Начальная школа

Русский язык

Литература

История России

Всемирная история

Биология

География

Математика

Водород

 

khimНазвание "водород"относится и к химическому элементу, и к простому веществу. Элемент водород состоит из атомов водорода. Простое вещество водород состоит из молекул водорода.

а) Химический элемент водород

В естественном ряду элементов порядковый номер водорода – 1. В системе элементов водород находится в первом периоде в IA или VIIA группе.

Водород – один из самых распространенных элементов на Земле. Молярная доля атомов водорода в атмосфере, гидросфере и литосфере Земли (все вместе это называется земной корой) равна 0,17. Он входит в состав воды, многих минералов, нефти, природного газа, растений и животных. В теле человека в среднем содержится около 7 килограммов водорода.

б) Атом водорода

Из предыдущих разделов курса химии вам уже известны следующие характеристики атома водорода:

Атомный номер

Заряд ядра

Число протонов в ядре

Электронная формула атома

Форма граничной поверхности ЭО

Орбитальный радиус атома

Молярная энергия ионизации

Z = 1

Z = +1e

Z = 1

1s1

Сфера

ro(H) = 0,53 A = 0,053 нм

Emи(H) = 1312 кДж/моль

Молярная энергия сродства к электрону

Есm (H) = 73 кДж/моль

Относительная электроотрицательность

 

= 2,10

Валентные возможности атома водорода определяются наличием одного электрона на единственной валентной орбитали. Большая энергия ионизации делает атом водорода не склонным к отдаче электрона, а не слишком высокая энергия сродства к электрону приводит к незначительной склонности его принимать. Следовательно, в химических системах образование катиона Нневозможно, а соединения с анионом Н не очень устойчивы. Таким образом, для атома водорода наиболее характерно образование с другими атомами ковалентной связи за счет своего одного неспаренного электрона. И в случае образования аниона, и в случае образования ковалентной связи атом водорода одновалентен.

В простом веществе степень окисления атомов водорода равна нулю, в большинстве соединений водород проявляет степень окисления +I, и только в гидридах наименее электроотрицательных элементов у водорода степень окисления –I.

Сведения о валентных возможностях атома водорода приведены в таблице 28. Валентное состояние атома водорода, связанного одной ковалентной связью с каким-либо атомом, в таблице обозначено символом "H—".

Таблица 28.Валентные возможности атома водорода

Валентное состояние

Wэ

Wк

С/О

Примеры химических веществ

H -

0

1

+I

0

–I

HCl, H2O, H2S, NH3, CH4, C2H6, NH4Cl, H2SO4, NaHCO3, KOH

H2

B2H6, SiH4, GeH4

H

1

0

–I

NaH, KH, CaH2, BaH2

в) Молекула водорода

Двухатомная молекула водорода Н2 образуется при связывании атомов водорода единственной возможной для них ковалентной связью. Связь образуется по обменному механизму. По способу перекрывания электронных облаков это s-связь (рис. 10.1 а). Так как атомы одинаковы, связь неполярная.

0089index

Межатомное расстояние (точнее равновесное межатомное расстояние, ведь атомы-то колеблются) в молекуле водорода r(H–H) = 0,74 A (рис.10.1 в), что значительно меньше суммы орбитальных радиусов (1,06 A). Следовательно, электронные облака связываемых атомов перекрываются глубоко (рис. 10.1 б), и связь в молекуле водорода прочная. Об этом же говорит и довольно большое значение энергии связи (454 кДж/моль).

Если охарактеризовать форму молекулы граничной поверхностью (аналогичной граничной поверхности электронного облака), то можно сказать, что молекула водорода имеет форму слегка деформированного (вытянутого) шара (рис. 10.1 г).

г) Водород (вещество)

При обычных условиях водород – газ без цвета и запаха. В небольших количествах он нетоксичен. Твердый водород плавится при 14 К (–259 °С), а жидкий водород кипит при 20 К (–253 °С). Низкие температуры плавления и кипения, очень маленький температурный интервал существования жидкого водорода (всего 6 °С), а также небольшие значения молярных теплот плавления (0,117 кДж/моль) и парообразования (0,903 кДж/моль) говорят о том, что межмолекулярные связи в водороде очень слабые.

Плотность водорода r(Н2) = (2 г/моль):(22,4 л/моль) = 0,0893 г/л. Для сравнения: средняя плотность воздуха равна 1,29 г/л. То есть водород в 14,5 раза "легче"воздуха. В воде он практически нерастворим.

При комнатной температуре водород малоактивен, но при нагревании реагирует со многими веществами. В этих реакциях атомы водорода могут как повышать, так и понижать свою степень окисления: Н2 + 2е = 2Н–I, Н2 – 2е = 2Н+I.

В первом случае водород является окислителем, например, в реакциях с натрием или с кальцием: 2Na + H2 = 2NaH, (t) Ca + H2 = CaH2. (t)

Но более характерны для водорода восстановительные свойства: O2 + 2H2 = 2H2O, (t)

CuO + H2 = Cu + H2O. (t)

При нагревании водород окисляется не только кислородом, но и некоторыми другими неметаллами, например, фтором, хлором, серой и даже азотом.

В лаборатории водород получают в результате реакции

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2088index.

Вместо цинка можно использовать железо, алюминий и некоторые другие металлы, а вместо серной кислоты – некоторые другие разбавленные кислоты. Образующийся водород собирают в пробирку методом вытеснения воды (см. рис. 10.2 б) или просто в перевернутую колбу (рис. 10.2 а).

В промышленности в больших количествах водород получают из природного газа (в основном это метан) при взаимодействии его с парами воды при 800 °С в присутствии никелевого катализатора:

CH4 + 2H2O = 4H2 +CO2 (t, Ni)

или обрабатывают при высокой температуре парами воды уголь:

2H2O + С = 2H2 + CO2. (t)

Чистый водород получают из воды, разлагая ее электрическим током (подвергая электролизу):

2H2O = 2H20087index+ O2(электролиз).

д) Соединения водорода

Гидриды (бинарные соединения, содержащие водород) делятся на два основных типа:

а) летучие (молекулярные) гидриды,

б) солеобразные (ионные) гидриды.

Элементы IVА – VIIA групп и бор образуют молекулярные гидриды. Из них устойчивы только гидриды элементов, образующих неметаллы:

B2H6 ;CH4; NH3; H2O; HF

SiH4 ;PH3; H2S; HCl

AsH3; H2Se; HBr

H2Te; HI

За исключением воды, все эти соединения при комнатной температуре – газообразные вещества, отсюда их название – "летучие гидриды" .

Некоторые из элементов, образующих неметаллы, входят в состав и более сложных гидридов. Например, углерод образует соединения с общими формулами CnH2n+2, CnH2n, CnH2n–2 и другие, где n может быть очень велико (эти соединения изучает органическая химия).

К ионным гидридам относятся гидриды щелочных, щелочноземельных элементов и магния. Кристаллы этих гидридов состоят из анионов Нminus и катионов металла в высшей степени окисления Меplus или Ме2plus (в зависимости от группы системы элементов).

LiH

NaH

MgH2

KH

CaH2

RbH

SrH2

CsH

BaH2

И ионные, и почти все молекулярные гидриды (кроме Н2О и НF) являются восстановителями, но ионные гидриды проявляют восстановительные свойства значительно сильнее, чем молекулярные.

Кроме гидридов, водород входит в состав гидроксидов и некоторых солей. Со свойствами этих, более сложных, соединений водорода вы познакомитесь в следующих главах.

Главными потребителями получаемого в промышленности водорода являются заводы по производству аммиака и азотных удобрений, где аммиак получают непосредственно из азота и водорода:

N2 +3H2 strl 2NH3 (Рt, Pt – катализатор).

В больших количествах водород используют для получения метилового спирта (метанола) по реакции 2Н2 + СО = СН3ОН (t, ZnO – катализатор), а также в производстве хлороводорода, который получают непосредственно из хлора и водорода:

H2 + Cl2 = 2HCl.

Иногда водород используют в металлургии в качестве восстановителя при получении чистых металлов, например: Fe2O3 + 3H2= 2Fe + 3H2O.

vopros 1.Из каких частиц состоят ядра а) протия, б) дейтерия, в) трития?

2.Сравните энергию ионизации атома водорода с энергией ионизации атомов других элементов. К какому элементу по этой характеристике водород ближе всего?

3.Проделайте то же для энергии сродства к электрону

4.Сравните направление поляризации ковалентной связи и степень окисления водорода в соединениях: а) BeH2,CH4, NH3, H2O, HF; б) CH4, SiH4,GeH4.

5.Запишите простейшую, молекулярную, структурную и пространственную формулу водорода. Какая из них чаще всего используется?

6.Часто говорят: " Водород легче воздуха". Что под этим подразумевается? В каких случаях это выражение можно понимать буквально, а в каких –нет?

7.Составьте структурные формулы гидридов калия и кальция, а также аммиака, сероводорода и бромоводорода.

8.Зная молярные теплоты плавления и парообразования водорода, определите значения соответствующих удельных величин.

9.Для каждой из четырех реакций, иллюстрирующих основные химические свойства водорода , составьте электронный баланс. Отметьте окислители и восстановители.

10.Определите массу цинка, необходимого для получения 4,48 л водорода лабораторным способом.

11.Определите массу и объем водорода, который можно получить из 30 м3смеси метана и паров воды, взятых в объемном отношении 1:2, при выходе 80 %.

12.Составьте уравнения реакций, протекающихпри взаимодействии водорода а) со фтором, б) с серой.

13.Приведенные ниже схемы реакций иллюстрируют основные химические свойства ионных гидридов:

а) MH + O2 vopros MOH (t); б) MH + Cl2 vopros MCl + HCl (t);

в) MH + H2vopros MOH + H2; г) MH + HCl(p) vopros MCl + H2

Здесь М – это литий, натрий, калий, рубидий или цезий. Составьте уравнения соответствующих реакций в случае, если М – натрий. Проиллюстрируйте уравнениями реакций химические свойства гидрида кальция.

14.Используя метод электронного баланса, составьте уравнения следующих реакций, иллюстрирующих восстановительные свойства некоторых молекулярных гидридов:

а) HI + Cl2 vopros HCl + I2 (t); б) NH3 + O2 vopros H2O + N2 (t); в) CH4 + O2 vopros H2O + CO2 (t).

 

Поиск

Информатика

Физика

Химия

Педсовет

Классному руководителю

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru