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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