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第第33讲讲氢及相关化合物氢及相关化合物第第33讲讲氢及相关化合物氢及相关化合物教材教材：：Chapter1Chapter1，，pp3pp3--55；；ChapterChapter10,Hydrogen,pp10,Hydrogen,pp274274--291291(pp(pp283283--284284和和pppp289289--290290部分内容可略部分内容可略))1(pp(pp283283--284284和和pppp289289--290290部分内容可略部分内容可略))说点什么？关于诺贝尔奖？医学奖物理学奖中微子振荡中微子振荡！化学奖？仍在期待之中……2化学奖？仍在期待之中能源材料？授课要点授课要点授课要点授课要点一、一、氢的氢的形成、同位素与单质形成、同位素与单质二氢的成键性质与二氢的成键性质与化合物化合物二、氢的成键性质与二、氢的成键性质与化合物化合物三、氢的主要用途和制备三、氢的主要用途和制备三、氢的主要用途和制备三、氢的主要用途和制备四、氢经济及四、氢经济及储氢材料储氢材料3授课要点授课要点授课要点授课要点一一、、氢的氢的形成、同位素与单质形成、同位素与单质二氢的成键性质及氢的二氢的成键性质及氢的化合物化合物二、氢的成键性质及氢的二、氢的成键性质及氢的化合物化合物三、氢主要用途和制备三、氢主要用途和制备三、氢主要用途和制备三、氢主要用途和制备四、氢经济及四、氢经济及储氢材料储氢材料4氢的氢的形成形成氢的氢的形成形成爆炸之初，物质只能以中子、质BigBang140亿年前15billi子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。~15billionyearsago5氢的氢的形成形成初始温度：109K粒子动能极高，互相结合粒子动能极高，互相结合短程的强相互作用，质子和中子结合成原子核进一步，温度降低，较弱的长程相互作用电磁作用原子形成宇宙爆炸之后的不断膨胀导致温度和密度很快下降随着相互作用~电磁作用，原子形成宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却，逐步形成原子核、原子、分子，并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们如今所看到的宇宙。中微子？6中微子氢的氢的形成形成宇宙爆炸之后温度下降很快约2小时基本上就结快，约2小时，基本上就结束了原子核的形成，因此，宇宙中的主要元素是氢宇宙中的主要元素是氢（89%）和氦（11%）。尽管如此，核反应的发生，仍然产生了大量其他元素，带给我们一个多彩的化学世界界……7¾¾氢原子和氢原子和33种基本粒子的性质种基本粒子的性质电电荷荷SISI制制(C)(C)原子原子电荷单位电荷单位质质量量SISI制制(kg)(kg)原子质量单位原子质量单位(u)(u)****电子电子(e)(e)−−1.60221.6022××1010−−1919−−119.10969.1096××1010−−31310.000550.00055()()**(g)(g)()()质子质子(p)(p)+1.6022+1.6022××1010−−1919+1+11.67261.6726××1010−−27271.00731.0073中子中子(n)(n)00001.67491.6749××1010−−27271.00871.0087()()氢原子氢原子(H)(H)电中性电中性1.6731.673××1010−−27271.0081.008**原子电荷单位是以一个电子电荷量作为原子电荷单位是以一个电子电荷量作为11个电荷单位个电荷单位..****原子质量单位原子质量单位(atomicmassunit(atomicmassunit缩写为缩写为u)u)是以是以1212CC=12000000=12000000作为材准的相对质量作为材准的相对质量****原子质量单位原子质量单位(atomicmassunit,(atomicmassunit,缩写为缩写为u)u)是以是以CC=12.000000=12.000000作为材准的相对质量。作为材准的相对质量。8¾¾氢及其同位素氢及其同位素((氘氚氘氚))¾¾氢及其同位素氢及其同位素((氘、氚氘、氚))同位素同位素天然丰度天然丰度%%电子数电子数质子数质子数中子数中子数半衰期半衰期HH99.98599.985111100稳定稳定22HH(D)(D)11××1010--44111111稳定稳定()()33HH(T)(T)11××1010--151511112212.412.4年年HH--4*4*001111339.936969.93696××10s10sHH--55001111448.019308.01930××10s10sHH--660011115533××10s10sHH--770011116622××10s10s结构类似氦整个视为核由结构类似氦整个视为核由个个个质个质**4.14.1HH，，结构上类似氦。整个原子可视为：原子核由结构上类似氦。整个原子可视为：原子核由11个个μμ子子((渺子渺子))、、22个质子个质子和和22个中子组成、外侧只有个中子组成、外侧只有11个电子个电子。。μμ子子((渺子渺子))重重约约0.10.1U,U,一个单位负电荷、一个单位负电荷、自旋为自旋为1/2(“1/2(“加重版加重版””电子电子))自旋为自旋为1/2(“1/2(“加重版加重版””电子电子))。。Fleming,D.G.Fleming,D.G.etal.,etal.,ScienceScience,331(6016),448,331(6016),448––450,2011.450,2011.9¾¾氢及其同位素氢及其同位素((氘、氚氘、氚))33用于夜光表用于夜光表氚的衰变：氚的衰变：33HH用于中子探测用于中子探测3311HH用于夜光表用于夜光表HH→→He+He+ββ--((半衰期半衰期12.412.4年年))33223311氚的制备：氚的制备：22HeHe用于中子探测用于中子探测n+Lin+Li→→H+He+4.78H+He+4.78MeVMeV((中子轰击中子轰击))6633110033114422氚的制备：氚的制备：n+Lin+Li→→H+He+nH+He+n––2.872.87MeVMeV((中子轰击中子轰击))77331100331144221100氘和氚的热核聚变氘和氚的热核聚变(100MK,(100MK,等离子体等离子体))：：H+HH+H→→He+n+176He+n+176MeVMeV((ΔΔHH==−−16981698MJMJ⋅⋅molmol−−11))33224411H+HH+H→→He+n+17.6He+n+17.6MeVMeV((ΔΔHH==−−16981698MJMJ⋅⋅molmol))11112200产生的中子再去轰击产生的中子再去轰击66LiLi，引导进一步的反应，，引导进一步的反应，环境风险比环境风险比235235UU核裂变更小核裂变更小10¾¾氢及其同位素氢及其同位素((氘、氚氘、氚))TheHTheH--HbondisthestrongestsingleHbondisthestrongestsingle¾¾氢及其同位素氢及其同位素((氘、氚氘、氚))氘代后的性质变化：氘代后的性质变化：TheHTheHHbondisthestrongestsingleHbondisthestrongestsinglehomonuclearbondknown(apartfromhomonuclearbondknown(apartfromDD--DorTDorT--Tbonds)Tbonds)DD--DD键比键比HH--HH键强；键强；DD--O…DO…D氢键比氢键比HH--O…HO…H氢键强氢键强；；EEHH与与EEDD的反应性不同的反应性不同(kitiitfft(kitiitfftEEDD慢慢))((张青莲，重水密度的测量张青莲，重水密度的测量NatureNature,,163163,737,1949,737,1949))EE--HH与与EE--DD的反应性不同的反应性不同(kineticisotopeeffect(kineticisotopeeffect，，EE--DD慢慢))利用这些差异：利用这些差异：利用这些差异：利用这些差异：电解水时浓缩得到重水；电解重水得到电解水时浓缩得到重水；电解重水得到HDHD或或DD22；；DD代用于反应机理研究（代用于反应机理研究（IR,Raman,NMRIR,Raman,NMR的变化）；的变化）；氢对氢对XX射线作用弱，采用中子研究氢的位置（射线作用弱，采用中子研究氢的位置（DD代，代，HH吸收与反常散射）吸收与反常散射）重水应用于中子的减速重水应用于中子的减速11T.L.Chang(T.L.Chang(张青莲张青莲),),ScienceScience,,100100,,2929--3030,,19441944..1213T.L.Chang(T.L.Chang(张青莲张青莲)andL.H.Tung()andL.H.Tung(董履和董履和),),NatureNature,163,737,1949.,163,737,1949.¾¾氢及其同位素氢及其同位素((氘、氚氘、氚))核自旋：核自旋：11HH,,II==11//22;;D,D,II==11;;T,T,II==11//22质子核磁共振质子核磁共振((11HH--NMRNMR))：结构分析重要依据：结构分析重要依据。。质子核磁共振质子核磁共振((HHNMRNMR))：结构分析重要依据：结构分析重要依据。。TypicalTypical11HH--NMRchemicalshifts.NMRchemicalshifts.TypicalTypicalHHNMRchemicalshifts.NMRchemicalshifts.(Thetintedboxesshowfamiliesofelementstogether.)(Thetintedboxesshowfamiliesofelementstogether.)14¾¾氢分子氢分子::正氢和仲氢正氢和仲氢¾¾氢分子氢分子::正氢和仲氢正氢和仲氢从核自旋状态来看氢分子从核自旋状态来看氢分子氢氢核自旋向平行的氢分核自旋向平行的氢分正氢正氢((orthohydrogenorthohydrogen))::核自旋取向平行的氢分子核自旋取向平行的氢分子((核自旋量子数核自旋量子数II==11))。。仲仲氢氢核自旋向的氢核自旋向的氢仲仲氢氢((parahydrogenparahydrogen))::核自旋取向相反的氢分子核自旋取向相反的氢分子((核自旋量子数核自旋量子数II==00))。。正氢正氢与与仲氢仲氢的比例与差异：的比例与差异：高温达平衡高温达平衡正氢正氢比例大，但低温比例大，但低温仲氢仲氢占主导占主导高温达平衡高温达平衡正氢正氢比例大，但低温比例大，但低温仲氢仲氢占主导占主导T=T=00K,K,100100%%仲氢仲氢；；T=T=298298K,K,7575%%正氢正氢++2525%%仲氢仲氢二者性质相似但存在差异二者性质相似但存在差异二者性质相似，但存在差异：二者性质相似，但存在差异：仲氢仲氢比比正氢正氢熔沸点低约熔沸点低约0.1K0.1K15热导率热导率仲氢仲氢为为正氢正氢的的50%50%授课要点授课要点授课要点授课要点一一、、氢的氢的形成、同位素与单质形成、同位素与单质二氢的成键性质及氢的二氢的成键性质及氢的化合物化合物二、氢的成键性质及氢的二、氢的成键性质及氢的化合物化合物三、氢的主要用途和制备三、氢的主要用途和制备三、氢的主要用途和制备三、氢的主要用途和制备四、氢经济及四、氢经济及储氢材料储氢材料16¾¾氢的成键氢的成键性质性质核外电子构型核外电子构型1s1s11失去价电子失去价电子形成形成离子离子氢原子氢原子核或质子核或质子“复杂性”：“复杂性”：像碱金属？像卤素像碱金属？像卤素？像碳？？像碳？zz失去价电子：失去价电子：形成形成HH++离子离子，，~~氢原子氢原