三氢和氧的化学.ppt

第三章 氢和氧的化学,§3.1 氢,§3.1.1 氢的分布,氢是宇宙中含量最丰富的元素，约占宇宙总质量的74%氢是太阳的核原料，在星际空间中大量存在§3.1.2 氢的三种同位素,核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式三种同位素的电子组态,因此化学性质比较类似物理性质： D2相对于H2来说，有更高的熔点、沸点和解离能§3.1.3 氢的成键类型,1. 共价单键,H原子常常以共价单键和其他非金属原子形成共价化合物氢原子的共价单键的半径为32 pm H2O NH3 HCl,2. 离子键,H原子可获得一个电子形成H- 离子，但是其亲合能较小，只能同电正性高的金属形成盐类氢化物 H- 离子的半径在130-150 pm之间 NaH CaH H原子失去电子形成H+离子后，因其半径较小，除气态离子束外，H+必须和其他分子或离子结合形成H3O+，NH4+等离子，再和其他异号离子结合形成化合物3. 金属键,高压低温条件下，H2分子转变成直线型氢原子链Hn，固态分子转变成金属相。

其中的氢原子通过金属键相互结合在一起 H2能被多种金属和合金大量吸附，以原子状态存在于金属原子间的空隙之中，以金属键和金属相结合 储氢材料,氢是重要而洁净的能源同样重量的氢气燃烧的热量至少是煤的4.4倍4. 氢键,5. 氢分子配键,在一些过渡金属配位化合物中，氢分子作为配位体和金属原子从侧面结合，两个氢原子同时等距离地和M原子成键M,H,H,,,6.,桥键,在硼氢化合物(如B2H6)和某些过渡金属配合物(如H[Cr(CO)5]2)中均存在氢桥键氢原子位于两个中心原子之间，正如一座桥一样，把两个中心原子相连7. 缺电子多中心氢桥键,8. 过渡金属氢化物中的M-H键,在过渡金属氢化物中，H原子能以多种形式和金属原子形成多种形式的化学键氢气是无色、无臭、无味的可燃性气体，比空气轻14.38倍，具有很大的扩散速度和很好的导热性，在水中的溶解度很小氢气容易被镍、钯、铂等金属吸附§3.1.4 氢气的性质和制备,在H2分子中，由于H原子很小，没有内层电子，H-H间的结合力非常强，解离能达436 kJ·mol-1，是所有同核共价单键中最强的键氢的制备,§3.1.5 氢化物,氧是地球上最丰富的元素之一。

在地壳、海洋和大气中，占总质量的46.4%大气中氧气占大气质量的23%海水质量的89%是氧 大气中的氧含量基本保持不变一方面是由于燃烧和动植物呼吸过程消耗氧气，另一方面，绿色植物利用二氧化碳和水通过光合作用制造氧气§3.2 氧,（一）氧气 氧是无色、无臭的气体在标准下，密度为1.429kg·L-1；熔点（54.21K）和沸点（90.02K）都较低，液态和固态氧都显淡蓝色；氧在水中的溶解度很小，通常1ml水仅能溶解0.0308ml O2 氧最主要的化学性质是氧化性除稀有气体和少数金属外，氧几乎能所有元素直接或间接地化合，生成类型不同，数量众多的化合物氧的制备,氧的化学性质,（二）臭氧,常温下，臭氧（O3）是浅蓝色的气体，沸点160.6K、熔点21.6K，O3比O2易溶于水（通常1ml水中能溶解0.49ml O3） O3的氧化性大于O2常温下，O3能与许多还原剂直接作用例如： PbS + 2O3 = PbSO4 + O2↑ 2Ag + 2O3 = O2↑+ Ag2O2（过氧化银） 2KI + O3 + H2O = 2KOH + I2 + O2↑,（三）过氧化氢,制备：电解60％H2SO4溶液，减压蒸馏得H2S2O8，水解可得H2O2。

H2S2O8+2H2O=2H2SO4+H2O2↑,性 质,1、不稳定性 2H2O2＝2H2O +O2↑ 2、弱酸性 H2O2 ＝ H+ + HO2- H2O2+Ba(OH)2=BaO2+2H2O,3、氧化还原性,由于H2O2氧化数处于中间，因此它既显氧化性又显还原性，氧化还原能力与介质的酸碱性有关以氧化性为主例如： Cl2 +H2O2＝2HCl +O2↑ H2O2 +2I- +2H+＝I2 + 2H2O Pb + 4 H2O2 ＝ PbSO4↓+ 4H2O,水是地球上数量最多的分子型化合物 1.41021kg 可淹没地球平均水深2713m 人体一半以上是水 化学中最常用的试剂和溶剂,§3.3 水的结构和性质,(1)水在4℃时密度最大，为1；0℃时冰的密度为0.917水冻结为冰时，体积膨胀是1.62m1/L (2)水的沸点和熔点相当高 (3)水的比热较大 (4)水的导热率高，冰的热扩散率比水大 (5)水的溶解能力强 (6)介电常数高 (7)表面张力高,§3.3.1 水的重要性质,1、水的分子结构 4个杂化轨道 2px2 2py1 2pz1 由于氧的高负电性，O-H共价键具有部分离子特征 水分子的四面体结构有对称型 氧的另外两对孤对电子有静电力 H-O键具有电负性,,§3.3.2 水的结构,四面体形 电荷分布体系,H2O···H-F H2O···H-Cl H2O···H-CN H2O···H-OH,,质子受体,,质子给体,水的气态二聚体,§3.3.3 冰的结构——Ih,冰的各种晶型,从冰的结构可得：,（a）水能堆积出11种冰晶体，跨越6个晶系、10种空间群、密度从0.92~1.49g·cm-3 （b）四面体取向的O-H···O氢键，是使水结晶成冰的共同特征和主要作用力。

（c）高压下密度的增加，不是靠压缩氢键键长，而是压短非键距离 （d）O-H···O氢键中，H的分布多数（7种）是无序，少数（4种）有序1. 冰和液态水的径向分布[g(r)~r]图,冰-Ih,液态水 277K,§3.3.4 液态水的结构模型,2. 冰化为水，O原子间距离的变化,水的结构不仅有冰的“碎片”，还含有大量通过氢键形成动态平衡的不完整多面体（如五角十二面体）体系3. 液态水的性质和结构,a. 热学性质,,冰,,水,,汽,,,,升华热高 51kJ·mol-1,,,熔点高,0℃,沸点高,100℃,,,,,,,比热大,蒸发热大,,熔化热小,6 kJ·mol-1,76 J·mol-1K-1,40.6 kJ·mol-1,b. 密度：4℃最大 冰，0 ℃ 0.9168 g·cm-3 水，0 ℃ 0.99984 g·cm-3 4 ℃ 1.0000 g·cm-3 20 ℃ 0.99821 g·cm-3,除冰以外，在晶体中和其他组份一起存在的水 1. 骨架水：水作为构建晶体骨架的主要组份如气体水合物 2. 配位水：水作为配位体和金属离子配位， 如明矾 [K(H2O)6]+[Al(H2O)6]3+[SO42-]2 VSO4·6H2O [V(H2O)6]2+[SO4]2- 3. 结构水：水作为填补晶体结构空间，并通过氢键将各组份结合在一起。

如 CuSO4·5H2O [Cu(H2O)4]2+[SO42-]·H2O 4. 层间水：粘土等层型结构间的水 5. 沸石水：沸石型骨架中孔穴内部吸附的水 6. 蛋白质晶体中连续分布的水： 如三方二锌猪胰岛素 Zn2(C255H380O78N65S6)6·835H2O 1, 2, 3 组成确定；4, 5, 6 组成可变 硼砂Na2[B4O5(OH)4]·8H2O 结晶水为8个，加热时4个OH可变成H2O脱去， 但化学式不应写成 Na2B4O7·10H2O,§3.3.5 结晶水,§3.3.6 水分子的振动和转动特性的应用,a. 烘干谷物 粮食烘干机（示意）,1. 水分子的振动,水的红外光谱图,b. 用于理疗,理疗灯，表面温度680℃，IR能量分布,2. 水分子的转动,水分子的转动频率（2.2~2.5）109Hz，属微波区 （a）微波炉 发射2.45 109Hz微波，使含水食物加热煮熟 用微波炉灼烧BaSO4沉淀，可缩短试样分析的时间 （b）探测星际空间的水分子§3.3.7 从物理学观点看水对生物和地球气候作用,1. 水的生物功能－－生命之源,食物、水、氧,,低熵,能量,物质,,,,生物体,,,,物质 (CO2, H2O, 排泄物),能量,,,成年生物体、基本平衡,高熵,,排熵,6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2,,,光合、 吸热、 熵减,氧化、 放热、 熵增 （消化） -H  S0,生物体进行消化过程 G = H - TS 0 自发进行、酶催化 (-) (+) 排熵：呼吸（排出CO2）、排尿、汗（排出H2O） 将熵排出体外（环境）,,2. 水对地球气候的作用,地球排熵靠水的循环,热传导 对流 辐射,,次要， 相变（水）－－主要,地表水汽化，带去大量汽化热 水（18）比空气（28）轻，上升高空 在高空，水汽－－云、雾、雨、雪 放出凝结热,排熵,冰比水轻，浮在表面：易熔、参加循环；保护物种,,,高空大气,地球,,高空,T0=250K,,TG=288K,地表,靠温室效应 维持温差,§3.3.8 学习水文化 弘扬传统美德，提高精神境界,“问渠那得清如许，为有源头活水来”（朱熹） （不断学习，更新思维） “滴水之恩涌泉报，饮水思源不忘恩” （谢老师教诲，促民族腾飞） “青出于蓝而胜于蓝，冰水为之而寒于水”（荀子） （认真学习，超越老师） “智者乐水”（孔子） “智者达于事理而周流无滞，有似于水，故乐水”（朱熹） （通达事理，周流无滞） “一水护田将绿绕，两山排垯送青来”（王安石） （绿水青山） “君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回”（李白） （一往无前） “日出江花红似火，春来江水绿如蓝”（白居易） （爱水护绿）,水乳交融（亲密） 近水楼台（机遇） 水泄不通（严密） 萍水相逢（偶遇） 水深火热（苦难） 车水马龙（繁华） 水中捞月（枉想） 山高水长（时空） 水涨船高（同步） 山明水秀（景色） 水到渠成（功底） 山穷水尽（绝境） 流水不腐（更新） 一衣带水（近邻） 背水一战（决心） 一潭死水（沉闷） 滴水成冰（严寒） 落花流水（伤感） 杯水车薪（不足） 拖泥带水（烦琐） 万水千山（遥远） 行云流水（美感） 饮水思源（报恩） 望穿秋水（思念） 滴水穿石（持之以恒，再大困难也能克服）,溶液：两种或两种以上的化合物按分子水平混合均匀的液体。

溶剂：液体组分（气体或固体溶于液体） 或含量较多的液体（液体溶于液体） 若两种液体含量相当，溶剂和溶质没有明显区别 溶质：溶解在液体中的气体或固体或含量较少的液体 非电解质：在水溶液中或熔融状态不能导电的物质 电解质： 在水溶液中或熔融状态能导电的物质 强电解质溶液：在溶液中完全电离 弱电解质溶液：在溶液中部分电离,§3.4 溶液,§3.4.1 基本概念,物质的量浓度 (简称浓度) 溶质的物质的量除以溶液的体积,§3.4.2 溶液浓度,58.5gNaCl溶于1升水中，浓度不是1.00 mol·dm-3,质量摩尔浓度 溶质的物质的量除以溶剂的质量 摩尔分数 某种组分物质的量与总物质的量之比,质量分数 某组分的质量与总质量之比 质量浓度 溶质的质量除以溶液的体积,1. 溶解度 一定温度和压力下溶质在一定量溶剂中形成饱和溶液时，被溶解的溶质的量§3.4.2 溶解度,从相平衡的角度理解溶解度即为： 在一定温度和压力下，固液达到平衡时的状态这时把饱和溶液里的物质浓度称为“溶解度”按此把溶液分为：,,不饱和溶液 饱和溶液 过饱和溶液,通常把某温度下100克水里某物质溶解的最大质量叫溶解度 习惯上按溶解度大小，把溶液分为：,,易溶 10g 可溶 1～10g 微溶 0.1 ～ 1g 难溶 0.1g,“相似相溶”原理主要表现在： (1) 溶质分子与溶剂分子的结构越相似，相互溶解越容易； (2) 溶质分子的分子间作用力与溶剂分子间作用力越相似，越易互溶。