Водород (Hydrogenium – воду рождающий)
Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Водород (Hydrogenium – воду рождающий)





Имеет 3 изотопа: протий , дейтерий или Д и тритий или Т, тритий образуется в атмосфере в результате ядерных реакций, вызванных действием космического излучения.

Свободного водорода на Земле почти нет, в атмосфере его содержание не превышает 5×10-5%. Практически весь водород находится в связанном состоянии в составе многих минералов, углей, нефти, живых и растительных организмов, но самым распространенным его соединением является вода.

Водород – s-элемент, в различных вариантах периодической системы помещают его то в I A, вместе со щелочными металлами, то в VII A вместе с галогенами, а иногда рассматривают отдельно.

Со щелочными металлами он сходен в том, что образует положительный ион Н+ и играет роль восстановителя.

Но с галогенами у него больше сходства: в гидридах активных металлов (CaH2, NaH), содержится ион Н-, подобный ионам Г- (NaCl, CaCl2). Молекулы водорода и галогенов двухатомны (Н2, Cl2, Br2). Для водорода, как и для фтора, хлора, характерны газообразное состояние и неметаллические свойства. Потенциалы ионизации водорода и галогенов близки. Атомы водорода легко замещаются атомами галогенов в органических соединениях. Поэтому некоторые авторы считают, что вариант периодической системы, где Н возглавляет VII А группу, более правилен.

Особенности водорода – единственный валентный электрон водорода находится непосредственно в зоне действия атомного ядра. Особенностями строения атома водорода обусловлено существование водородной связи.

Получение Н2

 

В промышленности водород получают из воды и углеводородов. При этом восстановителем водорода при температуре (600-900°С) являются атомы углерода

CO + H2O = H2 ­ + CO2­

 

Конверсия метана с водяным паром:



CH4 + H2O = 3H2­ + CO­.

При более высокой температуре (950-1100°) можно получить разложением метана особо чистый водород и углерод.

950 – 11000C

CH4 = 2H2­ + C

В лаборатории:

1) при действии разбавленного раствора кислоты на активный металл (в аппарате Киппа):

H2SO4 + Zn = H2↑ + ZnSO4

или

2HCl + Zn = H2↑ + ZnCl2

2) щелочные металлы и щелочноземельные вытесняют водород из воды.

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2

3) действием едких щелочей на металлы

0 + 0 3

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

0 3+

Al – 3e = Al

+ -__ 0

2H + 2e = H2

или Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4]+H2

4) разложением гидридов типичных металлов водой

CaH2 + 2H2O = 2H2↑ + Ca(OH)2

5) электролизом воды (электролиз водных растворов щелочей).

Электролиз

2H2O → 2H2 + O2

Физические свойства. В обычных условиях водород – это самый легкий газ без цвета, запаха и вкуса, плохо растворим в воде.

Атомарный водород гораздо активнее молекулярного, для которого нужны дополнительные затраты энергии на распаривание электронов.

По электроотрицательности занимает промежуточное положение между неметаллами и металлами. И в реакциях с неметаллами и кислородсодержащими веществами играет роль восстановителя.

Химические свойства Н2

Водород легко соединяется с кислородом, горит на воздухе или в атмосфере чистого кислорода бледно-синим пламенем.

t

1) 2H2 + O2 = 2H2O

Если состав смеси приближается к стехиометрическому (2 объема Н2 и 1 объем кислорода), то смесь называется “гремучим газом”, т.к. реакция имеет в этом случае взрывной характер.

Водородно-кислородное пламя, имеющее температуру 2500°-2800°С используют для плавления тугоплавких металлов и автогенной сварки.

2) 3H2 + N2 ↔ 2NH3 (при температуре 450 – 5000С и повышенном давлении, в присутствии катализатора).

t

3) CuO + H2 = Cu + H2O(при нагревании).

4) CO + 2H2 = CH3OH (при повышении температуры и давления, в присутствии катализатора).

5) 2Na + H2 = 2NaH (с очень активными металлами водород взаимодействует непосредственно как окислитель, превращаясь в ион Н- (гидрид-ион).

3. Вода и ее свойства. Экологическое и биологическое значение Н2О

Три изотопа водорода и три стабильных изотопа кислорода 16О, 17О, 18О в различных сочетаниях могут образовывать 18 изотопических разновидностей воды с молекулярными массами от 18 до 24 (Т218О). В тяжелой воде вещества растворяются хуже, растворы меньше проводят электрический ток. Она гигроскопична, жадно поглощает влагу из воздуха. Помещенные в нее без предварительной подготовки живые существа (рыбы, черви и т.п.) погибают, семена в ней не прорастают, микробы не живут. Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека. Согласно с современными представлениями происхождение жизни связано с водной средой. Во всяком живом организме в воде протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма.

Физические свойства. Чистая вода бесцветная, прозрачная жидкость, без запаха и вкуса. Плотность воды при переходе из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как у всех других веществ, а возрастает и максимальной плотностью обладает вода при 4°С, а при дальнейшем нагревании плотность ее уменьшается.

Вода обладает аномально большой теплоемкостью равной 4,18 , песок = 0,79, NaCl = 0,88 (Дж/(г×К).

Поэтому это имеет большое значение для жизни. При переходе от лета к зиме, ото дня к ночи она остывает медленно и является регулятором температуры на земном шаре.

Она имеет самую высокую температуру кипения в ряду

 

Н2О – Н2S – H2Se – H2Te,

Tкипения, °С 100 -60 -41 -2

Если от H2Te к Н2S температура кипения закономерно уменьшается, то при переходе от Н2S к Н2О резко увеличивается. Это объясняется наличием водородной связи между молекулами воды, вследствие кулоновского взаимодействия положительно заряженного атома водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом кислорода другой молекулы

Такое взаимодействие затрудняет отрыв молекул друг от друга, т.е. уменьшает их летучесть, а, следовательно, повышает температуру кипения.

Молекула воды из-за sp3-гибридизации орбиталей атома кислорода имеет угловую конфигурацию, а атомы водорода, соединенные с сильно-электроотрицательным атомом кислорода, определяют ее способность к установлению четырех водородных связей с соседними молекулами.

 


104°5’

Химические свойства Н2О

Вода – очень активный реагент по следующим причинам:

а) за счет ориентационного взаимодействия с полярными молекулами других веществ;

б) существования межмолекулярных водородных связей;

в) проявления донорных свойств со стороны атома кислорода по отношению к частицам – акцепторам электронных пар;

г) электролитической диссоциации при обычных условиях (ионы Н+ гидратируются, образуя ионы гидроксония Н3О+ ).

1. При температуре выше 3000°С диссоциация водяного пара, но равновесие сдвинуто в сторону воды.

2H2O D 2H2 + O2

2. Оксиды металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты (гидрооксиды).

Cl2O7 + H2O = 2HClO4

K2O + H2O = 2KOH

3. Некоторые соли образуют с водой кристаллогидраты. При растворении веществ с ионной структурой молекулы растворителя удерживаются около иона силами электростатического притяжения, т.е. за счет ион -дипольного взаимодействия.

Например: кристаллогидрат сульфата натрия Na2SO4×10H2O (глауберова соль), Na2CO3×10H2O - кристаллическая сода.

Гидраты, образующиеся в результате донорно-акцепторного взаимодействия (где ионы растворенного вещества выступают обычно в качестве акцепторов, а молекулы растворителя в качестве доноров электронных пар) представляют собой частный случай комплексных соединений.

Аквакомплексы– лигaндами является вода, [Co(H2O)6]Cl2, [Al(H2O)6]Cl3, [Cr(H2O)6]Cl3 и др. Некоторые аквакомлексы в кристаллическом состоянии удерживают кристаллизационную воду [Cu(H2O)4]SO4×H2O – медный купорос.

 

4. Пероксид водорода. Окислительно-восстановительная двойственость Н2О2

1. Строение молекулы. Структурная формула Н–О–О–Н. Энергия связи О-О (210 кДж/моль) почти в 2 раза меньше энергии связи О–Н (468 кДж/моль). Из-за несимметричного распределения связей Н–О молекула Н2О2 сильно полярна. Между молекулами Н2О2 возникает довольно прочная водородная связь, поэтому в обычных условиях Н2О2 – сиропообразная светло-голубая жидкость с высокой температурой кипения равной 150°С. Температура плавления 0,41°С. Почти в 1.5 раза тяжелее воды, поверхностное натяжение (σ) больше, чем у Н2О.

В молекуле Н2О2 связи между атомами кислорода и водорода полярны (вследствие смещения общих электронных пар к кислороду). В водных растворах – это слабая кислота, хоть и в незначительной степени распадается на ионы: _

H2O2 «H+ + HO-2 I ступень К1 = 2,6×10-12.

HO-2 « H+ + O2-2 II ступень практически не протекает, т.к. подавляется диссоциацией Н2О, которая протекает в большей степени, чем Н2О2. Сместить диссоциацию по 2-й ступени можно введением щелочи.

2. С некоторыми основаниями Н2О2 взаимодействует, непосредственно образуя соли, что подтверждает его кислотные свойства.

Ba(OH)2 + H2O2 = BaO2 + 2H2O

Соль пероксида водорода

3. В отличие от воды пероксид водорода – непрочное соединение, разлагается даже при комнатной температуре (диспропорционирует на свету)

Н2О2 + Н2О2 = О2+ 2Н2О

Н2О2 = Н2О+ О

Неустойчивость Н2О2 обусловлена непрочностью связи О - О.

Атомы кислорода в молекуле Н2О2 связаны непосредственно друг с другом неполярной ковалентной связью. Связи О–Н полярны. Поэтому молекула Н2О2 также полярна.

Пероксиды относят к классу солей. Как соли они могут вступать в реакцию обмена с кислотами:

ВаО2 + Н2SO4 = BaSO4¯ + H2O2

в отличие от оксидов

SnO2 + 2H2SO4 = Sn(SO4)2 + 2H2O

Этой реакцией пользуются для различия оксидов и пероксидов.

 

 

0,95А°    
Н 0.95 А0 = 0,095нм

1,48 А0 = 0,148нм

1,48А°
120°

О О

95°

 

 

Н

ЕО-О = 210 кДж/моль ЕО-Н = 468 Дж/моль

 

Молекула нелинейна, две связи О–Н расположены не симметрично, а в 2-х плоскостях под углом 120°. Поэтому полярность mН2О2 > mН2О.

4. Окислительно-восстановительная двойственность Н2О2

Н2О2 + 2КI = I2 + 2KOH

Окислитель восстановитель

Н2О2 + Ag2O = 2Ag + O2 + H2O

Восстановитель окислитель

5H2O2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 → 5O2 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O

H2O2 + 2KI + H2SO4 → 2H2O + I2 + K2SO4

Na2O2 и K2O2 – используют для регенерации кислорода в подводных лодках и в изолирующих противогазах.

2Na2O2 + 2CO2 → 2Na2CO3 + O2

Наличие атомарного кислорода сообщает Н2О2 и Na2O2 сильные окислительные свойства. Na2O2 способен гидролизоваться с образованием H2O2 по реакции

Na2O2 + 2H2O = 2NaOH + H2O2

В связи с этим они находят применение для отбеливания шерсти, шелка, мехов.

Аптечная перекись водорода – 3% водный раствор Н2О2, применяется как дезинфицирующее средство, (30% раствор называется пергидроль).









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2018 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.