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氢元素

符号: H

原子序数: 1

原子量: 1.00794 amu

熔点: -259.14 °C (14.009985 °K, -434.45203 °F)

沸点: -252.87 °C (20.280005 °K, -423.166 °F) 质子数/电子数: 1

中子数: 0

类别: 非金属

晶体结构: 六边形结构

密度(293 K): 0.08988 g/cm3

颜色: 无色

HYDROGEN,源自htdor和gen,意为"水的形成",1766年发现。是宇宙间最丰富的元素。氢可说完全不是以单质形态存在于地球上,可是太阳和其他一些星球则全部是由纯氢所构成。这种星球上发生的氢热核反应的热光普照四方,温暖了整个宇宙。

氢的存在,早在16世纪就有人注意到了。曾经接触过氢气的也不只一人,但因当时人们把接触到的各种气体都笼统地称作“空气”,因此,氢气并没有引起人们的注意。直到1766年,英国的物理学家和化学家卡文迪什(Cavendish H,1731─1810)用六种相似的反应制出了氢气。这些反应包括锌、铁、锡分别与盐酸或稀硫酸反应。同年,他在一篇名为“人造空气的实验”的研究报告中谈到此种气体与其它气体性质不同,但由于他是燃素学说的虔诚信徒,他不认为这是一种新的气体,他认为这是金属中含有的燃素在金属溶于酸后放出,形成了这种“可燃空气”。事实上是杰出的化学家拉瓦锡(Lavoisier A L,1743─1794)1785年首次明确地指出:水是氢和氧的化合物,氢是一种元素。并将“可燃空气”命名为“Hydrogen”。这里的“Hydro”是希腊文中的“水”,“gene”是“源”,“Hydrogen”就是“水之源”的意思。它的化学符号为H。我们的“氢”字是采用“轻”的偏旁,把它放进“气”里面,表示“轻气”。

化学元素周期系1.0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;但氢只有在与失电子能力强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。

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:(氕,符号H),(氘,符号D)和(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。

氢原子的价电子层结构为,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:

离子键

共价键

特殊的键型

离子键

当H与电负性很小的活泼金属,如Na,K,Ca等形成氢化物时,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。

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。

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。

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1的水仅能溶解0.02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。

分子氢在地球上的丰度很小,但化合态氢的丰度却很大,例如氢存在于水、碳水化合物和有机化合物以及氨和酸中。含有氢的化合物比其它任何元素的化合物都多。氢在地壳外层的三界(大气、水和岩石)里以原子百分比计占17%,仅次于氧而居第二位。

(1)分子氢中HH键的离解能,比一般的单键高很多,相当于一般双键的离解能。因此常温下分子氢不活泼。但氢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。

(2)高温下,氢气是一个非常好的还原剂。例如:

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。

③高温下氢气与活泼金属反应,生成金属氢化物。

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

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。

(3)在有机化学中,氢的一个重要的化学反应是它能够加在联结两个碳原子的双键或三键上,使不饱和的碳氢化合物加氢而成为饱和的碳氢化合物,这类反应叫加氢反应。在有机化学中,在分子中加入氢即是还原反应。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。

(4)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。

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。

原子氢由以下特点:

①把原子氢气流通向金属表面,原子氢结合成分子氢的反应热可以产生高达4273K的高温,这就是常说的原子氢焰。可以利用此反应来焊接高熔点金属。

②原子氢是一种比分子氢更强的还原剂。它可以同锗、锡、砷、硫、锑等直接作用生成相应的氢化物。


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