Водород Химический символ H. Порядковый номер 1. Атомная

Водород
Автор: SergeiMegan
31.05.2008 22:28 - Обновлено 19.06.2008 10:00
Водород
Химический символ H. Порядковый номер 1. Атомная масса 1,00794. Ядро атома
водорода содержит один протон. Электронная конфигурация 1s1. Водород имеет
простейшее строение атома: его ядро окружено электронным облаком.
Число известных изотопов 4. Обычный водород состоит из молекул, в состав которых
входят атомы, образованные одним протоном и одним электроном. Этот «простейший»
водород называют протий 11Н. Существуют, однако, еще три изотопа водорода, а
именно: дейтерий, ядро которого содержит один протон и один нейтрон (его
обозначают символом D) — 21Н, и тритий (символ Т), Тритий имеет в ядре два нейтрона
и один протон —31Н, а четвертый — 41Н — получен искусственно. В обычном водороде
один атом дейтерия приходится приблизительно на 7 тысяч атомов протия, а на один
атом трития — 1018 атомов протия.
Тритий является радиоактивным элементом с периодом поля распада 12,262 года и
получается искусственно действием нейтронов на изотоп лития:
6Li + n4He+T
Космические лучи в верхних слоях атмосферы вызывают образование нейтронов,
вступающих в реакцию:
14N + n12C+T
Эта реакция объясняет наличие ничтожно малых количеств трития в атмосфере.
Особое значение с современных позиций приобретает вопрос о месте водорода в
периодической системе Д. И. Менделеева, Электронная структура оболочки водорода
аналогична оболочке щелочных металлов. Подобно щелочным металлам, водород имеет
высшую степень окисления +1 однозарядного иона H+. Спектр водорода очень похож на
спектры щелочных металлов. Подобно последним, водород является сильным
восстановителем. Эти ос-новные причины позволяют рассматривать водород как
представителя I группы. Однако радиус однозарядного иона H+, называемого протоном
(10-6 нм), резко отличается от радиусов ионов щелочных металлов (0,06-0,17 нм).
Энергия ионизации атома водорода намного больше атомов щелочных металлов и
близка к энергии ионизации галогенов (ЕCl=13,01 эВ, ЕH=13,59 эВ). Следует отметить и
другое важное отличие: для щелочных металлов невозможно существование
отрицательно заряженных ионов, тогда как для водорода степень окисления -1
достаточно харак-терна. Таким образом, между водородом и щелочными металлами
наблюдается лишь некоторое сходство.
С другой стороны, водород включен в главную подгруппу седьмой группы
Как и галогены, водород — газообразное в обычных условиях вещество, образует
двухатомные молекулы с ковалентной связью, проявляет окислительные свойства, т.е.
атом водорода при-соединяет один электрон, образуя прочную электронную
конфигурацию ближайшего инертного элемента гелия. Во всех соединениях водорода с
1/3
Водород
Автор: SergeiMegan
31.05.2008 22:28 - Обновлено 19.06.2008 10:00
металлами анион КГ одновалентен, а сами эти соединения, — гидриды — по структуре и
характеру связи очень сходны с галогенидами: они являются типичными солями.
Поэтому водород помещают в VII группу периодической системы элементов Д. И.
Менделеева, а в I группе символ водорода заключают в скобки или наоборот.
Нахождение в природе
Водород широко распространен в природе — содержится в воде, во всех органических
соединениях, в свободном виде — в некоторых природных газах. Содержание его в
земной коре с учетом гидросферы составляет 1% по массе или 16 атомных процентов.
Водород составляет около половины массы Солнца.
Получение
В лабораторных условиях водород получают следующими способами.
Взаимодействие металла (цинка) с разбавленными растворами соляной или серной
кислот (реакция проводится в аппарате Киппа):
Zn+2НСl=ZnCl2+H2 H<0 Zn+H+= Zn2++H2
2. Взаимодействие щелочноземельных металлов с водой:
Са+2Н2O = Са(ОН)2+H2
3. Взаимодействие алюминия или кремния с водными растворами щелочей:
2Аl+2NaOH+6Н2О=2Na[Al(OH)4]+3H2
Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2
4. Взаимодействие гидридов с водой:
NaH+Н2O=NaOH+H2
В промышленности водород также получают несколькими способами.
1. Электролиз водных растворов КСl или NaCl как побочный продукт. Катодом служит
железная сетка, анодом — графит.
Схему электролиза (на примере КС1) следует представлять так. КС1 полностью
диссоциирует на ионы K+ и Cl-. При прохождении электрического тока к катоду
подходят ионы К+, к аноду — хлорид-ионы Сl-. Калий в ряду стандартных электродных
потенциалов расположен до алюминия, и его ионы восстанавливаются (присоединяют
электроны) гораздо труднее, чем молекулы воды, Ионов же водорода Н+ в растворе
очень мало. Поэтому на катоде разряжаются только молекулы воды с выделением
молекулярного водорода:
2Н2О+2e-Н2+ 2OHХлорид-ионы в концентрированном растворе легче отдают электроны (окисляются), чем
молекулы воды, поэтому на аноде разряжаются хлорид-ионы:
2Сl--2e-Сl2
Общее уравнение электролиза раствора в ионной форме:
2/3
Водород
Автор: SergeiMegan
31.05.2008 22:28 - Обновлено 19.06.2008 10:00
2.
пропуская
Конверсионный
пары
воды
способ
через
(конверсия
раскаленный
—
превращение).
кокс
при
1000°С:
Сначала
получают
водяной
газ,
С+Н2O=СО+Н2
H>0
сЗатем
избытком
оксид
паров
углерода
воды
(II)
над
окисляют
нагретым
вкДж.
оксид
до
400-450°С
углерода
катализатором
(IV),
пропуская
Fe2O3:
смесь
водяного
газа
СО+(Н2)+Н2O=СО2+2Н2
H>0
Образующийся
50%
промышленного
оксид
водорода.
углерода
(IV)
поглощается
водой.
Этим
получают
свыше
3.
Окисление
метана
водяным
паром:
Реакция
СО
протекает
вобщего
СO2
ввсостоит
присутствии
исводорода
Н2
отделяют
никелевого
от
СО2,
катализатора
как
описано
выше.
примерно
при
800°С.
Далее
Этот
водород.
метод
позволяет
использовать
природные
газы
и
получать
самый
дешевый
4.
Термическое
разложение
метана
(1200°С):
СН4=С+2Н2
5.
газообразные
Глубокое
вещества,
кроме
(до
-196°С)
водорода,
коксового
конденсируются.
газа.
При
таком
охлаждении
все
6.
Электролиз
воды
присутствии
NaOH
или
КОН:
катоде
образуется
два
объема
водорода,
на
аноде
—
один
объем
кислорода.
Физические
свойства
14,4
кипения
Жидкий
раза
водород
-251,8°С.
—
легче
газ
без
воздуха,
бесцветен.
При
цвета,
этой
плотность
вкуса
температуре
запаха.
при
нормальных
водород
Самый
переходит
условиях
из
всех
вспособом
0,0899
газов:
г/л.
1
состояние.
л
Температура
весит
г, в
Водород
водорода);
объясняет
очень
его
способность
характерной
мало
растворим
диффундировать
особенностью
виH2
воде
(в
1
является
л
воды
через
при
растворимость
металлические
20°С
растворяется
встенки.
металлах,
18
мл
что
Химические
свойства
В
потере
молекуле
соединениях
электрона
воды
водород
образованием
образуется
одновалентен.
протон
иона-гидроксония
•СН4+Н2O=СО+3Н2
ВДля
водных
него
характерна
Н3O+.
ион
степень
Н+
присоединяется
окисления
+1.
к]При
Но
приводит
соответствует
гидридах
впревращают
гидридах
самых
креакция
образованию
оболочке
металлов
электроположительных
гелия.
степень
гидрид-иона
Гидрид-ион
окисления
металлов
существует
равна
-1.
(NaH,
Присоединение
конфигурация
только
CaH2).
вжидкое
кристаллических
которого
электрона
1s2
Формирование
образовании
многими
RH,
неметаллами
молекулы
двухэлектронных
образует
связей
и
взаимодействии
(ковалентные
газообразные
водорода
связи)
соединения
происходит
с[их
неметаллами.
типа
RH4,
при
Со
RH3,
RH2,
Молекула
Возникновение
электронов
(или
связи
между
|металлами
электронного
из
ними
двух
объясняется
атомов,
облака):
связанных
образованием
Н:Н
или
прочной
Н2.
обобщенной
ковалентной
пары
связью.
Благодаря
чем
необходимо
температуре
его
отдельные
этому
затратить
выше
обобщению
2000°С.
атомы.
энергию
Чтобы
электронов
436
разорвать
молекула
Распад
молекулы
молекул
H2
более
на
атомы
Н2
на
энергетически
втеплоты.
атомы
1металлов:
моле
происходит
водорода,
устойчива,
при
поджигании
нормальных
смеси
условиях
из
2водород
объемов
водород
не
и
1Н-,электронная
взаимодействует
объема
О2
реакция
са
кислородом,
протекает
однако
со
взрывом:
при
2Н2+О2=2Н2О
Водород
водородно-кислородного
одного
кислороде,
объема
горит
так
вси
кислорода
кислороде
при
взрыве
пламени
называют
свосстановительными
гремучей
выделением
достигает
гремучим
смеси
большого
образуется
2800°С.
газом.
количества
Как
Смесь
вода.
при
двух
горении
объемов
Температура
в0,09
и
При
предварительно
его
поджиганием.
работе
сохлаждение
водородом
проверять
необходимо
герметичность
соблюдать
аппаратуры,
большую
также
осторожность:
чистоту
водорода
перед
Взаимодействие
взрывом
даже
в
темноте:
схлора
галогенами
протекает
по-разному.
Фтор
реагирует
сводорода
водородом
со
H2+F2=2HF
водородом
происходит
со
взрывом
только
на
свету:
Н2+Сl2=2НСl
СНа
высокой
бромом
температуре.
протекает
менее
энергично,
а
слегкий
иодом
не
идет
до
конца
даже
при
пропускании
водорода
через
расплавленную
серу
сероводород:
H2+S=H2S
давлении
иводорода
вобразуя
присутствии
обратимо
катализатора:
реагирует
сявляются
азотом,
причем
только
при
высоком
3Н2+N22NH3
H<0
металлами,
2Na+Н2=2NaH
высокой
температуре
2Li+Н2=2LiH
белые
водород
кристаллические
Са+Н2=СаН2
соединяется
вещества
срастворах
щелочными
—
гидриды
и
щелочноземельными
В
отрицательную:
этих
соединениях
водород
металл
является
имеет
положительную
окислителем:
степень
окисления,
водород
—
Н+e-HСоединения
характеризуются
воды
они
разлагаются
водорода
сильными
спа
соответствующий
(гидриды)
гидроксид
свойствами.
иобразуется
типично
водород:
Уже
ионными
в
присутствии
иводорода
следов
NaH+НОН=NaOH+H2
СаН2+2Н2О=Са(ОН)2+2H2
При
нагревании
восстанавливает
многие
металлы
из
оксидов,
например:
CuO+Н2=Cu+Н2О
В
—
этой
восстановитель
реакции
водород
(см.
отдает
13),
один
электрон
(молекула
водорода
дваиз
электрона),
Применение
Использование
водорода
его
физических
иихимических
свойствах.
Как
гелием).
легкий
газ,
он
используется
дляна
наполнения
аэростатов
и энергетике
дирижаблей
(в
смеси
с он
Применяют
пламенем
водород
идля
сваривают
для
получения
металлы.
высоких
температур:
кислородно-водородным
Он
химической
топлива;
горючее).
дейтерий
используется
врежут
пищевой
промышленности
исоединения
тритий
промышленности
получения
—табл.
—
важное
для
металлов
получения
—
применение
для
(молибдена,
гидрогенизации
аммиака
в атомной
вольфрама
искусственного
жиров.
и—
изотопы
др.)
жидкого
(термоядерное
ихводорода
оксидов,
в
Таблица
13,
Водородные
иосновано
изменение
свойств
водородных
соединений
элементов
в нашли
периодической
системе
с ростом
заряда
ядер
1. В главных
водородных
периоде
от
концов к неметаллов
элементов
центру
периода
главных
полярность
подгрупп
уменьшается.
Н—Э Закономерно
в молекулах
2.
элементов
увеличивается.
же
полярность
связи
вtплавления,
гидридах
сагрегатное
ростом
зарядов
ядер
изменяются
3.
соединений
уменьшается
исоединений
подгруппах
физические
ссвойства
увеличением
(tкипения,
полярность
заряда
ядер
связисвязи
элементов.
в молекулах
водородных
состояние).
3/3