Водород PDF Печать E-mail
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ - Водород. Галогены
Автор: SergeiMegan   
31.05.2008 22:28

Водород

Химический символ H. Порядковый номер 1. Атомная масса 1,00794. Ядро атома водорода содержит один протон. Электронная конфигурация 1s1. Водород имеет простейшее строение атома: его ядро окружено электронным облаком.

Число известных изотопов 4. Обычный водород состоит из молекул, в состав которых входят атомы, образованные одним протоном и одним электроном. Этот «простейший» водород называют протий 11Н. Существуют, однако, еще три изотопа водорода, а именно: дейтерий, ядро которого содержит один протон и один нейтрон (его обозначают символом D) — 21Н, и тритий (символ Т), Тритий имеет в ядре два нейтрона и один протон —31Н, а четвертый — 41Н — получен искусственно. В обычном водороде один атом дейтерия приходится приблизительно на 7 тысяч атомов протия, а на один атом трития — 1018 атомов протия.
Тритий является радиоактивным элементом с периодом поля распада 12,262 года и получается искусственно действием нейтронов на изотоп лития:
6Li + n4He+T
Космические лучи в верхних слоях атмосферы вызывают образование нейтронов, вступающих в реакцию:
14N + n12C+T
Эта реакция объясняет наличие ничтожно малых количеств трития в атмосфере.
Особое значение с современных позиций приобретает вопрос о месте водорода в периодической системе Д. И. Менделеева, Электронная структура оболочки водорода аналогична оболочке щелочных металлов. Подобно щелочным металлам, водород имеет высшую степень окисления +1 однозарядного иона H+. Спектр водорода очень похож на спектры щелочных металлов. Подобно последним, водород является сильным восстановителем. Эти ос-новные причины позволяют рассматривать водород как представителя I группы. Однако радиус однозарядного иона H+, называемого протоном (10-6 нм), резко отличается от радиусов ионов щелочных металлов (0,06-0,17 нм). Энергия ионизации атома водорода намного больше атомов щелочных металлов и близка к энергии ионизации галогенов (ЕCl=13,01 эВ, ЕH=13,59 эВ). Следует отметить и другое важное отличие: для щелочных металлов невозможно существование отрицательно заряженных ионов, тогда как для водорода степень окисления -1 достаточно харак-терна. Таким образом, между водородом и щелочными металлами наблюдается лишь некоторое сходство.
С другой стороны, водород включен в главную подгруппу седьмой группы
Как и галогены, водород — газообразное в обычных условиях вещество, образует двухатомные молекулы с ковалентной связью, проявляет окислительные свойства, т.е. атом водорода при-соединяет один электрон, образуя прочную электронную конфигурацию ближайшего инертного элемента гелия. Во всех соединениях водорода с металлами анион КГ одновалентен, а сами эти соединения, — гидриды — по структуре и характеру связи очень сходны с галогенидами: они являются типичными солями. Поэтому водород помещают в VII группу периодической системы элементов Д. И. Менделеева, а в I группе символ водорода заключают в скобки или наоборот.

Нахождение в природе
Водород широко распространен в природе — содержится в воде, во всех органических соединениях, в свободном виде — в некоторых природных газах. Содержание его в земной коре с учетом гидросферы составляет 1% по массе или 16 атомных процентов. Водород составляет около половины массы Солнца.

Получение
В лабораторных условиях водород получают следующими способами.
Взаимодействие металла (цинка) с разбавленными растворами соляной или серной кислот (реакция проводится в аппарате Киппа):
Zn+2НСl=ZnCl2+H2 H<0 Zn+H+= Zn2++H2

2. Взаимодействие щелочноземельных металлов с водой:
Са+2Н2O = Са(ОН)2+H2

3. Взаимодействие алюминия или кремния с водными растворами щелочей:
2Аl+2NaOH+6Н2О=2Na[Al(OH)4]+3H2
Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2

4. Взаимодействие гидридов с водой:
NaH+Н2O=NaOH+H2

В промышленности водород также получают несколькими способами.

1. Электролиз водных растворов КСl или NaCl как побочный продукт. Катодом служит железная сетка, анодом — графит.
Схему электролиза (на примере КС1) следует представлять так. КС1 полностью диссоциирует на ионы K+ и Cl-. При прохождении электрического тока к катоду подходят ионы К+, к аноду — хлорид-ионы Сl-. Калий в ряду стандартных электродных потенциалов расположен до алюминия, и его ионы восстанавливаются (присоединяют электроны) гораздо труднее, чем молекулы воды, Ионов же водорода Н+ в растворе очень мало. Поэтому на катоде разряжаются только молекулы воды с выделением молекулярного водорода:
2Н2О+2e-Н2+ 2OH-
Хлорид-ионы в концентрированном растворе легче отдают электроны (окисляются), чем молекулы воды, поэтому на аноде разряжаются хлорид-ионы:
2Сl--2e-Сl2
Общее уравнение электролиза раствора в ионной форме:

 

2. Конверсионный способ (конверсия — превращение). Сначала получают водяной газ, пропуская пары воды через раскаленный кокс при 1000°С:
С+Н2O=СО+Н2 H>0

Затем оксид углерода (II) окисляют в оксид углерода (IV), пропуская смесь водяного газа с избытком паров воды над нагретым до 400-450°С катализатором Fe2O3:
СО+(Н2)+Н2O=СО2+2Н2 H>0
Образующийся оксид углерода (IV) поглощается водой. Этим способом получают свыше 50% промышленного водорода.

3. Окисление метана водяным паром: СН4+Н2O=СО+3Н2
Реакция протекает в присутствии никелевого катализатора примерно при 800°С. Далее СО превращают в СO2 и Н2 отделяют от СО2, как описано выше.
Этот метод позволяет использовать природные газы и получать самый дешевый водород.
4. Термическое разложение метана (1200°С): СН4=С+2Н2
5. Глубокое охлаждение (до -196°С) коксового газа. При таком охлаждении все газообразные вещества, кроме водорода, конденсируются.
6. Электролиз воды в присутствии NaOH или КОН:
На катоде образуется два объема водорода, на аноде — один объем кислорода.

Физические свойства
Водород — газ без цвета, вкуса и запаха. Самый легкий из всех газов: 1 л весит 0,09 г, в 14,4 раза легче воздуха, плотность при нормальных условиях 0,0899 г/л. Температура кипения -251,8°С. При этой температуре водород переходит в жидкое состояние. Жидкий водород бесцветен.
Водород очень мало растворим в воде (в 1 л воды при 20°С растворяется 18 мл водорода); его характерной особенностью является растворимость в металлах, что объясняет его способность диффундировать через металлические стенки.

Химические свойства


В соединениях водород одновалентен. Для него характерна степень окисления +1. При потере электрона образуется протон • В водных растворах ион Н+ присоединяется к молекуле воды с образованием иона-гидроксония Н3O+.
Но в гидридах металлов степень окисления равна -1. Присоединение электрона приводит к образованию гидрид-иона Н-,электронная конфигурация которого 1s2 соответствует оболочке гелия. Гидрид-ион существует только в кристаллических гидридах самых электроположительных металлов (NaH, CaH2).
Формирование двухэлектронных связей (ковалентные связи) происходит при образовании молекулы водорода и взаимодействии водорода с неметаллами. Со многими неметаллами водород образует газообразные соединения типа RH4, RH3, RH2, RH,
Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных прочной ковалентной связью. Возникновение связи между ними объясняется образованием обобщенной пары электронов (или общего | электронного облака): Н:Н или Н2.
Благодаря этому обобщению электронов молекула H2 более энергетически устойчива, чем его отдельные атомы. Чтобы разорвать молекулы на атомы в 1 моле водорода, необходимо затратить энергию 436 кДж. Распад молекул Н2 на атомы происходит ] при температуре выше 2000°С.
При нормальных условиях водород не взаимодействует с кислородом, однако при поджигании смеси из 2 объемов H2 и 1 объема О2 реакция протекает со взрывом:
2Н2+О2=2Н2О
Водород горит в кислороде с выделением большого количества теплоты. Температура водородно-кислородного пламени достигает 2800°С. Смесь двух объемов водорода и одного объема кислорода называют гремучим газом. Как при горении водорода в кислороде, так и при взрыве гремучей смеси образуется вода.
При работе с водородом необходимо соблюдать большую осторожность: предварительно проверять герметичность аппаратуры, а также чистоту водорода перед его поджиганием.

Взаимодействие с галогенами протекает по-разному. Фтор реагирует с водородом со взрывом даже в темноте:
H2+F2=2HF

Взаимодействие хлора с водородом происходит со взрывом только на свету:
Н2+Сl2=2НСl

С бромом реакция протекает менее энергично, а с иодом не идет до конца даже при высокой температуре.
При пропускании водорода через расплавленную серу образуется сероводород:
H2+S=H2S

При нагревании водород обратимо реагирует с азотом, причем только при высоком давлении и в присутствии катализатора:
3Н2+N22NH3 H<0

При высокой температуре водород соединяется с щелочными и щелочноземельными металлами, образуя белые кристаллические вещества — гидриды металлов: 2Na+Н2=2NaH 2Li+Н2=2LiH Са+Н2=СаН2
В этих соединениях металл имеет положительную степень окисления, водород — отрицательную: водород является окислителем:
Н+e-H-

Соединения водорода с металлами (гидриды) являются типично ионными и характеризуются сильными восстановительными свойствами. Уже в присутствии следов воды они разлагаются па соответствующий гидроксид и водород:
NaH+НОН=NaOH+H2 СаН2+2Н2О=Са(ОН)2+2H2
При нагревании водород восстанавливает многие металлы из [их оксидов, например:
CuO+Н2=Cu+Н2О

 

В этой реакции водород отдает один электрон (молекула водорода — два электрона), он — восстановитель (см. табл. 13),

Применение

Использование водорода основано на его физических и химических свойствах.
Как легкий газ, он используется для наполнения аэростатов и дирижаблей (в смеси с гелием).
Применяют водород для получения высоких температур: кислородно-водородным пламенем режут и сваривают металлы.
Он используется для получения металлов (молибдена, вольфрама и др.) из их оксидов, в химической промышленности — для получения аммиака и искусственного жидкого топлива; в пищевой промышленности — для гидрогенизации жиров. изотопы водорода — дейтерий и тритий — нашли важное применение в атомной энергетике (термоядерное горючее).

Таблица 13,
Водородные соединения и изменение свойств водородных
соединений элементов в периодической системе с ростом
заряда ядер

 

1. В периоде от концов к центру периода полярность связи Н—Э в молекулах водородных соединений элементов главных подгрупп уменьшается.
2. В главных подгруппах же полярность связи в гидридах с ростом зарядов ядер элементов увеличивается.
3. В главных подгруппах неметаллов полярность связи в молекулах водородных соединений уменьшается с увеличением заряда ядер элементов. Закономерно изменяются и физические свойства (tкипения, tплавления, агрегатное состояние).

LAST_UPDATED2
 

Комментарии  

 
0 #3 Georgebofe 31.05.2016 12:39
Я думаю, что Вы не правы. Пишите мне в PM, поговорим.


-----
нанофиксит титаниум купить
Цитировать
 
 
0 #2 Georgebofe 30.05.2016 17:28
Согласен, очень полезная фраза


-----
nanofixit купить в москве
Цитировать
 
 
0 #1 08.10.2010 09:37
спасибо за помощь
Цитировать
 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить