Лекция № 18. Водород


Водород расположен в первом периоде периодической системы химических элементов (элемент № 1), представлен в природе тремя изотопами: протий 1H, дейтерий 2H (D), тритий 3H (T). Протий и дейтерий стабильные изотопы (содержание дейтерия в природном водороде составляет 0,015%), тритий радиоактивен (период полураспада 12,26 года), образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей и содержится в природном водороде в исчезающе малом количестве.

Атом водорода содержит на внешнем и единственном энергетическом уровне один электрон (1s1) и является электронным аналогом щелочных металлов. В то же время, до завершения валентного уровня атому водорода недостает одного электрона, что роднит его с галогенами. По этой причине водород часто помещают как в первую, так и в седьмую группу периодической системы.

Водород, наряду с гелием, самый распространенный элемент Вселенной, он составляет до половины массы звезд и основную массу межзвездной материи. Содержание водорода в земной коре (кларк) составляет 3 мол.%. Водород - элемент-органоген и входит в состав органических соединений.

Простое вещество водород - H2 - бесцветный газ, не имеющий вкуса и запаха, не обладающий физиологическим действием, т.пл. -259,2 °С (14 К), т.кип. -252,8 °С (20 К). Водород - самый легкий из газов (в 14,5 раз легче воздуха), с высокой скоростью диффузии, легко проникает через разнообразные перегородки. Плохо растворим в воде, но хорошо растворим в некоторых металлах (Ni, Pt, Pd).

Получение водорода. В промышленности водород получают конверсией метана или угля водяным паром, а также неполным окислением метана:

t

CH4 + H2O = CO + 3H2

t

C + H2O = CO + H2

t

2CH4 + O2 = 2CO + 4H2

Лабораторные методы получения водорода:

1. Действие кислот на металлы (обычно действуют на цинк соляной кислотой в аппарате Киппа).

 

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2­

2. Действие щелочей на алюминий.

2Al + 6KOH + 6H2O = 2K3[Al(OH)6] + 3H2­

3. Электролиз водных растворов щелочей на никелевых электродах.

эл.ток

2H2O = 2H2­ + O2­

4. Взаимодействие гидрида кальция с водой.

CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2­

Химические свойства. Особенности строения электронной оболочки атома водорода обуславливают его способность к присоединению одного электрона. Поэтому водород может выступать как окислитель, образуя соединения в степени окисления -1. В то же время невысокая электроотрицательность водорода (2,2 по Л. Полингу) способствует потере одного электрона и образованию соединений в степени окисления +1.

+e- -e-

H- ¾ H ¾® H+

Довольно высокая энергия диссоциации молекулы Н2(435 кДж/моль) обуславливает инертность водорода в обычных условиях. При комнатной температуре водород реагирует только со фтором:

H2 + F2 = 2HF

При нагревании водород реагирует со многими неметаллами (Cl2, Br2, O2, N2, S, C), проявляя при этом свойства восстановителя. Взаимодействие с хлором и кислородом инициируется ультрафиолетовым облучением и протекает по радикальному механизму. При этом реакция с хлором протекает по неразветвленному цепному механизму и включает ряд стадий:

1. Инициация цепи (фотохимическая диссоциация):

Cl2 + hn ® 2Cl×

2. Рост (развитие) цепи:

Cl× + H2 ® HCl + H×

H× + Cl2 ® HCl + Cl×

3. Обрыв цепи:

H× + Cl× ® HCl

Реакция водорода с кислородом идет по механизму цепной разветвленной реакции, включая следующие стадии:

1. Инициация цепи: H2 + O2 ® ×OH + HO×

2. Рост цепи: HO× + H2 ® H2O + H×

3. Разветвление цепи: H× + O2 ® ×OH + ×O×

×O× + H2 ® ×OH + ×H

4. Обрыв цепи: HO× + ×H ® H2O

При нагревании водород реагирует со щелочными и щелочноземельными металлами, образуя соответствующие гидриды - бинарные соединения водорода в степени окисления -1.

t

2Na + H2 = 2NaH-1

гидрид натрия

При повышенных температурах водород восстанавливает металлы из их оксидов и галогенидов:

t t

CuO + H2 = Cu + H2O; CuCl2 + H2 = Cu + 2HCl

Восстановительные свойства водород способен проявлять также и по отношению к оксидам неметаллов и органическим соединениям, например,

t

N2O + H2 = N2 + H2O

нитробензол анилин

Большое значение для синтеза органических соединений имеет реакция каталитического присоединения водорода по кратным связям углерод - углерод (гидрогенизация или гидрирование):

t

C2H4 + H2 ® C2H6

Pd

 



Дата добавления: 2017-10-04; просмотров: 1659;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.01 сек.