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End. Close. 第五章 氢和稀有气体. §5.1 氢. 一、存在三种同位素. 二、性质. 三、氢的制备. 四、氢能源. 1. 氢的储存方法. 2 . 碳纳米管（巴基管）. 3. 国外纳米碳吸附氢研究现状和发展趋势. 五、氢化物. End. Close. 本章教学要求：. 1 ．了解氢在周期表中的位置与其在很多方面具有 特殊性的关系及氢的二元化合物结构和性质。. 2 ．掌握水的重要物理特性及其与结构的关系，初 步了解水的相，了解重水及其主要性质和用途。. 3 ．掌握难挥发非电解质稀溶液的依数性与浓度间
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End Close 第五章 氢和稀有气体 §5.1 氢 一、存在三种同位素 二、性质 三、氢的制备 四、氢能源 1. 氢的储存方法 2 .碳纳米管（巴基管） 3. 国外纳米碳吸附氢研究现状和发展趋势 五、氢化物
End Close 本章教学要求： 1．了解氢在周期表中的位置与其在很多方面具有 特殊性的关系及氢的二元化合物结构和性质。 2．掌握水的重要物理特性及其与结构的关系，初 步了解水的相，了解重水及其主要性质和用途。 3．掌握难挥发非电解质稀溶液的依数性与浓度间 的定量关系及其应用。 4．了解胶体的重要性质，制备和凝聚方法及其与 胶体结构的关系。 难点：难挥发非电解质稀溶液的依数性。
End Close §5.1 氢 H 氢是周期表中唯一尚未找到确切位置的元素······
End Close 氢的发现 氢发现得比较早，早在十六世纪马拉塞尔斯（Paracelous）就发现硫酸与铁反应时，有一种能燃烧的气体产生。直到1766年英国科学家凯文迪亚才确认它是与空气不同的一种易燃的新物质。他曾称之为“易燃空气”，甚至误认为这种气体就是燃素。直到1787年法国科学家拉瓦锡才命名这种气体为氢，意为“成水元素”（和O2燃烧生成水），并确定它是一种元素。 卡迪文许(1731-1810) 拉瓦锡(1743-1794)
T H D End Close 一、在三种同位素 氕 H 氘 D 氘 T 氢在邻近地面的空气中含量极少，但光谱分 析表明，氢是太阳和某些星球大气的主要组成部 分，以原子百分数（即丰度）计，它占81.75%， 是太阳发生热核反应的主要原料，是人类赖以生 存的最大能量来源。
二、性质 End Close （1）溶点、沸点很低，难以液化 （2）有极好的扩散性，导热性 （3）难溶于水，易“溶于”某些金属 （4）常温下不活泼，高温较活泼，以还原性 为主 例:
End Close 将氢气分子加热至2000K以上，特别是通过电弧或者进行低压放电，可得到原子氢。 H2 (g) = 2H (g) 原子氢比单质氢有更强的还原性 例如：As+3H=AsH3 S+2H=H2S CuCl2+2H=Cu+2HCl BaSO4+8H=BaS+4H2O
三、氢的制备 N2 NaH CH4 C H2O H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2 1143 K 1273 K pyrolysis elecrolysis photolysis End Close
End Close 实验室制备: Zn + 2H+ = H2↑+ Zn2+ Zn + 2H2O + 2OH- = Zn(OH)42- + H2↑ 实验室制氢气中杂质来源与除去方法 H2S锌中含微量 ZnS H2S + Pb2+ + 2H2O →PbS + H3O+ AsH3锌和硫酸中含微量As AsH3+3Ag2SO4+3H2O→6Ag+H3AsO3+3H2SO4 SO2锌还原 H2SO4产生 SO2 + 2KOH → K2SO3 + H2O
End Close 工业上制氢主要有三种方法: （1）水煤气法 C（赤热）+H2O(g) H2+CO(g) 水煤气在用作燃料时就不必分离开H2与CO，但为了制备H2，就必须分出CO。 可以将水煤气和水蒸气混合通过红热的催化剂氧化铁，CO转变为CO2，然2.0×103KPa(20atm)下用水洗涤CO2和H2的混合气体，使CO2溶于水而分离出H2。 CO+H2+H2O（g）=CO2+2H2+42.7 KJ
（2）甲烷转化法 End Close CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) （3）水的电解法 电解反应如下: 阴极 2H2O+2e→H2↑+2OH- 阳极 4 OH-→O2↑+2H2O+4e 2 H2O(l)=2H2(g)+O2(g)
H2 大容量电解槽体 大型制氢站 氢气纯化装置 氢气储罐群 End Close 我 国 已 建 成 大 型 制 氢 设 备
四、氢能源 End Close 近十多年来，对以氢气作为未来的动力燃料的氢能源的研究获得了迅速的发展，象电一样，氢是一种需要依靠其他能源如石油、煤、原子能等的能量来制取的所谓“二级能源”。（而存在于自然界的可以提供现成形式的能量称为一级能源，如煤、石油、太阳能或原子能）。 长征二号火箭 氢能源加油站 氢能源汽车
End Close 氢之所以可被选为未来的二级能源，是因为它 具有下述的特点： 1．原料来源于地球上贮量丰富的水，地球表面约 71%为水所覆盖，储水量约为2.1×1021吨。水 分解可制氢，因而资源不受限制。 2．氢气燃烧时发热量很大，2H2(g)+O2(g) = 2 H2O(g) 2mol H2燃烧便能释出484KJ热量。其燃烧热为同 质量石油燃烧的三倍。 3．氢气作为燃料的最大优点是它燃烧后生成物是水， 不会污染环境，是一种无污染的燃料。
End Close 五、氢气的储存： 1.高压容器法，是在高压下，使其液化成为液态氢。 稀有金属储氢 2.金属储氢法 : 2Pd+H2 2PdH LaNi5+3H2 = LaNi5H6 氢气储存净化器
End Close 1. 氢的储存方法 常用的储氢方法及其优缺点见下表:
End Close 2 .碳纳米管（巴基管） 纳米碳中独特晶格排列结构，其储氢数量大大 的高过了传统的储氢系统。碳纳米管产生一些带有 斜口形状的层板，层间距为0.337 nm，而分子氢气 的动力学直径为0.289 nm，所以，碳纳米管能用来 吸附氢气。另外 ，由于这些层板之间的氢的结合是 不牢固的，降压时能够通过膨胀来放出氢气，直到 系统降为常压。
3.国外纳米碳吸附氢研究现状和发展趋势 End Close 1995年，V.A.Likholobov等报道纳米碳纤维的吸附热和亨利系数随着吸附介质分子尺寸的减少而迅速增大，这与常规活性炭的吸附特性正好相反，表明纳米碳纤维有可能对小分子氢显示超常吸附。 1997年，A.C.Dillon等曾报道单壁纳米碳管对氢的吸附量比活性炭大的多，其吸附热约为活性炭的5倍。 1998年，Chambers、Rodriguez、Baker等报道纳米石墨纤维在12 Mpa下的储氢容量高达2克氢/克纳米石墨纤维，比现有的各种储氢技术的储氢容量高1至2个数量级，引 起了世人的瞩目。 日本工业技术院资源环境技术综合研究所最近宣布已开发出能吸附氢的纤维状的炭，直径约100纳米。
End Close 六、氢化物 氢与其它元素形成的二元化合物，称为氢化物。 根据元素电负性的不同，可以生成不同类型的氢化 物。大致分为三类：离子型或盐型氢化物，分子型 或共价型氢化物，金属型氢化物。
End Close 1．离子型氢化物 它是由碱金属和碱土金属（Ca、Sr、Ba）直接与氢化 合成。 如LiH、NaH、KH、RbH、CsH、SrH2和BaH2。 2．共价型氢化物 这类化合物主要是由非金属元素和氢结合而成。如CH4、SiH4、NH3、PH3、H2O、H2S、HF、HCl等 。
End Close 3．金属型氢化物 金属型氢化物主要由过渡金属（IIIB-VIII族以及IB、IIB族）与氢结合而成。如FeH2、CoH2、NiH2、CaH2、ZnH2、VH0.56、TaH0.76、ZnH1.92、LaH2.76等。
