氫化物的類型及復(fù)習(xí)教學(xué)

河北

人教版《必修1》“物質(zhì)的分類”給出的樹狀分類法圖示中，將化合物分為氧化物、酸、堿、鹽四類，這對學(xué)生形成“分類”思想，分類學(xué)習(xí)它們的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途具有重要的作用。《必修2》，又將HCl、H2S、NH3和CH4等稱作氫化物，化合物樹狀分類體系中又增加一個類別。

在人教版課本中HCl的標(biāo)簽是酸，H2S僅在“資料卡片”里介紹了它的毒性，NH3的知識體系較為完整，CH4放到烴的框架中學(xué)習(xí)，在元素周期律時介紹了氫化物的形成條件及其穩(wěn)定性比較……分散零碎、結(jié)構(gòu)性差是氫化物在教學(xué)中的現(xiàn)狀。還有，HCl、H2S、NH3、CH4只是氫化物的“半壁江山”，2011年全國卷28題推出了CaH2，為學(xué)生打開了認(rèn)識金屬氫化物的窗口。因此，高三復(fù)習(xí)時，基于系統(tǒng)思維，教師有必要強化學(xué)生的氫化物類別意識，整合建構(gòu)知識體系和思維模型，指導(dǎo)學(xué)生把握氫化物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律，提升學(xué)生們的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的素養(yǎng)水平。

一、氫化物的含義

正如氧化物、氯化物其中的氧元素、氯元素與電負性比它小的元素所形成的化合物一樣，氫化物應(yīng)當(dāng)是氫與比其電負性小的元素所形成的化合物，如NaH等，其中的氫元素為-1價。但人們已經(jīng)習(xí)慣將諸如HCl、H2S、NH3、CH4等其中的氫元素顯+1價的化合物也稱為氫化物，所以我們只能尊重大眾習(xí)慣，把含有氫元素的二元化合物統(tǒng)稱為氫化物。

二、氫化物的類型

根據(jù)元素組成，氫化物可簡單分為金屬氫化物和非金屬氫化物；根據(jù)成鍵特征，氫化物可分為共價型、離子型和金屬型三類。

1.共價型氫化物

共價型氫化物主要是氫元素與第ⅣA族至ⅦA族元素形成的二元共價化合物。該內(nèi)容需整合元素周期表和元素周期律知識、物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論，建構(gòu)“結(jié)構(gòu)→通性和特性→用途”的學(xué)習(xí)模型進行復(fù)習(xí)。

(1)熔、沸點較低。在通常條件下，非金屬元素的簡單氫化物除水之外都是氣態(tài)。ⅣA族簡單氫化物熔、沸點從上到下逐漸升高，這是因為分子間范德華力隨相對分子質(zhì)量逐漸增大；而ⅤA～ⅦA族元素的簡單氫化物中，位于第二周期的NH3、H2O、HF因分子間存在氫鍵，使它們的熔、沸點在同族中反常高。

(2)熱穩(wěn)定性差別很大。同一周期元素的簡單氫化物穩(wěn)定性從左到右逐漸增強，同一主族元素的簡單氫化物的熱穩(wěn)定性從上到下逐漸減弱，這種遞變性規(guī)律與元素的電負性的遞變規(guī)律是一致的。與氫元素相結(jié)合的元素E的電負性越大，其H-E鍵的鍵能越大，氫化物越穩(wěn)定。

學(xué)生在復(fù)習(xí)該類氫化物時，存在的盲點和誤區(qū)主要有以下三種：

(1)判斷非金屬氫化物的熔、沸點和穩(wěn)定性的依據(jù)錯位。

【例1】(2019·天津卷·7·節(jié)選)(2)氮和磷氫化物性質(zhì)的比較：熱穩(wěn)定性：NH3________PH3(填“>”或“<”)。

沸點：N2H4________P2H4(填“>”或“<”)，判斷的依據(jù)是______________________________。

【答案】> > N2H4分子間存在氫鍵

【分析】部分同學(xué)對物質(zhì)的熔、沸點和穩(wěn)定性理解混亂。分子晶體的熔點是分子間作用力或氫鍵強弱的體現(xiàn)，屬于物理性質(zhì)，而分子的穩(wěn)定性涉及化學(xué)鍵的斷裂，往往會發(fā)生分解反應(yīng)，屬于化學(xué)性質(zhì)，二者具有本質(zhì)的區(qū)別。

(2)思維單一，缺乏靈活性和發(fā)散性。比如，很多學(xué)生認(rèn)為碳元素的氫化物是CH4，其實碳元素的氫化物種類繁多、家族龐大，這與碳元素的成鍵特點有關(guān)；Si、N、P、O的氫化物也非“獨苗”，2012年全國卷第13題元素推斷的著陸點就在于此。再如，《必修2》初學(xué)時僅從元素的非金屬性比較氫化物的穩(wěn)定性，學(xué)習(xí)《選修4》后，還可從其合成反應(yīng)的平衡常數(shù)大小進行宏觀考量，這一點在2011年北京卷25題中有所體現(xiàn)。

(3)遷移應(yīng)用能力欠佳，不能由此及彼，觸類旁通。

【例2】(2016·全國卷Ⅱ·26·節(jié)選)聯(lián)氨(又稱肼，N2H4，無色液體)是一種應(yīng)用廣泛的化工原料，可用作火箭燃料。回答下列問題：

【答案】8.7×10-7N2H6(HSO4)2

2.離子型氫化物

堿金屬和ⅡA族的Mg、Ca、Sr、Ba在氫氣流中加熱，可以生成相應(yīng)的二元化合物。由于這些金屬元素的電負性都比氫元素的小，且相差較大，在一定溫度條件下氫原子從這些活潑金屬的最外層電子中得到一個電子形成H-，因此人們將這一類金屬氫化物稱為離子型氫化物。電解CaH2的熔融鹽，在陽極上放出H2，證明了H-的存在。

【例3】(2011·全國卷·28·節(jié)選)氫化鈣固體是登山運動員常用的能源提供劑。某興趣小組擬選用如下裝置制備氫化鈣。(裝置圖略)實驗結(jié)束后，某同學(xué)取少量產(chǎn)物，小心加入水中，觀察到有氣泡冒出，溶液中加入酚酞后顯紅色，該同學(xué)據(jù)此判斷，上述實驗確有CaH2生成。

(1)寫出CaH2與水反應(yīng)的化學(xué)方程式________________；

(2)該同學(xué)的判斷不正確，原因是________________。

(2)未反應(yīng)的鈣與水反應(yīng)也有類似現(xiàn)象

另外，由于氫元素的電子親和能很小(|-72.7|kJ·mol-1)，所以離子型氫化物穩(wěn)定性較差，且其加熱時能放出H2，因此能作貯氫材料，這一點在下文【例4】中有所體現(xiàn)。

3.金屬型氫化物

許多過渡元素以及鑭系和錒系金屬都能和氫結(jié)合生成二元或多元化合物，如CuH、TiH2、LaNi5H6等，它們?nèi)阅鼙３纸饘俚膶?dǎo)電性，故被稱作金屬型氫化物。以LaNi5H6的生成為例：H2與合金LaNi5接觸時，先吸附于合金表面上，H2分子發(fā)生解離(Ni有催化作用)，原子態(tài)氫原子經(jīng)擴散進入由金屬鑭原子和鎳原子形成的四面體或八面體的空隙中，并以金屬鍵的鍵合作用與金屬原子結(jié)合，也稱間充型氫化物。

【例4】合金貯氫材料具有優(yōu)異的吸收氫性能，在配合氫能的開發(fā)中起到重要作用。一定溫度下，某貯氫合金(M)的貯氫過程如圖所示，縱軸為平衡時氫氣的壓強(p)，橫軸表示固相中氫原子與金屬原子的個數(shù)比(H/M)。(說明：圖象中的字母D、K、K′、G、G′、C、C′是本文作者添加的)

(2)η表示單位質(zhì)量貯氫合金在氫化反應(yīng)階段的最大吸氫量占其總吸氫量的比例，則溫度為T1、T2時，η(T1)________η(T2)(填“>”“<”或“=”)。當(dāng)反應(yīng)Ⅰ處于圖中a點時，保持溫度不變，向恒容體系中通入少量氫氣，達到平衡后反應(yīng)Ⅰ可能處于圖中________點(填“b”“c”或“d”)，該貯氫合金可通過________或________的方式釋放氫氣。

【答案】(1)< (2)>c加熱 減壓

【分析】本題以合金貯氫材料為載體，考查學(xué)生化學(xué)反應(yīng)原理的應(yīng)用能力以及變化觀念和平衡思想的學(xué)科素養(yǎng)。由于合金貯氫材料及其原理陌生度高，學(xué)生沒有相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，思考入題困難，不能根據(jù)圖象信息正確解讀貯氫過程。

理解合金貯氫過程，需要把題目中的文字信息與圖形信息連接起來，建立它們之間的對應(yīng)關(guān)系，挖掘貯氫過程的原理和本質(zhì)。以T1時為例說明如下：

B點后繼續(xù)通入H2，由于H/M幾乎不變，圖象的BC段斜率急劇增加，說明B點后的H2被吸收的量很少，可以忽略不計。

通過上述分析可以看出該合金貯氫的兩種鍵型方式，可知該合金貯氫形成的氫化物處于金屬型氫化物、離子型氫化物或共價型氫化物的過渡狀態(tài)。

三、小結(jié)