Санкт-Петербургский Государственный

Институт Точной Механики и Оптики

(Технический университет)

Реферат на тему

Кислород и водород как химические элементы и простые вещества.

Их получение и применение.

Студент:

Рахманова С. А.

группа 1810

Преподаватель:

1. Водород

1. Из истории…

Около 1671 года английский химик и физик Роберт Бойль (1627–1691) впервые получил водород (H₂), растворяя железные иголки в серной кислоте (H₂SO₄); однако его химическую природу он объяснить не сумел. В 1766 году английским физик и химик Генри Кавендиш (1731–1810) доказал в своей работе по экспериментальному исследованию воздуха, что в нем имеется газ, резко отличающийся от воздуха, и сообщает об открытии водорода и углекислого газа (CO₂). Действуя соляной кислотой (HCl) на цинк (Zn) и железо (Fe), он обнаружил неизвестный бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса.

Оказалось, что газ горит, взрываясь, поэтому он был назван “горючим воздухом”. В 1784 году Генри Кавендиш, пропуская через смесь горючего воздуха и кислорода электрическую искру, обнаружил, что в сосуде появилась вода. После ряда точных опытов, он убедился, что продуктом горения была только вода, которая не имела запаха или вкуса и при выпаривании не оставляла остатка. Таким образом, Генри Кавендиш определил химический состав воды (H₂O). К таким же выводам пришел чуть позже французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794). Латинское (Hydogenium) и русское названия произошли от греческого hydro genes – порождающий воду.

2. Положение в таблице Менделеева

Водород является первым химическим элементом в периодической системе. Его атом состоит всего из двух элементарным частиц: протона, являющегося ядром и кайносимметричного электрона вращающегося по s-электронной орбитали, поэтому положительный ион водорода имеет наименьшие размеры (в 10000 раз меньше) по сравнению с атомом и обладает сильным поляризующим действием. Для атома водорода применима квантовая теория Бора и уравнение Шредингера для него имеет точное решение.

Водород занимает особое положение в периодической системе и может быть отнесен, как к I, так и к VII главной подгруппе. Как щелочной металл проявляет в соединениях степень окисления +1, имеет ярко выраженные восстановительные свойства, для него характерны реакции взаимного вытеснения. Спектр водорода сходен со спектрами щелочных металлов. Но при этом, как галоген может присоединять электрон с образованием иона водорода H^-, ему недостает одного электрона на внешнем энергетическом уровне, как и легкие галогены, он является газообразным веществом, его молекула состоит из двух атомов, в соединениях замещается галогенами, потенциал ионизации соизмерим с представителями VII главной подгруппы (H-13,6 эВ, F- 17,4 эВ, а Li-5,6). Однако у атома водорода отсутствует эффект экранирования, в отличие от щелочных металлов, молекулярные орбитали отличаются от галогенов, поэтому можно расположить водород всецело над вторым периодом от лития до фтора. Наблюдаются различия между многими свойствами изотопов водорода, но вследствие их низкого содержания погрешность измерений не велика. Наибольшие различия наблюдается у термодинамических величин, вследствие различия частот колебаний атомов вызванного различием изотопных масс. Скорость звука при t=0 С в среде протия – 1284 м/с больше, чем в среде дейтерия – 890 м/с [15]; молярная изобарная теплоемкость у протия C_p=28,83 Дж/моль К меньше, чем у дейтерия C_p=29,2 Дж/моль* К [23]; температура плавления t_пл=-259,19 С, теплота плавления  H_пл=11,7 Дж/моль, температура кипения t_кип=-252,77 С и теплота кипения  H_кип=91,6 Дж/моль меньше, чем у дейтерия t_пл=-254,42 С,  H_пл=19,7 Дж/моль, t_кип=-249,9 С и  H_кип=122,6 Дж/моль [14]; Поверхностное натяжение при Т=29К у протия  =0,498 мН/м меньше, чем у дейтерия  =1,612мН/м [33]. Большие различия наблюдаются в скорости протекания химических реакций различных изотопов. Подобных аналогов различий больше нет ни у одного из элементов, поэтому изотопы водорода и получили индивидуальные названия. Изотопы ⁴H и ⁵H получены искусственно и чрезвычайно нестабильны. Молекулы водорода сходны с молекулами галогеном. Два атома в них связаны ковалентной связью с расстоянием 74,14 пм и энергией связи 453,6 кДж/моль. Молекулы водорода обладают большой прочностью (при t=5000 C степень диссоциации 0,95) и поэтому гораздо большей химической активностью обладает атомарный водород. Атомарный водород может долгое время не образовывать молекулы в случае отсутствия в нем примесей. Так как для образования молекулы необходимо столкновение трех частиц две из которых соединяться, а третья унесет с собой избыток энергии. Такими частицами могут служить примеси или даже стенки сосуда, в котором находиться атомарный водород. При соударении двух частиц образовавшаяся молекула вскоре распадается из-за избытка энергии. Для молекул водорода характерны две модификации: орто-водород o-H₂ у которого оба протона вращаются вокруг свой оси в одном и том же направлениях, т. е. спины ядер параллельны, пара-водород p-H₂ у которого протоны вращаются в разных направлениях, т.е спины противоположны. Зависимость отношения орто- и пара-водорода зависит от примесей и от температуры, чем меньше температуры тем больше пара-водорода. Такие же аллотропии характеры для дейтерия и трития, и, кроме того, для азота.