无机化 第十三章 氢和希有气体 医药化工学院无机化学教研室 www.yyhg.tzc.edu.cn 1
1 医药化工学院 无机化学教研室 www.yyhg.tzc.edu.cn 第十三章 氢和希有气体
教学要求 本章共2课时 掌握氢的物理和化学性质 了解希有气体的分离、性质和用途 了解希有气体化合物的性质和结构特点 2
2 教学要求 本章共2课时 掌握氢的物理和化学性质 了解希有气体的分离、性质和用途 了解希有气体化合物的性质和结构特点
本章内容 第一节氢 第二节稀有气体
3 本章内容 第一节 氢 第二节 稀有气体
第一节氢 He Li Be B C N O F Ne Na Mg H Al Si P S CI Ar K Ca Sc Ti V Cr Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb M Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ra La-HF Ta W Re ns Ir pf Au Ho TI Ph Ri Po 4t Rn 氢是周期表中唯一尚未找到确切位 Fr 置的元素， La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Th Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr fblock
4 H 氢是周期表中唯一尚未找到确切位 置的元素.· · · · · · 第一节 氢
存在、制备和用途 氢是宇宙中丰度最高的元素，在地球上的丰度排在第15 位.某些矿物（例如石油、天然气）和水是氢的主要资源，大 气中H2的含量很低是因为它太轻而容易脱离地球引力场. 810 元素的相对丰度是指该元素相对于个原子 的原子数 6 Fe 偶数的元素比与之相邻的奇数元素更稳定 偶数Z 2 Xe Pb 奇数Z Th Pb 102030405060708090 原子序数 5
5 1氢存是在宇宙中丰度最高的元素，在地球上的丰度排在第15 位. 某些矿物( 例如石油、天然气)和水是氢的主要资源，大 气中 H2的含量很低是因为它太轻而容易脱离地球引力场. 一 存在、制备和用途 10 20 30 40 50 60 70 80 90 8 6 4 2 0 –2 Pb Bi Pb Th Xe Sc Fe O 原子序数 lo g（相 对 丰 度） 偶数Z 奇数Z 元素的相对丰度是指该元素相对于个原子 的原子数 偶数的元素比与之相邻的奇数元素更稳定
氢的存在状态 氢的状态 金属氢S) 液态氢① 固态氢 密度gcm3 0.562 0.071 0.089 3×108kPa H2(g) 11000K 金属氢S) H2(g) 2.5×10kPa 77K HS) 金刚石砧 大气层顶 木星结构 云层顶 站 液态金属氢 根据先锋飞船探测得 岩石核心 知，木星大气含氢82% ,氦17%，其它元素 <1%. 6
6 大 气 层 顶 云 层 顶 液 氢 液态金属氢 岩 石 核 心 木星结构 根据先锋飞船探测得 知，木星大气含氢82% ，氦17%，其它元素 <1%. 氢的存在状态 (s) 11000K 3 × 10 kPa H (g) 8 2 金属氢 H(s) 77K 2 .5 × 10 kPa H (g) 8 2 金刚石砧 氢的状态 金属氢(s) 液态氢(l) 固态氢 (密s)度/g·cm-3 0.562 0.071 0.089
2制备（每年估计达500×10m3) N NaH H CH C H 21143K H20 1273KH pyrolysis elecrolysis photolysis 「H H2 H Zn+H0+→Zn2++2H20+H2↑实验室中制氢的主要方法 实验室制氢气中杂质来源与除去方法 H2S锌中含微量ZnSH2S+Pb2++2H20→PbS+2H30+ AsH锌和硫酸中含微量As AsH:+3Ag,SO+3H2O6Ag+H3AsO;+3H2SO S02 锌还原H2S04产生 S02+2K0H→K2S03+H20
7 2 制备 (每年估计达500×109m3) Zn + H3O+ →Zn2+ + 2H2O + H2 ↑ 实验室中制氢的主要方法 实验室制氢气中杂质来源与除去方法 H2S + Pb2+ + 2H2O →PbS + 2H3O+ AsH3 锌和硫酸中含微量As AsH3+3Ag2SO4+3H2O→6Ag+H3AsO3+3H2SO4 H2S 锌中含微量 ZnS SO2 锌还原 H2SO4产生 SO2 + 2KOH → K2SO3 + H2O H2O H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2 N2 NaH C 1273 K CH4 1143 K pyrolysis elecrolysis photolysis
工业制氢 当今制氢最经济的原料是煤和以甲烷为主要成分的天 然气，而且都是通过与水（最廉价的氢资源）的反应实 现的 1273K 水蒸气转化法 CH(g)+H2O(g) 3H2(g)+C0(g) 其中产物氢的三分之一来自水。 1273K C(s)+H20(g) H2(g)+C0(g) 水煤气反应 其中产物氢的百分之百来自水
8 当今制氢最经济的原料是煤和以甲烷为主要成分的天 然气，而且都是通过与水（最廉价的氢资源）的反应实 现的. 水蒸气转化法 其中产物氢的三分之一来自水. 水煤气反应 其中产物氢的百分之百来自水. CH4(g) + H2O(g) 3 H2(g) + CO(g) 1 273 K C (s) + H2O(g) H2(g) + CO(g) 1 273 K 工业制氢
工业制氢 H2(g)+CO(g)就是水煤气，可做工业燃料，使用时不必 分离.但若为了制氢，必须分离出C0. 可将水煤气连同水蒸气一起通过红热的氧化铁催化剂， C0变成C02,然后在2×106下用水洗涤C02和H2的混合 气体，使C02溶于水而分离出H2 Fe2O3 C0+H2+H20(g) 一C02+2H, >723K
9 H2(g) + CO(g) 就是水煤气，可做工业燃料，使用时不必 分离. 但若为了制氢，必须分离出CO. 可将水煤气连同水蒸气一起通过红热的氧化铁催化剂， CO变成 CO2 ，然后在 2×10 6 下用水洗涤 CO2和 H2的混合 气体，使 CO2溶于水而分离出 H2 . CO + H2 + H2O(g) CO2 + 2 H2 Fe2O3 > 723 K 工业制氢
Example 用焦炭或天然气与水反应制H2,为什 Solution 么都需在高温下进行？ 因为这两个反应都是吸热反应： C(s)+H20(g)H2(g)+C0(g), △Hm=131.3kJmo1 CHa(g)+H2O(g)-3 H2(g)+CO(g),AHO=206.0 kJ-mol-1 要反应得以进行，则需供给热量，如添加空气或氧气燃烧： C+02→C02, △H0m=-393.7kJmo1 CH4+202→C02+2H20,△Hm=-803.3kJmo1 这样靠“内部燃烧”放热，供焦炭或天然气与水作用所需 热量，无须从外部供给热量，这是目前工业上最经济的生产 氢的方法 10
10 用焦炭或天然气与水反应制 H2 ，为什 么都需在高温下进行？ 因为这两个反应都是吸热反应： 要反应得以进行，则需供给热量，如添加空气或氧气燃烧： 这样靠“内部燃烧”放热，供焦炭或天然气与水作用所需 热量，无须从外部供给热量，这是目前工业上最经济的生产 氢的方法. Example CH4(g) + H2O(g) 3 H2(g) + CO(g)，ΔHθ m = 206.0 kJ•mol–1 C (s) + H2O(g) H2(g) + CO(g), ΔHθ m = 131.3 kJ•mol–1 C + O2 CO2 , ΔHθ m = –393.7 kJ•mol–1 CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O, ΔHθ m = – 803.3 kJ•mol–1 Solution