Водород

Водород
1. Строение и физические свойства водорода
Водород - двухатомный газ Н2. Он не имеет ни цвета, ни запаха. Это самый легкий газ.
Благодаря этому свойству он использовался в аэростатах, дирижаблях и тому подобных
устройствах, однако широкому применению водорода в этих целях мешает его
взрывоопасность в смеси с воздухом.
Молекулы водорода неполярные и очень маленькие, поэтому взаимодействие между
ними мало. В связи с этим он имеет очень низкие температуры плавления (-259оС) и
кипения (-253оС).
Водород практически нерастворим в воде.
Водород имеет 3 изотопа: обычный 1Н, дейтерий 2H или D, и радиоактивный тритий 3Н
или Т. Тяжелые изотопы водорода уникальны тем, что тяжелее обычного водорода в 2 или
даже в 3 раза! Именно поэтому замена обычного водорода на дейтерий или тритий
заметно сказывается на свойствах вещества (так, температуры кипения обычного
водорода Н2 и дейтерия D2 различаются на 3,2 градуса).
2. Взаимодействие водорода с простыми веществами
Водород - неметалл средней электроотрицательности. Поэтому ему присущи и
окислительные, и восстановительные свойства.
Окислительные свойства водорода проявляются в реакциях с типичными металлами элементами главных подгрупп I-II группы таблицы Менделеева. Самые активные металлы
(щелочные и щелочноземельные) при нагревании с водородом дают гидриды – твердые
солеобразные вещества, содержащие в кристаллической решетке гидрид-ион Н-.
2Na + Н2 = 2NaН
Са + Н2 = СаН2
Восстановительные свойства водорода проявляются в реакциях с более типичными
неметаллами, чем водород:
1) Взаимодействие с галогенами
H2 + F2 = 2HF
Аналогично протекает взаимодействие с аналогами фтора - хлором, бромом, иодом. По
мере уменьшения активности галогена интенсивность протекания реакции уменьшается.
Реакция с фтором происходит при обычных условиях со взрывом, для реакции с хлором
требуется освещение или нагревание, а реакция с иодом протекает лишь при сильном
нагревании и обратимо.
2) Взаимодействие с кислородом
2Н2 + О2 = 2Н2О
Реакция протекает с большим выделением тепла, иногда со взрывом.
3) Взаимодействие с серой
Н2 + S = H2S
Сера - гораздо менее активный неметалл, чем кислород, и взаимодействие с водородом
протекает спокойно.
4) Взаимодействие с азотом
3Н2 + N2
2NH3
Реакция обратима, протекает в заметной степени только в присутствии катализатора,
при нагревании и под давлением. Продукт называется аммиак.
5) Взаимодействие с углеродом
С + 2Н2
СН4
Реакция протекает в электрической дуге или при очень высоких температурах. В
качестве побочных продуктов образуются и другие углеводороды.
3. Взаимодействие водорода со сложными веществами
Водород проявляет восстановительные свойства и в реакциях со сложными
веществами:
1) Восстановление оксидов металлов, стоящих в электрохимическом ряду напряжений
правее алюминия, а также оксиды неметаллов:
t

Fe2O3 + 2H2 
2Fe + 3H2O
t
 Cu + H2O
CuO + H2 
Водород применяют как восстановитель для извлечения металлов из оксидных руд.
Реакции идут при нагревании.
2) Присоединение к органическим непредельным веществам
t, p
С2Н4 + Н2 
С2Н6
Реакции протекают в присутствии катализатора и под давлением.
Других реакций водорода мы пока касаться не будем.
4. Получение водорода
В промышленности водород получают переработкой углеводородного сырья природного и попутного газа, кокса и т.п.
Лабораторные методы получения водорода:
1) Взаимодействие металлов, стоящих в электрохимическом ряду напряжений
металлов левее водорода, с кислотами.
Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb (H2) Cu Hg Ag Pt Au
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2
Нюансы:
1. Образующаяся соль должна быть растворима. В ином случае нерастворимая соль
обволакивает частицы металла, затрудняя доступ кислоты к металлу, и реакция
прекращается.
2. В реакциях с азотной и с концентрированной серной кислотами способны
участвовать и металлы, стоящие правее водорода в электрохимическом ряду напряжений
металлов. Но водород в этих реакциях не выделяется!
2) Взаимодействие металлов, стоящих в электрохимическом ряду напряжений
металлов левее магния, с холодной водой. При этом также образуется щелочь.
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
Металл, находящийся в электрохимическом ряду напряжений металлов левее
марганца, способен вытеснять водород из воды при определенных условиях (магний - из
горячей воды, алюминий - при условии снятия оксидной пленки с поверхности).
t

Mg + 2H2O 
Mg(OH)2 + H2
Металл, находящийся в электрохимическом ряду напряжений металлов левее
кобальта, способен вытеснять водород из водяного пара. При этом также образуется
оксид.
t

3Fe + 4H2Oпар 
Fe3O4 + 4H2
3) Взаимодействие металлов, гидроксиды которых амфотерны, с растворами щелочей.
Металлы, гидроксиды которых амфотерны, вытесняют водород из растворов щелочей.
Вам необходимо знать 2 таких металла - алюминий и цинк:
2Al + 2NaOH +6H2O = 2Na[Al(OH)4] + + 3H2
Zn + 2KOH + 2H2O = K2[Zn(OH)4] + H2
При этом образуются комплексные соли - гидроксоалюминаты и гидроксоцинкаты.
Все методы, перечисленные до сих пор, основаны на одном и том же процессе окислении металла атомом водорода в степени окисления +1:
М0 + nН+ = Мn+ + n/2 H2
4) Взаимодействие гидридов активных металлов с водой:
СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2
Этот процесс основан на взаимодействии водорода в степени окисления -1 с
водородом в степени окисления +1:
Н- + Н+ = Н2
5) Электролиз водных растворов щелочей, кислот, некоторых солей:
  2Н2 + О2
2Н2О электролиз
5. Водородные соединения
В этой таблице слева легкой тенью выделены клетки элементов, образующих с
водородом ионные соединения - гидриды. Эти вещества имеют в своем составе гидридион Н-. Они представляют собой твердые бесцветные солеобразные вещества и реагируют
с водой с выделением водорода.
Элементы главных подгрупп IV-VII групп образуют с водородом соединения
молекулярного строения. Иногда их также называют гидридами, но это некорректно. В их
составе нет гидрид-иона, они состоят из молекул. Как правило, простейшие водородные
соединения этих элементов - бесцветные газы. Исключения - вода, являющаяся
жидкостью, и фтороводород, который при комнатной температуре газообразен, но при
нормальных условиях - жидкость.
Темными клетками отмечены элементы, образующие с водородом соединения,
проявляющие кислотные свойства.
Темными клетками с крестом обозначены элементы, образующие с водородом
соединения, проявляющие основные свойства.
6. Водородная связь
Водородная связь, строго говоря, не является химической связью. Это - очень сильное
межмолекулярное взаимодействие.
Где образуется водородная связь?
Один из атомов, образующих водородную связь, очевидно, водород. Но не любой атом
водорода, а только связанный с каким-то из трех наиболее электроотрицательных атомов F, O, N. Соответственно, второй атом, образующий водородную связь - атом F, O или N,
НЕ связанный с данным атомом водорода ковалентной связью (как правило, атом из
соседней молекулы).
Как образуется водородная связь?
Атомы F, O, N настолько сильно смещают к себе общую электронную пару, что
ковалентная связь F-H, O-H, N-H становится ОЧЕНЬ полярной. Частичные отрицательные
заряды, возникающие на атомах Н (+) и F, O, N (-) настолько велики, что притяжение
между + одной молекулы и - соседней молекулы приближается по энергии к
химической связи. Это притяжение и формирует водородную связь, показанную на
рисунке точечной линией.
Такое дополнительное связывание между молекулами приводит, в частности, к
аномально высоким температурам плавления и кипения веществ, имеющих водородную
связь. Например, вода кипела бы при температуре около -70оС, если бы не было
водородных связей. Наличие водородных связей приводит также к повышению
теплоемкости. Из-за высокой теплоемкости ночью вода остывает медленно, а днем так же
медленно нагревается (наверное, некоторые замечали, что утром вода холоднее песка на
пляже, а ночью — теплее). Медленно остывая осенью, постепенно отдавая
аккумулированное тепло, и медленно нагреваясь весной, водные массы смягчают переход
от лета к зиме и от зимы к лету (в местностях, примыкающих к морям, и на островах
более мягкий и «смазанный» климат, чем контрастный климат центральных областей
материков).
7. Строение, физические свойства, значение воды
Вода — самое распространенное соединение водорода. Общая масса воды на нашей
планете около 1,4*1018 т. Вода — это единственное вещество, все три агрегатных
состояния которого мы можем наблюдать в естественных условиях.
Любое живое существо содержит более 50 масс.% воды, а некоторые — до 99%! Кровь
человека содержит более 80% воды, мускулы — 35%. За свою жизнь человек выпивает
около 25 т воды.
Вся наша жизнь связана с водой, поэтому неудивительно, что именно воду приняли за
эталон измерения некоторых физических величин. Так, температурная шкала Цельсия
использует точки кипения и замерзания воды как точки отсчета и делит интервал между
ними на 100 градусов. Масса одного литра жидкой воды при 0oС составляет 1 килограмм.
Молекула воды имеет уголковое строение, поскольку вокруг атома кислорода
находятся не только 2 атома водорода, связанные с ним ковалентными связями, но и 2
неподеленные пары атома кислорода:
По этой причине молекула воды представляет собой диполь - центры положительных и
отрицательных зарядов в ней разнесены.
Огромная полярность связи О-Н приводит к тому, что между молекулами воды
образуются водородные связи. Благодаря водородным связям вода обладает аномально
высокой теплоемкостью (4,18 Дж/(г*К)), высокими температурами кипения и плавления.
Вопреки бытовым представлениям, чистая вода почти не проводит электрический ток.
Электропроводность природной воды связана с растворенными в ней веществами.
8. Химические свойства воды
1. Взаимодействие с металлами - см. получение водорода.
2. Взаимодействие с неметаллами.
Из неметаллов с водой реагируют только галогены - фтор, хлор, бром и иод.
Фтор - самый сильный окислитель - вытесняет из воды более слабый окислитель кислород. Вода фактически горит во фторе:
2F2 + 2H2O = 4HF + O2
Хлор, бром и иод взаимодействуют с водой обратимо и в очень небольшой степени.
Поэтому "хлорная вода", "бромная вода" и "иодная вода" (кстати, эти названия следует
помнить) - это в большей мере растворы хлора брома и иода, чем продуктов весьма слабо
протекающей реакции. Тем не менее продукты можно обнаружить, и они, в зависимости
от условий, следующие:
Hal2 + H2O
HHal + HHalO (в холодной воде)
3Hal2 + 3H2O
5HHal + HHalO3 (в горячей воде)
Значок "Hal" означает "галоген" (здесь - кроме фтора).
В этих реакциях атомы галогена служат и окислителями, и восстановителями.
3. Взаимодействие с оксидами
Вода реагирует с некоторыми кислотными и основными оксидами, давая гидроксид соответственно кислоту или основание:
Н2О + CaO = Ca(OH)2 основание
H2O + SO3 = H2SO4
кислота
Следует отметить, что не всякий кислотный или основный оксид взаимодействует с
водой. Так, хотя SiO2 является кислотным оксидом, он не реагирует с водой (иначе не
существовало бы песчаных пляжей: песок тут же растворялся бы в воде).
Как узнать, будет ли взаимодействовать оксид с водой? Нужно посмотреть в таблицу
растворимости и найти растворимость соответствующего гидроксида (кислоты или
основания). Если гидроксид растворим, то оксид реагирует с водой. Если гидроксид
нерастворим, то оксид с водой не реагирует.
4. Взаимодействие с гидридами активных металлов - см. получение водорода.
Взаимодействие с гидридами - частный случай взаимодействия воды с целой группой
бинарных соединений. Это соединения активных металлов с неактивными неметаллами
(неметаллами, имеющими невысокую электроотрицательность) - фосфиды, бориды,
карбиды, силициды и т.п. При их взаимодействии с водой образуется гидроксид
соответствующего металла и выделяется водородное соединение неметалла:
Mg2Si + 4H2O = 2Mg(OH)2 + SiH4
СаС2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + С2Н2
5. Электролиз водных растворов щелочей, кислот, некоторых солей:
  2Н2 + О2
2Н2О электролиз
Стоит отметить, что разложить воду по этой же реакции за счет нагревания нереальная задача. Даже при 2000оС степень протекания этой реакции не превышает 2%.
Очень зря непросвещенные граждане так любят ее писать!
Химические свойства воды не ограничиваются перечисленными реакциями, но МЫ
пока ими ограничимся.