Водород
Водород (hydrogenium – тот, что рождает воду) 1Н 1s1 обладает уникальными свойствами, которые позволяют размещать его в I А и VII A подгруппах периодической системы элементов. Электронная конфигурация водорода 1s1 подобная электронной конфигурации валентных электронов атомов щелочных металлов. Как щелочные металлы, он восстановительные свойства, характеризуется степенью окисления +1. Однако водород нельзя считать электронным аналогом щелочных металлов из-за отсутствия у него внутреннего электронного слоя. Водород – типичный неметалл. Как и галогенам, а потому водорода для завершения внешнего слоя не хватает одного электрона. Кроме того, с элементами подгруппы VИИ А его связывает газообразное состояние, двоатомнисть (Н2 и Сl2), ковалентность связи в молекуле, неелектропровиднисть в газообразном, жидком и твердом состоянии, а также сходство гидридов с галогенидамы. Таким образом, водород занимает особое положение в периодической системе. Недаром в ее первом варианте Д. И. Менделеев разместил водород в отдельную графу.
1.2 Нахождение в природе
Водород – наиболее распространенный элемент во Вселенной. Он входит в состав звезд и межгалактического газа. В природе водород встречается в свободном и связанном состоянии. Свободного водорода в земной атмосфере очень мало (0,00005% об.). Однако большая часть водорода, находящегося на Земле, встречается в составе воды (главная соединение водорода), органических соединений, кислых солей. На Земле водорода около 1%.
Водород имеет три изотопа. В природе наиболее распространен самый легкий из них (против) 0,0156% приходится на “тяжелый водород” – дейтерий, и только в очень незначительных количествах встречается – тритий – радиоактивный изотоп (последний получено искусственно, а только потом обнаружен в природе).
1.3 Физические свойства
Водород Н2 – бесцветный газ, не имеющий запаха, растворим в воде, наиболее легкий всех газов, имеет очень низкие температуры кипения (-2530С) и плавления (-2590С).
1.4 Химические свойства
Согласно электронной конфигурации атома Н 1s1, водород может отдавать и присоединять электрон, то есть ведет себя как щелочные металлы и галогены:
2H2 + O2 → 2H2O
восстановитель
H2 + 2Na → 2NaH (натрия гидрид)
окислитель
В большинстве реакций водород проявляет восстановительные свойства.
Энергия связи в молекуле водорода достаточно велика, поэтому при комнатной температуре молекулярный водород реагирует только с активными металлами и F2, при нагревании – с О2, I 2, S, С. Например:
С + 2 H2 → СH4 ↑.
S + H2 → H2S ↑.
2 H2 + О2 → 2 Н2О
Под действием УФ – света водород реагирует с Cl2 и Br2. Реакции с кислородом и галогенами происходят по радикальному механизму.
H2 + Cl2 → 2 HCl
При нагревании водород взаимодействует с оксидами металлов, преимущественно d-элементов:
Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O
CuO + H2 → Cu + H2O
Еще более активным восстановителем является атомарный водород (образуется из молекулярного при электрическом разряде в условиях низкого давления). Он имеет большую химическую активность и обычно сочетается с О2, N2, As, P, S, например:
As (k) + 3H (г) → AsH3 (г)
Водород растворяется в металлах, особенно в Pd, Ni, Рt. При этом происходит разложение молекул Н2 на атомы и Ионизация последних. В результате образуются твердые фазы с металлической проводимостью, содержащие Н +. Эта особенность водорода используется для изготовления катализаторов (никель Ренея и т. п.).
1.5 Методы извлечения
В промышленности водород производят из природного газа (метана) при нагревании до 1000 ° С в присутствии катализатора:
СН4 + Н2О → СО + 3Н2
2СН4 + О2 → 2СО + 4Н2 (кислородная конверсия метана), после чего проводят конверсию СО:
CO + H2O → CO2 + H2.
Небольшое количество водорода получают пропусканием водяного пара над коксом при температуре около 1000 ° C:
H2O + C ⇄ H2 + CO
Водород высокой чистоты получают электролизом воды (с добавлением соли активного металла, чтобы на аноде не образовывался кислород).
В лабораторных условиях водород получают:
1. При воздействии на кислоты по реакции:
Zn + H2SO4 (p) (2HCl) = ZnSO4 (ZnCl2) + H2 ↑
2. При действии щелочи на алюминий, цинк:
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na [Al (OH) 4] + 3H2 ↑
Zn + 2KOH + 2H2O → K2 [Zn (OH) 4] + H2 ↑
3. При взаимодействии воды с щелочными и щелочно-земельных металлов:
Ca + 2H2O → Ca (OH) 2 + H2 ↑
4. Гидролизом гидридов активных металлов:
NaH + H2O → NaOH + H2 ↑
1.6 Соединения водорода
Соединения водорода можно разделить на три большие группы: а) солеподобные гидриды активных металлов: LiН, СаН2 и др. (кристаллические вещества, подобные галогенидов, сильные восстановители, реагируют с водой); б) ковалентные водородные соединения р-элементов: В2Н6, NН3, Н2О, HF и др. (молекулярные, обычно газообразные соединения) в) металлоподобными фазы, образованные d – i f – элементами, которые часто относят к бертоллиды типа ТиН1-2.
Известны и комплексные гидриды: Li [AlH4], Li [BH4], Na [BH4].
В рамках каждой подгруппы элементов сверху вниз прочность водородных соединений ослабевает, а в пределах каждого периода прочность их растет, как и кислотность.
Распространенным веществом с уникальными свойствами на Земле есть вода Н2О. Это прозрачное вещество без цвета и запаха. Затвердевает при 0оС, кипит при 100 °, во время затвердения объем ее увеличивается. Молекула воды очень полярная, имеет несимметричное расположение, что приводит к образованию водородных связей. Вода взаимодействует со щелочными и щелочно-земельных металлов и их оксидами, гидридами:
2Na + 2 Н2О → Н2 ↑ + 2 NaОН,
ВaО + Н2О → Вa (ОН) 2;
КН + Н2О → Н2 ↑ + КОН,
Взаимодействует с неметаллами и их оксидами:
С + Н2О Н2 + СО,
SO3 + Н2О → Н2SO4
1.7 Применение
Водород широко используется в промышленности (рисунок1.1).
Жидкий водород используют в качестве ракетного топлива. Применение водорода имеет большие перспективы как универсальное экологически чистый источник энергии в топливных элементах. Автомобили с установками на водородных топливных элементах производят и испытывают Ford Motor Company, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen и др. Водородное топливо используют в авиации, для морского транспорта. Однако в водородной энергетики много проблем, связанных в основном с транспортировкой и хранением водорода.
1.8 Биологическая роль и токсикология
Биологическое значение водорода определяется тем, что он является составной частью воды и всех важнейших групп органических соединений, в том числе белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов. Примерно 10% массы живых организмов приходится на водород. Способность водорода образовывать водородные связи имеет решающее значение в поддержании пространственной структуры белков, в строении и функциях нуклеиновых кислот (то есть в сохранении и реализации генетической информации). Ион Н + участвует в важнейших реакциях в организме – в биологическом окислении, что обеспечивает живые клетки энергией, в фотосинтезе у растений, в реакциях азотфиксации, в поддержании кислотно-щелочного баланса и гомеостаза, в процессах мембранного транспорта.
Н2 образует взрывоопасную смесь с воздухом. При попадании жидкого водорода на кожу возникает обморожение.
Контрольные вопросы
1. Объясните, почему в атмосфере Земли очень мало водорода?
2. В чем свойства водорода подобные свойств щелочных металлов, и в чем они отличаются?
3. В чем сходство между водородом и галогенами, и в чем отличие?
4. Проиллюстрируйте с помощью реакций промышленные способы получения водорода. Укажите условия протекания процессов.
5. Напишите уравнения реакций между:
а) цинком и разбавленной серной кислотой
б) кальцием и водой;
в) магнием и разбавленной соляной кислотой
г) цинком и раствором гидроксида калия с образованием комплексного соединения.
6. Напишите уравнения реакций водорода с:
а) оксидом молибдена;
б) кислородом;
в) хлором;
г) азотом;
д) серой;
ж) натрием;
з) оксидом вольфрама.
Какие из этих реакций имеют промышленное значение? Укажите условия проведения реакций.
7. Объясните двойственный окислительно-восстановительный характер свойств водорода. Приведите примеры.
8. Как отличаются по строению и свойствам гидриды NaН и NН3?
9. Подкисленный раствор перманганата калия, который установлен в промивалци на выходе из аппарата Киппа, обесцвечивается. Чем это можно объяснить?
10. Приведите примеры уникальных свойств воды и объясните их.
(2 votes, average: 3.50 out of 5)