第三章氢和氧的化学a-1

1、第三章第三章 氢和氧的化学氢和氧的化学1(10,11), 423.1 3.1 氢氢3.2 3.2 氧氧3.3 3.3 水的结构和性质水的结构和性质3.4 3.4 溶液溶液3.5 3.5 酸和碱酸和碱3.6 3.6 氧化还原反应氧化还原反应3.1 氢34 氢的存在，早在氢的存在，早在16世纪就有人注意到了。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把接触到的各种气体都笼统地称作“空气空气”， 因此，氢气并没有引起人们的注意。直到因此，氢气并没有引起人们的注意。直到1766年，英国的物年，英国的物理学家和化

2、学家卡文迪什（理学家和化学家卡文迪什（Cavendish H）用六种相似的反应）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，他在一篇名为反应。同年，他在一篇名为“人造空气的实验人造空气的实验”的研究报告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，形成了这种中含有的燃素在金属溶于酸后放出，形成了这种“可燃空

3、可燃空气气”。氢的发展简史5 事实上是杰出的化学家拉瓦锡（事实上是杰出的化学家拉瓦锡（Lavoisier Lavoisier A LA L）1785年首次明确地指出：水是氢和氧年首次明确地指出：水是氢和氧的化合物，氢是一种元素。并将的化合物，氢是一种元素。并将“可燃空可燃空气气”命名为命名为“HydrogenHydrogen”。这里的。这里的“Hydro”Hydro”是希腊文中的是希腊文中的“水水”，“gene”gene”是是“源源”，“Hydrogen”Hydrogen”就是就是“水之源水之源”的意思。它的意思。它的化学符号为的化学符号为H H。我们的。我们的“氢氢”字是采用字是采用“轻轻”

4、的偏旁，把它放进的偏旁，把它放进“气气”里面，表里面，表示示“轻气轻气”。n氢是宇宙中最丰富的元素，约占宇宙总质量的氢是宇宙中最丰富的元素，约占宇宙总质量的74 。n地壳地壳(包括海洋包括海洋)按其厚度为按其厚度为40 km计，氢的丰氢的丰度排名第十，占地壳总质量的度排名第十，占地壳总质量的0.14 。n氢在生物体中按质量计平均占氢在生物体中按质量计平均占10；若按原子若按原子数目计，排名第一，超过半数数目计，排名第一，超过半数 。3.1.1 氢的分布和同位素6210中子数111质子数0.000570.33热中子俘获10-160.01599.985丰度(%)3.010052.014101.00

5、07825原子质量TritiumDeuteriumProtium英文名 (T) (D) (P)符号H11H21H317氢有三种同位素，即氕、氘、氚n由于氢的三种同位素具有相同的电子组态由于氢的三种同位素具有相同的电子组态1s1，化学性质十分相似。化学性质十分相似。n在物理性质上则有所不同，这种差异源自核的质在物理性质上则有所不同，这种差异源自核的质量的不同，称为量的不同，称为同位素效应同位素效应 。8nD D2 2比比H H2 2具有较高的熔、沸点和解离能。同样，具有较高的熔、沸点和解离能。同样，D D2 2O O比比H H2 2O O有着较高的熔、沸点和密度。而解离常数有着较高的熔、沸点和密

6、度。而解离常数D D2 2O O比比H H2 2O O大约小五倍大约小五倍 H H2 2O O（l l） H H+ + (aq) + OH (aq) + OH- - (aq) (aq) K=1.01 K=1.011010-14-14 D D2 2O O（l l） D D+ + (aq) + OD (aq) + OD- - (aq) (aq) K=0.195 K=0.1951010-14-14式中式中l l和和aqaq分别代表液态和水溶液分别代表液态和水溶液 93.1.2 氢的成键类型 氢是元素周期表中的第一个元素，核中质子数氢是元素周期表中的第一个元素，核中质子数为为1，核外只有，核外只有1个

7、电子。基态时该电子处在个电子。基态时该电子处在1s轨道上，没有内层轨道和电子。氢原子可以失轨道上，没有内层轨道和电子。氢原子可以失去去1个电子成个电子成H+，如像，如像IA族元素；也可以获得族元素；也可以获得1个电子成个电子成H-，使价层轨道全充满，如像，使价层轨道全充满，如像A族族元素。由于这个原因，氢在元素周期表中的位元素。由于这个原因，氢在元素周期表中的位置可以放在置可以放在IA和和A族的第一个位置上，并以族的第一个位置上，并以此来了解它的成键类型。此来了解它的成键类型。101.共价单键nH原子常以共价单键和其它非金属原子形成多原子常以共价单键和其它非金属原子形成多种多样的化合物，例如种

8、多样的化合物，例如H2O，NH3，CH4，HCl，C2H5OH等。等。n氢原子的共价单键半径为氢原子的共价单键半径为32 pm。112.离子键nH H原子可获得一个电子形成原子可获得一个电子形成H H- -离子，由于离子，由于H H原子的原子的电子亲合能很小电子亲合能很小(0.75eV)(0.75eV)，形成负离子的趋势低，形成负离子的趋势低于卤素于卤素( (卤素电子亲合能卤素电子亲合能3eV)3eV)，所以只有电正性，所以只有电正性高的金属才能形成盐型氢化物，如高的金属才能形成盐型氢化物，如NaHNaH，CaHCaH2 2等。等。n在这些化合物中在这些化合物中H H- -以离子键和其它正离子

9、结合。以离子键和其它正离子结合。H H- -的离子半径在的离子半径在130130150 pm150 pm之间。之间。nH H原子丢失原子丢失1 1个电子形成个电子形成H H+ +离子，因其半径极小离子，因其半径极小( (约约0.0015 pm)0.0015 pm)，除气态离子束外，除气态离子束外，H H+ +必定和其它分必定和其它分子或离子结合形成子或离子结合形成H H3 3O O+ +，H H5 5O O2 2+ +，NHNH4 4+ +等离子，再和等离子，再和其它异号离子结合成化合物。其它异号离子结合成化合物。123.金属键n在非常高的压力和很低温度下，例如在非常高的压力和很低温度下，例如

10、250GPa和和77K条件下，条件下，H2分子转变成直线型氢原子链分子转变成直线型氢原子链Hn，使固态分子氢转变成金属相，在其中氢原子间使固态分子氢转变成金属相，在其中氢原子间通过金属键相互结合在一起。通过金属键相互结合在一起。nH2能被许多种金属和合金大量吸附，以原子状能被许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，以金属键和态存在于金属原子间的空隙之中，以金属键和金属相结合。在储氢金属材料中，金属相结合。在储氢金属材料中，H和金属原子和金属原子间就是以金属键结合。间就是以金属键结合。134.氢键n氢键以氢键以XHY表示，其中表示，其中X和和Y都是电负性较都是电负性较高的

11、原子，如高的原子，如F，O，N等。等。Cl和和C在某些条件下在某些条件下也参与形成氢键。也参与形成氢键。n在这体系中在这体系中XH键的键的1对成键电子和对成键电子和Y原子的原子的1对孤对电子参加成键，所以氢键是三中心四电对孤对电子参加成键，所以氢键是三中心四电子子(3C-4e)键。键。145.氢分子配键 在一些过渡金属配位化合物中，氢分子在一些过渡金属配位化合物中，氢分子(H2)作为配位体和金属原子作为配位体和金属原子(M)从侧面结合，两个从侧面结合，两个H原子同时等距离地和原子同时等距离地和M原子成键原子成键HHM15 6.CH M键(Agostic bond)n许多过渡金属化合物的中心金属

12、原子少于许多过渡金属化合物的中心金属原子少于18个电子，它个电子，它形式上不满足形式上不满足18电子规则。这种缺电子性的一种补救办电子规则。这种缺电子性的一种补救办法是过渡金属原子抓住一个配位的有机配位体上的法是过渡金属原子抓住一个配位的有机配位体上的H原原子，以增加它的电子数目。子，以增加它的电子数目。nCH M桥键通常出现在有机金属化合物中的碳桥键通常出现在有机金属化合物中的碳氢氢基团和前过渡金属原子之间，这时基团和前过渡金属原子之间，这时H原子以共价键同时原子以共价键同时和和1个个C原子及原子及1个过渡金属原子成键，形成一个个过渡金属原子成键，形成一个3c2e键，并用符号键，并用符号CH

13、 M表示。半个箭头的符号是形式表示。半个箭头的符号是形式上表示从上表示从H原子提供原子提供2个电子给个电子给M的空轨道共用。的空轨道共用。n和所有和所有3c一一2e桥连体系一样，桥连体系一样，CH M是弯曲的体系。是弯曲的体系。16 7.缺电子多中心氢桥键 在硼烷等化合物中，氢原子可和在硼烷等化合物中，氢原子可和2个硼原子形个硼原子形成三中心二电子成三中心二电子(3c2e)缺电子多中心键。例如，缺电子多中心键。例如，乙硼烷乙硼烷B2H6结构中，结构中，2个个B原子通过原子通过2个硼氢桥键结合个硼氢桥键结合在一起。在一起。17 8. 过渡金属氢化物中的MH键 在过渡金属氢化物中，在过渡金属氢化物

14、中，H原子能以多种形原子能以多种形式和金属原子形成多种形式的化学键，如：端式和金属原子形成多种形式的化学键，如：端接接MH键键、MHM桥键和桥键和(3H)M3面桥面桥键等。键等。18 在常温常压下，氢气是无色、无味的气体，在常温常压下，氢气是无色、无味的气体，它由两个它由两个H原子组成。由于原子组成。由于H2分子是非极性分分子是非极性分子而且只含子而且只含2个电子、分子间的作用力非常弱，个电子、分子间的作用力非常弱，因而它的熔沸点非常低，分别为因而它的熔沸点非常低，分别为13.96 K和和20.39 K。在。在H2分子内，由于分子内，由于H原子很小，没有原子很小，没有内层电子，内层电子，HH间

15、的结合力非常强，解离能间的结合力非常强，解离能达达436 kJmol-1，是所有同核共价单键中最强的，是所有同核共价单键中最强的键。键。193.1.3 氢气的性质nH2和和O2，N2或或C化合时都要在高温或用催化剂化合时都要在高温或用催化剂作用下才能进行。作用下才能进行。H2和和O2化合，还会放出大量化合，还会放出大量的热：的热： 2H2 (g)+ O2 (g) 2H2O(1) H-572 kJmol-1n在制备和使用氢气时，要注意安全问题，因为在制备和使用氢气时，要注意安全问题，因为氢气和氧气混合，在很大的体积分数变化范围氢气和氧气混合，在很大的体积分数变化范围内内(和纯氧混合时为和纯氧混合

16、时为494；和空气混合时和空气混合时为为4.174)遇到火花会发生爆炸。遇到火花会发生爆炸。20n 在实验室制备氢气可用金属锌和盐酸溶液反应：在实验室制备氢气可用金属锌和盐酸溶液反应： 2H+(aq)+Zn(s) H2(g)+Zn2+(aq)n这个方法也是历史上最早制得纯氢气的方法。这个方法也是历史上最早制得纯氢气的方法。上述方程式中上述方程式中(g)、(1)、(s)、(aq)分别代表气态、分别代表气态、液态、固态和水溶液。液态、固态和水溶液。21氢气是重要的工业原料，从下面三个反应即可看氢气是重要的工业原料，从下面三个反应即可看出它的重要性：出它的重要性：n 合成氨：合成氨：N2+3H2 2

17、NH3n 煤的液化：煤的液化：nC+(n+1)H2 CnH2n+2n 合成甲醇：合成甲醇：CO+2H2 CH3OH22FeFeS2Cu,Zn工业生产中大规模制取氢气的方法工业生产中大规模制取氢气的方法 (a)天然气热裂解天然气热裂解 CH4+H2O CO+3H2 C3H8+3H2O 3CO+7H2 (b)水煤气水煤气 C+H2O CO+H2 CO+H2O CO2+H2 (c) 电解电解 氯碱工业：氯碱工业：2NaCl+2H2O 2NaOH+Cl2+H2 电解水：电解水： 2H2O O2+2H2233.2 氧2425氧的发现简史 18 18世纪初，德国化学家施塔世纪初，德国化学家施塔尔尔(Sta

18、hl G E(Stahl G E，16601734)16601734)等人提出等人提出“燃素理论燃素理论”，认，认为一切可以燃烧的物质由灰为一切可以燃烧的物质由灰和和“燃素燃素”组成，物质燃烧组成，物质燃烧后剩下来的是灰，而燃素本后剩下来的是灰，而燃素本身变成了光和热，散逸到空身变成了光和热，散逸到空间去了。间去了。 26 17711772 17711772年间，瑞典化学家舍勒年间，瑞典化学家舍勒 (Scheele K W (Scheele K W，17421786)17421786)在加热红色的在加热红色的 氧化汞、黑色的氧化锰、硝石等时制得了氧氧化汞、黑色的氧化锰、硝石等时制得了氧 气，把

19、燃着的蜡烛放在这个气体中，火烧得更加明亮，他把这气，把燃着的蜡烛放在这个气体中，火烧得更加明亮，他把这个气体称为个气体称为“火空气火空气”。他还将磷、硫化钾等放置在密闭的玻。他还将磷、硫化钾等放置在密闭的玻璃罩内的水面上燃烧，经过一段时间后，钟罩内的水面上升了璃罩内的水面上燃烧，经过一段时间后，钟罩内的水面上升了1/51/5高度，接着，舍勒把一支点燃的蜡烛放进剩余的高度，接着，舍勒把一支点燃的蜡烛放进剩余的“用过了用过了的的”空气里去，不一会儿，蜡烛熄灭了。他把不能支持蜡烛燃空气里去，不一会儿，蜡烛熄灭了。他把不能支持蜡烛燃烧的空气称为烧的空气称为“无效的空气无效的空气”。他认为空气是由这两种

20、彼此不。他认为空气是由这两种彼此不同的成分组成的。同的成分组成的。 27 1774 1774年年8 8月，英国科学家普利斯月，英国科学家普利斯特里特里( Priestley J( Priestley J，177317731804 )1804 )在用一个直径达一英尺的在用一个直径达一英尺的聚光透镜加热密闭在玻璃罩内的聚光透镜加热密闭在玻璃罩内的氧化汞时得到了氧气，他发现物氧化汞时得到了氧气，他发现物质在这种气体里燃烧比在空气中质在这种气体里燃烧比在空气中更强烈，他称这种气体为更强烈，他称这种气体为“脱去脱去燃素的空气燃素的空气”。28 1774 1774年，法国著名的化学家拉瓦锡正在研究磷、硫以

21、及一些金年，法国著名的化学家拉瓦锡正在研究磷、硫以及一些金属燃烧后质量会增加而空气减少的问题，大量的实验事实使他属燃烧后质量会增加而空气减少的问题，大量的实验事实使他对燃素理论发生了极大怀疑，正在这时，对燃素理论发生了极大怀疑，正在这时，1010月份普利斯特里来月份普利斯特里来到巴黎，把他的实验情况告诉了拉瓦锡，拉瓦锡立刻意识到他到巴黎，把他的实验情况告诉了拉瓦锡，拉瓦锡立刻意识到他的英国同事的实验的重要性。他马上重复了普利斯特里的实验，的英国同事的实验的重要性。他马上重复了普利斯特里的实验，果真得到了一种支持燃烧的气体，他确定这种气体是一种新的果真得到了一种支持燃烧的气体，他确定这种气体是一

22、种新的元素。元素。17751775年年4 4月拉瓦锡向法国巴黎科学院提出报告月拉瓦锡向法国巴黎科学院提出报告金属在金属在煅烧时与之相化合并增加其重量的物质的性质煅烧时与之相化合并增加其重量的物质的性质公布了氧的公布了氧的发现，他说这种气体几乎是同时被普利斯特里、舍勒和他自己发现，他说这种气体几乎是同时被普利斯特里、舍勒和他自己发现的。发现的。29n正是拉瓦锡的实验和结论，使当时的化学研究者们正确地正是拉瓦锡的实验和结论，使当时的化学研究者们正确地认识了空气的组成成分和氧气对物质燃烧所起的作用，才认识了空气的组成成分和氧气对物质燃烧所起的作用，才击破了燃素学说，发现了氧。拉瓦锡一生虽然没有发明过

23、击破了燃素学说，发现了氧。拉瓦锡一生虽然没有发明过什么新化合物和新化学反应，但他是历史上最杰出的化学什么新化合物和新化学反应，但他是历史上最杰出的化学家之一，他杰出的天才表现在他能看到旧理论的主要弱点，家之一，他杰出的天才表现在他能看到旧理论的主要弱点，并能把有用的事实和更正确、更全面的新理论结合起来。并能把有用的事实和更正确、更全面的新理论结合起来。n17771777年，拉瓦锡命名此种气体为年，拉瓦锡命名此种气体为Oxygen(Oxygen(氧氧) )，是由希腊文，是由希腊文oxus-(oxus-(酸酸) )和和geinomai(geinomai(源源) )组成，即组成，即“成酸的元素成酸的

24、元素”的意思。的意思。它的化学符号为它的化学符号为O O。我国清末学者徐寿把这种气体称为。我国清末学者徐寿把这种气体称为“羊羊气气”，后来为了统一，取了其中的，后来为了统一，取了其中的“羊羊”字，因是气体，字，因是气体，又加了部首又加了部首“气气”头，成为今天我们使用的头，成为今天我们使用的“氧氧”字。字。n氧是地球上最丰富的化学元素之一，在地壳、海洋和氧是地球上最丰富的化学元素之一，在地壳、海洋和大气层中，氧所占总的质量的百分数为大气层中，氧所占总的质量的百分数为46.4，即有，即有近一半是属于氧的。大气中单质氧近一半是属于氧的。大气中单质氧(即即O2分子分子)占大气占大气质量的质量的23(

25、体积分数为体积分数为21)。氧和氢通过共价键结合。氧和氢通过共价键结合成水，海水质量的成水，海水质量的89是氧。氧与硅及其他铁、铝、是氧。氧与硅及其他铁、铝、钙、钠等元素化合成岩石和矿物，氧几乎构成地壳质钙、钠等元素化合成岩石和矿物，氧几乎构成地壳质量的量的50。n大气中氧的数量基本上保持不变，约为大气中氧的数量基本上保持不变，约为1.181018kg。这一方面是由于燃烧和动植物的呼吸过程消耗氧气，这一方面是由于燃烧和动植物的呼吸过程消耗氧气，另一方面绿色植物利用另一方面绿色植物利用CO2和和H2O在太阳光照射下进行在太阳光照射下进行光合作用，按下一反应产生光合作用，按下一反应产生O2和葡萄糖

26、：和葡萄糖： 6CO2+6H2O 6O2+C6H12O6(葡萄糖葡萄糖)30氧的分布 氧气是无色、无味、顺磁性、能助燃的气体。氧气是无色、无味、顺磁性、能助燃的气体。90 K凝结成液体，液氧呈淡蓝色；在凝结成液体，液氧呈淡蓝色；在54 K结晶成淡蓝色结晶成淡蓝色晶体。晶体。O2分子中分子中OO键长键长121 pm，比比H2O2中中OO单键键长单键键长146 pm要短。要短。O2解离能为解离能为498 kJmol-1。介于介于N N 945 kJmol-1和和FF 158 kJmol-1之间。之间。O2分子是以分子是以O O双键结合在一起双键结合在一起(实际上是实际上是1个个键键和和2个个3电子

27、电子键键)。31氧的性质 早在早在17711774年间，英国人年间，英国人J.Priestley(普利普利斯特莱斯特莱)和瑞典人和瑞典人K W.scheele(席勒席勒)各自从加热各自从加热HgO制得氧气：制得氧气： 2HgO(s) 2Hg(1)+O2(g)加热32氧气的制备在实验室中制备少量的氧气可用下列方法：在实验室中制备少量的氧气可用下列方法：(a)将水电解将水电解(水中加少量的酸或盐使水导电水中加少量的酸或盐使水导电)(b)过氧化氢加催化剂过氧化氢加催化剂(如Fe3+)分解分解(c)将含氧酸盐将含氧酸盐(如KClO3)加热分解加热分解 33n因因O2在水中溶解度很小，可用排水法收集得到

28、。在水中溶解度很小，可用排水法收集得到。n通常实验室用和氧炔炬焊接和切割用的氧气，通常实验室用和氧炔炬焊接和切割用的氧气，是从液化空气分馏得到，在高压下储入钢瓶中是从液化空气分馏得到，在高压下储入钢瓶中出售。出售。n在工业上，氧气除少量用于污水处理、气焊、在工业上，氧气除少量用于污水处理、气焊、切割等外，主要是钢铁工业中利用富氧炼铁和切割等外，主要是钢铁工业中利用富氧炼铁和炼钢。炼钢。34n氧的另一种存在形式是臭氧氧的另一种存在形式是臭氧(O3)，它在室温下，它在室温下是气体，具有特殊的刺激臭味，故称臭氧是气体，具有特殊的刺激臭味，故称臭氧(Ozone)。它在大气中的含量很少，大约只占大。它在

29、大气中的含量很少，大约只占大气质量的十亿分之几。但由于它能吸收由太阳气质量的十亿分之几。但由于它能吸收由太阳来的短波紫外线，处在同温层中的臭氧成了地来的短波紫外线，处在同温层中的臭氧成了地球上生命的保护伞。球上生命的保护伞。35氧在化合物中的成键特征，可根据氧原子的价轨氧在化合物中的成键特征，可根据氧原子的价轨道数道数(4个)和价电子数和价电子数(6个)，按化合物中氧的结构，按化合物中氧的结构单元：单元：O，O2或或O3进行分类，分析它的成键情况和进行分类，分析它的成键情况和孤对电子对的分布来理解孤对电子对的分布来理解。见书中表。见书中表3.2.1.3.2.1.n含含2个个O原子基团化合物中最

30、常见的是原子基团化合物中最常见的是H2O2，它叫，它叫过氧化氢或双氧水。纯过氧化氢或双氧水。纯H2O2是无色液体，凝固点是无色液体，凝固点为为-0.4，因为它受热会爆炸，准确的沸点难以测，因为它受热会爆炸，准确的沸点难以测定，大约为定，大约为150。它的沸点高，意味着分子间存。它的沸点高，意味着分子间存在较强氢键。在较强氢键。36氧的成键特征37n在不同的反应条件下，在不同的反应条件下，H2O2既可能是一个强氧化既可能是一个强氧化剂，也可能是一个还原剂，剂，也可能是一个还原剂，H2O2也能自身发生氧也能自身发生氧化和还原：化和还原： 2H2O2(1) 2H2O(1)+O2(g) 氧的氧化态氧的

31、氧化态 -1 -2 0n H2O2有酸的性质也有碱的性质，能作为质子的提供有酸的性质也有碱的性质，能作为质子的提供者和接受者，形成者和接受者，形成(H2OOH)+或或(OOH)-， 离子。离子。nH2O2能和金属离子配位，形成多种形式的配位化合能和金属离子配位，形成多种形式的配位化合物。物。H2O2通过氢键和其他分子形成晶态加合物，如通过氢键和其他分子形成晶态加合物，如Na2C2O4H2O2，NH4F H2O2，H2O2 H2O2等。尿素和等。尿素和过氧化氢加合物是重要的水加氧剂。过氧化氢加合物是重要的水加氧剂。n由于过氧化氢具有上述性质，可用它作氧化剂、消由于过氧化氢具有上述性质，可用它作氧

32、化剂、消毒剂、漂白剂和金属离子络合剂等。它的优点是氧毒剂、漂白剂和金属离子络合剂等。它的优点是氧化性强，还原产物是水，不引进杂质、不污染环境。化性强，还原产物是水，不引进杂质、不污染环境。-22O38n氧化物是数量最大、也是最重要的工业原料和氧化物是数量最大、也是最重要的工业原料和材料。材料。 n从化学的角度来看，氧化物的酸碱性是很值得从化学的角度来看，氧化物的酸碱性是很值得注意的一类性质。注意的一类性质。 n根据氧化物彼此间结合的性能和它对水、酸、根据氧化物彼此间结合的性能和它对水、酸、碱的反应情况，可将氧化物分成碱的反应情况，可将氧化物分成酸性氧化物、酸性氧化物、碱性氧化物、两性氧化物和中

33、性氧化物碱性氧化物、两性氧化物和中性氧化物。 39氧化物酸性氧化物酸性氧化物是溶于水生成酸的氧化物是溶于水生成酸的氧化物SO3 (g)+ H2O(1) H2SO4(aq)P4O10(s)+6H2O(1) 4H3PO4(aq)碱性氧化物碱性氧化物是溶于水生成碱的氧化物是溶于水生成碱的氧化物 Na2O(s)+H2O(1) 2Na(OH)(aq) CaO(s)+H2O(1) Ca(OH)2(aq)40两性氧化物两性氧化物(amphoteric oxide)既能和酸反应又既能和酸反应又能和碱反应，其作用分别既像碱又像酸能和碱反应，其作用分别既像碱又像酸 Al(OH)3(s)+OH-(aq) Al(OH

34、)4-(aq) 酸酸 碱碱 Al(OH)3(s)+3H+(aq) Al3(aq)+3H2O(1) 碱碱 酸酸少数氧化物，如少数氧化物，如CO、NO、N2O，不呈现酸碱性，不呈现酸碱性，称为称为中性氧化物中性氧化物。4142 主族元素氧化物的酸碱性示于表主族元素氧化物的酸碱性示于表3.2.2中，表中，表中左边元素氧化物显碱性，右边显酸性，中间显中左边元素氧化物显碱性，右边显酸性，中间显两性。在中间区中加上方框的两性。在中间区中加上方框的6个元素处于最高氧个元素处于最高氧化态时为酸性氧化物，低氧化态时为两性氧化物。化态时为酸性氧化物，低氧化态时为两性氧化物。3.3 水的结构和性质4344n水是地球

35、上数量最多的分子型化合物。水是地球上数量最多的分子型化合物。n和人的生命以及人们生活的关系最为密切，和人的生命以及人们生活的关系最为密切，人体一人体一半以上是水。半以上是水。n动植物的生长、工农业的生产都离不开水。动植物的生长、工农业的生产都离不开水。n水是化学工业生产中最常用的试剂和溶剂。水是化学工业生产中最常用的试剂和溶剂。 水在不同条件下以气、液、固三种状态存在。水在不同条件下以气、液、固三种状态存在。 大气中有水蒸气，江河湖海由液态的水形成，低温大气中有水蒸气，江河湖海由液态的水形成，低温 下水结晶成冰。下水结晶成冰。 在低温高压下出现多种结构型式的冰，现在已知在低温高压下出现多种结构

36、型式的冰，现在已知有有 11种不同结构的冰种不同结构的冰 。3.3.1 水分子和冰的结构四面体形电荷分布体系H2OH-FH2OH-ClH2OH-CNH2OH-OH质子受体质子给体水的气态二聚体45冰的结构Ih46冰的各种晶型晶型 晶系 氢原子分布 密度 gcm-3 K2K3，例如例如H3PO4的的K1=7.0810-3，K2=6.310-8，K3=4.410-13。每级约差。每级约差10-5。各级电离常数差。各级电离常数差别的根源在于电离后与别的根源在于电离后与X相连的荷负电的氧原相连的荷负电的氧原子子(XO-)，不象配键不象配键XO从从X抽调电子，反而抽调电子，反而由由O向向X供给负电荷，这

37、种供给电荷的效应大体供给负电荷，这种供给电荷的效应大体上等于一个配键的吸电子效应。例如，上等于一个配键的吸电子效应。例如，HSO4-的的解离常数解离常数(亦即亦即H2SO4的的K2)与与H2SO3的的K1大致相大致相等。等。763.5.4 缓冲溶液 缓冲溶液缓冲溶液(buffer solution)是指一种溶液当加入是指一种溶液当加入少量的强酸或强碱时，它的少量的强酸或强碱时，它的pH值变化很小的溶液。值变化很小的溶液。一定量越高浓度的共轭酸碱对的混合液，例如一定量越高浓度的共轭酸碱对的混合液，例如CH3COOHCH3COONa溶液、溶液、H2CO3NaHCO3溶溶液等，它们具有中和掉外加到溶

38、液中的少量强酸液等，它们具有中和掉外加到溶液中的少量强酸或强碱，从而缓和了外加酸碱对溶液或强碱，从而缓和了外加酸碱对溶液pH的影响。的影响。保持溶液中的保持溶液中的pH不发生显著变化的作用，称为不发生显著变化的作用，称为缓缓冲作用冲作用，具有具有这种缓冲作用的溶液称为，具有具有这种缓冲作用的溶液称为缓冲缓冲溶液溶液。77例如醋酸水溶液中存在如下平衡：例如醋酸水溶液中存在如下平衡：HAc H+Ac-(a)今若有0.100 moldm-3的HAc溶液。平衡时H+=Ac-=x，HAc=0.100- x，这时： ，pH=2.87 5a108 . 1HAcAcHK52108 . 1100. 0 xx33

39、dmmol1034. 1Hx78 (b)同理，0.100 moldm-3的NaAc溶液，按如下平衡，有： Ac-+H2O HAc+OH- OH-=HAc=x，Ac-=0.100-x x=OH-=7.510-6 moldm-3 pOH=5.12，pH=14.00-5.12=8.88xxKKK100. 0106 . 5108 . 1100 . 1210514aWb79(c)当溶液中当溶液中HAc和和NaAc的浓度均为的浓度均为0.100 moldm-3时时, 5a108 . 1100. 0100. 0HHAcAcHK溶液的溶液的pH=4.74，溶液中存在如下平衡溶液中存在如下平衡： HAc H+

40、+ Ac- (0.100) (1.810-5) (0.100) moldm-3 加少量强酸，加少量强酸，H+与与Ac-反应，生成反应，生成HAc，净增，净增H+很少；很少；加少量强碱，加少量强碱，OH-与与HAc中和，生成中和，生成H2O和和Ac-，H+净减很净减很少。这种溶液的少。这种溶液的pH不会为加入的少量强酸或强碱所改变。不会为加入的少量强酸或强碱所改变。803.6 氧化还原反应 3.6.1 3.6.1 氧化反应和还原反应氧化反应和还原反应 3.6.2 3.6.2 电极电势及其应用电极电势及其应用 3.6.3 3.6.3 氧化还原平衡氧化还原平衡 813.6.1 氧化反应和还原反应 n

41、氧化反应和还原反应普遍地存在于化学的各个氧化反应和还原反应普遍地存在于化学的各个领域之中。燃烧、冶金、金属腐蚀、电池充放领域之中。燃烧、冶金、金属腐蚀、电池充放电以及生物体的许多过程都涉及氧化反应和还电以及生物体的许多过程都涉及氧化反应和还原反应。原反应。n氧化的原意是和氧化合，例如氧化的原意是和氧化合，例如：82FeOO21Fe2CuOO21Cu2n还原还原这个术语首先用在金属氧化物还原成金属，这个术语首先用在金属氧化物还原成金属，例如：例如： n氧化和还原总是一起进行，有物质被氧化就一氧化和还原总是一起进行，有物质被氧化就一定在同时有物质被还原。定在同时有物质被还原。n通常把易于和氧化合的

42、一些物质如碳、氢气和通常把易于和氧化合的一些物质如碳、氢气和铝等称为铝等称为还原剂还原剂，在上述例子中它们被氧化成，在上述例子中它们被氧化成CO2，H2O和和A12O3。32222OAl3Fe2Al3FeOOHCuHCuOCOFe2C2FeO83n对于不含氧的反应中，例如：对于不含氧的反应中，例如：NaClCl21NaLiFF21Li22也称为氧化还原反应。也称为氧化还原反应。Li和和Na在反应中失去电子形成在反应中失去电子形成Li+、Na+，与和氧反应的情况相似，锂和钠被氧化，与和氧反应的情况相似，锂和钠被氧化，其氧化态升高其氧化态升高。 氧化的定义氧化的定义是失去电子，氧化态升高；是失去电

43、子，氧化态升高；还原的定还原的定 义义是得到电子，氧化态降低。是得到电子，氧化态降低。84n使另一物质氧化的物质为使另一物质氧化的物质为氧化剂氧化剂，如，如O2、F2、C12等，反应时它本身被还原；使另一物质还等，反应时它本身被还原；使另一物质还原的物质为原的物质为还原剂还原剂，如，如C、H2、Al等，反应时等，反应时它本身被氧化。它本身被氧化。n由于氧化反应和还原反应总是一起发生，所以由于氧化反应和还原反应总是一起发生，所以称这种形式的反应为称这种形式的反应为氧化还原反应氧化还原反应(oxidation-reduction或redox reaction)。氧化还原反应是一。氧化还原反应是一种

44、氧化剂从一种还原剂中取得电子的反应，是种氧化剂从一种还原剂中取得电子的反应，是电子转移的反应。电子转移的反应。853.6.2 电极电势及其应用 一个氧化还原反应可以通过选择适当的一个氧化还原反应可以通过选择适当的电极组装成电池，使反应分别在两个电极电极组装成电池，使反应分别在两个电极 (或或称半电池称半电池)上进行，在一个电极上发生氧化反上进行，在一个电极上发生氧化反应，在另一电极上发生还原反应。将氢电极作应，在另一电极上发生还原反应。将氢电极作为标准，即定标准氢电极的电极电势为为标准，即定标准氢电极的电极电势为0：2H21eHE=0将各种金属及包含其离子的溶液组成的电极和将各种金属及包含其离子的溶液组成的电极和氢电极组成电池，可测得电极电势。氢电极组成电池，可测得电极电势。86标准电极电势表的用途1）判断金属的氧化还原能力。电极电势越负，判断金属的氧化还原能力。电极电势越负，电极反应中还原态物质越容易失去电子。电极反应中还原态物质越容易失去电子。 例如：例如：水溶液