Водород Н самый распространенный элемент Вселенной 5

Водород Н – самый распространенный элемент Вселенной, 5 место на Земле. Вода, минералы, все живые существа. Положение в ПС: Н: 1 s 1, 1 группа или 17 группа? 1 группа: один валентный электрон образует H+, но неметалл. 17 группа: H- – гидрид ион (X-), H 2 (Х 2)

Изотопы водорода 1 H – протий; 2 H – дейтерий (D); 3 H – тритий (T) T – радиоактивный изотоп, 1/2 = 12, 4 года производство трития для термоядерного оружия. Ткип для Н 2 = -252, 8 о. С; Ткип для D 2 = -249, 7 о. С. Ткип для Н 2 O = 100, 00 о. С; Ткип для D 2 O = 101, 42 о. С

Изотопный эффект Влияние на скорости реакций (образуются или разрываются связи с участием водорода): 2 H+ + 2 e H 2; 2 D+ + 2 e D 2 идет медленнее c D, можно сконцентрировать D 2 O! Колебательная спектроскопия: частота колебаний связи Э–D всегда меньше, чем для связи Э–Н:

Получение диводорода Газификация угля ( «водяной газ» , 1000 о. С): C + H 2 O CO + H 2 (соотношение 1: 1); для увеличения доли диводорода (450ºС, Fe 2 O 3 кат-р): CO + H 2 O CO 2 + H 2; (отмывка от СО 2 водой или р-ром К 2 СО 3) Каталитическая конверсия метана водяным паром ( «синтез-газ» , Ni кат-р, 1000 ºС): CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 (соотношение 1: 3); электролиз воды (электролит H 2 SO 4, Na. OH, Na 2 SO 4): H 2 O H 2 + 1/2 O 2

Применение диводорода CO CH 3 OH M+ Химическое производство –C–C– M Производство металлов –C=C– H 2 NH 3 Удобрения, пластмассы Маргарин Топливо Топливные элементы, ракетное топливо WO 3 + 3 H 2 W + 3 H 2 O

Водородная энергетика Основной вид топлива – диводород, получаемый из воды (электролиз воды или фотохимическое разложение воды в присутствии солнечного света и катализаторов типа Ti. O 2). 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Проблема глобального потепления (? )

Основные типы соединений Степень окисления Электронная конфиг. Примеры Ox/red свойства 0 H, 1 s 1 H 2, H восстановитель, редко окислитель +1 H+ H 2 O, HCl, KOH только окислитель -1 H-, 1 s 2 Na. H, Ca. H 2, сильный Na. BH 4 восстановитель

Н 2 – восстановитель: Cu. O(тв) + H 2 (г) Cu(тв) + H 2 O(г) H 2 + Cl 2 2 HCl 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Цепной радикальный механизм, быстро (со взрывом): Н 2 – окислитель (не характерно): H 2 + 2 Na+H- (ионное соединение)

Н+ - только окислитель: 2 HCl + Zn Zn. Cl 2 + H 2 2 H+ + 2 e H 2 Н- – сильный восстановитель: Na. H + H 2 O Na. OH + H 2 Способность к комплексообразованию: Н+– акцептор электронной пары – Н 3 О+, NH 4+; H– – донор электронной пары – [BH 4]-, [Al. H 4]-

Протон и гидрид-ион H(г) = Н+(г) + е- ΔН = +1312 к. Дж/моль H+(г) + H 2 O(ж) = H 3 O+(ж) ΔН = -1091 к. Дж/моль [H 3 O]+, [H 5 O 2]+, [H 7 O 3]+, [H 9 O 4]+, [H(H 2 O)n]+ (n = 1 - ~20) H(г) + е = Н-(г) ΔН = -73 к. Дж/моль Гидриды щелочных металлов кристаллизуются в структурном типе Na. Cl. Ионный радиус Н- = 1, 30– 1, 54 Å (для Н(ков) = 0, 37 Å, для F- = 1, 33 Å)

Реакции диводорода Низкая реакционная способность H 2. Гомолитический разрыв связи Н–Н: H–H H. + H. ΔHo = 434 к. Дж/моль

Реакции диводорода хемосорбция на поверхности Pt реакции окислительного присоединения характерны для Ir(I), Rh(I), Pt(0)

Реакции диводорода H–H H+ + H- гетеролитический разрыв связи Н–Н

Диводород как лиганд [W(CO)3(H 2)(i-Pr 3 P)2]

Бинарные соединения с водородом • • • Молекулярные соединения; Ионные гидриды; Металлоподобные гидриды

Молекулярные соединения Электронодостаточные молекулярные соединения – все валентные электроны центрального атома участвуют в образовании связей. (2 с-2 е)-связи. 14 группа CH 4, C 2 H 6, Si. H 4 (силан), Ge. H 4 (герман). Электронодефицитные молекулярные соединения. (3 с-2 е)-связи. Характерны для 13 группы (B и Al) B 2 H 6 – диборан (3 х 2 + 6 = 12 валентных электронов, а связей 8!)

Электроноизбыточные соединения – есть свободные электронные пары. Характерны для элементов 15, 16 и 17 групп. NH 3, H 2 O, HF Важное свойство электроноизбыточных соединений водорода – способность образовывать водородные связи (уникальное сочетание неподеленных электронных пар и + на атомах водорода). (H 2 O)x – лед (HF)x

Сравнение водородной и ковалентной связей Связь NH 2–H…NH 3 Водородная связь (к. Дж/моль) 17 N–H Ковалентная связь (к. Дж/моль) 386 HO–H…OH 2 22 O–H 464 F–H…F–H 29 F–H 565 [F…H…F]- 165 (!) F–H 565

[Cl–H…. Cl]1, 37 Å 1, 85 Å [F…. H…. F]1, 13 Å

Металлоподобные гидриды Хорошо проводят электрический ток и имеют переменный состав. Пример: при 550 о. С цирконий образует гидриды состава от Zr. H 1, 30 до Zr. H 1, 75, структура флюорита. флюорит, Ca. F 2

Получение сверхчистого диводорода Растворимость Н 2 в Pd: 850 VH 2/VPd Материалы для хранения водорода La. Ni 5 образует соединение La. Ni 5 H 6 (плотность водорода выше, чем в жидком диводороде). Менее дорогое соединение Fe. Ti. Hx (x 1, 95) – источник водорода в летательных аппаратах

Атомарный водород “Н” Более реакционноспособен, чем Н 2. Получение: 1) из диводорода в электрическом разряде; 2) водород в момент выделения Mn. O 4 - + H 2 + H+ НЕТ реакции Mn. O 4 - + 5”H” + 3 H+ Mn 2+ + 4 H 2 O

При действии электрического разряда на диводород зафиксированы в газовой фазе H 2+ и H 3+ обнаружен в межзвездном пространстве и в атмосфере Урана, Сатурна и Юпитера

Орто- и параводород T = 200 o. C; 25 % пара-H 2 T = -253 o. C; 99, 8 % пара-H 2 Катализатор активированный уголь. Технология получения пара-H 2 (чл. -корр. РАН Р. А. Буянов)