adsby.ru → Школярам

Водень його фізичні та хімічні властивості. Хімічні властивості водню: особливості та застосування. Приклади розв'язання задач

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 за кімнатної температури):
- 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 реакторібомбардуванням 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 поєднаний 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

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 з 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 знаходиться 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.

Розглянемо, що є водень. Хімічні властивості та отримання цього неметалу вивчають у курсі неорганічної хімії у школі. Саме цей елемент очолює періодичну систему Менделєєва, а тому заслуговує на детальний опис.

Коротка інформація про відкриття елемента

Перш ніж розглядати фізичні та хімічні властивостіводню, з'ясуємо, як було знайдено цей важливий елемент.

Хіміки, які працювали у шістнадцятому та сімнадцятому століттях, неодноразово згадували у своїх працях про пальний газ, який виділяється при впливі на кислоти активними металами. У другій половині вісімнадцятого століття Г. Кавендішу вдалося зібрати та проаналізувати цей газ, давши йому назву «горючий газ».

Фізичні та хімічні властивості водню на той час не були вивчені. Тільки наприкінці 18 століття А. Лавуазьє вдалося шляхом аналізу встановити, що одержати цей газ можна шляхом аналізу води. Трохи пізніше він став називати новий елемент hydrogene, що в перекладі означає «що породжує воду». Своєю сучасною російською назвою водень завдячує М. Ф. Соловйову.

Знаходження у природі

Хімічні властивості водню можна аналізувати лише з його поширеності у природі. Даний елемент присутній у гідро- та літосфері, а також входить до складу корисних копалин: природного та попутного газу, торфу, нафти, вугілля, горючих сланців. Важко собі уявити дорослу людину, яка б не знала про те, що водень є складовоюводи.

Крім того, цей неметал знаходиться в організмах тварин у вигляді нуклеїнових кислотбілків, вуглеводів, жирів. На нашій планеті цей елемент зустрічається у вільному вигляді досить рідко, мабуть, лише у природному та вулканічному газі.

У вигляді плазми водень становить приблизно половину маси зірок та Сонця, крім того, входить до складу міжзоряного газу. Наприклад, у вільному вигляді, а також у формі метану, аміаку цей неметал є у складі комет і навіть деяких планет.

Фізичні властивості

Перш ніж розглядати хімічні властивості водню, зазначимо, що за нормальних умов він є газоподібною речовиною легшою за повітря, що має кілька ізотопних форм. Він майже нерозчинний у воді, має високу теплопровідність. Протий, що має масове число 1, вважається найлегшою його формою. Тритій, який має радіоактивними властивостями, Утворюється в природі з атмосферного азоту при впливі на нього нейронів УФ-променів

Особливості будови молекули

Щоб розглянути хімічні властивості водню, реакції, характерні йому, зупинимося і особливостях його будови. У цій двоатомній молекулі ковалентний неполярний хімічний зв'язок. Утворення атомарного водню можливе за умови взаємодії активних металів на розчини кислот. Але в такому вигляді цей неметал здатний існувати лише незначний часовий проміжок, практично відразу він рекомбінується в молекулярний вигляд.

Хімічні властивості

Розглянемо хімічні властивості водню. Здебільшого сполук, які утворює даний хімічний елемент, він виявляє ступінь окислення +1, що робить його схожим з активними (лужними) металами. Основні хімічні властивості водню, що характеризують його як метал:

взаємодія з киснем із утворенням води;
реакція з галогенами, що супроводжується утворенням галогеноводороду;
одержання сірководню при з'єднанні із сіркою.

Нижче наведено рівняння реакцій, що характеризують хімічні властивості водню. Звертаємо увагу на те, що як неметал (зі ступенем окислення -1) він виступає тільки в реакції з активними металами, утворюючи з ними відповідні гідриди.

Водень за нормальної температури неактивно вступає у взаємодію Космосу з іншими речовинами, тому більшість реакцій здійснюється лише після попереднього нагрівання.

Зупинимося докладніше деяких хімічних взаємодіях елемента, який очолює періодичну систему хімічних елементів Менделєєва.

Реакція утворення води супроводжується виділенням 285,937 кДж енергії. При підвищеній температурі (більше 550 градусів за Цельсієм) цей процес супроводжується сильним вибухом.

Серед тих хімічних властивостей газоподібного водню, які знайшли суттєве застосування у промисловості, інтерес представляє його взаємодію Космосу з оксидами металів. Саме шляхом каталітичного гідрування в сучасній промисловості здійснюють переробку оксидів металів, наприклад, виділяють із залізної окалини (змішаного оксиду заліза) чистий метал. Цей спосіб дозволяє вести ефективну переробку металобрухту.

Синтез аміаку, який передбачає взаємодію водню з азотом повітря, також затребуваний у сучасній хімічній промисловості. Серед умов цього хімічної взаємодіївідзначимо тиск та температуру.

Висновок

Саме водень є малоактивним хімічною речовиноюза звичайних умов. У разі підвищення температури його активність істотно зростає. Ця речовина потрібна в органічному синтезі. Наприклад, шляхом гідрування можна відновити кетони до вторинних спиртів, а альдегіди перетворити на первинні спирти. Крім того, шляхом гідрування можна перетворити ненасичені вуглеводні класу етилену та ацетилену на граничні сполуки ряду метану. Водень по праву вважають простою речовиною, затребуваною в сучасному хімічному виробництві.

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?

Гідроген Н - хімічний елемент, один із найпоширеніших у нашому Всесвіті. Маса водню як елемента у складі речовин становить 75% загального вмісту атомів іншого типу. Він входить у найважливіше і життєво необхідне з'єднання планети - воду. Відмінною особливістюводню також є те, що він перший елемент у періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

Відкриття та дослідження

Перші згадки про водень у працях Парацельса датуються шістнадцятим століттям. Але його виділення з газової суміші повітря та дослідження горючих властивостей були зроблені вже в сімнадцятому столітті вченим Лемері. Докладно вивчив гідроген англійський хімік, фізик і натураліст який дослідним шляхом довів, що маса водню найменша порівняно з іншими газами. У наступних етапах розвитку науки багато вчених працювали з ним, зокрема Лавуазьє, який назвав його «що породжує воду».

Характеристика положення в ПСХЕ

Елемент, що відкриває періодичну таблицю Д. І. Менделєєва, це водень. Фізичні та хімічні властивості атома виявляють певну двоїстість, так як гідроген одночасно відносять до першої групи, головній підгрупі, якщо він веде себе як метал і віддає єдиний електрон у процесі хімічної реакції, і до сьомої - у разі повного заповнення валентної оболонки, тобто прийому негативної частки, що характеризує його як подібний до галогенів.

Особливості електронної будови елемента

Властивості складних речовин, до складу яких він входить, та найпростішої речовини Н 2 в першу чергу визначаються електронною конфігурацією гідрогену. Частка має один електрон з Z=(-1), який обертається за своєю орбітою навколо ядра, що містить один протон з одиничною масою та позитивним зарядом (+1). Його електронна конфігурація записується як 1s 1 , що означає наявність однієї негативної частки на першій і єдиної для гідрогену s-орбіталі.

При відриві чи віддачі електрона, а атом цього елемента має таку властивість, що ріднить його з металами, виходить катіон. Насправді іон водню - це позитивна елементарна частка. Тому позбавлений електрона гідроген називають просто протоном.

Фізичні властивості

Якщо описувати водню коротко, це безбарвний, малорозчинний газ із відносної атомної масою рівною 2, в 14,5 разу легше, ніж повітря, з температурою зрідження, що становить -252,8 градуса Цельсія.

На досвіді можна легко переконатися, що Н 2 найлегший. Для цього достатньо наповнити три кулі різними речовинами – воднем, вуглекислим газом, звичайним повітрям – і одночасно випустити їх з руки. Найшвидше досягне землі той, який наповнений СО 2 після нього опуститься надутий повітряною сумішшю, а містить Н 2 зовсім підніметься до стелі.

Невелика маса і розмір частинок водню доводять його здатність проникати через різні речовини. На прикладі тієї ж кулі в цьому легко переконатися, через пару днів він сам здувається, оскільки газ просто пройде через гуму. Також водень може накопичуватися в структурі деяких металів (паладій або платина), а при підвищенні температури випаровуватися з неї.

Властивість малорозчинності водню використовують у лабораторній практиці для його виділення способом витіснення водню (таблиця, зображена нижче, містить основні параметри) визначають сфери його застосування та методи одержання.

Параметр атома чи молекули простої речовини	Значення
Атомна маса (молярна маса)	1,008 г/моль
Електронна конфігурація	1s 1
Кристалічні грати	Гексагональна
Теплопровідність	(300 K) 0,1815 Вт/(м·К)
Щільність за н. у.	0,08987 г/л
Температура кипіння	-252,76 °C
Питома теплота згоряння	120,9·10 6 Дж/кг
Температура плавлення	-259,2 °C
Розчинність у воді	18,8 мл/л

Ізотопний склад

Як і багато інших представників періодичної системихімічних елементів гідроген має кілька природних ізотопів, тобто атомів з однаковим числом протонів в ядрі, але різним числом нейтронів - частинок з нульовим зарядом і одиничною масою. Приклади атомів, що мають подібну властивість - кисень, вуглець, хлор, бром та інші, в тому числі радіоактивні.

Фізичні властивостіводню 1 Н, найпоширенішого з представників цієї групи, значно відрізняються від таких же характеристик його побратимів. Зокрема різняться особливості речовин, до складу яких вони входять. Так, існує звичайна та дейтерована вода, що містить у своєму складі замість атома водню з одним-єдиним протоном дейтерій 2 Н - його ізотоп з двома елементарними частинками: позитивною та незарядженою. Цей ізотоп вдвічі важчий за звичайний гідроген, що і пояснює кардинальну відмінність у властивостях сполук, які вони складають. У природі дейтерій зустрічається у 3200 разів рідше, ніж водень. Третій представник - тритій 3 Н, в ядрі він має два нейтрони та один протон.

Способи отримання та виділення

Лабораторні та промислові методи дуже відрізняються. Так, у малих кількостях газ отримують переважно за допомогою реакцій, у яких беруть участь мінеральні речовини, а великомасштабні виробництва переважно використовують органічний синтез.

У лабораторії застосовують такі хімічні взаємодії:

У промислових інтересах газ одержують такими методами, як:

Термічне розкладання метану у присутності каталізатора до складових його простих речовин (350 градусів сягає значення такого показника, як температура) - водню Н 2 і вуглецю З.
Пропуск пароподібної води через кокс при 1000 градусів Цельсія з утворенням вуглекислого газуСО 2 і Н 2 (найпоширеніший метод).
Конверсія газоподібного метану на нікелевому каталізаторі при температурі 800 градусів.
Водень є побічним продуктом при електроліз водних розчинів хлоридів калію або натрію.

Хімічні взаємодії: загальні положення

Фізичні властивості водню багато в чому пояснюють його поведінку у процесах реагування з тим чи іншим з'єднанням. Валентність гідрогену дорівнює 1, так як він у таблиці Менделєєва розташований у першій групі, а ступінь окислення виявляє різну. У всіх сполуках, крім гідридів, водень у с.о.=(1+), у молекулах типу ХН, ХН2, ХН3-(1-).

Молекула газу водню, утворена за допомогою створення узагальненої електронної пари, складається з двох атомів і досить стійка енергетично, саме тому за нормальних умов дещо інертна і реакції вступає при зміні нормальних умов. Залежно від ступеня окислення водню у складі інших речовин, він може виступати як окислювач, так і відновник.

Речовини, з якими реагує та які утворює водень

Елементні взаємодії з утворенням складних речовин (часто за підвищених температур):

Лужний та лужноземельний метал+ водень = гідрид.
Галоген + Н 2 = галогеноводень.
Сірка + водень = сірководень.
Кисень + Н2 = вода.
Вуглець + водень = метан.
Азот + Н2 = аміак.

Взаємодія зі складними речовинами:

Отримання синтез-газу з монооксиду вуглецю та водню.
Відновлення металів із їхніх оксидів за допомогою Н 2 .
Насичення воднем ненасичених аліфатичних вуглеводнів.

Водневий зв'язок

Фізичні властивості водню такі, що дозволяють йому, перебуваючи у поєднанні з електронегативним елементом, утворювати особливий тип зв'язку з таким самим атомом із сусідніх молекул, що мають неподілені електронні пари (наприклад, киснем, азотом та фтором). Найяскравіший приклад, на якому краще розглянути подібне явище, – це вода. Вона, можна сказати, прошита водневими зв'язками, які слабші за ковалентні або іонні, але за рахунок того, що їх багато, мають значний вплив на властивості речовини. По суті, водневий зв'язок - це електростатична взаємодія, яка пов'язує молекули води димерами і полімерами, обгрунтовуючи її високу температуру кипіння.

Гідроген у складі мінеральних сполук

До складу всіх входить протон – катіон такого атома, як водень. Речовина, кислотний залишок якого має ступінь окиснення більше (-1), називається багатоосновною сполукою. У ньому є кілька атомів водню, що робить дисоціацію у водних розчинах багатоступінчастою. Кожен наступний протон відривається від залишку кислоти дедалі важче. За кількісним вмістом водень у середовищі визначається його кислотність.

Застосування у діяльності людини

Балони з речовиною, як і ємності коїться з іншими зрідженими газами, наприклад киснем, мають специфічний зовнішній вигляд. Вони пофарбовані в темно-зелений колір із яскраво-червоним написом «Водень». Газ закачують у балон під тиском близько 150 атмосфер. Фізичні властивості водню, зокрема легкість газоподібного агрегатного стану, використовують для наповнення ним у суміші з гелієм аеростатів, куль-зондів і т.д.

Водень, фізичні та хімічні властивості якого люди навчилися використовувати багато років тому, на сьогоднішній момент задіяний у багатьох галузях промисловості. Основна його маса йде на виробництво аміаку. Також водень бере участь в (гафнію, германію, галію, кремнію, молібдену, вольфраму, цирконію та інших) з оксидів, виступаючи в реакції як відновник, синильної та соляної кислот, а також штучного рідкого палива. Харчова промисловістьвикористовує його для перетворення рослинних олій на тверді жири.

Визначили хімічні властивості та застосування водню в різних процесах гідрогенізації та гідрування жирів, вугілля, вуглеводнів, олій та мазуту. За допомогою нього виробляють дорогоцінне каміння, лампи розжарювання, проводять кування та зварювання металевих виробів під впливом киснево-водневого полум'я.