氢和稀有气体Word文档下载推荐.docx

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从第四篇起我们将系统地学习元素化学，即周期系中各族元素的单质及其化合物的存在、性质、制备和用途等。

一、元素化学

元素化学是研究元素所组成的单质和化合物的制备、性质及其变化规律的一门学科，它是各门化学学科的基础，也是无机化学的中心内容。

元素及其化合物性质对工农业生产及人类生活产生着巨大的影响义。

本篇起系统学习元素化学，即周期系中各族元素及其化合物的存在、性质、制备和用途等。

无机物单质、化合物的性质：

酸碱性质、沉淀溶解性质、配位性质、氧化还原性质

学习目的：

进一步地应用无机化学基本原理（主要是热力学原理及结构原理）去学习元素的单质及其化合物的存在、制备、性质及性质的变化规律,从而进一步加深了对无机化学基本原理的理解,进一步运用有关原理去研究、讨论、说明、理解、预测相应的化学事实,从而掌握提出问题,分析问题,解决问题的能力。

二、元素化学的内容

1.物质的存在；

2.物质的结构特点、性质（物理性质、化学性质）；

3.重要单质、化合物的主要工业和实验室制法；

4.重要单质、化合物的规律性变化和用途（应用）。

三、学习方法

元素无机化学的特点：

内容庞杂，叙说繁琐，知识零散，要记的东西多，规律性较少，不易理解、记忆困难。

1、理论指导：

热力学理论（宏观角度——统计）、物质结构（微观结构——分子结构、原子结构和晶体结构）。

2、预习——复习——总结：

规律性、特殊性、反常性,记忆重要性质。

3、注重实验。

4．作业。

四、元素化学概况

1、元素的含量和分布

各种元素在地球上的含量相差极为悬殊。

一般说来，较轻的元素含量较多，较重的元素含量较少；

原子数为偶数的元素含量较多，原子数为奇数的元素含量较少。

地球表面下16千米厚的岩石层称为地壳，地壳包括岩石圈、水圈、大气圈，约占地球总重量的0.7%

元素在地壳中的含量称为丰度，常用质量分数或原子百分数来表示。

为了纪念美国地球化学家克拉克在计算地壳内元素平均含量所作的贡献，通常把元素在地壳中含量的百分比称为克拉克值。

如以质量分数表示，称为质量克拉克值；

若以原子百分数表示，则称为原子克拉克值。

地壳中含量居前十位元素见下表

元素OSiAlFeCaNaKMgHTi

质量百分数48.626.37.734.753.452.742.472.000.760.42

由表可知，这10种元素占了地壳总质量的99.2%。

而且轻元素含量较高，重元素含量较低。

海洋是元素资源的巨大宝库，人类一直在探索、开发海洋资源。

下表列出海水中含量较大的前7种元素（不包括H、O）

元素ClNaMgSCaKBr

质量百分数1.89801.05610.12720.08840.04000.03800.0065

除上表所列元素外，海水中尚含有C、Sr、B、Si、Al、F、N、Rb、Li、I及微量的U、Zn、Cu、Mn、Ag、Au、Ra等，共约50余种元素。

这些元素大多与其它元素结合成无机盐的形式存在于海水中。

由于海水的总体积（约1.4×

109Km3）十分巨大，虽然某些元素的百分含量极低，但在海水中的总含量却十分惊人，如I2总量达7.0×

1013Kg（而I元素的质量百分数仅为0.000005）。

因此，海洋是一个巨大的物资库。

大气也是元素的重要自然资源，世界上向大气索取的O2、N2、稀有气体等物资，每年数以万吨计。

表大气的主要成份（未计入水蒸气的量）

气体

体积分数﹪

质量分数﹪

N2

78.09

75.51

CH4

0.00022

0.00012

O2

20.95

23.15

Kr

0.00011

0.00029

Ar

0.934

1.28

N2O

0.0001

0.00015

CO2

0.0314

0.046

H2

0.00005

0.000003

Ne

0.00182

0.00125

Xe

0.0000087

0.000036

He

0.00052

0.000072

O3

0.000001

人体中大约含有30种元素，其中有11种元素为常量元素（约占人体质量的99.95%

2、元素分类

根据研究目的的不同，元素的分类常见的有三种：

⑴金属与非金属

根据元素的性质进行分类，分为金属与非金属。

在元素周期表中，以B—Si—As—Te—At和Al—Ge—Sb—Po两条对角线为界，处于对角线左下方元素的单质均为金属，包括s区、ds区、d区、f区及部分p区元素；

处于对角线右上方元素的单质为非金属，仅为p区的部分元素；

处于对角线上的元素称为准金属，其性质介于金属和非金属之间，大多数的准金属可作半导体。

⑵普通元素和稀有元素

根据元素在自然界中的分布及应用情况，将元素分为普通元素和稀有元素。

稀有元素一般指在自然界中含量少，或被人们发现的较晚，或对它们研究的较少，或提炼它们比较困难，以致在工业上应用也较晚的元素。

前四周期（Li，Be，稀有气体除外），ds区元素为普通元素，其余为稀有元素。

通常稀有元素也可继续分为：

轻稀有金属：

锂、铷、铯、铍

高熔点稀有金属：

钛、锆、铪、钒、铌、钽、钼、钨、铼

分散稀有元素：

镓、铟、铊、锗、硒、碲

稀有气体：

氦、氖、氩、氪、氙、氡

稀土金属：

钪、钇、镥和镧系元素

放射性稀有元素：

钫、镭、锝、钋、砹、铹和锕系元素

⑶生命元素与非生命元素

根据元素的生物效应不同，又分为有生物活性的生命元素和非生命元素。

生命元素又可根据在人体中的含量及作用再进行细分，可分为人体必需元素（包括宏量元素和微量元素）和有毒元素

大量研究表明，在生物体内检测到的81种化学元素中有27种元素与生命活动有关，见表5-1中有*标记的元素，这些元素有：

C、H、N、O、S、P、K、Na、Ca、MR、CI、P’e、I、Zn、Mn、Co、Mo、Cu、Se、Cr、F、Si、V、Br、Sn、Ni、B等，它们参与生命活动，是维持生物体正常生理功能所必需的，称为生命必需元素或生命元素。

所谓生命必需，是指这些元素在生命活动中发挥着不可替代的作用。

这些作用主要表现在：

（1）生命过程中的某一环节（一个或一组反应）需要这一元素的参与；

（2）生物体具有主动摄人该元素并自动调节该元素在体内分布和水平的机构；

（3）生物体内发挥正常生物功能的生物活性化合物中含这一元素；

（4）生物体内缺乏该元素时引起生理化学变化，经补充该元素后其变化可以恢复。

除了以上27种元素已经确定为生命必需元素外，其他在生物体中被检测到的50余种元素，在生命活动中不是必需的，有些元素目前的作用还不十分明确，所以被称为不确定元素或非必需元素。

这类元素大多是随食物链进入生物体内的，但是不参与生命活动。

个别元素是由于一些偶然性因素进入生物体中，它们在生物体内的浓度往往也是变化的。

本篇起系统学习元素化学，即周期系中各族元素及其化合物的存在、性质、制备和用途等，在此基础上了解本学科发展的进程，展望化学科学发展的美好前景。

13-1氢

一、概述

1、氢在周期表中的位置

氢是周期表中的第一个元素，它在所有元素中具有最简单的原子结构。

它由一个带+1电荷的核和一个轨道电子组成。

碱金属也都具有一个外层轨道电子，但它们在反应中很容易失去这个电子而生成正离子；

与此相反，氢不容易失去这个电子，而是使这个电子配对生成一个共价键。

卤素像氢一样，比稀有气体结构缺少一个电子。

在许多反应中，卤素容易获得一个电子而生成负离子；

但氢只有在同高电正性的金属反应时才会获得电子而生成负离子。

氢的这些独特性质是由氢的独特的原子结构、氢原子特别小的半径和低的电负性决定的。

因为它的性质与碱金属和卤素的性质都不相同，使得很难把它放在周期表中的一个合适位置上。

在元素周期表中，按原子序数把氢放在第IA族元素的位置上。

2、氢的同位素

同一种元素的原子具有不同的质量数，这些原子就叫同位素。

质量数产生差异的原因是原子核中含有不同的中子。

氢有三种同位素：

11H（氕，符号H），21H（氘，符号D）和31H（氚，符号T）。

在它们的核中分别含有0、1和2个中子，它们的质量数分别为1，2，3。

自然界中普通氢内H同位素的丰度最大，原子百分比占99.98%，D占0.016%,T的存在量仅为H的10-17。

二、氢的物理性质和化学性质

1、物理性质

单质氢是由两个H原子以共价单键的形式结合而成的双原子分子，其键长为74pm。

氢是已知的最轻的气体，无色无臭，几乎不溶于水（273K时1dm3的水仅能溶解0.02dm3的氢），氢比空气轻14.38倍，具有很大的扩散速度和很高的导热性。

将氢冷却到20K时，气态氢可被液化。

液态氢可以把除氦以外的其它气体冷却都转变为固体。

同温同压下，氢气的密度最小，常用来填充气球。

2、化学性质

⑴常温下氢气不活泼。

但在常温下能与单质氟在暗处迅速反应生成HF，而与其它卤素或氧不发生反应。

高温下，氢气是一个非常好的还原剂。

①氢气能在空气中燃烧生成水，氢气燃烧时火焰可以达到3273K左右，工业上常利用此反应切割和焊接金属。

2H2（g）+O2（g）=2H2O（l）△rHmθ＝-571.66kJ/mol

②高温下，氢气还能同卤素、N2等非金属反应，生成共价型氢化物。

大量的氢用于生产氨。

③高温下氢气与活泼金属反应，生成金属氢化物。

H2+2Na→2NaH

④高温下，氢气还能还原许多金属氧化物或金属卤化物为金属：

H2+CuO==Cu+H2O

3H2+WO3===W+3H2O

能被还原的金属是那些在电化学顺序中位置低于铁的金属。

这类反应多用来制备纯金属。

⑵在有机化学中，氢的重要反应是加氢反应和还原反应。

这类反应广泛应用于将植物油通过加氢反应，由液体变为固体，生产人造黄油。

也用于把硝基苯还原成苯胺（印染工业），把苯还原成环己烷（生产尼龙-66的原料）。

在催化剂作用下氢同CO反应生成甲醇等等。

⑶氢分子虽然很稳定，但在高温下，在电弧中，或进行低压放电，或在紫外线的照射下，氢分子能发生离解作用，得到原子氢。

H2→2H 

ΔrHm=436kJ/mol

所得原子氢仅能存在半秒钟，随后便重新结合成分子氢，并放出大量的热，温度高达4273K，形成原子氢焰，用于焊接高熔点金属。

原子氢是一种比分子氢更强的还原剂。

它可以与锗、锡、砷、锑、硫等直接作用生成相应氢化物；

还能将某些金属氧化物或卤化物迅速还原为金属，甚至能将某些含氧酸盐还原。

As+3H==AsH3

CuCl2+2H==Cu+2HCl

BaSO4+8H==BaS+4H2O

三、氢的成键特征

氢原子的价电子层结构为1s1，电负性为2.2，当氢原子同其它元素的原子化合时，可以形成：

1、离子键

当H与电负性很小的活泼金属（如Na、