Хімічні реакції з воднем. Водень: фізичні та хімічні властивості. Водень у природі

Водень - проста речовина H 2 (диводень, дипротій, легкий водень).

Коротка характеристика водню:

• Неметал.
• Безбарвний газ, що важко піддається зрідженню.
• Погано розчиняється у воді.
• Найкраще розчиняється в органічних розчинниках.
• Хемосорбується металами: залізом, нікелем, платиною, паладієм.
• Сильний відновник.
• Взаємодіє (за високих температур) з неметалами, металами, оксидами металів.
• Найбільшу відновну здатність має атомний водень H 0 , одержуваний при термічному розкладанні H 2 .
• Ізотопи водню:
  • 1 H - протий
  • 2 H - дейтерій (D)
  • 3 H - тритій (Т)
• Відносна молекулярна маса = 2,016
• Відносна щільність твердого водню (t=-260°C) = 0,08667
• Відносна щільність рідкого водню (t=-253°C) = 0,07108
• Надлишковий тиск (н.у.) = 0,08988 г/л
• t плавлення = -259,19 ° C
• t кипіння = -252,87 ° C
• Об'ємний коефіцієнт розчинності водню:
  • (t = 0 ° C) = 2,15;
  • (t = 20 ° C) = 1,82;
  • (t = 60 ° C) = 1,60;

1. Термічне розкладання водню(t=2000-3500°C):
H 2 ↔ 2H 0

2. Взаємодія водню з неметалами:

• H 2 +F 2 = 2HF (t=-250..+20°C)
• H 2 +Cl 2 = 2HCl (при спалюванні або на світлі при кімнатній температурі):
  • Cl 2 = 2Cl 0
  • Cl 0 +H 2 = HCl+H 0
  • H 0 +Cl 2 = HCl+Cl 0
• H 2 +Br 2 = 2HBr (t=350-500°C, каталізатор платина)
• H 2 +I 2 = 2HI (t=350-500°C, каталізатор платина)
• H 2 +O 2 = 2H 2 O:
  • H 2 +O 2 = 2OH 0
  • OH 0 +H 2 = H 2 O+H 0
  • H 0 +O 2 = OH 0 +O 0
  • O 0 +H 2 = OH 0 +H 0
• H 2 +S = H 2 S (t=150..200°C)
• 3H 2 +N 2 = 2NH 3 (t=500°C, каталізатор залізо)
• 2H 2 +C(кокс) = CH 4 (t=600°C, каталізатор платина)
• H 2 +2C(кокс) = C 2 H 2 (t=1500..2000°C)
• H 2 +2C(кокс)+N 2 = 2HCN (t більше 1800°C)

3. Взаємодія водню з складними речовинами:

• 4H 2 +(Fe II Fe 2 III)O 4 = 3Fe+4H 2 O (t більше 570°C)
• H 2 +Ag 2 SO 4 = 2Ag+H 2 SO 4 (t більше 200°C)
• 4H 2 +2Na 2 SO 4 = Na 2 S+4H 2 O (t = 550-600°C, каталізатор Fe 2 O 3)
• 3H 2 +2BCl 3 = 2B+6HCl (t = 800-1200°C)
• H 2 +2EuCl 3 = 2EuCl 2 +2HCl (t = 270°C)
• 4H 2 +CO 2 = CH 4 +2H 2 O (t = 200°C, каталізатор CuO 2)
• H 2 +CaC 2 = Ca+C 2 H 2 (t більше 2200°C)
• H 2 +BaH 2 = Ba(H 2) 2 (t до 0°C, розчин)

4. Участь водню в окисно-відновних реакціях:

• 2H 0 (Zn, розб. HCl) + KNO 3 = KNO 2 + H 2 O
• 8H 0 (Al, конц. KOH)+KNO 3 = NH 3 +KOH+2H 2 O
• 2H 0 (Zn, розб. HCl)+EuCl 3 = 2EuCl 2 +2HCl
• 2H 0 (Al)+NaOH(конц.)+Ag 2 S = 2Ag↓+H 2 O+NaHS
• 2H 0 (Zn, розб. H 2 SO 4)+C 2 N 2 = 2HCN

Водневі сполуки

D 2 – дидейтерій:

• Важкий водень.
• Безбарвний газ, що важко піддається зрідженню.
• Дідейтерію міститься у природному водні 0,012-0,016% (за масою).
• У газовій суміші дидейтерію та протию ізотопний обмін протікає при високих температурах.
• Поганорозчинний у звичайній та важкій воді.
• Зі звичайною водою ізотопний обмін незначний.
• Хімічні властивості аналогічні легкому водню, але дидейтерій має меншу реакційну здатність.
• Відносна молекулярна маса = 4,028
• Відносна щільність рідкого дидейтерію (t=-253°C) = 0,17
• t плавлення = -254,5 ° C
• t кипіння = -249,49 ° C

T 2 – дитритій:

• Надважкий водень.
• Безбарвний радіоактивний газ.
• Період напіврозпаду 12,34 роки.
• У природі дитритій утворюється внаслідок бомбардування нейтронами космічного випромінювання ядер 14 N, сліди дитритію виявлено у природних водах.
• Отримують дитритій у ядерному реакторі бомбардуванням літію повільними нейтронами.
• Відносна молекулярна маса = 6,032
• t плавлення = -252,52°C
• t кипіння = -248,12 ° C

HD - дейтеріоводород:

• Безбарвний газ.
• Чи не розчиняється у воді.
• Хімічні властивості аналогічні H2.
• Відносна молекулярна маса = 3,022
• Відносна щільність твердого дейтеріоводу (t=-257°C) = 0,146
• Надлишковий тиск (н.у.) = 0,135 г/л
• t плавлення = -256,5 ° C
• t кипіння = -251,02 ° C

Оксиди водню

H 2 O - вода:

• Безбарвна рідина.
• За ізотопним складом кисню вода складається з H 2 16 O з домішками H 2 18 O та H 2 17 O
• За ізотопним складом водню вода складається з 1 H 2 O з домішкою HDO.
• Рідка вода піддається протолізу (H 3 O + та OH -):
  • H 3 O + (катіон оксонія) є самою сильною кислотоюу водному розчині;
  • OH - (гідроксід-іон) є найсильнішою основою у водному розчині;
  • Вода - найслабший сполучений протоліт.
• З багатьма речовинами вода утворює кристалогідрати.
• Вода є хімічно активною речовиною.
• Вода є універсальним рідким розчинником неорганічних сполук.
• Відносна молекулярна маса води = 18,02
• Відносна щільність твердої води (льоду) (t=0°C) = 0,917
• Відносна щільність рідкої води:
  • (t=0°C) = 0,999841
  • (t=20°C) = 0,998203
  • (t=25°C) = 0,997044
  • (t=50°C) = 0,97180
  • (t=100°C) = 0,95835
• густина (н.у.) = 0,8652 г/л
• t плавлення = 0°C
• t кипіння = 100 ° C
• Іонний добуток води (25°C) = 1,008·10 -14

1. Термічне розкладання води:
2H 2 O ↔ 2H 2 +O 2 (понад 1000°C)

D 2 O - оксид дейтерію:

• Тяжка вода.
• Безбарвна гігроскопічна рідина.
• В'язкість вища, ніж у води.
• Змішується із звичайною водою у необмежених кількостях.
• При ізотопному обміні утворюється напівважка вода HDO.
• Розчинна здатність нижче, ніж у звичайної води.
• Хімічні властивості оксиду дейтерію аналогічні хімічним властивостям води, проте реакції протікають повільніше.
• Тяжка вода присутня в природної води(Масове відношення до звичайної води 1:5500).
• Оксид дейтерію отримують багаторазовим електролізом природної води, у якому важка вода накопичується у залишку електроліту.
• Відносна молекулярна маса важкої води = 20,03
• Відносна щільність рідкої важкої води (t=11,6°C) = 1,1071
• Відносна щільність рідкої важкої води (t=25°C) = 1,1042
• t плавлення = 3,813°C
• t кипіння = 101,43 ° C

T 2 O - оксид тритію:

• Надважка вода.
• Безбарвна рідина.
• В'язкість вище, а здатність, що розчиняє, нижче, ніж у звичайної і важкої води.
• Змішується зі звичайною та важкою водою у необмежених кількостях.
• Ізотопний обмін із звичайною та важкою водою призводить до утворення HTO, DTO.
• Хімічні властивості надважкої води аналогічні хімічним властивостям води, але всі реакції протікають набагато повільніше, ніж у важкій воді.
• Сліди оксиду тритію знаходять у природній воді та атмосфері.
• Отримують надважку воду пропусканням тритію над розпеченим оксидом міді CuO.
• Відносна молекулярна маса надважкої води = 22,03
• t плавлення = 4,5 ° C

Приступаючи до розгляду хімічних і фізичних властивостей водню, слід зазначити, що у звичному стані, цей хімічний елемент перебуває у газоподібному вигляді. Безбарвний газ водень не має запаху, він не смакує. Вперше цей хімічний елемент був названий воднем після того, як ученим А. Лавуазьє було проведено досліди з водою, за результатами яких світова наука дізналася, що вода – це багатокомпонентна рідина, до складу якої входить Водень. Ця подія сталася в 1787 році, але задовго до цієї дати водень був відомий вченим під назвою «горючий газ».

Водень у природі

За даними вчених, водень міститься в земної корита у воді (приблизно 11,2% у загальному обсязі води). Цей газ входить до складу багатьох корисних копалин, які людство протягом століть витягує з надр землі. Частково властивості водню характерні для нафти, природних газів та глини, для організмів тварин та рослин. Але в чистому вигляді, тобто не поєднаний з іншими хімічними елементами таблиці Менделєєва, цей газ зустрічається вкрай рідко в природі. Цей газ може виходити на поверхню землі під час виверження вулканів. Вільний водень у незначних кількостях є у атмосфері.

Хімічні властивості водню

Оскільки хімічні властивості водню неодноманітні, цей хімічний елемент відноситься як до I групи системи Менделєєва, так і до VII групи системи. Як представник першої групи, водень є, по суті, лужним металом, який має ступінь окислення +1 у більшій частині сполук, в які він входить. Така сама валентність характерна для натрію та інших лужних металів. Зважаючи на такі хімічні властивості, водень розглядається, як елемент, подібний до цих металів.

Якщо йдеться про гідридах металів, то іон водню має негативну валентність – його ступінь окислення дорівнює -1. Na + H-будується за тією ж схемою, що і хлориду Na + Cl-. Цей факт і є причиною того, щоб віднести водень до VII групи Менделєєвої системи. Водень, будучи в стані молекули, за умови, що він перебуває у звичайному середовищі, малорухливий, і може з'єднуватися виключно з неметалами, активнішими за нього. До таких металів можна віднести фтор, за наявності світла водень з'єднується з хлором. Якщо водень нагрівати, він стає активнішим, вступаючи у реакції з багатьма елементами періодичної системи Менделєєва.

Атомарний водень виявляє активніші хімічні властивості, ніж молекулярний. Молекули кисню з формують воду - Н2 + 1/2О2 = Н2О. При взаємодії водню з галогенами, утворюються галогеноводи Н2 + Cl2 = 2НСl, причому у цю реакцію водень вступає за відсутності світла і за досить великих негативних температурах – до - 252°С. Хімічні властивості водню дозволяють використовувати його відновлення багатьох металів, оскільки вступаючи у реакцію, водень поглинає в оксидів металів кисень, наприклад, CuO + H2 = Cu + H2O. Водень бере участь у формуванні аміаку, взаємодіючи з азотом у реакції ЗН2 + N2 = 2NН3, але за умови, що використовуватиметься каталізатор, а температура і тиск – підвищені.

Енергійна реакція відбувається при взаємодії водню з сіркою реакції Н2 + S = H2S, результатом якої стає сірководень. Трохи менш активна взаємодія водню з телуром та селеном. Якщо немає каталізатора, то вступає в реакцію з чистим вуглецем, водень лише за умови, що будуть створені високі температури. 2Н2 + С (аморфний) = СН4 (метан). У процесі активності водню з деякими лужними та іншими металами виходять гідриди, наприклад, Н2 + 2Li = 2LiH.

Фізичні властивості водню

Водень є дуже легким хімічною речовиною. Принаймні, вчені стверджують, що на даний момент немає легшої речовини, ніж водень. Його маса в 14,4 рази легша за повітря, густина становить 0,0899 г/л при 0°С. При температурах -259,1°С водень здатний плавиться - це дуже критична температура, яка не характерна для перетворення більшості хімічних сполукз одного стану до іншого. Тільки такий елемент як гелій перевищує фізичні властивості водню в цьому плані. Зрідження водню важко, тому що його критична температура дорівнює (-240 ° С). Водень - найбільш теплопродний газ з усіх, відомих людству. Усі описані вище властивості є найбільш значущими фізичними властивостями водню, які використовуються людиною для конкретних цілей. Також ці властивості є найбільш актуальними для сучасної науки.

Хімічні властивості водню

За звичайних умов молекулярний Водень порівняно мало активний, безпосередньо з'єднуючись лише з найактивнішими з неметалів (з фтором, але в світла і з хлором). Однак при нагріванні він вступає в реакції з багатьма елементами.

Водень вступає в реакції з простими та складними речовинами:

- Взаємодія водню з металами призводить до утворення складних речовин - гідридів, у хімічних формулах яких атом металу завжди стоїть на першому місці:

За високої температури Водень безпосередньо реагує з деякими металами(лужними, лужноземельними та іншими), утворюючи білі кристалічні речовини - гідриди металів (Li Н, Na Н, КН, СаН 2 та ін.):

Н 2 + 2Li = 2LiH

Гідриди металів легко розкладаються водою з утворенням відповідного лугу та водню:

Са H 2 + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + 2Н 2

- при взаємодії водню з неметалами утворюються леткі водневі сполуки. У хімічної формулилетючого водневого з'єднання, атом водню може стояти як на першому так і на другому місці, залежно від місцезнаходження в ПСХЕ (див. табличку в слайді):

1). З киснемВодень утворює воду:

Відео "Горіння водню"

2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О + Q

При нормальних температурах реакція протікає вкрай повільно, вище 550 ° С - з вибухом (суміш 2 обсягів Н 2 і 1 обсягу 2 називається гримучим газом) .

Відео "Вибух гримучого газу"

Відео "Приготування та вибух гримучої суміші"

2). З галогенамиВодень утворює галогеноводи, наприклад:

Н 2 + Cl 2 = 2НСl

При цьому з фтором Водень вибухає (навіть у темряві при -252°С), з хлором і бромом реагує лише при освітленні або нагріванні, а з йодом тільки при нагріванні.

3). З азотомВодень взаємодіє з утворенням аміаку:

ДТ 2 + N 2 = 2NН 3

лише на каталізаторі і при підвищених температурах і тисках.

4). При нагріванні Водень енергійно реагує із сіркою:

Н 2 + S = H 2 S (сірководень),

значно важче з селеном та телуром.

5). З чистим вуглецемВодень може реагувати без каталізатора тільки при високих температурах:

2Н 2 + С (аморфний) = СН 4 (метан)

- Водень входить у реакцію заміщення з оксидами металів При цьому утворюються в продуктах вода і відновлюється метал. Водень - виявляє властивості відновника:

Водень використовується для відновлення багатьох металів, оскільки забирає кисень у їх оксидів:

Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4Н 2 О, і т.д.

Застосування водню

Відео "Застосування водню"

Нині водень отримують у величезних кількостях. Дуже більшу частину його використовують при синтезі аміаку, гідрогенізації жирів та при гідруванні вугілля, олій та вуглеводнів. Крім того, водень застосовують для синтезу соляної кислоти, метилового спирту, синильної кислоти, при зварюванні та куванні металів, а також при виготовленні ламп розжарювання та дорогоцінного каміння. У продаж водень надходить у балонах під тиском понад 150 атм. Вони пофарбовані в темно-зелений колір і мають червоний напис "Водень".

Водень використовується для перетворення рідких жирів у тверді (гідрогенізація), виробництва рідкого палива гідрогенізацією вугілля та мазуту. У металургії водень використовують як відновник оксидів або хлоридів для одержання металів та неметалів (германію, кремнію, галію, цирконію, гафнію, молібдену, вольфраму та ін.).

Практичне застосування водню різноманітне: їм зазвичай заповнюють кулі-зонди, в хімічній промисловості він служить сировиною для отримання багатьох вельми важливих продуктів (аміаку та ін), в харчовій - для вироблення з олії твердих жирів і т. д. Висока температура (до 2600 °С), що виходить при горінні водню в кисні, використовується для плавлення тугоплавких металів, кварцу і т. п. Рідкий водень є одним з найефективніших реактивних палив. Щорічне світове споживання водню перевищує 1 млн т.

ТРЕНАЖИРИ

№2. Водень

ЗАВДАННЯ ДЛЯ ЗАКРІПЛЕННЯ

Завдання №1
Складіть рівняння реакцій взаємодії водню з наступними речовинами: F 2 Ca, Al 2 O 3 , оксидом ртуті (II), оксидом вольфраму (VI). Назвіть продукти реакції, вкажіть типи реакцій.

Завдання №2
Здійсніть перетворення за схемою:
H 2 O -> H 2 -> H 2 S -> SO 2

Завдання №3.
Обчисліть масу води, яку можна одержати при спалюванні 8 г водню?

Будова та фізичні властивості воднюВодень - двоатомний газ Н2. Він не має ні кольору, ні запаху. Це найлегший газ. Завдяки цій властивості він використовувався в аеростатах, дирижаблях і тому подібних пристроях, проте широкому застосуванню водню з цією метою заважає його вибухонебезпечність у суміші з повітрям.

Молекули водню неполярні і дуже малі, тому взаємодія між ними мало. У зв'язку з цим він має дуже низькі температури плавлення (-259оС) та кипіння (-253оС). Водень практично нерозчинний у воді.

Водень має 3 ізотопи: звичайний 1Н, дейтерій 2H або D, і радіоактивний тритій 3Н або Т. Тяжкі ізотопи водню унікальні тим, що важче за звичайний водень у 2 або навіть у 3 рази! Саме тому заміна звичайного водню на дейтерій або тритій помітно позначається на властивостях речовини (так температури кипіння звичайного водню Н2 і дейтерію D2 різняться на 3,2 градуси). Взаємодія водню із простими речовинамиВодень - неметал середньої електронегативності. Тому йому притаманні і окисні, і відновлювальні властивості.

Окисні властивості водню проявляються в реакціях з типовими металами - елементами головних підгруп І-ІІ групитаблиці Менделєєва. Найактивніші метали (лужні та лужноземельні) при нагріванні з воднем дають гідриди – тверді солеподібні речовини, що містять у кристалічній решітці гідрид-іон Н-. 2Na + Н2 = 2NaН ; Са + Н2 = СаН2Відновлювальні властивості водню проявляються в реакціях з типовими неметалами, ніж водень: 1) Взаємодія з галогенами H2 + F2 = 2HF

Аналогічно протікає взаємодія з аналогами фтору – хлором, бромом, йодом. У міру зменшення активності галогену інтенсивність перебігу реакції зменшується. Реакція з фтором відбувається при звичайних умовах з вибухом, для реакції з хлором потрібно освітлення або нагрівання, а реакція з йодом протікає лише при сильному нагріванні та оборотно. 2) Взаємодія з киснем 2Н2 + О2 = 2Н2О Реакція протікає з великим виділенням тепла, іноді вибухом. 3) Взаємодія із сіркоюН2 + S = H2S Сірка - набагато менш активний неметал, ніж кисень, і взаємодія з воднем протікає спокійно. 4) Взаємодія з азотом 3Н2 + N2↔ 2NH3 Реакція оборотна, протікає в помітній мірі тільки у присутності каталізатора, при нагріванні та під тиском. Продукт називається аміак. 5) Взаємодія з вуглецемС + 2Н2↔ СН4 Реакція протікає в електричній дузі або за дуже високих температур. Як побічні продукти утворюються й інші вуглеводні. 3. Взаємодія водню зі складними речовинамиВодень виявляє відновлювальні властивості і в реакціях зі складними речовинами: 1) Відновлення оксидів металів, що стоять в електрохімічному ряду напруг правіше алюмінію, а також оксиди неметалів: Fe2O3 + 2H2 2Fe + 3H2O ; CuO + H2 Cu + H2O Водень застосовують як відновник для вилучення металів із оксидних руд. Реакції йдуть при нагріванні.2) Приєднання до органічних ненасичених речовин; С2Н4 + Н2(t;p)→ С2Н6 Реакції протікають у присутності каталізатора та під тиском. Інших реакцій водню ми поки що не торкатимемося. 4. Одержання воднюУ промисловості водень отримують переробкою вуглеводневої сировини - природного та попутного газу, коксу тощо. Лабораторні методи одержання водню:

1) Взаємодія металів, що стоять в електрохімічному ряду напруг металів лівіше водню, з кислотами. Взаємодія металів, що стоять в електрохімічному ряду напруг металів лівіше магнію, з холодною водою. При цьому також утворюється луг.

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 Метал, що знаходиться в електрохімічному ряді напруг металів лівіше за марганець, здатний витісняти водень з води за певних умов (магній - з гарячої води, алюміній - за умови зняття оксидної плівки з поверхні).

Mg + 2H2O Mg(OH)2 + H2

Метал, що знаходиться в електрохімічному ряду напруг металів лівіше за кобальт, здатний витісняти водень з водяної пари. При цьому утворюється також оксид.

3Fe + 4H2Oпар Fe3O4 + 4H23) Взаємодія металів, гідроксиди яких амфотерні, з розчинами лугів.

Метали, гідроксиди яких амфотерни, витісняють водень із розчинів лугів. Вам необхідно знати 2 таких метали - алюміній та цинк:

2Al + 2NaOH +6H2O = 2Na + + 3H2

Zn + 2KOH + 2H2O = K2 + H2

При цьому утворюються комплексні солі - гідроксоалюмінати та гідроксоцінкати.

Усі методи, перераховані досі, засновані на тому самому процесі - окисленні металу атомом водню в ступені окислення +1:

М0 + nН + = Мn + + n/2 H2

4) Взаємодія гідридів активних металів із водою:

СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2

Цей процес заснований на взаємодії водню у ступені окислення -1 з воднем у ступені окислення +1:

5) Електроліз водних розчинів лугів, кислот, деяких солей:

2Н2О 2Н2 + О2

5. Водневі сполукиУ цій таблиці зліва легкою тінню виділено клітини елементів, що утворюють з воднем іонні сполуки - гідриди. Ці речовини мають у своєму складі гідрид-іон Н-. Вони є твердими безбарвними солеподібними речовинами і реагують з водою з виділенням водню.

Елементи основних підгруп IV-VII груп утворюють з воднем сполуки молекулярної будови. Іноді їх називають гідридами, але це некоректно. У їхньому складі немає гідрид-іону, вони складаються з молекул. Як правило, найпростіші водневі сполуки цих елементів – безбарвні гази. Винятки - вода, що є рідиною, та фтороводород, який за кімнатної температури газоподібний, але за нормальних умов - рідина.

Темними клітинами відзначені елементи, що утворюють з воднем сполуки, що виявляють кислотні властивості.

Темними клітинами з хрестом позначені елементи, що утворюють з воднем сполуки, які виявляють основні властивості.

=================================================================================

29). загальна характеристика властивостей елементів головної підгрупи 7гр. Хлор. Властивості Лора. Соляна кислота.У підгрупу галогенів входять фтор, хлор, бром, йод та астат (астат – радіоактивний елемент, вивчений мало). Це р-елементи VII групи періодичної системи Д. І. Менделєєва. На зовнішньому енергетичному рівні їх атоми мають 7 електронів ns2np5. Цим пояснюється спільність їх властивостей.

Вони легко приєднують по одному електрону, виявляючи ступінь окиснення -1. Такий ступінь окислення галогени мають у сполуках з воднем та металами.

Однак атоми галогенів, крім фтору, можуть виявляти і позитивні ступені окислення: +1, +3, +5, +7. Можливі значення ступенів окислення пояснюються електронною будовою, яку у атомів фтору можна представити схемою

Будучи найбільш електронегативним елементом, фтор може тільки приймати один електрон на 2р під рівень. У нього один неспарений електрон, тому фтор буває тільки одновалентним, а ступінь окислення завжди -1.

Електронна будова атома хлору виражається схемою атома хлору один неспарений електрон на 3р-підрівні і звичайному (незбудженому) стані хлор одновалентний. Але оскільки хлор знаходиться в третьому періоді, то він має ще п'ять орбіталей 3d-підрівня, в яких можуть розміститися 10 електронів.

У фтору немає вільних орбіталей, отже, при хімічних реакціяхнемає роз'єднання спарених електронів в атомі. Тому при розгляді властивостей галогенів завжди треба враховувати особливості фтору та сполук.

Водні розчини водневих сполук галогенів є кислотами: НF – фтороводнева (плавикова), НСl – хлороводнева (соляна), НВr – бромводнева, НI – йодоводнева.

Хлор (лат. Chlorum), Cl, хімічний елемент VІІ групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 17, атомна маса 35,453; відноситься до сімейства галогенів. За нормальних умов (0°С, 0,1 Мн/м2, або 1 кгс/см2) жовто-зелений газ із різким подразнюючим запахом. Природний хлор складається з двох стабільних ізотопів: 35Сl (75,77%) та 37Cl (24,23%).

Хімічні властивості хлору. Зовнішня електронна конфігурація атома Cl3s2Зр5. Відповідно до цього Хлор у сполуках виявляє ступені окислення -1, +1, +3, +4, +5, +6 та +7. Ковалентний радіус атома 0,99 Å, іонний радіус Cl-1.82 Å, спорідненість атома Хлору до електрона 3,65 ев, енергія іонізації 12,97 ев.

Хімічно Хлор дуже активний, безпосередньо з'єднується майже з усіма металами (з деякими тільки у присутності вологи або при нагріванні) та з неметалами (крім вуглецю, азоту, кисню, інертних газів), утворюючи відповідні хлориди, вступає в реакцію з багатьма сполуками, заміщає у граничних вуглеводнях і приєднується до ненасичених сполук. Хлор витісняє бром та йод з їх сполук з воднем та металами; зі сполук Хлора із цими елементами він витісняється фтором. Лужні металиу присутності слідів вологи взаємодіють з Хлором із запаленням, більшість металів реагує із сухим Хлором тільки при нагріванні Фосфор займається в атмосфері Хлору, утворюючи РCl3, а при подальшому хлоруванні - РСl5; сірка з хлором при нагріванні дає S2Cl2, SCl2 та інші SnClm. Миш'як, сурма, вісмут, стронцій, телур енергійно взаємодіють із Хлором. Суміш Хлора з воднем горить безбарвним або жовто-зеленим полум'ям із утворенням хлористого водню (це ланцюгова реакція). З киснем Хлор утворює оксиди: Cl2О, СlO2, Cl2О6, Сl2О7, Cl2О8, а також гіпохлорити (солі хлорнуватистої кислоти), хлорити, хлорати та перхлорати. Всі кисневі сполуки хлору утворюють вибухонебезпечні суміші з речовинами, що легко окислюються. Хлор у воді гідролізується, утворюючи хлорнувату та соляну кислоти: Cl2 + Н2О = НClО + НCl. При хлоруванні водних розчинів лугів нахолоду утворюються гіпохлорити та хлориди: 2NaOH + Cl2 = NaClO + NaCl + Н2О, а при нагріванні - хлорати. Хлоруванням сухого гідрооксиду кальцію отримують хлорне вапно. При взаємодії аміаку з хлором утворюється трихлористий азот. При хлоруванні органічних сполук Хлор або заміщає водень, або приєднується по кратних зв'язках, утворюючи різні органічні сполуки, що містять хлор. Хлор утворює з іншими галогенами міжгалогенні сполуки. Фториди ClF, ClF3, ClF3 дуже реакційні; наприклад, в атмосфері ClF3 скляна вата самозаймається. Відомі сполуки хлору з киснем та фтором - оксифториди Хлору: ClO3F, ClO2F3, ClOF, ClOF3 та перхлорат фтору FClO4. Соляна кислота (хлороводнева, хлористоводнева, хлористий водень) - HCl, розчин хлороводню у воді; сильна одноосновна кислота. Безбарвна (технічна соляна кислота жовта з-за домішок Fe, Cl2 та ін.), «димна» на повітрі, їдка рідина. Максимальна концентрація при 20 °C дорівнює 38% за масою. Солі соляної кислоти називаються хлоридами.

Взаємодія із сильними окислювачами (перманганат калію, діоксид марганцю) з виділенням газоподібного хлору:

Взаємодія з аміаком з утворенням білого густого диму, що складається з дрібних кристаликів хлориду амонію:

Якісною реакцією на соляну кислоту та її солі є її взаємодія з нітратом срібла, при якому утворюється сирий осад хлориду срібла, нерозчинний в азотній кислоті:

===============================================================================

ВИЗНАЧЕННЯ

Водень- Перший елемент Періодичної системи хімічних елементівД.І. Менделєєва. Символ – Н.

Атомна маса – 1 а. Молекула водню двоатомна - Н2.

Електронна конфігурація атома водню - 1s 1 . Водень відноситься до сімейства s-елементів. У своїх сполуках виявляє ступеня окиснення -1, 0, +1. Природний водень складається з двох стабільних ізотопів – протию 1 Н (99,98%) та дейтерію 2 Н (D) (0,015%) – та радіоактивного ізотопу тритію 3 Н (Т) (слідові кількості, період напіврозпаду – 12,5 років) .

Хімічні властивості водню

За звичайних умов молекулярний водень виявляє порівняно низьку реакційну здатність, що пояснюється високою міцністю зв'язків у молекулі. При нагріванні вступає у взаємодію майже з усіма простими речовинами, утвореними елементами основних підгруп (крім шляхетних газів, B, Si, P, Al). У хімічних реакціях може виступати як у ролі відновника (частіше), так і окислювача (рідше).

Водень виявляє властивості відновлювача(Н 2 0 -2е → 2Н +) у наступних реакціях:

1. Реакції взаємодії із простими речовинами – неметалами. Водень реагує з галогенами, причому, реакція взаємодії з фтором при звичайних умовах, у темряві, з вибухом, з хлором – при освітленні (або УФ-опроміненні) ланцюговим механізмом, з бромом і йодом тільки при нагріванні; киснем(суміш кисню та водню в об'ємному відношенні 2:1 називають «гримким газом»), сірої, азотомі вуглецем:

H 2 + Hal 2 = 2HHal;

2H2+O2=2H2O+Q(t);

H 2 + S = H 2 S (t = 150 - 300C);

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);

2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat).

2. Реакції взаємодії зі складними речовинами. Водень реагує з оксидами малоактивних металів, причому він здатний відновлювати тільки метали, що стоять у ряду активності правіше цинку:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O(t);

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O(t);

WO3+3H2=W+3H2O(t).

Водень реагує з оксидами неметалів:

H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O(t);

2H 2 + CO ↔ CH 3 OH (t = 300C, p = 250 – 300 атм., kat = ZnO, Cr 2 O 3).

Водень вступає в реакції гідрування з органічними сполукамикласу циклоалканів, алкенів, аренів, альдегідів та кетонів та ін. Всі ці реакції проводять при нагріванні, під тиском, як каталізатори використовують платину або нікель:

CH 2 = CH 2 + H 2 ↔ CH 3 -CH 3;

C 6 H 6 + 3H 2 ↔ C 6 H 12;

C 3 H 6 + H 2 ↔ C 3 H 8;

CH 3 CHO + H 2 ↔ CH 3 -CH 2 -OH;

CH 3 -CO-CH 3 + H 2 ↔ CH 3 -CH(OH)-CH 3 .

Водень як окислювач(Н 2 +2е → 2Н -) виступає в реакціях взаємодії зі лужними та лужноземельними металами. У цьому утворюються гідриди – кристалічні іонні сполуки, у яких водень виявляє ступінь окислення -1.

2Na +H 2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

Фізичні властивості водню

Водень – легкий безбарвний газ, без запаху, густина при н.у. - 0,09 г/л, в 14,5 разів легше за повітря, t кип = -252,8С, t пл = - 259,2С. Водень погано розчинний у воді та органічно розчинниках, добре розчинний у деяких металах: нікелі, паладії, платині.

За даними сучасної космохімії водень є найпоширенішим елементом Всесвіту. Основна форма існування водню в космічному просторі- Окремі атоми. За поширеністю Землі водень займає 9 місце серед всіх елементів. Основна кількість водню Землі перебуває у зв'язаному стані – у складі води, нафти, природного газу, кам'яного вугілляі т.д. У вигляді простої речовини водень трапляється рідко – у складі вулканічних газів.

Одержання водню

Розрізняють лабораторні та промислові способи одержання водню. До лабораторних способів відносять взаємодію металів із кислотами (1), а також взаємодію алюмінію з водними розчинами лугів (2). Серед промислових способів отримання водню велику роль відіграють електроліз водних розчинів лугів та солей (3) та конверсія метану (4):

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (1);

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na +3 H 2 (2);

2NaCl + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2NaOH (3);

CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	При взаємодії 23,8 г металевого олова з надлишком соляної кислоти виділився водень, у кількості, достатній, щоб отримати 12,8 г металевої міді. Визначте ступінь окислення олова в отриманому з'єднанні.
Рішення	Виходячи з електронної будовиатома олова (…5s 2 5p 2) можна дійти невтішного висновку, що з олова характерні два ступеня окислення — +2, +4. На підставі цього складемо рівняння можливих реакцій: Sn + 2HCl = H 2 + SnCl 2 (1); Sn + 4HCl = 2H 2 + SnCl 4 (2); CuO + H 2 = Cu + H 2 O(3). Знайдемо кількість речовини міді: v(Cu) = m(Cu)/M(Cu) = 12,8/64 = 0,2 моль. Відповідно до рівняння 3, кількість речовини водню: v(H 2) = v(Cu) = 0,2 моль. Знаючи масу олова, знайдемо його кількість речовини: v(Sn) = m(Sn)/M(Sn) = 23,8/119 = 0,2 моль. Порівняємо кількості речовини олова та водню за рівняннями 1 та 2 та за умовою задачі: v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (рівняння 1); v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1:2 (рівняння 2); v(Sn): v(H 2) = 0,2:0,2 = 1:1 (умова задачі). Отже, олово взаємодіє з соляною кислотою за рівнянням 1 та ступінь окислення олова дорівнює +2.
Відповідь	Ступінь окислення олова дорівнює +2.

ПРИКЛАД 2

Завдання	Газ, що виділився при дії 2,0 г цинку на 18,7 мл 14,6% соляної кислоти (щільність розчину 1,07 г/мл), пропустили при нагріванні над 4,0 г оксиду міді (II). Чому дорівнює маса одержаної твердої суміші?
Рішення	При дії цинку на соляну кислоту виділяється водень: Zn + 2НСl = ZnСl 2 + Н 2 (1), який при нагріванні відновлює оксид міді (II) до міді (2): СuО + Н2 = Cu + Н2О. Знайдемо кількості речовин у першій реакції: m(р-ра НСl) = 18,7. 1,07 = 20,0 г; m(НСl) = 20,0. 0,146 = 2,92 м; v(НСl) = 2,92/36,5 = 0,08 моль; v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 моль. Цинк перебуває в недоліку, тому кількість водню, що виділився, дорівнює: v(Н 2) = v(Zn) = 0,031 моль. У другій реакції в нестачі знаходиться водень, оскільки: v(СuО) = 4,0/80 = 0,05 моль. В результаті реакції 0,031 моль СuО перетвориться на 0,031 моль Сu, і втрата маси складе: m(СuО) - m(Сu) = 0,031 × 80 - 0,031 × 64 = 0,50 г. Маса твердої суміші СuО із Сu після пропускання водню складе: 4,0-0,5 = 3,5 р.
Відповідь	Маса твердої суміші СuО із Сu дорівнює 3,5 г.