ВОДОРОД Открыт в 1766 г. Нахождение в природе: Имеет три изотопа: протий (Н 1); дейтерий (Н 2; D), тритий (Н 3; Т). Тритий образуется в атмосфере в результате ядерных реакций, вызванных действием космического излечения.
Водород (hydrogenium) - воду рождающий Zn+2 HC 1=Zn. C 12+H 2 2 H 2+O 2=2 H 2 O
Получение: Лабораторные методы: 1) Металл и кислота: Zn+ 2 НС 1 = Zn. С 12 + Н 2 Реакцию проводят в аппарате Киппа. 2) Щелочи и амфотреные металлы: Zn + 2 КОН + 2 Н 2 О = К 2[Zn(ОН)4] + Н 2↑ 2 А 1 + 6 КОН + 6 Н 2 О = 2 К 3[А 1(ОН)6] + 3 Н 2↑ 3) Электролиз воды. Для увеличения электропроводности добавляют электролит. 4) Порошок А 1 и кипящая вода, в присутствии КМn. О 4(раствор).
Промышленные методы. 1) Обработкой раскаленного угля водяным паром в газогенераторах. С + Н 2 О = Н 2 + СО Если обработку водяного газа вести в присутствии катализатора (Fe), то образуется диоксид углерода: С + 2 Н 2 О = СО 2 + 2 Н 2 2) Конверсия метана с водяным паром, углекислым газом или смесью Н 2 О и СО 2: СН 4 + Н 2 О = СО + 3 Н 2 СН 4 + СО 2 = 2 СО + 2 Н 2 3 СН 4 + СО 2 + 2 Н 2 О = 4 СО + 8 Н 2 Температура при проведении этого процесса 10000 С. Катализатор - Ni с добавками Mg. O, A 12 O 3 и др. металлов. 3) Побочный продукт производства хлора и гидроксидов щелочных металлов электролизом растворов их хлоридов.
Применение: 1) Производство аммиака; 2) В пищевой промышленности (производство тверды жиров); 3) Для плавления тугоплавких металлов. 4) Жидкий водород - реактивное топливо. Эффективность этого топлива выше, чем у керосина и спирта. Хранение и транспортировка: Транспортируют в стальных баллонах под большим давление. Баллон окрашен в темно зеленый цвет и снабжен надписью ''Водород''.
Физические свойства: Газ без цвета и запаха.
Самый легкий элемент: в 14, 5 раза легче воздуха, слабо растворим в воде (на 100 объёмов воды – 2 объёма водорода). Ткип= -2530 С, Тпл= 2590 С. Диффундирует через пористые перегородки и даже через нагретую металлическую перегородку. При повышенной температуре хорошо растворим во многих металлах ( Ni, Pd, Pt). Самопроизвольно расширяется при обычных температурах не с охлаждением, а с нагреванием. Нормально начинает себя вести лишь ниже – 800 С.
Строение молекулы: Валентный электрон находится в сфере действия атомного ядра (нет промежуточного электронного слоя). По числу валентных электронов водород должен находиться в 1 -ой группе. Это подтверждается сходством спектров щелочных металлов и водорода. Со щелочными металлами водород сближает способность давать в растворах ион Н+(р). Но ион Н+(г) ничего общего с ионами щелочных металлов не имеет.
Для завершения внешнего электронного слоя атому водорода не хватает одного электрона, тогда водород следует поместить в 7 -ю группу ПЭС. Атомы водорода и галогенов характеризуются высокими значениями энергии ионизации: Н + 315 ккал = Н+ + е Энергия ионизации водорода так велика, что соединения водорода даже с сильными окислителями, как фтор и кислород не могут быть ионными. Поэтому водород помещают и в 1 -ю и в 7 -ю группы ПЭС.
Положительно заряженных ион Н+ - элементарная частица протон. Теряя электрон атом водорода уменьшается в 105 раз. Ионы Н+ обладают сильным поляризующим действием и не существуют в свободном состоянии. Соединения водорода с электроотрицательным элементом, проявляют аномальные свойства (например образуют водородные связи). Сродство к электрону у водорода выражается слабо: Н +е = Н- + 19 ккал Процесс экзотермический, для иона Н- возможны ионные соединения.
Химические свойства: Водород неметалл. Характерные степени окисления +1 и – 1. 1) Атомы водорода активнее молекул.
Атом водорода слабо притягивает электрон и присоединяет их в случае, если другой элемент легко их отдает (щелочные и щелочноземельные металлы): 2 К + Н 2 = 2 КН Са + Н 2 = Са. Н 2 гидрид калия гидрид кальция Гидриды щелочных и щелочноземельных металлов имеют ионный характер. Ионные гидриды – белые кристаллические вещества с высокими температурами плавления. Их расплавы характеризуются высокой электропроводностью. Гидриды в химических реакциях ведут себя как соли.
К ковалентные гидриды образуют неметаллы менее электроотрицательные, чем водород (Si. Н 4, ВН 3). Ковалентные гидриды – кислотные соединения. Различие гидриды можно по их поведению при гидролизе: КН+Н 2 О=КОН+Н 2 Si. Н 4+3 Н 2 О=Н 2 Si. О 3+4 Н 2 основной гидрид кислотный гидрид Гидролиз идет с изменениями степеней окисления. Применение гидридов: 1)Восстановители для получения покрытия из соответствующего металла; 2)Получение металла в виде порошка; 3)Гидрид титана представляет интерес в качестве ''хранилища'' водорода.
Химические свойства: 1)Водород взаимодействует с неметаллами. Активность не металлов влияет на скорость реакции. Со фтором взаимодействует со взрывом: Н 2+F 2=2 НF. Хлор реагирует при нагревании или на свету, или при наличии инициатора моментально со взрывом: Н 2 + С 12 = 2 НС 1. С бромом и йодом водород реагирует очень медленно. 2) Активно реагирует с кислородом: 2 Н 2 + О 2 = 2 Н 2 О Смесь кислорода и водорода гремучая - при наличии инициатора взрывается. 3) С другими не металлами реагирует при нагревании или при повышении давления: Т Т, р Н 2 + S = Н 2 S N 2 + 3 Н 2= 2 NН 3 Образуются соединения разного агрегатного состояния: газы (НС 1), жидкости (Н 2 О).
4) Водород отнимает кислород или галогены от металлов и неметаллов. Сu. О+Н 2=Сu+Н 2 О Сu. С 12+Н 2=Сu+2 НС 1 Эти реакции протекают при увеличении температуры.
СОЕДИНЕНИЕ СО СТЕПЕНЬЮ ОКИСЛЕНИЯ +1 Свойства зависят от природы и электроотрицательности элемента. Для соединений содержащих связи Н-F, Н-О, N-Н характерна водородная связь. НF и Н 2 О из-за этого в обычных условиях жидкости. Для соединений Н 2 О, НF, Н 3 N характерны аномально высокие температуры кипения и плавления среди всех однотипных бинарных соединений. В ряду НF, Н 2 О, Н 3 N уменьшается число не поделенных электронных пар и возрастает сродство к протону. Анионных комплексы – гидрогенаты: КF + НF = К[НF 2] КNО 3 + НNО 3 = К[Н(NО 3)2] дифторогидрогенат динитрогидрогенат калия
Гидрогенаты существуют в неводных или насыщенных растворах, или в твердом состоянии. Металлические свойства имеют соединения d и fэлементов. Это металлоподобные порошки или хрупкая масса, электропроводность и теплопроводность как у металлов. Первые три металла каждого d-семейства элементов поглощают водород со значительным эффектом. Гидриды образуются из простых веществ с уменьшение энтропии. Синтезом из водорода и металла можно получить те соединения, которые сопровождаются большим выделением тепла.
О характере связи имеются две теории: 1) водород проникает в решетку в виде Н+, а свой электрон отдает в зону проводимости металлической структуры. 2) атомы водорода берут электроны из зоны проводимости и находится в кристаллической решетке гидрида в виде иона Н-.