无机化学课程教案授课题目氢和稀有气体教学时数2学时.docx
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无机化学课程教案授课题目氢和稀有气体教学时数2学时
无机化学课程教案
授课题目:
第13章氢和稀有气体
教学时数:
2学时
授课类型:
√理论课□实践课
教学目的和要求:
1.掌握氢原子的性质、成键特征、氢化物。
2.了解稀有气体的原子结构、性质和用途。
教学重点:
氢的物理性质与化学性质
教学难点:
稀有气体化合物的性质
教学方法和手段:
由于本章内容涉及氢和稀有气体的知识,氢和稀有气体的特殊性,以及共性和个性的学习方法,在教学方法上应注重利用旧知引出新知,抓重点,以氢的特殊性为出发点和运用为基础进行延伸和应用。
本章内容与中学的氢气性质的相关计算,揭示相关内容的本质,加强它们之间的联系,加强理论与实践相结合,讲练结合,对中学知识进行自然引导,以降低学习的难度,调动其最近发展区,以及作业辅导等方法等多种形式,突出重点和突破难点。
教学条件:
PPT及FLASH等.
参考资料:
1.中国大百科全书出版社.中国大百科全书(化学卷)条目“化学史”、“原子结构”、“周期律”。
.
2.《大学化学》编辑部.今日化学.北京大学出版社,1995.
3.中国科学院.国家自然科学基金委.展望21世纪的化学.化学工业出版社,2000.
4.[美]布里斯罗.化学的今天和明天.科学出版社,1998.
5.申泮文主编.近代化学导论(上、下册),高等教育出版社,2002.
6.朱文祥.中级无机化学选论,高等教育出版社,2003.
7.唐宗薰主编.中级无机化学,高等教育出版社,2003.
教学内容及过程
旁批
教学引入:
本章共分3节,主要将要学习以下内容:
1.掌握氢的物理性质与化学性质.2.掌握稀有气体单质,化合物的性质及其结构特点。
3.了解稀有气体的用途。
教学内容与教学设计:
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。
在本课件中,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
(1)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。
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。
(2)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)。
氢同CO反应生成甲醇等等。
(3)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→2HΔH=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。
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、K、Ca等)形成氧化物时,H获得1个电子形成氢负离子。
这个离子因具有较大的半径208pm,仅存在于离子型氢化物的晶体中。
2.共价键
①两个H原子能形成一个非极性的共价单键,如H2分子。
②H原子与非金属元素的原子化合时,形成极性共价键,例如HCl分子。
键的极性随非金属元素原子的电负性增大而增强。
3.特殊的键型
①H原子可以填充到许多过渡金属晶格的空隙中,形成一类非整比化合物,一般称之为金属型氢化物,例如:
ZrH1.30和LaH2.87等。
②在硼氢化合物(例如乙硼烷B2H6)和某些过渡金属配合物(例如H[Cr(CO)5]2)中均存在着氢桥键。
③能形成氢键。
在含有强极性键的共价氢化物中,近乎裸露的H原子核可以定向吸收邻近电负性高的原子(如F、O、N等)上的孤电子对而形成分子间或分子内氢键。
例如在HF分子间存在着很强的氢键。
四、制备方法
(1)实验室方法
①化学法
常利用稀盐酸或稀硫酸与锌或铁等活泼金属作用制备氢气。
需经纯化后才能得到纯净的氢气。
②电解法
在电解法中,采用质量分数为25%的NaOH或KOH溶液作为电解液,电解法制得的氢气比化学法纯。
(2)工业生产方法
①用碳来还原水蒸气制取氢气。
用赤热的碳与水蒸气在1273K的高温下反应的H2与CO的混合气体——俗称水煤气。
②在天然气丰富的国家里,采用烃类裂解的方法(甲烷高温裂解)制取氢。
其它烃类如石脑油和柴油也可以用作氢原料。
③水蒸气转换法制取氢得到水煤气。
④在石油化学工业中,由烷烃制取烯烃反应的副产物即氢气。
⑤盐型氢化物与水反应也可以制取氢气:
NaH+H2O→NaOH+H2↑
⑥用硅与碱反应制备氢气:
Si+2NaOH+H2O→Na2SiO3+2H2↑
五、氢化物
氢与其它元素形成的二元化合物叫做氢化物。
除稀有气体以外,大多数的元素都能与氢结合生成氢化物。
依据元素电负性的不同,氢化物可以分为三大类:
1.离子型或类盐型氢化物
离子型氢化物都是白色盐状晶体,常因含少量金属而显灰色。
除LiH和BaH2具有较高的熔点(LiH965K,BaH21473K)外,其它氢化物均熔化前就分解成单质。
离子型氢化物不溶于非水溶剂,但能溶解在熔融的碱金属卤化物中。
离子型氢化物熔化时能导电,并在阳极上放出氢气,这一事实证明了离子型氢化物都含有负氢离子。
①离子型氢化物都具有很高的反应活性,与水发生激烈的反应,放出氢气:
NaH+H2O——NaOH+H2↑
利用这一特性,有时可用离子型氢化物如CaH2除去水蒸气或溶剂中微量的水分。
但水量较多时不能使用此法,因为这是一个放热反应,能使产生的氢气燃烧。
这个反应的实质是
H++H-→H2↑
②离子型氢化物都是强还原剂,尤其在高温之下可还原金属氯化物、氧化物和含氧酸盐:
TiCl4+4NaH——Ti+4NaCl+2H2↑
③离子型氢化物在非水溶剂中能与一些缺电子化合物(如B3+、Al3+、Ga3+)结合成复合氢化物,例如:
乙醚乙醚
2LiH+B2H6——Li[BH4]4LiH+AlCl3——Li[AlH4]+3LiCl
2.共价型或分子型氢化物
在周期表中,p区元素的单质(稀有气体、铟、铊除外)与氢结合生成的氢化物属于共价型氢化物,亦称为分子型氢化物。
根据它们结构中电子数和键数的差异,分三种存在形式:
①缺电子氢化物
第IIIA族B与Al的氢化物都属于缺电子氢化物。
例如在B2H6分子中,中心原子硼未满足8电子构型,在这个分子中,两个B原子通过氢桥键连在一起,形成一个三中心两电子键。
②满电子氢化物
第IVA族的C、Si等均有4个价电子,在形成CH4、SiH4时,中心原子的价电子全部参与成键,没有剩余的非键电子时,满足了8电子构型,形成满电子氢化物。
CH4、SiH4等均为正四面体结构。
③富电子氢化物
第V、VI、VIIA族的氢化物都属于富电子氢化物。
例如NH3、H2O、HF等,中心原子成键后,还有剩余未成键的孤电子对,由于孤电子对对成键电子的排斥作用,使NH3分子成为三角锥形,H2O分子为V形,HF是通过氢键而缔合的链状结构等。
p区氢化物属于分子型晶体,它们是由单个的饱和共价分子通过很弱的范德华力或在某些情况下通过氢键把分子结合在一起而构成的。
这钟结构使得共价型氢化物的熔沸点比较低,一般条件下多为气体,比较软,有挥发性,没有导电性等。
由于分子型氢化物共价键的极性差别较大,所以它们的化学性质比较复杂。
例如单就与水的反应来说:
①C、Ge、Sn、P、As、Sb等的氢化物不与水作用。
②Si、B的氢化物与水作用时放出氢气
SiH4+4H2O——H4SiO4+4H2↑
③N的氢化物NH3在水中溶解并发生加合作用而使溶液显弱酸性:
④S、Se、Te、F等的氢化物H2S、H2Se、H2Te、HF等在水中除发生溶解作用外,还会发生弱的酸式电离而使溶液显弱酸性。
⑤Cl、Br、I的氢化物在水中则发生强的酸式电离而使溶液显强酸性。
HCl、HBr和HI都具有还原性,同族氢化物的还原能力随原子序数的增加而增强。
3、金属型或过渡型氢化物
d区或过渡金属的钪族、钛族、钒族以及铬、镍、钯、镧系和锕系的所有元素,还有s区的Be和Mg,与氢生成确定的二元氢化物。
它们被称为过渡型氢化物。
过渡型氢化物基本上保留着金属的外观特征,有金属光泽,具有导电性,它们的导电性
随氢含量的改变而改变。
这些氢化物还表现有其它金属性如磁性等。
所以这些氢化物又叫做“金属型”氢化物。
金属型氢化物的密度比母体金属的密度低,某些过渡金属能够可逆的吸收和释放氢气。
在大多数情况下,金属型氢化物的性质与母体金属的性质非常相似。
例如它们都具有强还原性等。
从组成上看,金属型氢化物有的是正比化合物,如CrH2、NiH,有的是非整比化合物,如VH0.56、TaH0.76、ZrH1.75等。
六、氢能源
氢气和电力一样,是一种二级能源,因为要取得氢气必须用一种来自一级能源如石油、煤炭、太阳能或原子能取得的能量,并把这种能量转化为电能,再用电解或其它方法分解水而产生氢气。
使用氢气作为气体燃料的最大优点是它不会造成污染,它唯一燃烧产物是水气,这对人和环境都无害。
另外,氢气本身也无毒,可以用管道把它输送到千家万户,在充分注意安全使用的条件下,可以代替煤气或天然气作为民用和工业用的燃料气。
目前,有关氢能源研究的三大课题是:
1.氢气的发生
从能量的观点看,利用太阳能来光解水是最好的办法,太阳能取之不尽,而水用之不竭。
但光解水的工作尚在研究中,现在还达不到生产性的规模。
2.氢气的储存
氢气是一种密度最低的气体。
常温常压下,每立方分米氢气不到0.09g。
作为燃料,装载和运输都不方便。
另外,它同空气接触容易引起爆炸,不够安全。
怎样把氢气储存起来备用和运输,就成为氢能源利用的一项很重要的课题。
一种办法是在高压下使氢气连续冷冻和绝热膨胀,使之液化成为液态氢。
由于液氢的沸点很低,常温下它的蒸汽压又很大,所以必须把它装在特制的高压容器里储存,这是利用液氢的一个很大的障碍。
另一种方法是使氢气与某些金属生成金属型氢化物的储氢方法。
例如过渡金属与氢气在一定条件下作用,可以得到金属氢化物;在另一条件下,这类氢化物即会分解成相应的金属和氢气。
这是一种金属或合金吸收氢和放出氢的可逆过程,因此叫做可逆储氢。
这类金属或合金即称为储氢材料。
钯和铀都是价格昂贵的金属材料,用它们储氢不经济。
今年来,人们研究的镧镍合金由于价格较便宜,在空气中稳定,储氢量大,因而被认为是一种很有希望的储氢材料。
3.氢气作为能源的利用
氢气燃烧产生的化学能可以用做能源,氢还可以通过核聚变反应产生核能。
氢可作为直接燃料用于火箭、燃氢汽车、燃氢飞机、电池等。
在这三大课题中,氢气的储存是中心研究课题,因为它同能量储存和能量回收的问题紧密相连。
13-2稀有气体
周期表中零族元素有氦、氖、氩、氪、氙和氡一共六种,它们都是气体。
一、稀有气体的性质
稀有气体的化学性质是由它的原子结构所决定的。
除氦以外,稀有气体原子的最外电子层都是由充满的ns和np轨道组成的,它们都具有稳定的8电子构型。
稀有气体的电子亲合势都接近于零,与其它元素相比较,它们都有很高的电离势。
因此,稀有气体原子在一般条件下不容易得到或失去电子而形成化学键。
表现出化学性质很不活泼,不仅很难与其它元素化合,而且自身也是以单原子分子的形式存在,原子之间仅存在着微弱的范德华力(主要是色散力)。
稀有气体的熔、沸点都很低,氦的沸点是所有单质中最低的。
它们的蒸发热和在水中的溶解度都很小,这些性质随着原子序数的增加而逐渐升高。
稀有气体的原子半径都很大,在族中自上而下递增。
应该注意的是,这些半径都是未成键的半径,应该仅把它们与其它元素的范德华半径进行对比,不能与共价或成键半径进行对比。
表1稀有气体的基本性质
名称
性质
氦
氖
氩
氪
氙
氡
元素符号
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
原子序数
2
10
18
36
54
86
原子量
4.003
20.18
39.95
83.80
131.3
222.0
价电子层结构
1s2
2s2p6
3s2p6
4s2p6
5s2p6
6s2p6
原子半径(pm)
93
112
154
169
160
220
第一电离势(kJ/mol)
2372
2081
1521
1351
1170
1037
蒸发热(kJ/mol)
0.09
1.8
6.3
9.7
13.7
18.0
熔点(K)
0.95
24.48
83.95
116.55
161.15
202.15
沸点(K)
4.25
27.25
87.45
120.25
166.05
208.15
临界温度(K)
5.25
44.45
153.15
2010.65
289.75
377.65
临界压强(Pa)
2.29×105
27.25×105
48.94×105
55.01×105
58.36×105
63.23×105
在水中的溶解度(cm3/dm3)
8.8
10.4
33.6
62.6
123
222
在大气中的丰度
5.2×10-6
1.8×10-5
9×10-3
1.1×10-5
8.7×10-8
-----
氦是所有气体中最难液化的,温度在2.2K以上的液氦是一种正常液态,具有一般液体的通性。
温度在2.2K以下的液氦则是一种超流体,具有许多反常的性质。
例如具有超导性、低粘滞性等。
它的粘度变得为氢气粘度的百分之一,并且这种液氦能沿着容器的内壁向上流动,再沿着容器的外壁往下慢慢流下来。
这种现象对于研究和验证量子理论很有意义。
二、稀有气体的用途
稀有气体广泛应用到光学、冶金和医学等领域中。
例如:
氦氖激光器、氩离子激光器等在国防和科研上有着广泛的用途。
氖在放电管内放射出美丽的红光,加入一些汞蒸气后又发射出蓝光,所以,氖被广泛用来制造霓虹灯。
氙在电场的激发下能放出强烈的白光,高压长弧氙灯俗有“人造小太阳”之称,用于电影摄影、舞台照明等。
在冶金工业中,氩和氦的最大用途是为熔焊不锈钢等提供惰性气氛。
氪、氙和氡还能用于医疗上,氙灯能放出紫外线,氪、氙的同位素还被用来测量脑血流量等。
氦还被用来代替氢充填气象气球和飞船,由于它不燃烧,比氢安全得多。
由于氦的沸点低,还被用于超低温技术。
作业布置:
一.是非题
1.氢有三种同位素氕(H),氘(D),氚(T),其中主要是H.
2.希有气体都是单原子分子,它们间的作用力只有色散力.
3.根据价层电子对互斥理论,XeF4分子为正四面体结构.
4.希有气体的化学性质很稳定,这是由于它们的第一电离能在同周期中最大.
二.选择题
1.氢分子在常温下不太活泼的原因是:
A.常温下有较高的离解能;B.氢的电负性较小;
C.氢的电子亲合能较小;D.以上原因都有.
2.希有气体
A.都具有8电子稳定结构B.常温下都是气态
C.常温下密度都较大D.常温下在水中的溶解度较大
3.1962年英国化学家巴特列首次合成出的第一个希有气体化合物是
A.XeF6B.XePtF6C.XeF4D.XeOF4
4.价层电子对互斥理论不适用于解释
A.中心原子缺电子的结构B.中心原子非八隅体结构
C.平面四方形结构D.对称性差(如氨)的分子结构
三.填空题:
1.完成下列反应式
A.2XeF2+2H2O→4HF+()
B.3XeF4+6H2O→2Xe+3/2O2+12HF+()
2.氢的三种同位素的名称和符号是(),其中()是氢弹的原料.
3.氢可能为未来的二级能源,这是由于地球上()等特点所决定.
四.简答题:
1.氢原子在化学反应中有哪些成键形式?
2.希有气体为什么不形成双原子分子?
课后小结:
通过对本章的学习,同学们对氢和希有气体有了进一步的认识,具有共性和个性,在理解其共性的基础上来学习其特殊性。
本章主要是描述性的居多,但应该从结构决定性质,性质决定用途方面来入手,善于归纳总结,将学生讨论与课程讲授相结合,采用模型学习的方法,加强理解,讲练结合能取得较好的效果。
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