氢气的化学性质都有什么

Posted 2022-12-22 氢化物

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氢气的化学性质都有什么

氢气常温下性质稳定，在点燃或加热的条件下能多跟许多物质发生化学反应。

①可燃性（可在氧气中或氯气中燃烧）：2H2+O2=点燃=2H2O（化合反应）

(点燃不纯的氢气要发生爆炸,点燃氢气前必须验纯)

H2+Cl2=点燃=2HCl（化合反应）

②还原性(使某些金属氧化物还原)

H2+CuO

Cu+H2O（置换反应）

3H2+Fe2O3=高温=2Fe+3H2O（置换反应）

3H2+WO3

W+3H2O（置换反应）

共价

虽然氢气在通常状态下不是非常活泼，但氢气与绝大多数元素会组成化合物。

碳氢化合物已知有数以百万种，但它们不会由氢气和碳直接化合形成。

氢气与电负性较强的元素（如卤素）反应，在这些化合物中氢的氧化态为+1。

氢与氟、氧、氮成键时，可生成一种较强的非共价的键，称为氢键。

氢键对许多生物分子具有重要意义。

氢也与电负性较低的元素（如活泼金属）生成化合物，这时氢的氧化态通常为 -1，这样的化合物称为氢化物。

氢与碳形成的化合物，由于其与生物的关系，通常被称为有机物，研究有机物的学科称为有机化学，而研究有机物在生物中所起的作用的科学称为生物化学。

按某些定义，“有机”只要求含有碳。

但大多数含碳的化合物通常都含有氢。

这些化合物的独特性质主要是由碳氢键决定的。

故有时有机物的定义要求物质含有碳氢键。

无机化学中，H- 可以作为桥接配体，连接配合物中的两个金属原子。

这样的特性通常在13族元素中体现，尤以硼烷、铝配合物和碳硼烷中。

氢化物

含有氢元素的二元化合物称为氢化物。

“氢化物”一词暗含氢显负价，且其氧化态为-1的意思。

氢负离子记做H-，其存在是1916年由吉尔伯特·路易斯预言的。

1920年Moers用电解氢化锂，在阳极产生氢气，从而证明了氢化物的存在。

对于非IA或IIA族的元素形成的氢化物，“氢化物”一词并不准确，因为氢的电负性并不高。

IA族碱金属的氢化物中有一个例外，即高聚物氢化锂。

氢化铝锂中4个氢原子紧靠铝原子。

虽然氢可与几乎所有的主族元素形成氢化物，但这些氢化物的原子配比却并不单一，例如二元的硼烷已发现100多种，但氢化铝只有一种。

二元氢化铟还未被发现，但它存在于更大的配合物中。

质子与酸

对氢原子的氧化，也即让氢原子失去其电子，即可得到H+（氢离子）。

氢离子不含电子，由于氢原子通常不含中子，故氢离子通常只含1个质子。

这也就是为什么常将H+直接称为质子的原因。

H+是酸碱理论的重要离子。

裸露的质子H+不能直接在溶液或离子晶体中存在，这是由氢离子和其他原子、分子不可抗拒的吸引力造成的。

除非在等离子态物质中，氢离子不会脱离分子或原子的电子云。

但是，“质子”或“氢离子”这个概念有时也指带有一个质子的其他粒子，通常也记做“H+”。

为了避免认为溶液中存在孤立的氢离子，一般在水溶液中将水和氢离子构成的离子称为水合氢离子（H3O+）。

但这也只是一种理想化的情形。

氢离子在水溶液中事实上以类似于H9O4+的形式存在。

尽管在地球上少见，H3+离子（质子化分子氢）却是宇宙中最常见的离子之一。

可燃性

氢气燃烧

氢气是一种极易燃的气体，在空气中的体积分数为4%至75%时都能燃烧。

氢气燃烧的焓变为−286 kJ/mol：

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l); ΔH = -572 kJ/mol

氢气占4%至74%的浓度时与空气混合，或占5%至95%的浓度时与氯气混合时是极易爆炸的气体，在热、日光或火花的刺激下易引爆。

氢气的着火点为500 °C。

纯净的氢气与氧气的混合物燃烧时放出紫外线。

因为氢气比空气轻，所以氢气的火焰倾向于快速上升，故其造成的危害小于碳氢化合物燃烧的危害。

氢气与所有的氧化性元素单质反应。

氢气在常温下可自发的和氯气（需要光照）反应，氢气和氟气在冷暗处混合就可爆炸，生成具有潜在危险性的酸氯化氢或氟化氢。

在带尖嘴的导管口点燃纯净的氢气，观察火焰的颜色。

然后在火焰上方罩一个冷而干燥的烧杯，过一会儿，我们可以看到，纯净的氢气在空气里安静地燃烧，产生淡蓝色的火焰（氢气在玻璃导管口燃烧时，火焰常略带黄色）。

用烧杯罩在火焰的上方时，烧杯壁上有水珠生成，接触烧杯的手能感到发烫。

氢气在空气里燃烧，实际上是氢气跟空气里的氧气发生了化合反应，生成了水并放出大量的热。

这个反应的化学方程式是：

2H2+O2=点燃=2H2O

取一个一端开口，另一端钻有小孔的纸筒（或塑料筒等），用纸团堵住小孔，用向下排空气法收集氢气，使纸筒内充满氢气。

把氢气发生装置移开，拿掉堵小孔的纸团，用燃着的木条在小孔处点火，注意有什么现象发生。

（做这个实验时，人要离得远些，注意安全。

）

我们可以看到，刚点燃时，氢气在小孔处安静地燃烧，过一小会儿，突然听到“砰”的一声响，爆炸的气浪把纸筒高高炸起。

实验测定，空气里如果混入氢气的体积达到总体积的4%～74.2%，点燃时就会发生爆炸。

这个范围叫做氢气的爆炸极限。

实际上，任何可燃气体或可燃的粉尘如果跟空气充分混合，遇火时都有可能发生爆炸。

因此，当可燃性气体（如氢气、液化石油气、煤气等）发生泄漏时，应杜绝一切火源、火星，禁止产生电火花，以防发生爆炸。

正是由于这个原因，我们在使用氢气时，要特别注意安全。

点燃氢气前，一定要检验氢气的纯度。

用排水法收集一试管氢气，用拇指堵住，移近火焰，移开拇指点火，如果听到尖锐的爆鸣声，就表明氢气不纯，需要再收集，再检验，直到响声很小，只有“扑”的一声才表明氢气已纯净。

如果用向下排空气法收集氢气，经检验不纯而需要再检验时，应该用拇指堵住试管口一会儿，然后再收集氢气检验纯度，否则会发生爆炸的危险。

因为刚检验过纯度的试管内，氢气火焰可能还没有熄灭，如果立刻就用这个试管去收集氢气，氢气火焰可能会点燃氢气发生器里尚混有空气的氢气，使氢气发生器发生爆炸。

用拇指堵住试管口一会儿，就使试管内未熄灭的氢气火焰因缺氧气而熄灭。

另外氢气在氧气过量和低温有催化剂的条件下点燃可生成过氧化氢（H2O2）（氧元素的化合价为-1）