10) Водород

Водород (лат. Hydrogenium), H, химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Менделеева; атомная масса 1,0079. При обычных условиях Водород - газ; не имеет цвета, запаха и вкуса. Распространение Водорода в природе. Водород широко распространен в природе, его содержание в земной коре (литосфера и гидросфера) составляет по массе 1%, а по числу атомов 16%. Водород входит в состав самого распространенного вещества на Земле - воды (11,19% Водорода по массе), в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, глины, а также организмы животных и растений (то есть в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других). Молекула водорода состоит из двух атомов водорода, между которыми осуществляется ковалентная неполярная связь.

Физические свойства.Водород Н2— это самый легкий газ (он в 14,4 раза легче воздуха) – без цвета, вкуса и запаха. Мало растворим в воде (в 1 л воды при 20°С растворяется 18 мл Н2). При Т = — 252,8°С и атмосферном давлении переходит в жидкое состояние. Жидкий водород бесцветен.

Химические свойства.Водород реагирует с простыми веществами: металлами и неметаллами:

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О Н₂ + S = H₂S

Н₂ + Cl₂ = 2НСl Н₂ + 2Li = 2LiH (ионный гидрид)

ЗН₂ + N₂ = 2NН₃ гидрид лития

С неметаллами водород образует ковалентные гидриды, полярность связи в которых увеличивается с увеличением электроотрицательности атома-неметалла. При этом происходит изменение кислотно-основных свойств гидридов.

В ряду SiH₄→ PH₃→ H₂S→ HCl

силан – нейтральное соединение,

фосфин проявляет слабоосновные свойства,

сероводород в водном растворе – слабая кислота,

хлороводород в водном растворе – сильная кислота.

Водород используется для получения многих металлов и неметаллов из их оксидов:

CuO + H₂ = Cu + H₂O,

Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4Н₂О,

SiO₂ +2C→ Si + 2CO

Реакции гидрирования органических соединений.

С₂Н₄ + Н₂ → С₂Н₆

этилен этан

Роль Водород и его соединений в химии исключительно велика. Водород обусловливает кислотные свойства так называемых протонных кислот. Водород склонен образовывать с некоторыми элементами так называемую водородную связь, оказывающую определяющее влияние на свойства многих органических и неорганических соединений. Получение Водорода. Основные виды сырья для промышленного получения Водорода - газы природные горючие, коксовый газ и газы нефтепереработки. Водород получают также из воды электролизом (в местах с дешевой электроэнергией). Важнейшими способами производства Водорода из природного газа являются каталитическое взаимодействие углеводородов, главным образом метана, с водяным паром (конверсия):

СН4 + H2О = СО + ЗН2, и неполное окисление углеводородов кислородом:

СН4 + 1/2О2 = СО + 2Н2

Образующийся оксид углерода (II) также подвергается конверсии:

СО + Н2О = СО2 + Н2.

Получение в лаборатории

CaH₂+ 2H₂O = Ca(OH)₂+ 2H₂↑

Zn + H₂SO₄(разб.)= ZnSO₄+ H₂↑

2Al + 10H₂O + 2NaOH = 2Na[Al(OH)₄(H₂O)₂] + 3H₂↑

Применение Водорода. Для синтеза неорганических веществ: аммиака, хлороводорода и др.

• Для синтеза органических веществ: спиртов, альдегидов: СО + 2Н₂ → СН₃ОН

• Для гидрогенизации твердого и тяжелого жидкого топлив, жиров и других веществ.

• В сварке и резке металлов кислородо-водородным пламенем (температура до 2800°С) и в атомно-водородной сварке (до 4000°С).

• Важное применение в атомной энергетике нашли изотопы водорода - дейтерий и тритий.

Образование водородных связей

Между молекулами воды образуются водородные связи за счет притяжения атома водорода одной молекулы к атому кислорода другой молекулы.

Ткип.= +100С

ρ(льда) меньше ρ(воды ж.)

Физические свойства воды:

жидкость без цвета и запаха,

полярный растворитель,

температура кипения 100⁰С,

Т замерзания = 0⁰С.

Химические свойства

Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода:

2Na + 2H₂O = H₂ + 2NaOH (бурно)

2K + 2H₂O = H₂ + 2KOH (бурно)

3Fe + 4H₂O = 4H₂ + Fe₃O₄ (только при нагревании)

Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II групп.

2. Вода реагирует как с кислотными, так и с основными оксидами (проявляет амфотерные свойства):

СаО + Н₂О → Са(ОН)₂

SO₃ + Н₂О → Н₂SO₄.

3. Многие бинарные соединения полностью гидролизуются водой:

СаН₂ + 2Н₂О → Са(ОН)₂ +2Н₂↑

Li₃N + 3Н₂О → 3LiОН + NH₃↑

СаС₂ + 2Н₂О → Са(ОН)₂ +С₂Н₂↑

4. Вода разлагается на водород и кислород при действии электрического тока:

5. Вода образует гидраты:

CuSO₄+ 5 H₂O = CuSO₄^.5H₂O (медный купорос)

6. Вода вступает в реакции гидратации с органическими веществами:

СН₂ = СН₂ + НОН → СН₃ – СН₂ОН

этилен этанол