Свойства водорода

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Строение и физические свойства водорода

Водород - двухатомный газ Н₂. Он не имеет ни цвета, ни запаха. Это самый легкий газ. Благодаря этому свойству он использовался в аэростатах, дирижаблях и тому подобных устройствах, однако широкому применению водорода в этих целях мешает его взрывоопасность в смеси с воздухом.

Молекулы водорода неполярные и очень маленькие, поэтому взаимодействие между ними мало. В связи с этим он имеет очень низкие температуры плавления (-259^оС) и кипения (-253^оС).

Водород практически нерастворим в воде.

Водород имеет 3 изотопа: обычный ¹Н, дейтерий ²H или D, и радиоактивный тритий ³Н или Т. Тяжелые изотопы водорода уникальны тем, что тяжелее обычного водорода в 2 или даже в 3 раза! Именно поэтому замена обычного водорода на дейтерий или тритий заметно сказывается на свойствах вещества (так, температуры кипения обычного водорода Н₂ и дейтерия D₂ различаются на 3,2 градуса).

2. Взаимодействие водорода с простыми веществами

Водород - неметалл средней электроотрицательности. Поэтому ему присущи и окислительные, и восстановительные свойства.

Окислительные свойства водорода проявляются в реакциях с типичными металлами - элементами главных подгрупп I-II группы таблицы Менделеева. Самые активные металлы (щелочные и щелочноземельные) при нагревании с водородом дают гидриды - твердые солеобразные вещества, содержащие в кристаллической решетке гидрид-ион Н^-.

2Na + Н₂ = 2NaН

Са + Н₂ = СаН₂

Восстановительные свойства водорода проявляются в реакциях с более типичными неметаллами, чем водород:

1) Взаимодействие с галогенами

H₂ + F₂ = 2HF

Аналогично протекает взаимодействие с аналогами фтора - хлором, бромом, иодом. По мере уменьшения активности галогена интенсивность протекания реакции уменьшается. водород электролиз кислота

Реакция с фтором происходит при обычных условиях со взрывом, для реакции с хлором требуется освещение или нагревание, а реакция с иодом протекает лишь при сильном нагревании и обратимо.

2) Взаимодействие с кислородом

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

Реакция протекает с большим выделением тепла, иногда со взрывом.

3) Взаимодействие с серой

Н₂ + S = H₂S

Сера - гораздо менее активный неметалл, чем кислород, и взаимодействие с водородом протекает спокойно.

4) Взаимодействие с азотом

3Н₂ + N₂ 2NH₃

Реакция обратима, протекает в заметной степени только в присутствии катализатора, при нагревании и под давлением.

Продукт называется аммиак.

5) Взаимодействие с углеродом

С + 2Н₂ СН₄

Реакция протекает в электрической дуге или при очень высоких температурах. В качестве побочных продуктов образуются и другие углеводороды.

3. Взаимодействие водорода со сложными веществами

Водород проявляет восстановительные свойства и в реакциях со сложными веществами:

1) Восстановление оксидов металлов, стоящих в электрохимическом ряду напряжений правее алюминия, а также оксиды неметаллов:

Fe₂O₃ + 2H₂ 2Fe + 3H₂O

CuO + H₂ Cu + H₂O

Водород применяют как восстановитель для извлечения металлов из оксидных руд. Реакции идут при нагревании.

2) Присоединение к органическим непредельным веществам

С₂Н₄ + Н₂ С₂Н₆

Реакции протекают в присутствии катализатора и под давлением.

Других реакций водорода мы пока касаться не будем.

4. Получение водорода

В промышленности водород получают переработкой углеводородного сырья - природного и попутного газа, кокса и т.п.

Лабораторные методы получения водорода:

1) Взаимодействие металлов, стоящих в электрохимическом ряду напряжений металлов левее водорода, с кислотами. Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb (H2) Cu Hg Ag Pt Au

Mg + 2HCl = MgCl₂ + H₂

Нюансы:

1. Образующаяся соль должна быть растворима. В ином случае нерастворимая соль обволакивает частицы металла, затрудняя доступ кислоты к металлу, и реакция прекращается.

2. В реакциях с азотной и с концентрированной серной кислотами способны участвовать и металлы, стоящие правее водорода в электрохимическом ряду напряжений металлов. Но водород в этих реакциях не выделяется!

2) Взаимодействие металлов, стоящих в электрохимическом ряду напряжений металлов левее магния, с холодной водой. При этом также образуется щелочь.

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

Металл, находящийся в электрохимическом ряду напряжений металлов левее марганца, способен вытеснять водород из воды при определенных условиях (магний - из горячей воды, алюминий - при условии снятия оксидной пленки с поверхности).

Mg + 2H₂O Mg(OH)₂ + H₂

Металл, находящийся в электрохимическом ряду напряжений металлов левее кобальта, способен вытеснять водород из водяного пара. При этом также образуется оксид.

3Fe + 4H₂O_пар Fe₃O₄ + 4H₂

3) Взаимодействие металлов, гидроксиды которых амфотерны, с растворами щелочей. Металлы, гидроксиды которых амфотерны, вытесняют водород из растворов щелочей. Вам необходимо знать 2 таких металла - алюминий и цинк:

2Al + 2NaOH +6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + + 3H₂

Zn + 2KOH + 2H₂O = K₂[Zn(OH)₄] + H₂

При этом образуются комплексные соли - гидроксоалюминаты и гидроксоцинкаты. Все методы, перечисленные до сих пор, основаны на одном и том же процессе - окислении металла атомом водорода в степени окисления +1:

М⁰ + nН⁺ = Мⁿ⁺ + n/2 H₂

4) Взаимодействие гидридов активных металлов с водой:

СаН₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + 2Н₂

Этот процесс основан на взаимодействии водорода в степени окисления -1 с водородом в степени окисления +1:

Н^- + Н⁺ = Н₂

5) Электролиз водных растворов щелочей, кислот, некоторых солей:

2Н₂О 2Н₂ + О₂

5. Водородные соединения

В этой таблице слева легкой тенью выделены клетки элементов, образующих с водородом ионные соединения - гидриды. Эти вещества имеют в своем составе гидрид-ион Н^-. Они представляют собой твердые бесцветные солеобразные вещества и реагируют с водой с выделением водорода.

Элементы главных подгрупп IV-VII групп образуют с водородом соединения молекулярного строения. Иногда их также называют гидридами, но это некорректно. В их составе нет гидрид-иона, они состоят из молекул. Как правило, простейшие водородные соединения этих элементов - бесцветные газы. Исключения - вода, являющаяся жидкостью, и фтороводород, который при комнатной температуре газообразен, но при нормальных условиях - жидкость.

Темными клетками отмечены элементы, образующие с водородом соединения, проявляющие кислотные свойства.

Темными клетками с крестом обозначены элементы, образующие с водородом соединения, проявляющие основные свойства.

6. Водородная связь

Водородная связь, строго говоря, не является химической связью. Это - очень сильное межмолекулярное взаимодействие.

Где образуется водородная связь?

Один из атомов, образующих водородную связь, очевидно, водород. Но не любой атом водорода, а только связанный с каким-то из трех наиболее электроотрицательных атомов - F, O, N. Соответственно, второй атом, образующий водородную связь - атом F, O или N, НЕ связанный с данным атомом водорода ковалентной связью (как правило, атом из соседней молекулы).

Как образуется водородная связь?

Атомы F, O, N настолько сильно смещают к себе общую электронную пару, что ковалентная связь F-H, O-H, N-H становится ОЧЕНЬ полярной. Частичные отрицательные заряды, возникающие на атомах Н (+) и F, O, N (-) настолько велики, что притяжение между + одной молекулы и - соседней молекулы приближается по энергии к химической связи. Это притяжение и формирует водородную связь, показанную на рисунке точечной линией.

Такое дополнительное связывание между молекулами приводит, в частности, к аномально высоким температурам плавления и кипения веществ, имеющих водородную связь. Например, вода кипела бы при температуре около -70^оС, если бы не было водородных связей. Наличие водородных связей приводит также к повышению теплоемкости. Из-за высокой теплоемкости ночью вода остывает медленно, а днем так же медленно нагревается (наверное, некоторые замечали, что утром вода холоднее песка на пляже, а ночью -- теплее). Медленно остывая осенью, постепенно отдавая аккумулированное тепло, и медленно нагреваясь весной, водные массы смягчают переход от лета к зиме и от зимы к лету (в местностях, примыкающих к морям, и на островах более мягкий и «смазанный» климат, чем контрастный климат центральных областей материков).

7. Строение, физические свойства, значение воды

Вода -- самое распространенное соединение водорода. Общая масса воды на нашей планете около 1,4*10¹⁸ т. Вода -- это единственное вещество, все три агрегатных состояния которого мы можем наблюдать в естественных условиях.

Любое живое существо содержит более 50 масс.% воды, а некоторые -- до 99%! Кровь человека содержит более 80% воды, мускулы -- 35%. За свою жизнь человек выпивает около 25 т воды.

Вся наша жизнь связана с водой, поэтому неудивительно, что именно воду приняли за эталон измерения некоторых физических величин. Так, температурная шкала Цельсия использует точки кипения и замерзания воды как точки отсчета и делит интервал между ними на 100 градусов. Масса одного литра жидкой воды при 0^oС составляет 1 килограмм.

Молекула воды имеет уголковое строение, поскольку вокруг атома кислорода находятся не только 2 атома водорода, связанные с ним ковалентными связями, но и 2 неподеленные пары атома кислорода:

По этой причине молекула воды представляет собой диполь - центры положительных и отрицательных зарядов в ней разнесены.

Огромная полярность связи О-Н приводит к тому, что между молекулами воды образуются водородные связи. Благодаря водородным связям вода обладает аномально высокой теплоемкостью (4,18 Дж/(г*К)), высокими температурами кипения и плавления.

Вопреки бытовым представлениям, чистая вода почти не проводит электрический ток. Электропроводность природной воды связана с растворенными в ней веществами.

8. Химические свойства воды

1. Взаимодействие с металлами - см. получение водорода.

2. Взаимодействие с неметаллами.

Из неметаллов с водой реагируют только галогены - фтор, хлор, бром и иод.

Фтор - самый сильный окислитель - вытесняет из воды более слабый окислитель - кислород. Вода фактически горит во фторе:

2F₂ + 2H₂O = 4HF + O₂

Хлор, бром и иод взаимодействуют с водой обратимо и в очень небольшой степени. Поэтому "хлорная вода", "бромная вода" и "иодная вода" (кстати, эти названия следует помнить) - это в большей мере растворы хлора брома и иода, чем продуктов весьма слабо протекающей реакции. Тем не менее продукты можно обнаружить, и они, в зависимости от условий, следующие:

Hal₂ + H₂O HHal + HHalO (в холодной воде)

3Hal₂ + 3H₂O 5HHal + HHalO₃ (в горячей воде)

Значок "Hal" означает "галоген" (здесь - кроме фтора).

В этих реакциях атомы галогена служат и окислителями, и восстановителями.

3. Взаимодействие с оксидами

Вода реагирует с некоторыми кислотными и основными оксидами, давая гидроксид - соответственно кислоту или основание:

Н₂О + CaO = Ca(OH)₂ основание

H₂O + SO₃ = H₂SO₄ кислота

Следует отметить, что не всякий кислотный или основный оксид взаимодействует с водой. Так, хотя SiO₂ является кислотным оксидом, он не реагирует с водой (иначе не существовало бы песчаных пляжей: песок тут же растворялся бы в воде).

Как узнать, будет ли взаимодействовать оксид с водой? Нужно посмотреть в таблицу растворимости и найти растворимость соответствующего гидроксида (кислоты или основания). Если гидроксид растворим, то оксид реагирует с водой. Если гидроксид нерастворим, то оксид с водой не реагирует.

4. Взаимодействие с гидридами активных металлов - см. получение водорода.

Взаимодействие с гидридами - частный случай взаимодействия воды с целой группой бинарных соединений. Это соединения активных металлов с неактивными неметаллами (неметаллами, имеющими невысокую электроотрицательность) - фосфиды, бориды, карбиды, силициды и т.п. При их взаимодействии с водой образуется гидроксид соответствующего металла и выделяется водородное соединение неметалла:

Mg₂Si + 4H₂O = 2Mg(OH)₂ + SiH₄

СаС₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + С₂Н₂

5. Электролиз водных растворов щелочей, кислот, некоторых солей:

2Н₂О 2Н₂ + О₂

Стоит отметить, что разложить воду по этой же реакции за счет нагревания - нереальная задача. Даже при 2000^оС степень протекания этой реакции не превышает 2%. Очень зря непросвещенные граждане так любят ее писать!

Химические свойства воды не ограничиваются перечисленными реакциями, но МЫ пока ими ограничимся.

Размещено на Allbest.ru