似盐型氢化物，市场上出售颗粒状商品，使用起来十分方便。

需要指出，溶剂中的大量水不能采用这种方法脱除，这是因为，反应中放出的大量热会使产生的H2燃烧。

6．把PH3, CsH, B2H6, HfH1.5进行分类并讨论它们可能的物理性质。分子型氢化合物把 它划分到三个亚类（缺电子化合物、足电子化合物、富电子化合物） 答案

PH3 属分子型氢化合物中的富电子化合物，气体，有毒，易燃；

CsH似盐型氢化物：非挥发性、不导电并具有明确结构的晶形固体化合物。 B2H6属分子型氢化合物中的缺电子化合物，气体，有毒，易燃； HfH1.5金属型氢化物：具有非化学计量组成，显示金属导电性。

五、中文参考文献

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通报, 1999, (11): 7

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3. 周泽义, 邓 珂, 朱清时. XH2型气相分子的合成技术. 化学通报, 1998, (1): 28 4. 宋小平. 氢化物H2X中X-H键震动频率的规律性. 化学通报, 1990, (6): 51 5. 党淑琴. 1H(P), 3H(D), 3H(T) 核磁共振. 化学通报, 1987, (4): 22

6. 刘和众, 廖世健. 主族金属在常温常压下的催化加氢. 化学通报, 1984, (4): 27 7. 孙铭一. 液态水结构的“闪动簇团”理论简介. 化学通报, 1982, (5)总: 269 8. 吕为霖. 共价型氢化物的酸碱性. 化学通报, 19, (10)总: 617 9. 扬喜增. 氢与社会. 化学教育, 1994, (6): 1

10. 王 毅, 邱晓航. 沈泮文. 镁基储氢材料研究新进展. 化学通报, 2004, 67(3): 327 11. 周公度. 氢的新键型. 大学化学, 1999, (4): 8