2.3.2. Водень і сполуки гідрогену

гідроген

Гідроген — латинська назва НугїгоЬепіит (який утворює воду), хімічний символ Н, утворює двохатомну молекулу Н₂.

Заряд ядра атома Гідрогену дорівнює +1, тобто в ядрі знаходиться один протон. Відомі три ізотопи Гідрогену — протій ІН, дейтерій ^ і тритій 3Т. На єдиному енергетичному рівні атома Гідрогену (валентному) знаходиться їв-електрон, тобто електронна формула Гідрогену їв¹.

У зв'язку з цим порядковий номер у періодичній системі дорівнює 1 і він, подібно до луж­них металів, розташований у першій групі. Одночасно з цим атому Гідрогену до заповнення валентного рівня потрібен ще один електрон, як це буває у галогенів, тому Гідроген можна розташовувати й у сьомій групі періодичної системи.

Відповідно до зазначених особливостей будови атома Гідрогену, він повинен виявляти влас­тивості металу (ступінь окиснення +1), а під час взаємодії з активними металами — властивості неметалу (ступінь окиснення —1).

Фізичні властивості

Молекула водню двохатомна, Н₂. Як проста речовина це газ, який не має смаку та запа­ху. Водень має найменшу молекулярну масу з усіх речовин і є найлегшим газом, він у 14,5 разів легший за повітря. Водень малорозчинний у воді. При 20 °С в 100 об'ємах води роз­чиняються не більше двох об'ємів Н₂. Серед газоподібних речовин водень має дуже високу теплопровідність, вона у сім разів вища за теплопровідність повітря. Тільки гелій серед усіх речовин має нижчу температуру кипіння, ніж водень, вона дорівнює —253 °С.

Хімічні властивості

Молекула водню дуже міцна. Для того щоб водень вступив у реакцію, молекула повинна бути зруйнована, а для цього потрібна велика енергія:

Н₂ = 2Н - 432 кДж.

Тому за звичайних температур він вступає в реакцію тільки з дуже активними металами, на­приклад, з кальцієм, з утворенням твердих гідридів, при цьому виявляє ступінь окиснення -1:

Са + Н2 = СаН2,

або з натрієм:

2Ма + Н₂ = 2МаН.

Під час взаємодії з неметалами водень утворює елементоводні — хлороводень, сірководень, нітрогеноводень (амоніак), при цьому виявляє ступінь окиснення +1:

Н₂ + С1₂ = 2НС1, Н + Г = 2НГ.

За високих температур і тиску одержують амоніак — важливу речовину для хімічної промисловості та сільського господарства:

N + 3Н₂ = 2МН₃.

При підпалюванні водень енергійно реагує з киснем:

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О + ф.

Під час взаємодії зі складними речовинами водень виявляє властивості металів, він витіс­няє менш активні метали з їх сполук:

СиО + Н₂ = Н₂0 + Си, 2А§МО₃ + Н₂ = 2Ад + 2НМО₃.

Металеві властивості водню (відновні) виявляються під час взаємодії з активними окисни­ками:

Н₂ + Н₂8О₄ = 2Н₂О + 8О₂,

Н2 + Н2О2 = 2Н2О.

В органічній хімії часто використовують відновні властивості водню, наприклад:

СН2 = СН2 + Н2 — > СН₃ — СН₃,

етен етан

^ О

сн₃- < _н + Н2 ^ > С2Н₅ОН .

оцтовий альдегід етиловий спирт

Такі реакції органічних речовин з воднем називають гідруванням.

Щоб визначити Гідроген-йон у розчині, використовують індикатори, які змінюють своє за­барвлення відповідно до кислого середовища.

Одержання та застосування гідрогену

У лабораторних умовах водень одержують під час взаємодії помірно активних металів (2п) з розведеними оксигеновмісними кислотами (крім нітратної), передусім із сульфатною:

2п + Н2804_(р0з.) = 2П8О4 + Н2І

У промисловості водень одержують електролізом води (рідко) або конверсією метану з во­дяною парою, вуглекислим газом або їх сумішшю:

СН₄ + С0₂ = 2С0 + 2Н₂Т, СН₄ + Н₂0 = СО + 3Н₂Т.

Воднем як дуже легким газом наповнюють повітряні кулі-зонди, що піднімають в атмо­сферу метеорологічні прилади. Велика теплопровідність водню застосовується для відведення надлишку тепла в потужних електричних машинах. Рідкий водень використовують для одер­жання наднизьких температур.

Водень є цінною сировиною, він застосовується у синтезі амоніаку, гідрогенізації жирів, а також під час одержання моторного палива з бурого вугілля.

Основні сполуки гідрогену. Вода

Основною сполукою Гідрогену, що має широке практичне застосування, є вода.

Вода — єдина природна речовина, яка за земних умов може бути у всіх трьох агрегатних станах — твердому, рідкому та газоподібному. Температури, за яких відбувається плавлення та кипіння води, ще у середні віки використовувались як опорні точки температурної шкали Цельсію. Значення 0 (плавлення льоду), 100 (кипіння води), а градус — це одна сота цього інтервалу температур.

Вода є також еталоном для вибору одиниці маси. Масі 1 см³ води приписали значення 1 г, а густині води р = 1 г/см³.

Це дуже зручно: маса порції води чисельно дорівнює її об'єму.

На відміну від інших речовин, густина води у твердому стані — льоду (0,92 г/см³) менше, ніж у рідкому, тому лід плаває.

Вода має найвищу серед усіх інших речовин теплоємність (4,2 Дж/(г-град.). Вода — дуже поганий провідник електрики, але вже невеликі домішки різко збільшують її електропровід­ність. Значення електропровідності можна використовувати для контролю її чистоти.

Вода — добрий розчинник. У ній розчиняються гази, рідини та тверді речовини.

Вода є досить реакційно здатною речовиною й реагує:

— з простими речовинами-металами:

Са + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + Н₂Т.

Інші метали, що розташовані в ряді напруг до водню, витісняють водень з води за різних умов:

2А1 + 6Н₂О = 2А1(ОН)₃ + 3Н₂Т (під час видалення оксидної плівки),

Мд + 2Н₂0 ^ Мд(ОН)₂ + Н₂ Т (під час кип'ятіння), 3Ге + 4Н₂О = (ГеГе₂)О₄ + 4Н₂Т (під час прожарювання заліза);

24 залізна окалина

• з простими речовинами-неметалами:

С1₂ + Н₂О = НС1 + НС1О;

хлорнуватиста кислота

• із складними речовинами:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂, 8О₃ + Н₂О = Н₂8О₄, ГеС1₃ + Н₂О = Ге(ОН)С1₂ + НС1;

• під дією постійного електричного струму або за температури 2000 °С вода розкладається:

2Н₂0 "^ост.^струм > 2Н₂ Т + 0₂ Т .

Природна вода завжди має домішки. Залежно від мети її використання застосовують різні засоби очищення.

Питна вода не повинна мати нерозчинних домішок і хвороботворних мікроорганізмів. Річ­ну й озерну воду відстоюють у спеціальних басейнах, потім фільтрують через шари піску, обробляють хлором або озоном, а іноді ультрафіолетовим випромінюванням, які вбивають мікроорганізми.

Щоб очистити воду від розчинених у ній речовин, використовують перегонку, або дистиля­цію. Одержану дистильовану воду застосовують у лабораторіях, фармації, як охолоджувач автомобільних моторів.

Теоретично водні ресурси невичерпні. Але споживання води збільшується, тому що вона є одним з основних видів сировини у промисловості. Її використовують як теплоносій у мета­лургії, у виробництві синтетичного каучуку, гірничодобувній промисловості, целюлозно-па­перовому виробництві. Без води не обходиться сільське і комунально-побутове господарство.