6.29. Водород как химический элемент

водород как химический элемент

Электроотрицательность водорода равна 2,2. Это выше, чем у металлов, кремния, но меньше электроотрицательности кислорода и других халькогенов, галогенов. Поэтому для водорода характерны степени окисления –1, 0 и +1, например, (гидрид лития), (силан), (метан), (оксид водорода, вода).

Как вы уже знаете, природный водород состоит из двух стабильных изотопов — (протий — 99,98 % от общего числа атомов), (дейтерий D — 0,015 %) и радиоактивного (тритий Т — следовые количества) (§ 7, рис. 12).

Водород является самым распространенным элементом во Вселенной. На Земле на долю водорода по массе, считая воду и воздух, приходится около 1 %, а при пересчете от общего числа атомов — около 17 %. Водород преимущественно находится в связанном состоянии. Он входит в состав воды, нефти, природного газа, живых организмов. В виде простого вещества водород почти не встречается. Следовые количества его обнаружены в верхних слоях атмосферы, вулканических газах и продуктах разложения бактериями органических веществ в условиях недостатка воздуха.

Водород как простое вещество

Водород как простое вещество состоит из двухатомных молекул Н2, в которых атомы связаны ковалентной одинарной σ-связью, образующейся при перекрывании 1s-орбиталей:

или

Электронная и графическая формулы молекулы имеют вид: Н:Н и Н—Н.

Физические свойства. Водород при нормальных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса, плотностью 0,089 г/дм3. Имеет очень низкие температуры кипения (–252,6 °С) и плавления (–259,2 °С). Растворимость водорода в воде как полярном растворителе мала, поэтому его можно собирать в сосуд методом вытеснения воды. Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.).

Химические свойства. Химическая активность водорода при комнатной температуре небольшая, так как высока прочность ковалентной связи в молекуле. В химических реакциях водород может быть как восстановителем (что более характерно), так и окислителем.

1. Реакции с простыми веществами:

а) реагирует как восстановитель с неметаллами, атомы которых имеют по сравнению с водородом более высокую электроотрицательность — галогенами, азотом, серой, кислородом:

Следует отметить, что водород не взаимодействует с фосфором и кремнием;

б) реагирует как окислитель со щелочными и щелочноземельными металлами, образуя гидриды:

Гидриды легко разлагаются водой с выделением водорода:

2. Реакции со сложными веществами:

а) взаимодействует с некоторыми оксидами металлов В-групп как восстановитель:

б) реагирует с органическими веществами, содержащими кратные связи (реакция гидрирования) — алкенами, алкинами, диенами, аренами, а также альдегидами. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Например:

Получение. Для получения водорода в лаборатории применяют металлы cредней активности (цинк, алюминий, железо) и кислоты (хлороводородную или серную):

Zn + 2НCl = ZnCl2 + Н2↑.

При этом часто используют аппарат Киппа — устройство, позволяющее получать газообразные вещества и регулировать их ток (рис. 63).

Рис. 63. Аппарат Киппа.
Получение водорода
в лаборатории

Применение. Одно из важнейших физических свойств водорода — малая плотность, поэтому его используют для наполнения зондов, исследующих верхние слои атмосферы.

В химической промышленности водород используют для получения аммиака NH3, хлороводорода НСl, метанола (СО + 2Н2 = СН3ОН), многих металлов из их оксидов, например тугоплавких молибдена и вольфрама. Уже сейчас работают заводы, на которых для восстановления оксидов железа до металла вместо углерода (кокса) используют водород. Водород находит применение в производстве маргарина из растительных масел.

Реакция горения водорода в кислороде (2Н2(г) + О2(г) = 2Н2О(г) + 484 кДж) используется в ракетных двигателях, выводящих в космос летательные аппараты (рис. 64). Например, мощная космическая ракета «Энергия» потребляет более 2000 тонн топлива, большую часть которого составляют жидкие водород и кислород. В настоящее время начато производство автомобилей, топливом в которых служит водород (рис. 65).

Эту же реакцию применяют и для сварочных работ (рис. 66). При использовании специальных горелок достигают температуры пламени около 4000 °C, что позволяет проводить сварочные работы с самыми тугоплавкими материалами.

Рис. 64. Старт космической
ракеты

Рис. 65. Автозаправка водородом

Рис. 66. Сварка ювелирных изделий
кислородно-водородным пламенем

Ученые разных стран ведут поиски путей замены на водород нефти, газа и угля как топлива. При сгорании последних образуются вещества, загрязняющие и разрушающие окружающую среду (СО2, СО, SO2 и др.), в то время как продуктом сгорания водорода является экологически чистое вещество — вода.

Летучие водородные соединения

Летучие водородные соединения являются веществами молекулярного строения, которые при нормальных условиях представляют собой газы (НСl, NH3, H2S) или жидкости (Н2O, НF) (рис. 67).

Рис. 67. Летучие водородные соединения неметаллов

Кислотно-основные свойства водных растворов летучих водородных соединений изменяются в зависимости от положения элемента в периодической системе. Известно, что СН4 не растворяется в воде, NH3 образует слабое основание NH3 · Н2O, раствор НF — слабая, а раствор HCl — сильная кислота:

Значит, кислотные свойства водородных соединений неметаллов в периоде и в группе усиливаются.

Вопросы, задания, задачи

1. Назовите:

• а) изотопы водорода;
• б) возможные степени окисления атома водорода;
• в) группы веществ, с которыми может реагировать водород;
• г) реагенты для получения водорода в лаборатории.

2. Из предложенного перечня уравнений реакций выпишите те, которые характеризуют:

• а) свойства водорода;
• б) способы получения водорода:

3. Заполните таблицу «Применение водорода».

4. Составьте уравнения реакций образования водорода (металлы олово Sn и никель Ni окисляются до степени окисления +2):

• а) Мg + Н2SO4 →; Sn + HCl →; НCl + Zn →;
• б) Аl + Н2SO4 →; Ni + HCl →.

5. Определите максимальный объем водорода (н. у.), который может быть получен в аппарате Киппа при загрузке цинка массой 0,39 кг.

6. Сравните:

• а) состав ядер протия, дейтерия, трития;
• б) кислотно-основные свойства водных растворов сероводорода и хлороводорода.

7. Составьте уравнения реакций согласно схеме:

• а)
• б) .

8. Определите количество теплоты, выделившейся при сгорании водорода объемом 1 м3 (н. у.), если термохимическое уравнение реакции имеет вид: 2Н2(г) + О2(г) = 2Н2О(г) + 484 кДж.

9. К гидриду неизвестного двухвалентного металла массой 1,05 г добавили воду в избытке. При этом выделился водород объемом 1,12 дм3 (н. у.). Определите металл.

10. В системе установилось равновесие: . Известно, что к этому моменту прореагировало 35 % водорода и образовалось 7 моль аммиака. Определите исходную массу водорода.

*Подготовьте сообщение «Водород — топливо будущего».

*Самоконтроль

1. Для получения водорода в лаборатории используют металлы:

• а) Сu;
• б) Ca;
• в) Fe;
• г) Zn.

2. Для собирания водорода без значительных потерь можно использовать сосуды:

а)

б)

в)

г)

3. Водород является окислителем в реакциях с:

• а) Вa и Na;
• б) Ca и K;
• в) Fe3O4 и WO3;
• г) Li и CН2=CН2.

4. Неблагоприятные последствия для окружающей среды создает попадание в атмосферу:

• а) СО2;
• б) Н2О;
• в) SO2;
• г) Н2S.

5. Сумма коэффициентов в уравнении реакции полного восстановления водородом оксида железа(II,III):

• а) 4;
• б) 8;
• в) 10;
• г) 12.