Водород и вода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Водород. Строение атома

Водород - первый элемент периодической системы химических элементов. Он занимает двойственное положение в периодической системе: его располагают в IA или в VIIА группе. Это обусловлено особенностями строения атома водорода. На внешней электронной оболочке атом водорода имеет один электрон, который находится непосредственно в сфере действия атомного ядра, поскольку у него нет промежуточного электронного слоя. Атом водорода может отдавать электрон и превращаться в положительно заряженный ион:

Н⁰ - 1е- = Н⁺.

Это свойство его сближает с атомами щелочных металлов. Однако катион водорода не имеет ничего общего с катионами щелочных металлов. Энергия ионизация атома водорода по сравнению со щелочными металлами очень велика (13,6 эВ), поэтому соединения водорода даже с самыми электроотрицательными элементами, например, Н₂О, НF не могут быть ионными.

Исходя из того, что атому водорода до завершения внешней электронной оболочки не хватает одного электрона водород следует поместить в VIIА группу:

Н⁰ + 1е- = Н-.

Процесс образования гидрид-иона Н- экзотермический (сродство к электрону 0,75 эВ), поэтому возможно образование ионных гидридов. Но на этом сходство с галогенами заканчивается. Таким образом, водород это уникальный элемент, который сочетает в себе свойства и металлов и неметаллов. Степени окисления в соединениях: -1, 0, +1, валентность I.

История открытия

История открытия водорода начинается с XVI века, когда было замечено, что при действии кислот на железо и другие металлы выделяется газ. Первоначально его назвали «горючим воздухом». Спустя примерно 100 лет этот газ научились собирать.

Во второй половине XVIII века, английский ученый Генри Кавендиш изучил свойства «горючего воздуха». Он установил, что этот газ при сгорании на воздухе образует воду. Генри Кавендиша считают первооткрывателем водорода (1766 г.).

Вывод о том, что «горючий воздух» представляет собой простое вещество, был сделан в 1784 г. французским химиком Антуаном Лавуазье. Он и дал этому веществу латинское название, которое происходило от греческих слов «хюдор» - вода и «геннао» - рождаю. Русское слово водород - это точный перевод латинского названия Hydrogenium.

вода водород

Нахождение в природе

Водород широко распространен в природе. Содержание его в земной коре (атмосфера, литосфера и гидросфера) составляет 3 мол. %. Он входит в состав воды, природного и попутного нефтяного газа, каменного угля, во все животные и растительные организмы. В свободном состоянии находится только в верхних слоях атмосферы.

Водород - самый распространенный элемент космоса: составляет около половины массы Солнца и большинства звезд. Планеты Сатурн, Юпитер в основном состоят из водорода.

Водород имеет три изотопа с массовыми числами 1, 2 и 3:

^{1) 1}Н - протий, содержание в земной коре - 99,985 мол. %,

^{2) 2}Н (Д) - дейтерий, содержание в земной коре - 0,015 мол. %,

^{3) 3}Н (Т) - тритий радиоактивен, период полураспада Т _Ѕ = 12,26 года:

³T = ³He + в-.

Полагают, что эта реакция является главным источником изотопа гелия ³He. Содержание трития 4•10-¹⁵ мол. %.

Физические свойства

Простое вещество водород существует в виде двухатомных молекул Н₂. Связь в молекуле ковалентная неполярная, сигма (у), образованная по обменному механизму:

Н• + •Н = Н-Н.

Метод молекулярных орбиталей предполагает, что два электрона в молекуле водорода находятся на связывающей у^1s молекулярной орбитали (рисунок 23):

Рисунок 23 - Строение молекулы водорода по методу МО



При обычных условиях молекулярный водород - бесцветный газ, не имеющий вкуса и запаха. Это самый легкий газ, примерно в 14,5 раза легче воздуха. Твердый водород имеет молекулярную кристаллическую решетку, плавится при низкой температуре Т_пл = -259 єС, кипит водород при температуре -253 єС. Чтобы получить жидкий и твердый водород, перед сжатием его нужно очень сильно охладить.

Как и другие вещества с неполярными связями, водород мало растворим в воде (при н.у. 2,15 объемов водорода растворяется в 100 объемах воды). Хорошо растворяется в некоторых металлах (палладий, платина, никель).

Шкала степеней окисления водорода

Химические свойства

Связь в молекуле водорода достаточно прочна, поэтому водород при обычных условиях мало реакционноспособен. Но его химическая активность повышается при нагревании, повышении давления, введения катализатора. В химических реакциях проявляет окислительно-восстановительную амфотерность.

1. Окисляет щелочные и щелочноземельные металлы с образованием гидридов металлов:

2Na + H₂ = 2NaH,

Ca + H₂ = CaH₂,

2Li + H₂ = 2LiH.

2. Восстанавливает неметаллы с большей ОЭО:

O₂ + 2H₂ = 2H₂O.

3. Не взаимодействует с неметаллами с меньшей ОЭО (B, Si, As, P). Соответствующие водородные соединения этих неметаллов получают косвенным путем.

4. Восстанавливает многие металлы из их оксидов и галогенидов:

CuO + H₂ = Cu + H₂O,

CuCl₂ + H₂ = Cu + 2HCl.

5. Восстанавливает угарный газ (смесь водорода и угарного газа называется синтез газ) с образованием органических веществ:

2Н₂ + СО = СН₃ОН.

6. Восстанавливает атомы углерода в непредельных органических соединениях (реакции присоединения водорода - гидрирование):

CH₂=CH₂ + H₂ = CH₃-CH₃.



Получение

В лаборатории

1. Взаимодействие металлов с Е⁰>0 (Mg, Zn, Al, Fe) с растворами кислот (HCl, H₂SO₄):

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂,

2Al + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂.

2. Взаимодействие металлов, оксиды и гидроксиды которых амфотерны, с расплавами и растворами щелочей:

Zn + 2NaOH_(тв) = Na₂ZnO₂ + H₂,

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3Н₂.

3. При взаимодействии активных металлов с водой:

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂.

4. При взаимодействии гидридов щелочных и щелочноземельных металлов с водой:

NaH + H₂O = NaOH + H₂,

CaH₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + 2H₂.

5. Электролиз воды, водных растворов галогенидов щелочных металлов, серной кислоты и других электролитов:

электролиз

2H₂O = 2H₂ + O₂,

электролиз

2NaCl + 2H₂O = H₂ + Cl₂ + 2NaOH.

В промышленности

1. Конверсия метана с водяным паром:

CH₄ + H₂O CO + 3H₂.

2. Конверсия угарного газа с водяным паром:

CO + H₂O CO₂ + H₂.

1. Неполное окисление метана:

2CH₄ + O₂ = 2CO +4H₂.

2. Восстановление водяного пара раскалённым углем:

C + H₂O = CO + H₂.

5. Восстановление водяного пара металлами (Fe, Zn):

3Fe +4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂

6. Электролиз воды, растворов NaCl, KCl:

электролиз

2H₂O = 2H₂ + O₂.

Применение

Применение водорода достаточно разнообразно.

1. В химической промышленности водород используется для получения аммиака, хлороводорода, метанола и других органических веществ.

2. В пищевой промышленности водород используют для получения твердых жиров путем гидрогенизации растительных масел.

3. В металлургии водород используется для восстановления некоторых цветных металлов из их оксидов. Высокую температуру горения водорода в атмосфере кислорода используют в «водородной горелке» (температура водородного пламени достигает 2600 єС при резке и сварке металлов.

4. Жидкий водород является одним из наиболее эффективных видов ракетного топлива.

5. Водород - перспективное экологически чистое топливо для двигателей внутреннего сгорания.

Соединения водорода в степени окисления (-1)

Взависимости от преобладания того или иного типа связи выделяют три типа гидридов:

1) ионные;

2) ионно-ковалентные;

3) ковалентные.

Ионные гидриды представляют собой белые кристаллические вещества с ионной кристаллической решеткой. Энергия ионной кристаллической решетки велика, поэтому ионные гидриды имеют высокие температуры плавления.

К ионным гидридам относятся гидриды щелочных и щелочноземельных металлов: KH, NaH, LiH, CaH₂, BaH₂. В расплаве они обладают высокой электропроводностью, при электролизе расплавов гидридов водород выделяется на аноде.

В химическом отношении проявляют основные свойства:

KH + HOH = KOH + H₂,

KH + AlH₃ = K[AlH₄],

KH + BH₃ =K[BH₄].

Ионно-ковалентные гидриды соединения (AlH₃, BeH₂, ZnH₂) проявляют амфотерные свойства:

AlH₃ + BH₃ = Al[BH₄],

тетрагидридоборат алюминия

KH + AlH₃ = K[AlH₄].

тетрагидридоалюминат калия

Ковалентные гидриды - это соединения водорода с менее электроотрицательными неметаллами: SiH₄, BH₃. Они являются кислотными:

SiH₄ + 3H₂О = H₂SiO₃ + 4H₂,

SiH₄ + 2КН = К₂[SiH₆],

SiH₄ + ZnН₂ = Zn[SiH₆].

Особое место занимают гидриды d- и f-элементов. Они имеют нестехиометрический состав: VH, NbH, TaH, TiH₂, HfH₂, ScH₂, UH₃, PaH₃. Это соединения с металлической связью. Электрон атома водорода встраивается в электронную оболочку атома металла, тем самым повышает электропроводность металла. Металлические гидриды представляют собой темные порошки или хрупкие массы. Их используют как восстановители для получения металлов в виде порошков. Гидриды металлов также используют в реакциях гидрирования, синтеза многих соединений d- и f-элементов.

Соединение водорода в степени окисления (+1)

Положительная поляризация атомов водорода наблюдается в его многочисленных ковалентных соединениях с неметаллами, имеющими большую электроотрицательность. Они разнообразны по структуре и свойствам. Например, HHal, H₂O, H₂S, H₂Se, H₂Te, NH₃. Свойства этих соединений сильно зависят от природы элемента, с которым непосредственно связан водород. Положительная поляризация атома водорода так же проявляется в кислотах, основаниях, основных и кислых солях.

Одним из уникальных соединений водорода в степени окисления (+1) является вода. «Мир чарующий и фантастический», - такими словами лауреат Нобелевской премии Альберт Сент-Дьердьи характеризует ощущения исследователя, изучающего структуру воды.

Строение молекулы воды и физические свойства

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Оказывается, что едва ли не все многообразие свойств воды и необычность их проявления определяется, в конечном счете, физической природой этих атомов, способом их объединения в молекулу и группировкой образовавшихся молекул.

В отдельно рассматриваемой молекуле воды атомы водорода и кислорода, точнее их ядра, расположены так, что образуют равнобедренный треугольник. В вершине его - сравнительно крупное кислородное ядро, в углах, прилегающих к основанию, находятся по одному ядру водорода.

В соответствии с электронным строением атомов водорода и кислорода молекула воды располагает пятью электронными парами. Они образуют электронное облако. Облако неоднородно и в нем можно различить отдельные сгущения и разрежения электронной плотности. У кислородного ядра создается избыток электронной плотности. Внутренняя электронная пара кислорода равномерно обрамляет ядро. Четыре внешних электрона группируются в две электронные пары, тяготеющие к ядру, но частично не скомпенсированные. Каждый из оставшихся двух электронов кислорода образует пару с одним электроном водорода. Эти пары также тяготеют к кислородному ядру. Поэтому водородные ядра (протоны) оказываются несколько оголенными, здесь наблюдается недостаток электронной плотности.

Таким образом, в молекуле воды различают четыре полюса зарядов: два отрицательных (избыток электронной плотности в области кислородного ядра) и два положительных (недостаток электронной плотности у двух водородных ядер). Для большей наглядности можно представить, что полюса занимают вершины деформированного тетраэдра, в центре которого находится ядро кислорода (рисунок 24):

Рисунок 24 - Строение молекулы воды

Почти шарообразная молекула воды имеет заметно выраженную полярность, так как электрические заряды в ней расположены ассимметрично. Каждая молекула воды является миниатюрным диполем с высоким дипольным моментом 1,87 Дебая. Под воздействием диполей воды в 80 раз ослабевают межатомные или межмолекулярные силы на поверхности погруженного в нее вещества. Иначе говоря, вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость, самую высокую из всех известных соединений. Во многом благодаря этому, вода проявляет себя как универсальный растворитель. В ней той или иной мере растворяются и твердые вещества, и жидкости, и газы.

Между молекулами воды образуются межмолекулярные водородные связи (рисунок 25):

Рисунок 25 - Водородные связи между молекулами воды (структура льда)

Постоянно соприкасаясь со всевозможными веществами, вода фактически всегда представляет собой раствор различного, зачастую очень сложного состава.

Это же свойство проявляется и в способности воды «прилипать» ко многим предметам, то есть смачивать их. При изучении этого явления установили, что все вещества, которые легко смачиваются водой (глина, песок, стекло, бумага и др.), непременно имеют в своем составе атомы кислорода. Для объяснения природы смачивания этот факт оказался ключевым: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовывать дополнительные водородные связи с «посторонними» атомами кислорода.

Благодаря поверхностному натяжению и способности к смачиванию, вода может подниматься в узких вертикальных каналах на высоту большую чем та, которая допускается силой тяжести, то есть вода обладает свойством капиллярности.

Капиллярность играет важную роль во многих природных процессах, происходящих на Земле. Благодаря этому вода смачивает толщу почвы, лежащую значительно выше грунтовых вод и доставляет корням растений растворы питательных веществ. Капиллярностью обусловлено движение крови и тканевых жидкостей в живых организмах.

Самыми высокими оказываются у воды как раз те характеристики, которые должны были бы быть самыми низкими: температуры кипения и замерзания, теплоты парообразования и плавления.

Исходя из строения молекул воды, можно было бы ожидать, что вода должна кипеть при -70 °С и замерзать при -90 °C. В таком случае она никогда не могла бы существовать в земных условиях ни в твердом, ни в жидком состояниях. Единственно возможным было бы газообразное состояние. Однако, температура кипения воды +100 °С, а температура плавления 0 °C. Это преимущество ассоциативности молекул с помощью межмолекулярных связей, широкий температурный интервал существования, дает возможность осуществить все фазовые состояния в условиях нашей планеты (рисунок 26):

Рисунок 26 - Фазовая диаграмма воды



Ассоциативность воды сказывается и на очень высокой удельной теплоте ее парообразования. Чтобы испарить воду, уже нагретую до 100 °С, требуется в шесть раз больше теплоты, чем для нагрева этой же массы воды на 80 °С (от 20 до 100 °С).

Каждую минуту миллион тонн воды гидросферы испаряется от солнечного нагрева. В результате в атмосферу постоянно поступает колоссальное количество теплоты, эквивалентное тому, которое бы вырабатывали 40 тысяч электростанций мощностью 1 млрд. киловатт каждая.

При плавлении льда на преодоление ассоциативных связей между молекулами затрачивается в шесть раз меньше энергии, чем при испарении воды.

Удельная теплота плавления льда более высокая, чем у многих веществ, она эквивалентна расходу количества теплоты при нагреве 1 г воды на 80 °С (от 20 до 100 °С). При замерзании воды соответствующее количество теплоты поступает в окружающую среду, при таянии льда - поглощается. Поэтому ледяные массы, в отличие от масс парообразной воды, являются своего рода поглотителями тепла в среде с плюсовой температурой.

Среди необычных свойств воды - ее исключительно высокое поверхностное натяжение 0,073 Н/м (при 20 °С). Из всех жидкостей более высокое поверхностное натяжение имеет только ртуть. Оно проявляется в том, что вода постоянно стремится стянуть, сократить свою поверхность, хотя она всегда принимает форму емкости, в которой находится в данный момент. Вода лишь кажется бесформенной, растекаясь по любой поверхности. Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы ее наружного слоя сцепляться, создавая упругую внешнюю пленку. Свойства пленки также определяются замкнутыми и разомкнутыми водородными связями, ассоциатами различной структуры и разной степени упорядоченности. Благодаря пленке некоторые предметы, будучи тяжелее воды, не погружаются в воду (например, осторожно положенная стальная иголка). Многие насекомые (водомерки, ногохвостки и др.) не только передвигаются по поверхности воды, но взлетают с нее и садятся, как на твердую опору. Более того, живые существа приспособились использовать даже внутреннюю сторону водной поверхности. Личинки комаров повисают на ней с помощью несмачиваемых щетинок, а маленькие улитки - прудовики и катушки ползают по ней в поисках добычи.

Высокое поверхностное натяжение позволяет воде принимать шарообразную форму при свободном падении или в состоянии невесомости: такая геометрическая форма имеет минимальную для данного объема поверхность.

Химические свойства воды

Химические свойства воды определяются особенностями ее строения. Вода довольно устойчивое вещество, она начинает разлагаться на водород и кислород при нагревании по крайней мере до 1000 °С (происходит термическая диссоциация) или под действием ультрафиолетового излучения (фотохимическая диссоциация).

Вода относится к химически активным соединениям. Ее химические свойства можно разделить на несколько групп.

I. Окислительно-восстановительные свойства: окислительтные свойства вода проявляет за счет атомов водорода в степени окисления (+1), а восстановительные свойства - за счет атома кислорода в степени окисления (-2).

1) При обычных условиях вода взаимодействует с щелочными и щелочноземельными металлами, проявляя окислительные свойства:

2H₂O + Ca = Ca(ОН) ₂ + H₂,

2H₂O + 2Na = 2NaOH + H₂;



2) При нагревании взаимодействует с остальными металлами с Е⁰<0, проявляя окислительные свойства:

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂;

3) Взаимодействует с гидридами щелочных и щелочноземельных металлов, проявляя окислительные свойства:

KH + HOH = KOH + H₂,

СаH₂ + 2HOH = Са(OH)₂ + 2H₂;

4) Взаимодествует со фтором, проявляя восстановительные свойства:

2H₂O + 2F₂ = 4HF + O₂;

5) При температуре 1000 єС водяной пар разлагается, подвергаясь окислительно-восстановительному распаду:

2H₂O = 2Н₂ + О₂.

II. Реакции гидратации - реакции присоединения воды.

1. Взаимодействует с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов:

CaО + H₂O = Ca(ОН)₂,

Na₂О + H₂O = 2NaOH.

2. Взаимодействует с кислотными оксидами:

CO₂ + H₂O = H₂CO₃,

SO₃ + H₂O = H₂SO₄.



3. Взаимодействует с непредельными органическими соединениями:

CH₂=CH₂ + H₂О = CH₃-CH₂-ОН.

III. Реакции гидролиза - обменные реакции между составными частями вещества и молекулами воды.

1. Гидролиз солей:

2CuSO₄ + 2H₂O = (CuOH)₂SO₄ + H₂SO₄ (гидролиз по катиону),

CH₃COONa + H₂O = CH₃COOH + NaOH (гидролиз по аниону),

Al(CH₃COO)₃ + H₂O = AlOH(CH₃COO)₂ + CH₃COOH (совместный гидро-лиз по катиону и аниону).

2. Гидролиз карбидов металлов:

Аl₄C₃ + 12Н₂О = 4Аl(OH)₃ + 3CH₄,

СаС₂ + 2Н₂О = Са(OH)₂ + С₂Н₂.

3. Гидролиз многих органических соединений: галогеналканов, сложных эфиров, жиров, ди- и полисахаридов, белков.

IV. Кислотно-основные свойства.

Для жидкой воды характерна самоионизация. Молекулы ее взаимно влияют друг на друга. Тепловое движение молекул вызывает ослабление и гетеролитический разрыв отдельных связей О-Н в молекулах воды. При этом протон присоединяется к атому кислорода соседней молекулы воды по донорно-акцепторному механизму:

Н₂О + Н₂О = Н₃О⁺ + ОН-.

ион гидроксония



В сущности ион гидроксония является гидратированным ионом водорода, поэтому упрощенно самоионизацию воды можно представить следующим образом:

Н₂О = Н⁺ + ОН-.

Так как при ионизации одновременно образуются ионы Н⁺ и ОН-^, то воду можно считать амфотерным электролитом.

Концентрация ионов Н⁺ и ОН- в воде равны 10-⁷ моль/дм³. Вода не проявляет сколько-нибудь выраженных кислотных или основных свойств. Однако вода оказывает сильное ионизирующее действие на растворенные в ней электролиты. Под действием диполей воды растворы многих веществ в воде проявляют кислотные свойства:

НСl = H⁺ + Cl-.

Присоединением протона молекулы воды к молекулам некоторых растворенных веществ обусловлены основные свойства водных растворов этих веществ:

NH₃ + HOH = NH₄⁺ + OH-.

Биологическая роль воды

Человеческий организм состоит из 70-80 % воды, в некоторых растениях воды содержится до 90 % и более.

Живые организмы строят свои тела, структуры, органы из тех материалов, которые их окружают в их естественной окружающей среде. Во-первых, эти материалы должны быть относительно легко доступны, во-вторых, они должны удовлетворять требованиям обеспечения комфортного существования организма, и, в-третьих, исполнять необходимые функции жизнеобеспечения. Среди компонентов окружающей среды, используемых живыми организмами, вода в силу своих специфических свойств занимает особое место.

Примерно 80 % поверхности земного шара покрыто водой. С этой точки зрения вода на Земле является уникальным веществом, ее доступность можно сравнить только с воздухом. Основная масса живых организмов на Земле, как среди животных, так и среди растений, в качестве основного строительного материала выбрали именно воду. Не удивительно, что многие организмы содержат в своем составе до 90 и более процентов воды. Как утверждают ученые, первые истоки жизни на Земле появились именно в воде. И по настоящее время всем хорошо известно, что без воды жизнь на Земле погибает. Поэтому, именно доступность воды явилась первым основным строительным материалом при зарождении жизни на Земле. Таковой вода и остается по сегодняшний день.

Вода в организме вступает в химические взаимодействия только в некоторых контролируемых биохимических процессах, как например, в реакциях синтеза цикла Кребса, в процессе фотосинтеза, в процессах гидратации и в других подобных процессах. Основная масса воды в организме играет роль среды, в которой проходят эти реакции. Известно, что большинство химических реакций могут проходить либо в растворах жидкостей, либо в газообразном состоянии. Биохимические реакции, как правило, проходят в водных растворах. В этом отношении вода является единственной жидкостью, которая обеспечивает оптимальные условия для организации жизненно важных биохимических процессов.

Из воды на 80 % состоит кровь. Лимфа, пот, моча также представляяют собой водные растворы, содержащие удаляемые из организма продукты. Это биологически важное свойство воды обусловлено ее уникальными свойствами как универсального растворителя и ее высокой текучестью в нормальных условиях. Свойство воды находиться в жидком состоянии в организме, а также нейтральность по отношению к организму определи ей роль универсального транспортного средства для обеспечения связи между органами.

Обладая большой теплоемкостью, вода обеспечивает наилучшие условия для накопления и сохранения тепла, которое необходимо для поддержания стабильной температуры в организме.

Вода выполняет также защитную функцию. В водной среде органы находятся в практически невесомом состоянии, или в состоянии минимального веса. Соответственно, инерциальные силы скомпенсированы или сведены к минимуму, что обеспечивает практически полную защищенность внутренних органов от критических перегрузок.

С каждым годом все больше информации появляется о «памяти» воды и ее способности излучать эту информацию в окружающее пространство. Впервые о памяти воды сообщил в начале 80-х годов XX века французский иммунолог Жак Бенвениста (1935-2004 гг.).

Идея памяти воды была подхвачена и другими специалистами. Например, ученый Михаил Жадин из Института биофизики клетки РАН (г. Пущино) заявил об открытии им особого вида излучения от растворенных в воде веществ и о возможности передачи этих излучений на расстояние («Эффект Жадина»). При этом утверждается, что вода состоит из особых «доменов», которые способны «запоминать» необходимую полезную для человека информацию и затем передавать ее.

Размещено на Allbest.ru