氢与S区元素的通性

FujianNormalUniversityChapter157.3.1氢§7.3s区元素的化合物7.3.3阳离子分析7.3.2碱金属和碱土金属的化合物FujianNormalUniversityChapter157.1氢7.1.1氢在周期表中的位置和同位素1.氢在周期表中的位置氢只有一个电子，是最轻的元素，也是含量最丰富的元素。性质非常独特，兼有碱金属和卤素的性质，但又与它们区别，因此可以将它放入ⅠA族或ⅦA族，或者将它独立放置。FujianNormalUniversityChapter152.氢的同位素核素——具有特定质子数和中子数的原子。同位素——质子数相同而中子数不同的原子，即同种元素的不同核素。FujianNormalUniversityChapter15符号含量/%1H（氕）H99.982H（氘）D0.0163H（氚）T0.004氢的三种同位素111由于三者之间质量差异较大，导致性质差异也比别的同位素来得大，因此各自有自己的名称。FujianNormalUniversityChapter15氘和氚的能源价值——氘和氚是核聚变反应的原料，这种核聚变不仅是太阳能量的源泉，也是人类利用核能中探索的方向。由于原料氘在海水中的大量蕴藏，核聚变被视为“永久能源”，也没有核废料的威胁（主要生成氦）。核聚变能产生上亿度的高温，虽然用磁场束缚（托卡马克法）使高温等离子体不直接接触材料，但对材料要求还是十分苛刻，如耐中子辐射、耐高温和抗氢脆等。因此，材料是聚变堆能否实用化的关键因素之一。FujianNormalUniversityChapter15同位素对原子量的影响周期表上所列的原子量实际上是各种同位素按丰度（数量百分比）加权的平均值。FujianNormalUniversityChapter157.1.2氢的制备、性质和用途1.氢的制备实验室：是利用无机酸和锌等活泼金属的反应。由于试剂不纯，常导致H2含有杂质。Zn+2H+→Zn2++H2↑野外：CaH2(s)+2H2O(l)=Ca(OH)2(s)+2H2(g)Si(s)+2NaOH(aq)+H2O(l)=Na2SiO3(aq)+2H2(g)FujianNormalUniversityChapter15(1)天然气或焦炭与水蒸气作用，得到水煤气（CO和H2的混合物）CH4+H2OCO+3H2800-900℃Ni、Co催化剂C+H2OCO+H21000℃(2)水煤气与水蒸气反应，得到CO2和H2的混合气CO+H2OCO2+H2Fe、Cr催化剂(3)用高压水洗法除去CO2（溶解）可得较纯的氢气。工业上：a.水煤气法FujianNormalUniversityChapter15电解15%~20%氢氧化钠溶液（导电）阴极：2H2O+2e－＝H2↑+2OH－阳极：4OH--4e-→2H2O+O2可制得高纯度的氢气，但耗电量大，成本很高。b.电解法FujianNormalUniversityChapter152.氢的性质和用途化学性质氢不太活泼，在常温常压下，不与氟以外的物质反应，但氢与氧或氯的混合物在火花或紫外线照射下会爆炸。加热、加压下，氢的活泼性大大增加，可与元素直接化合成许多氢化物（如NH3、H2O等）。FujianNormalUniversityChapter15物理性质氢分子间范德华力很弱，因此熔沸点很低。液氢、固氢的密度在所有液体、固体中最低（待深入）。氢气在水中的溶解度很小，但可大量溶于镍、钯、铂等金属中。FujianNormalUniversityChapter15用途–冶金工业中常作为高温还原剂CuO(s)+H2(g)=Cu(s)+H2O(g)Mo(W)O3(s)+3H2(g)＝Mo(W)(s)+3H2O(g)SiCl4(g)+2H2(g)==Si(s)+4HCl(g)–主要用于加氢反应，如石油加氢、食用油加氢等。FujianNormalUniversityChapter15补充资料——油脂氢化油脂氢化是指液态油脂或软脂在一定条件下与氢气发生加成反应，使油脂分子中双键得以饱和的过程。经过氢化的油脂称为“氢化油”，极度氢化的油脂亦称为“硬化油”。油脂氢化降低了油脂的不饱和度，提高了油脂的熔点、固脂含量、抗氧化稳定性及热稳定性，改善油脂的色泽、气味和滋味，扩大了用途，具有很高经济价值。如使棉籽油、豆油等液态植物油充分代替原先的乳类脂肪、肉类脂肪，生产人造奶油基料、起酥油（主要用来酥化或软化烘培食品，品种丰富）基料、生产工业用油等。副作用：反式脂肪酸——H|CH|CFujianNormalUniversityChapter15传统化石能源面临枯竭和污染双重困难。氢能理论上是上述问题的完美解决。氢可以从水中获得，燃烧也不会产生污染，而且燃烧值（单位质量物质燃烧产生的热量）很高。H2(g)+½O2(g)→H2O(g)△rHm=-241.84kJ·mol-1，温度达到2800℃3.氢能源FujianNormalUniversityChapter15020406080100120140160氢气汽油木炭烟煤木材氢气汽油木炭烟煤木材几种物质的燃烧值（kJ.g-1）FujianNormalUniversityChapter15氢能利用的关键氢的制备——如何从水（分解）中经济高效地制备氢还是有待解决的问题，人们甚至在尝试用藻类——如鱼腥藻分解水制氢。电镜下的鱼腥藻FujianNormalUniversityChapter15新出路——在1960年，荷兰菲利浦公司研制出吸氢能力最强的贮氢材料：镧镍系列吸氢合金，但成本很高。意外发现——1974年，日本松下公司的一个氢气瓶前一个晚上从10个大气压降低到不足1个大气压。瓶子漏气了吗？查来查去，原来问题出在制造气瓶的材料上。气瓶制造厂知道钛锰合金强度高，耐压保险，就用它装氢气。不料它有很强的吸氢能力，把瓶内的大部分氢气吸进了瓶壁。现在，全世界已研究出多种储氢合金，除钛锰合金外，还有镁镍合金、镁铜合金、铝锰合金、锆铬合金和各种含稀土的储氢合金。FujianNormalUniversityChapter15氢的贮存传统——有两种方式。一种是采用压缩贮氢的方式，用高压钢瓶（氢气瓶）来贮存氢气。钢瓶贮存氢气的容积很小，即使加压到150个大气压，瓶里所装氢气的质量还不到气瓶质量的1%，而且还有爆炸的危险。另一种是采用液化贮氢的方式（如我国的“长征”火箭就以液氢为燃料），将氢气降温到-253℃变为液体进行贮存。氢气液化的费用非常昂贵，它几乎相当于三分之一液氢的成本；而且，液氢的贮存容器异常庞大，需要极好的绝热装置来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化而避免浪费。FujianNormalUniversityChapter157.1.3氢化物狭义——氢与电负性比它小的元素（如金属）生成的二元化合物。广义——氢与各种元素生成的二元化合物（这里的讨论基于此）。FujianNormalUniversityChapter151.分子型氢化物（甲烷、氨、水等）主要是氢与ⅣA~ⅦA族元素的二元化合物，又称共价型氢化物。熔、沸点较低，大多数为无色气体（除水等）。大多数在固态时属分子晶体。结构简单，但化学性质差异较大。FujianNormalUniversityChapter152.离子型（类盐型）氢化物主要是氢与ⅠA、ⅡA族元素的二元化合物，如H2(g)+2Na(s)==2NaH(s)纯的为白色晶体，不纯的为浅灰色至黑色；具有离子化合物特征，如熔、沸点较高，熔融时能导电；高温FujianNormalUniversityChapter15H－存在的重要化学证据——电解时阳极放H2：2H-→H2+2e-是极强的还原剂，在高温下可还原金属氯化物、氧化物和含氧酸盐。TiCl4+4NaHTi+4NaCl+2H2↑如400℃O2(g)+2NaH(s)==Na2O(s)+H2ONaH+H2O==NaOH+H2FujianNormalUniversityChapter15H－半径较大，有未共用电子对，因此是强的路易斯碱，可作配位体，形成复合氢化物（如氢化铝锂LiAlH4）。AlCl3(s)+4LiH(s)=LiAlH4(s)+3LiCl(s)复合氢化物在合成化学中广泛用作还原剂。FujianNormalUniversityChapter15020406080100120140160180LiNaKRbCsCaSrBa一些碱金属和碱土金属氢化物的标准摩尔生成热（kJ.mol-1）——远小于碱金属卤化物的标准摩尔生成热（420kJ.mol-1左右），说明H-的稳定性较小。FujianNormalUniversityChapter153.金属型氢化物某些金属，特别是过渡金属加热时与氢生成金属氢化物（1体积Pd可吸收700体积H2）。减压或加热可使氢化物分解，因此被用来贮氢和制备超纯氢，即贮氢材料（合金），如吸氢放氢2U(s)+3H2(g)2UH3(s)这些物质在吸氢前后性能是类似的（外观、反应性、导电等）。FujianNormalUniversityChapter15由于压差和H原子在Pd中的流动性（吸氢、受热分解），氢以原子形式迅速扩散穿过Pd–Ag合金，而杂质气体则不能。超纯氢的制备FujianNormalUniversityChapter157.2碱金属和碱土金属LiNaKRbCsBeMgCaSrBaFujianNormalUniversityChapter157.2.1存在与制备1.存在由于碱金属和碱土金属的化学活泼性很强，决定了它们不可能以单质的形式存在于自然界。碱金属——Na和K的丰度较高，主要有NaCl、KCl等。Li、Rb、Cs含量少。Fr很少而且半衰期很短，因此很少研究。FujianNormalUniversityChapter15碱土金属——除Be和Ra外，其余都以难溶碳酸盐和硫酸盐的形式大量存在于地壳中。如菱镁矿MgCO3、白云石CaCO3.MgCO3、方解石CaCO3、石膏CaSO4.2H2O、碳酸锶矿SrCO3、天青石SrSO4和重晶石BaSO4等。FujianNormalUniversityChapter152.制备（1）熔融电解法（常用）A：石墨阳极D：网状隔膜F：铁阴极G：收集器H：阳极罩R：环形槽阳极：2Cl－-2e=Cl2阴极：2Na++2e=2Na2NaCl(l)==2Na(l)+Cl2(g)A+DDRHFGNaCl2熔融电解法制钠FFujianNormalUniversityChapter15（2）热还原法2MgO(s)+2CaO(s)+Si(s)＝2Mg(g)+Ca2SiO4(s)MgO(s)+C(s)＝CO(g)+Mg(g)白云石CaCO3.MgCO3分解物FujianNormalUniversityChapter15金属钾能否采用类似制钠的方法制备呢？不能，原因是：金属K因C电极（CO）生成羰基钾；金属K易溶在熔盐中，难于分离；金属K蒸气易从电解槽逸出造成易燃爆环境；在电解槽中容易与O2生成超氧化钾，此化合物与金属钾有爆炸性反应。热(1620F)热热N2K合金(或K)N2N2K合金(或K)蒸气排泄阱NaCl渣和N2NaNaCl渣KCl(1550F)熔融不锈钢环NaCl渣Na蒸气N2N2Na工业上钾的提取热热KCl(l)+Na(g)→K(g)+NaCl(l)FujianNormalUniversityChapter15金属制法Li电解，LiCl/KCl，773KNa电解，NaCl/CaCl2，853KKKCl(l)+Na(g)→K(g)+NaCl(l)Rb2RbCl(l)+Ca(g)→2Rb(g)+CaCl2(l)Cs2CsCl(l)+Ca(g)→2Cs(g)+CaCl2(l)BeBeF2+Mg→MgF2+BeMg电解，MgCl2/CaCl2/NaCl，993K；炭还原MgOCa电解，CaCl2/CaF2，1075K；3CaO+2Al→3Ca+Al2