1A H 元素周期表年 理 2019 hydrog 1.008 2A Li 盖 。Chemistry Na Mg Ne]3s Ca 第十一章氢、碱金属和碱土金属 Chapter 11.Hydrogen,Alkali and Ba Alkali-earth metals 罗 88 Ra
第十一章 氢、碱金属和碱土金属 Chapter 11. Hydrogen, Alkali and Alkali-earth metals
§11-1氢及其化合物(Hydrogen ant its compounds) He Li Be B Ne Na Mg K Ca Sc Ti V Cr Cu Zn Ga K Rb Sr Zr Nb Mo Aa Cd Xe 氢是周期表中唯一尚未找到确切位 置的元素 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Th Dy Ho Er Tm Yb Lu ※氢在周期表中排IAm又能排V如A?aa国 这是由于第一周期的稀有气体电子构型为1s2
§11-1氢及其化合物（Hydrogen ant its compounds） H 氢是周期表中唯一尚未找到确切位 置的元素· · · · · · ※ 氢在周期表中排ⅠA，又能排ⅦA？ 这是由于第一周期的稀有气体电子构型为1s2 。 2
§11-1-1原子氢(Hydrogen atom) 1、氢的同位素(isotope) (1 鼓内部不意用 'H 2D(2H) 3T(3H) P P+n P+2n ● Protium Deuterium Tritium 1.7x105A 氕 氘 氘 1.1A 主要同位素有3种，此外还有瞬间即逝的4H和5H。重氢以重水 (D20)的形式存在于天然水中，平均约占氢原子总数的0.016%. 中文名 英文名称 表示方法 符号 说明 氕（撒） protium H H 稳定同位素 氘（刀） deuterium 2H 0 稳定同位素 氘川) tritium 3H T 放射性同位素 *气这个名称只在个别情况下使用，通常直接叫氢：氘有时又叫“重氢”. 3
§11-1-1 原子氢（Hydrogen atom） 1、氢的同位素（isotope） (1) P P+n P+2n Protium Deuterium Tritium 氕 氘 氚 H D ( H) T ( H) 1 2 2 3 3 主要同位素有3种，此外还有瞬间即逝的 4H 和 5H。重氢以重水 （D2O）的形式存在于天然水中，平均约占氢原子总数的 0.016%. 中文名 英文名称 表示方法 符号 说明 氕* (撇) protium 1H H 稳定同位素 氘 (刀) deuterium 2H D 稳定同位素 氚(川) tritium 3H T 放射性同位素 * 氕这个名称只在个别情况下使用，通常直接叫氢；氘有时又叫“重氢”. 3
(2)存在：H:D=6800:1(原子个数) H:T=1e10:1 氢是宇宙中丰度最高的元素（75%)，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H,的含量很低 是因为它太轻而容易脱离地球引力场 氢的状态 金属氢(s) 液态氢) 固态氢(S) 密度/gdm-3 0.562 0.071 0.089 Fe 大气层顶 云层项 偶数Z 氢 液态金属 岩石核心 奇数Z Pb 根据先锋飞船探测得 10 20304050607080 9 知，木星大气含氢82%， 原子序数 氦17%，其它元素<1%.4
(2) 存在：H:D=6800:1(原子个数) H:T=1e10:1 氢是宇宙中丰度最高的元素（75%），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. 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 偶数Z 奇数Z 氢的状态 金属氢(s) 液态氢(l) 固态氢(s) 密度/g·dm-3 0.562 0.071 0.089 大 气 层 顶 云 层 顶 液 氢 液态金属氢 岩 石 核 心 根据先锋飞船探测得 知，木星大气含氢82%， 氦17%，其它元素<1%. 4
发现 >早在6世纪，瑞士的一名医生就发现了氢气。他说：“把铁屑投到 硫酸里，就会产生气泡，像旋风一样腾空而起。”他还发现这种气体 可以燃烧。 >16世纪末期，瑞士化学家巴拉采尔斯把铁放在硫酸中，铁片和硫酸 发生反应，放出许多气泡一氢气。 >7世纪时又有一位医生发现了氢气。那时人们的智慧被一种虚假的 理论所蒙弊，认为不管什么气体都不能单独存在，既不能收集，也不 能进行测量。 >1766年：氢才被英国科学家亨利.卡文迪什(Henry Cavendish)确 定为化学元素，当时称为可燃空气，并证明它在空气中与氧气燃烧生 成水。 >1785年：法国化学家拉瓦锡(Antoine Lavoisier)证明The Nobel Prize in 氢是一种单质并给它命名为Hydro-gen(水之源)。 Chemistry 1934 >1931年底：哈罗德.克莱顿尤里(Harold Clayton Urey) 发现氘。 >1934年：在尤里发现氘之后的第3年，他被授予诺贝尔 化学奖(41岁)
发 现 ¾ 早在16世纪，瑞士的一名医生就发现了氢气。他说：“把铁屑投到 硫酸里，就会产生气泡，像旋风一样腾空而起。”他还发现这种气体 可以燃烧。 ¾ 16世纪末期，瑞士化学家巴拉采尔斯把铁放在硫酸中，铁片和硫酸 发生反应，放出许多气泡——氢气。 ¾ 17世纪时又有一位医生发现了氢气。那时人们的智慧被一种虚假的 理论所蒙弊，认为不管什么气体都不能单独存在，既不能收集，也不 能进行测量。 ¾1766年：氢才被英国科学家亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）确 定为化学元素，当时称为可燃空气，并证明它在空气中与氧气燃烧生 成水。 ¾1785年：法国化学家拉瓦锡（Antoine Lavoisier）证明 氢是一种单质并给它命名为Hydro-gen（水之源）。 ¾1931年底：哈罗德·克莱顿·尤里(Harold Clayton Urey) 发现氘。 ¾1934年：在尤里发现氘之后的第3年，他被授予诺贝尔 化学奖（41岁）。 5
2、单质氢(Simple substance of hydrogen) H2 D2 H20 D20 标准沸点/℃ -252.8 -249.7 100.00 101.42 平均键焓/kJmo1 436.0 443.3 463.5 470.9 H,O和D,O之间沸点的差异反映了O···H一O氢键不如 O···D一O氢键强.相同化学环境下，键焓的差别在很大程度上 是由零点能的差别引起的。零点能低时键焓相对比较高，零点 能高时键焓相对比较低。 氢同位素造成的性质差别大得足以找到某些实际应用.例如， 由于D,O中D-O键的键焓相对比较高，电解速率应当低于H2O, 其结果是在电解水而得到的残液中得以富集. 6
H2O 和 D2O 之间沸点的差异反映了O· · ·H —O 氢键不如 O· · ·D—O氢键强. 相同化学环境下，键焓的差别在很大程度上 是由零点能的差别引起的。零点能低时键焓相对比较高，零点 能高时键焓相对比较低。 氢同位素造成的性质差别大得足以找到某些实际应用. 例如， 由于D2O中D–O键的键焓相对比较高，电解速率应当低于H2O， 其结果是在电解水而得到的残液中得以富集. H2 D2 H2O D2O 标准沸点/℃ –252.8 –249.7 100.00 101.42 平均键焓/ kJ•mol–1 436.0 443.3 463.5 470.9 2、单质氢（Simple substance of hydrogen） 6
制备(preparation) 1.H2 (1)实验室： Zn+2H+=Zn2++H2↑ 普发生器 实验室制氢气中杂质来源与除去方法 H2S锌中含微量ZnS H2S +Pb2++2H2O>PbS +2HgO+ AsH3锌和疏酸中含微量As AsH3+3Ag2SO+3H2O>6Ag+HgAsO+3H2SO S02锌还原H2S04产生 S02+2KOH→K2S03+H20
1. H2: (1) 实验室： 制备（preparation） n 2 2 Zn 2H Zn H ＋ 实验室制氢气中杂质来源与除去方法 H2S + Pb2+ + 2H2O o PbS + 2H3O+ AsH3 锌和硫酸中含微量As AsH3+3Ag2SO4+3H2O o 6Ag+H3AsO3+3H2SO4 H2S 锌中含微量 ZnS SO2 锌还原 H2SO4 产生 SO2 + 2KOH o K2SO3 + H2O 7 http://beautifulchemistry.net/cn/reactions.html
制备(preparation) (2)工业上：a.电解(OH中)2H,0+2e→H2+20H 40H-4e→02+2H0 b.水煤气法 C+H,O=H,(g)+CO(g) c.烃裂解 CH4→C+H2 N2 NaH H2 12 (每年估计达 H2 CH4 1143K 1273K H2 500×109m3) pyrolysis elecrolysis photolysis H2 H2 H2 (3)在野外工作时，利用硅的两性和碱反应 Si+2NaOH+2H,O=Na,SiO,+2H,T
(2)工业上： - 2 2 - 2 2 2 2 a. (OH ) 2H O 2e H 2OH 4OH -4e O 2H O b. C H O H (g) CO (g) o o 电解 中 水煤气法 4 2 c. CH C H 烃裂解 o 制备（preparation） H2O H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2 N2 NaH C 1273 K CH4 1143 K pyrolysis elecrolysis photolysis Si 2NaOH 2H2O Na 2SiO3 2H2 n (3) 在野外工作时，利用硅的两性和碱反应 (每年估计达 500×109m3) 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 CHa(g)+HzO(g)-1273K 3 H2(g)+CO(g) 其中产物氢的三分之一来自水。 水煤气反应 C(s)+H20(g)1273K H2(g)+CO(g) 其中产物氢的百分之百来自水， 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，CO变成 C02,然后在2X106下用水洗涤C02和H2的混合气体，使C02 溶于水而分离出H2 CO+H2 +H2O(g) 人 Fe203一 C02+2H2 >723K 9
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 CH4(g) + H2O(g) 3 H2(g) + CO(g) 1 273 K 其中产物氢的三分之一来自水. 水煤气反应 C (s) + H2O(g) H2(g) + CO(g) 1 273 K 其中产物氢的百分之百来自水. 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。 ¾ 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 2×106 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 9
我国已建成大型制氢设备 大容量电解槽体 H2 大型制氢站 氢气纯化装置 氢气储罐群 10
大容量电解槽体 大型制氢站 氢气纯化装置 氢气储罐群 我 国 已 建 成 大 型 制 氢 设 备 H2 10