Водород

Водород
Водород — единственный элемент Периодической системы, положение
которого неоднозначно. Химический символ водорода в Периодической
таблице Менделеева представлен дважды: в IА и в VIIА группах. Это
объясняется тем, что водород имеет ряд свойств, объединяющих его как со
щелочными металлами, так и с галогенами (табл. 7.1).
Изотопы водорода. В природе водород существует в виде трех изотопов
с массовыми числами 1, 2 и 3, свойства которых настолько различны, что им
в отличие от изотопов всех других элементов даже присвоены собственные
названия и символы: протий H, дейтерий D и тритий T.
Чтобы показать, насколько отличаются свойства разных изотопов
водорода, достаточно сравнить свойства легкой (протиевой) Н2O и тяжелой
(дейтериевой) D2O воды (табл. 7.2).
Водород в природе. Во Вселенной водород является самым распространенным элементом — на его долю приходится около 75 % массы
Вселенной или свыше 90 % всех ее атомов.
Водород в составе воды входит в важнейшую геологическую оболочку
Земли — гидросферу (Мировой океан).
Водород образует наряду с углеродом все органические вещества, т.е.
входит в состав живой оболочки Земли — биосферы.
В земной коре — литосфере — массовое содержание водорода
составляет всего лишь 0,88%, т.е. он занимает 9-е место среди всех
элементов. Но по числу атомов, приходящихся на долю водорода, ему
принадлежит почетное 3-е место.
Воздушная оболочка Земли — атмосфера — содержит менее одной
миллионной части общего объема, приходящейся на долю молекулярного
водорода. Он встречается только в верхних слоях атмосферы.
Водород входит в состав природного газа и нефти.
Таблица 7.1
Сравнение свойств водорода со свойствами щелочных металлов
и галогенов
Свойства
Строение
электронной
оболочки атома
Сходство со щелочными металлами
На внешнем и единственном
энергетическом уровне атом
водорода содержит один
электрон. Водород относится к
s-элементам
Сходство с галогенами
До завершения внешнего и
единственного уровня атому
водорода, как и атомам
галогенов, недостает одного
электрона
Степень окисления
Водород
проявляет
восстановительные свойства и
по
электроотрицательности
уступает практически всем
неметаллам.
В
результате
окисления водород получает
наиболее часто встречающуюся
в его соединениях степень
окисления +1
Водород, как и галогены, в
соединениях со щелочными и
щелочноземельными металлами
имеет степень окисления -1
Физические свойства Предполагается наличие в
космосе твердого водорода с
металлической
кристаллической решеткой.
Такой водород, например,
вероятнее всего образует ядра
таких планет Солнечной
системы, как Сатурн и Юпитер
Подобно первым галогенам
(фтору и хлору) водород при
обычных условиях является
газом. Его молекулы, как и
молекулы галогенов, двухатомны
и образованы за счет
ковалентной неполярной связи
Химические
свойства
Проявляет окислительные
свойства в реакциях со
щелочными и
щелочноземельными металлами,
образуя при этом твердые
солеподобные соединения —
гидриды (NаН, СаН2), подобные
галогенидам
Водород является сильным
восстановителем, его
восстановительные свойства
подтверждены включением в
ряд стандартных электродных
потенциалов металлов
Получение водорода. В лабораторных условиях наиболее часто водород
получают взаимодействием соляной или разбавленной серной кислоты с
цинком:
Zn + 2НСl = ZnСl2 + Н2
Zn + 2Н+ = Zn2+ + Н2
Таблица 7.2
Свойство
Mr
Плотность*,
г/см3
Температура
кристаллизации,
°С
Температура
кипения, °С
Сравнение свойств легкой и тяжелой воды
D2 О
Н2O
18
20
0,9982
1,1050
0
3,8
100,0
101,4
Скорость
протекания
химических
реакций
Биологическая
роль
Применение
Выше, чем для реакций с
участием тяжелой воды
Ниже, чем для реакций
с участием легкой воды
Является основой
транспортных,
теплорегулирующих и
обменных процессов
жизнедеятельности живых
организмов
Выступает в качестве
реагента, растворителя,
хладагента, теплоносителя,
рабочего тела в паровых
машинах; применяется в
гидрометаллургии,
производстве продуктов
питания, лекарств и т.д.; для
орошения в сельском
хозяйстве
Замедляет
биологические
процессы, угнетает
жизнедеятельность
организмов
Используется как
теплоноситель и
замедлитель нейтронов
в ядерных реакторах,
как изотопный
индикатор; является
перспективным
компонентом топлива в
термоядерных
реакторах
________
* При температуре 20 °С.
В промышленности наиболее часто используют два конверсионных (лат.
conversio — изменение) способа получения водорода.
1.
Конверсия водяного пара с раскаленным коксом:
С + Н2О → СО + Н2
и далее:
СО + Н2О → СО2 + Н2
2.
Конверсия метана с водяным паром в присутствии никелевого
катализатора при температуре 1300°С:
СН4 + 2Н2O ⇄ СO2 + 4Н2
Свойства водорода. Это самый легкий газ из известных (плотность ≈
0,09 г/л), без запаха, цвета и вкуса; плохо растворим в воде.
Восстановительные свойства водорода проявляются в первую очередь в
реакциях с неметаллами.
Для реакции взаимодействия водорода с галогенами (Г2 — общая
формула галогенов):
Н2 + Г2 = 2НГ
продемонстрируем зависимость скорости реакции от природы галогена.
Фтор взаимодействует с водородом со взрывом даже в темноте. Реакция
с хлором протекает со взрывом только после инициирования светом.
С бромом и йодом водород обратимо реагирует без взрыва при
нагревании до температуры 400 — 500°С, причем реакция с йодом имеет уже
эндотермический характер.
Водород с кислородом в соотношении 2: 1 образует взрывоопасную
смесь, которую называют гремучим газом. При поджигании или пропускании
электрического разряда она взрывается:
2Н2 + O2 = 2Н2O
С серой, азотом и углеродом водород взаимодействует обратимо при
нагревании, образуя различные по кислотно-основным свойствам летучие
водородные соединения: Н2S, NH3 и СН4 соответственно.
Восстановителем водород является и в реакциях с оксидами металлов и
неметаллов:
СuО + Н2 = Сu + Н2O
Применение водорода. Водород широко применяют:
для промышленного синтеза аммиака и хлороводорода;
очистки нефтепродуктов; получения маргарина;
резки и сварки металлов;
получения некоторых металлов из их оксидов;
в качестве топлива для космических двигателей;
в качестве топлива используются изотопы водорода в термоядерных
реакторах.
Вопросы
Почему знак водорода в таблице Менделеева приведен дважды?
Что сближает этот элемент со щелочными металлам, а что — с
галогенами?
Охарактеризуйте окислительные и восстановительные свойства водорода. Приведите уравнения соответствующих реакций, рассмотрите
процессы окисления и восстановления.
Какой объем водорода (н.у.) образуется при растворении в воде 92 г
натрия, содержащего 25 % продуктов окисления натрия на воздухе?
В 2 л воды растворили 89,6 л хлороводорода (н.у.). Найдите массовую долю
соляной кислоты в полученном растворе.
Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить
следующие превращения:
а)
СН4 → Н2 → СаН2 → Са(ОН)2 → СаСO3 → Са(НСO3)2 → СаСO3 →
СаО → Са(ОН)2 → СаСО3
б)
Н2O → Н2 → НСl → Н2 → Н2O → КОН → К3РO4 → КН2РO4 → КСl
→ АgСl