《无机化学与化学分析》章末总结18

18章是氢，考虑到氢的特殊性所以把它放在这里也可理解。

马上本书就写完喽。

18 氢

18.1 三种同位素

氢原子核中只含一个质子，它的三种同位素$^1_1H,^2_1H,^3_1H$的中子数为0，1，2，分别称为氢（氕），氘，氚。

氕（$^1_1H$）是丰度最大的氢同位素，占99.9844%，同位素氘（$^2_1H$）占0.0156%，两者都是稳定同位素。第三种同位素氚（$^3_1H$）存在于高层大气中，它是个放射性同位素，自然界只有痕量存在。

$D_2O$是水的氘代（deuteration）产物，水和氢气的氘代产物通常叫重水（heavy water）和重氢（heavy hydrogen）。氘可用作氢化合物的标记原子（labeled atom），比较标记原子在反应物结构和产物结构所处的位置可以推断反应机理。

如甲醇溶于D原子标记的水：

$$
CH_3OH(l) + D_2O(l) \rightleftharpoons CH_3OD(l) + HDO(l)
$$

反应表明，甲醇分子O-H键中的氢原子可以与D原子交换，而甲烷的H原子则不能交换，显示动力学惰性。

18.2 天然资源和工业制备方法

氢是宇宙中丰度最高的元素，在地球上的丰度排在氧和硅之后的第三位。水是地球上最大的氢资源，其次则是动植物体内的各种有机分子和自然界中的碳氢化合物。

加热至1000℃左右的焦炭与水蒸气反应生成氢气和一氧化碳的混合气体：

$$
C(s) + H_2O(g) \stackrel{1000℃}{\longrightarrow} CO(g) + 3H_2(g)
$$

这种混合气体称为水煤气（water gas），上述反应叫水煤气反应（water-gas reaction）。

天然气在高温、高压下与水蒸气反应制氢气的反应叫水蒸气转化反应（steam reforming），催化剂使用$NiO$：

$$
CH_4(g) + H_2O(g) \stackrel{高温高压}{\longrightarrow} 3H_2(g) + CO(g)
$$

水煤气反应和水蒸气转化反应中都有一氧化碳生成，可以使其进一步与水蒸气反应：

$$
CO(g) + H_2O(g) \stackrel{高温，催化剂}{\longrightarrow} H_2(g) + CO_2(g)
$$

18.3 性质

$H_2$是只含两个电子的非极性分子，分子间作用力极弱，因而其熔点和沸点都很低。$H-H$键的键能很高，为$436KJ \cdot mol^{-1}$，因此氢气的大多数反应在常温下进行很慢。然而加热、光照或选择适当的催化剂都容易将其活化，产生很活泼的氢原子，此时容易与多种物质发生反应。

18.4 用途

氢的运输的确不方便，既低效又不安全。工业方法制得的氢大多在原产地消耗。

合成氨以氢气为原料，这也是氢最重要的用途之一。其次是石油炼制工业。甲醇是一种重要的工业原料，制造甲醇是氢的另一个重要用向，由$CO$与$H_2$合成甲醇的反应是在高温、高压和$Cu/Zn$催化下完成的：

$$
CO(g) + 2H_2(g) \stackrel{cat.}{\longrightarrow} CH_3OH(g)
$$

18.5 二元氢化合物

氢可以与许多元素形成二元化合物，可分为似盐型氢化物、金属型氢化物或分子型氢化物。

除铝、铋和钋外，第13至第17族元素都形成分子型氢化合物（molecular hydrogen compound）。根据成键类型可以分为缺电子化合物（如$B_2H_6$）、足电子化合物（如$CH_4$）、富电子化合物（如$NH_3$）。

s区金属和电正性高的几个碱土金属形成似盐型氢化物（saline hydrides），其中氢以$H^-$形式存在，类似于典型的无机盐。似盐型氢化物与水反应生成金属氢氧化物并放出氢气。

金属型氢化物（metallic hydrides）是氢与d区或f区金属元素形成的一类二元氢化物。这类化合物的一个重要特征是具有非化学计量（nonstoichiometric）组成。这类化合物的一种重要性质是在稍高温度下释放氢气，因此使它们成为储氢材料的选择。

总结

含氢的化合物非常多，但氢本身表现的性质较少，本章的重点也是氢气的制备。另外提及了一些二元氢化物的性质。