Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Методичка ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ч.1.doc
Скачиваний:
193
Добавлен:
28.03.2020
Размер:
1.69 Mб
Скачать

3.13. Водород

Самый распространённый элемент Вселенной. На Земле встречается практически только в соединениях. Варианты промышленного получения:

С + H2O CO + H2

CH4 + H2O CO + 3H2

2CH4 + O2 2CO + 4H2

2H2O 2H2 + O2

Кроме того, водород образуется как побочный продукт при многочисленных процессах электролиза водных растворов.

Традиционное лабораторное получение водорода сводится к реакциям металлов с растворами минеральных кислот или амфотерных металлов с растворами щелочей.

Водород в значительной степени уникальный элемент, имеющий черты сходства со щелочными металлами и галогенами. Со щелочными металлами его роднит:

  1. восстановительная активность;

  2. склонность к образованию катиона H+;

  3. способность вступать во взаимодействие с неметаллами.

Сходные черты с галогенами:

  1. газообразный при обычных условиях (как фтор и хлор); двухатомная молекула с ковалентной связью;

  2. полярные связи в соединениях;

  3. близкие потенциалы ионизации H2 и Г2;

  4. определённое сходство гидридов и галогенидов.

Здесь отмечены лишь основные черты сходства, список может быть продолжен; в целом сходство с галогенами выражено в большей степени.

Термин «гидриды» имеет довольно широкий смысл; наиболее часто под гидридами понимают соединения с менее электроотрицательными атомами. Гидриды щелочных и щёлочноземельных металлов имеют химическую связь, близкую к ионной. Гидриды d- и f-элементов зачастую характеризуются нестехиометрическим составом, в ряде случаев являются твёрдыми растворами.

Более удобная, но слишком широкая классификация гидридов основана на отношении этих соединений к воде. А именно:

  1. взаимодействуют с водой гидриды подгрупп лития, бериллия, бора и SiH4, например:

KH + H2O = KOH + H2

BaH2 + 2H2O = Ba(OH)2 + 2H2

B2H6 + 6H2O = 2H3BO3 + 6H2

SiH4 + 3H2O = H2SiO3 (SiO2∙xH2O) + 4H2

  1. не взаимодействуют с водой водородные соединения C, Sn, Ge, P, As, Sb.

  2. слабое взаимодействие отмечается у аммиака:

NH3 + H2O NH3∙H2O NH4+ + OH

  1. водородные соединения подгруппы серы – слабые кислоты в водном растворе;

  2. водородные соединения галогенов – сильные кислоты в водных растворах (кроме HF).

В электрическом разряде водород диссоциирует на атомы:

H2 (г) 2H (г) ; ΔGо298 = 203,3 кДж/моль

Атомарный водород является мощным восстановителем:

2H + S = H2S

PbCl2 + 2H = Pb + 2HCl

Сильным восстановителем представляется и «водород в момент выделения», например:

K3SbO3 + 3Zn + 9HCl = SbH3 + 3ZnCl2 + 3H2O

Водород используется для гидрирования жиров, синтезов и восстановления, а также представляет интерес в будущем как эффективный и экологически безопасный источник энергии.

3.14. Галогены

Природные источники и получение

В природе галогены встречаются преимущественно в виде соединений с металлами, многие из которых уже упоминались: NaCl – каменная соль, NaCl∙KCl – сильвинит; KCl∙MgCl2∙6H2O – карналлит; CaF2 – плавиковый шпат; Ca5(PO4)3F – фторапатит. Хлориды, бромиды и йодиды в больших количествах присутствуют в воде морей и океанов.

Фтор получают электролизом расплава KHF2 (к), хлор – электролизом расплавов хлоридов. Хлор также является побочным продуктом электролиза многочисленных водных растворов хлоридов:

2KCl + 2H2O 2KOH + H2 + Cl2

Бромиды и йодиды концентрируют в растворе, в том числе и в морской воде, а затем выделяют бром и йод в соответствии с реакциями типа:

2NaBr + Cl2 = Br2 + 2NaCl

2KI + Cl2 = I2↓ + 2KCl

Возможные лабораторные способы получения Cl2, Br2 и I2:

  1. окисление HCl (конц.) сильными окислителями (KMnO4, PbO2, KClO3, CaOCl2 и др.), например:

CaOCl2 + 2HCl = CaCl2 + Cl2 + H2O

2KMnO4 + 16HCl = 2KCl + 2MnCl2 + Cl2 + 8H2O;

  1. действие H2SO4 (конц.) на кристаллические йодиды и бромиды, например:

2NaBr + 3H2SO4 (конц.) = 2NaHSO4 + Br2 + SO2 + 2H2O

8KI + 5H2SO4 (конц.) = 4I2 + H2S + 4K2SO4 + 4H2O

  1. окисление хлором бромидов и йодидов в растворе.

При комнатной температуре F2 и Cl2 – газы, Br2 – жидкость с плотностью 3,12 г/мл, а I2 – кристаллическое вещество. At – радиоактивный элемент.

Химические свойства

Валентные возможности атомов: у фтора – только 1, у остальных – 1,3,5,7. Соответственно степени окисления атомов в соединениях: у фтора – только −1, у остальных −1, +1, +3, +5, +7. В случае хлора, брома и йода возможны соединения и других степеней окисления.

F2 – самый реакционоспособный элемент (вещество) из известных. Причины этого следующие: самая высокая электроотрицательность, маленький размер атома, отсутствие валентных d-орбиталей, лёгкость диссоциации молекулы F2 на атомы. При комнатной температуре F2 реагирует со всеми простыми веществами, кроме О2, N2, He, Ne и Ar. В атмосфере фтора воспламеняется большинство порошкообразных металлов и неметаллов, реакции протекают энергично, с огромными тепловыми эффектами. Например:

Ag + F2 = AgF2

2Fe + 3F2 = 2FeF3

P4 + 10F2 = 4PF5

Легко реагирует F2 и со сложными веществами, простым и кварцевым стеклом:

SiO2 + 2F2 = SiF4 + O2

Если остальные галогены растворяются в воде и слабо с ней взаимодействуют, то F2 энергично реагирует с Н2О (вода горит во фторе!):

2F2 + H2O = OF2 + 2HF

2F2 + 2H2O = 4HF + O2

Временное хранение фтора и проведение реакций с ним осуществляется в ёмкостях, изготовленных из монель-металла (сплав никеля, железа и марганца). На поверхности изделий из этого сплава в атмосфере фтора образуется прочная, химически инертная плёнка фторидов (в первую очередь – NiF2), предотвращающая дальнейшее разрушение изделия.

Как уже отмечалось, остальные галогены растворяются в воде, их растворимость понижается в ряду Cl2 – Br2 – I2. В этом же ряду ослабевает взаимодействие Г2 с молекулами воды по уравнению:

Г2 (р-р) + Н2О Н+ + Г + НОГ

Константы равновесия этой реакции при комнатной температуре имеют порядок: для Cl2 – 10-4; Br2 – 10-9; I2 – 10-11. Следует обратить внимание на то, что образование HIO термодинамически маловероятно. Разумеется, при растворении Г2 в растворах щелочей указанное равновесие смещается вправо:

Г2 + 2NaOH = NaОГ + Н2О

В горячей воде молекулы НОГ, получающиеся за счёт взаимодействия Г2 с холодной водой, диспропорционируют, и суммарный процесс описывается уравнениями:

2 + 3Н2О НГО3 + 5НГ

2 + 6КОН КГО3 + 5КГ + 3Н2О

Как уже отмечалось, для йода указанные процессы происходят уже в холодных растворах.

Реакционная способность галогенов резко ослабевает от фтора к йоду. В реальной химической практике несмотря на то, что термодинамически хлор более сильный окислитель, чем бром, химики предпочитают использовать именно бром в качестве окислителя, поскольку при обычных условиях Br2 – жидкость, а Cl2 – газ; создание же контакта газообразного вещества с реакционной массой проблематично.

Подробно на взаимодействии галогенов с простыми и сложными веществами мы не останавливаемся, поскольку эти процессы обсуждаются во всех разделах пособия.

Соединения

Фтороводород и хлороводород получают, действуя на кристаллические фториды и хлориды концентрированной серной кислотой:

CaF2 (кр.) + H2SO4 (конц.) = CaSO4 + 2HF↑

NaCl (кр.) + H2SO4 (конц.) = NaHSO4 + HCl↑

Получение HBr(г) и HI(г) в подобных условиях невозможно из-за окисления получающихся галогеноводородов концентрированной серной кислотой. Наиболее распространённые способы получения бромоводорода, йодоводорода и соответствующих кислот – гидролиз галогенангидридов, например:

PBr3 + 3H2O = H3PO3 + 3HBr,

возможны и такие процессы:

I2 + H2S = S↓ + 2HI

BaI2 + H2SO4 = BaSO4↓ + 2HI

HF является газом, наименее приближенным к идеальному; HF(ж) чрезвычайно похож на воду, например, имеет электропроводность, близкую к электропроводности воды, и плотность около 1 г/мл. Температуры кипения жидких HCl, HBr и HI отрицательны, HF(ж) кипит при 19,5 оС. Достаточно уверенно можно говорить об образовании в HF(ж) димерных и гексамерных частиц; сильная ассоциация HF (г) и HF (ж) обусловлена прочными водородными связями с энтальпией около 40 кДж/моль.

В водном растворе HF, называемом плавиковой кислотой, также отмечается сильная межмолекулярная ассоциация, приводящая к тому, что основная форма существования частиц в растворе – димеры (HF)2. При нейтрализации плавиковой кислоты щёлочью образуются гидрофториды:

2HF + KOH = KHF2 + H2O,

и лишь при избытке щёлочи достигается полная нейтрализация. Плавиковая кислота является весьма агрессивной жидкостью, например, контакт с ней без коррозии выдерживают только некоторые платиновые металлы. Наконец, напомним, что анион F– достаточно активный лиганд и фторидные комплексы характеризуются средней прочностью.

Задание 11. По справочным данным определить при 298 К константы диссоциации в растворе HF и HF2.

Решение. Для реакций

HF H+ + F

HF2 HF + F-

находим значения стандартной энергии Гиббса:

ΔGо1 = ΔGообр.Н+ (р-р, ст. сост.) + ΔGообр.F (р-р, ст. сост.)−ΔGообр.НF (р-р, ст. сост., гип.недис.)=

= 0 + (−280,0) − (−298,1) = 18,1 кДж

ΔGо2 = ΔGообр F (р-р, ст. сост.) + ΔGообр HF (р-р, ст. сост., гип. недисс.)

− ΔGообр НF2 (р-р, ст. сост., гип.недис.) = −280,0 + (−298,1) − (−581,5) = 3,4 кДж

ΔGо1 = −RT lnKдисс. HF

Kдисс.HF =

ΔGо2 = −RT lnKдисс HF2

Kдисс.HF2 =

В ряду HF – HCl – HBr – HI снижается термодинамическая устойчивость соединений, резко уменьшается термическая устойчивость, возрастает восстановительная активность и увеличивается сила кислот в водном растворе (схема Косселя).

Кислородные соединения фтора имеют состав OnF2 (n=1−6), получить их синтезом из простых веществ затруднительно. В электрическом разряде, пропускаемом через смесь O2 и F2, возможно образование O2F2. Наиболее изучен OF2, получающийся в небольших количествах при пропускании F2 через концентрированный раствор щёлочи:

2KOH + 2F2 = 2KF + OF2 + H2O

Все кислородные соединения фтора являются сильными окислителями.

Описано не менее пяти кислородных соединений хлора, четыре – у брома, четыре – у йода. Все они являются сильными окислителями; получают эти соединения косвенно. Наиболее устойчивы кислородные соединения йода и хлора.

Удобным лабораторным методом получения Cl2O является реакция:

2HgO + 2Cl2 = HgO∙HgCl2 + Cl2O

При комнатной температуре Cl2O – красновато-жёлтый газ (tкип.= 2 оС), молекула которого полярна и имеет уголковое строение. Пос-кольку при растворении этого соединения в воде в небольшой степени идёт процесс

Cl2O + H2O = 2HOCl,

то HOCl можно рассматривать как ангидрид хлорноватистой кислоты.

Больший практический интерес (отбеливатель бумаги) представляет ClO2. Это соединение можно получить по следующим реакциям:

3KClO3 + 3H2SO4 = 3KHSO4 + 2ClO2 + HClO4 + H2O

2NaClO3 + SO2 + H2SO4 = 2ClO2 + 2NaHSO4 (промышленный способ)

2KClO3 + H2C2O4 + H2SO4 = K2SO4 + 2CO2 + 2ClO2 + 2H2O

ClO2 бурый газ (tкип. = 11 оС), молекула которого полярна и пара-магнитна, имеет уголковое строение. ClO2 – достаточно реакционноспо-собное соединение. Формально является ангидридом двух кислот (смешанным ангидридом):

2ClO2 + 2NaOH = NaClO2 + NaClO3 + H2O

При растворении ClO2 в воде на свету происходит реакция диспропорционирования:

6ClO2 + 3H2O = HCl + 5HClO3

ClO2 – достаточно сильный окислитель, реагирует со многими простыми и сложными веществами, например:

5P4 + 20ClO2 = 4P4O10 + 4PCl5

Красноватая жидкость Cl2O6 (tпл. = 4 оС) с небольшим выходом обра-зуется в реакции:

2ClO2 + 2O3 = Cl2O6 + 2O2

Cl2O6 также может рассматриваться как смешанный ангидрид, поскольку в растворе идёт следующий процесс:

Cl2O6 + 2NaOH = NaClO3 + NaClO4 + H2O

В газовой фазе молекулы Cl2O6 распадаются на сравнительно устойчивые молекулы-радикалы ClO3∙.

Наиболее стабильным из кислородных соединений хлора является Cl2O7 – ангидрид хлорной кислоты, представляющий собой бесцветную маслянистую жидкость с tкип. = 83 оС. Получается при обезвоживании хлор-ной кислоты P4O10. Молекула Cl2O7 представляет собой два тетраэдра, соединенные вершинами.

Пероксидное соединение Cl2O8 можно получить по реакции:

2AgClO4 + I2 = Cl2O8 + 2AgI

Соединение нестабильно, сильный окислитель.

Все оксиды хлора могут взрываться.

Оксиды брома (Br2O, BrO2, Br3O8) недостаточно охарактеризованы; известно, что они кинетически устойчивы лишь при температурах существенно ниже 0 оС

I2O5 – бесцветные кристаллы; получается при термическом разложе-нии йодноватой кислоты:

2HIO3 I2O5 + H2O.

I2O5 термически устойчив до 300 оС. Проявляет окислительные свойства, используется для обнаружения СО:

I2O5 + 5CO = 5CO2 + I2

I2O4 и I4O9 представляют собой солеподобные соединения:

I2O4 = (IO)IO3 йодат йодила;

I4O9 = I(IO3)3 йодат йода (III).

Кислородные кислоты степени окисления атома галогена +1 (галогенноватистые) известны для хлора, брома и йода; их соли носят название гипогалогениты. HOCl, HOBr и HOI – малостабильные соединения, известны только в водных растворах, слабые электролиты. Являются хорошими окислителями в кислых растворах, в небольших количествах образуются при растворении Г2 в воде. Легко разлагаются и диспропорционируют, например:

2HOCl 2HCl + O2

2HOCl Cl2O + H2O

3HOCl HClO3 + 2HCl

Гипогалогениты – более стабильные соединения, чем кислоты; в нейтральных растворах не проявляют окислительных свойств, но являются сильными окислителями в кислых растворах. Наиболее известна среди гипохлоритов хлорная известь CaOCl2, представляющая собой смесь гипохлорита и хлорида кальция:

2Cl2 + 2Ca(OH)2 = Ca(OCl)2 + CaCl2 + 2H2O

Некоторые реакции с гипохлоритами и хлорной известью:

2CaOCl2 2CaCl2 + O2

3NaClO NaClO3 + 2NaCl

NaOCl + 2NH3 = N2H4 + NaCl + H2O

CaOCl2 + 2HCl(конц.) = Cl2 + CaCl2 + H2O

CaOCl2 + Pb(CH3COO)2 + H2O = PbO2 + CaCl2 + 2CH3COOH

KOI + KI + H2SO4 = I2 + K2SO4 + H2O

В ряду HOCl – HOBr – HOI окислительная активность и сила кислот ослабевает.

Из кислот НГО2 известна лишь хлористая HClO2; её соли носят название хлориты. Схема возможного получения HClO2:

BaO2 + 2ClO2 = Ba(ClO2)2 + O2

Ba(ClO2)2 + H2SO4 = BaSO4↓ + 2HClO2

Хлористая кислота достаточно сильная (Кдисс. ≈ 0,01), устойчива в водных растворах в темноте. Кислоты HBrO2 и HIO2 не получены.

Кислоты НГО3, называющиеся галогенноватыми, известны все. Их соли – галогенаты. HIO3 можно выделить в кристаллическом виде, для нее известен ангидрид. Варианты получения галогенноватых кислот и их солей:

2NaClO3 + H2SO4 = Na2SO4 + 2HClO3

Br2 + 5Cl2 + 6H2O = 2HBrO3 + 10HCl

I2 + 10HNO3 (конц.) = 2HIO3 + 10NO2 + 4H2O

I2 + 5H2O2 = 2HIO3 + 4H2O

2 + 6KOH 5KГ + KГО3 + 3Н2О

3МеОГ 2МеГ + МеГО3

Все кислоты НГО3 – активные окислители:

2HIO3 + 5H2C2O4 = I2 + 10CO2 + 6H2O

HIO3 + 5HI = 3I2 + 3H2O

В ряду HClO3 – HBrO3 – HIO3 отмечается падение силы кислот и ослабление окислительной активности.

В водных растворах в зависимости от концентрации реализуются разные формы йодноватой кислоты:

HIO3 (мета-) H3IO4 (мезо-) H5IO5 (ортойодноватая кислота)

Соли галогенноватых кислот (галогенаты) в нейтральных растворах не проявляют окислительной активности, но становятся сильными окислителями при подкислении их растворов. Галогенаты являются отличными окислителями при нагревании в кристаллическом виде, поскольку при этом они разлагаются с выделением кислорода. Именно по этой причине их широко применяют в щелочных плавах. Галогенаты способны и к диспропорционированию, например:

4KClO3 KCl + 3KClO4, но

2KClO3 2KCl + 3O2

Примеры, иллюстрирующие окислительную активность галогенатов в кристаллическом виде при нагревании или в кислом растворе:

KClO3 + 3Mg KCl + 3MgO

10KClO3 + 3P4 3P4O10 + 10KCl

NaBrO3 + 5NaBr + 3H2SO4 = 3Na2SO4 + 3Br2 + 3H2O

Кислоты высшей степени окисления (+7) носят название галогенных кислот – хлорная, бромная, йодная. Название солей – пергалогенаты. Возможное получение этих кислот и солей:

Cl2O7 + H2O = 2HClO4 (на холоду)

KClO4 + H2SO4 = KHSO4 + HClO4

NaBrO3 + F2 + 2NaOH = NaBrO4 + 2NaF + H2O

I2 + 7MnO2 + 7H2SO4 = 2HIO4 + 7MnSO4 + 6H2O

В водных растворах в зависимости от концентрации реализуются различные формы йодной кислоты:

HIO4 (мета-); H3IO5 (мезо-); H4I2O9 (пара-); H5IO6 (ортойодная кислота).

Даже в последней форме все атомы водорода можно заместить на атомы металлов.

Кислоты Э+7 являются активными окислителями, термически малоустойчивы, наиболее стабильна хлорная кислота HClO4:

4HClO4 4ClO2 + 3O2 + 2H2O

4HClO4 2Cl2 + 2H2O + 7O2

Хлорная кислота HClO4 – очень сильная кислота, а йодная, например, мезойодная H3IO5, – очень слабая. HClO4 – единственная из кислот Э+7, которая может быть выделена в индивидуальном виде.

Задание 12. Вычислить рН 5,00 мас.%-го раствора KClO (плотность 1,05 г/мл), пользуясь справочными данными.

Решение. Вычисляем предварительно молярную концентрацию соли в растворе:

Следовательно, концентрация гипохлоритного иона равна этой величине. В растворе идёт гидролиз по аниону:

ClO + H2O HClO + OH

Для нахождения константы гидролиза вычисляем ΔGо написанного процесса:

ΔGо = ΔGообр.ОН(р-р, ст. сост.) + ΔGообр.HClO(р-р, ст. сост., гип. недисс.)− ΔGообр.H2O (ж) − −ΔGообр ClO (р-р, ст. сост.) = −157,3 + (−80,0) − (−273,3) − (−36,8) = 36,8 кДж

ΔGо = −RT lnKравн = −RT lnKгидр.

Kгидр. =

Kгидр = ;

отсюда:

рОН = −lg [OH] = −lg 4,54∙10−4 = 3,34

pH = 14 – pOH = 14 – 3,34 = 10,7

В бинарных соединениях галогенов с металлами и водородом для энтальпий (энергий Гиббса) связей выполняется:

ΔНЭ-Cl > ΔHЭ-Br > ΔHЭ-I

Именно по этой причине галоген, стоящий в таблице Д. И. Менделе-ева выше, вытесняет галоген, стоящий ниже, из бинарных соединений. Ситуация меняется на противоположную при переходе к связям кислород-галоген:

ΔНO-I > ΔHO-Br > ΔHO-Cl

Отсюда следует, что галоген, стоящий ниже в таблице Д. И. Менде-леева, будет вытеснять галоген, стоящий выше, например:

2KClO3 + Br2 = 2KBrO3 + Cl2

2HClO4 + I2 = 2HIO4 + Cl2

Существует довольно большая группа межгалогенных (межгалоидных) соединений состава Г`Г``n, где n = 1, 3, 5, 7. Чем дальше галогены отстоят друг от друга, тем больше значение n. Например, йод, хлор и бром образуют следующие соединения с фтором: IF, IF3, IF5, IF7; BrF, BrF3, BrF5; ClF, ClF3. Эти соединения достаточно устойчивы, получают их обычно прямым синтезом из элементов.

Межгалогенные соединения при контакте с водой гидролизуются; возможно диспропорционирование и окислительно-восстановительные процессы:

BrF + H2O = HBrO + HF

BrF5 + 3H2O = HBrO3 + 5HF

2BrF3 BrF + BrF5

2BrF + 2H2O = 2HBr + 2HF + O2

Некоторые из обсуждаемых соединений способны к самоионизации в жидкой фазе и находят применение в качестве растворителей в ряде синтезов.

Как уже говорилось, растворимость брома в воде невелика, а йода – совсем незначительна. Однако галогены довольно хорошо растворяются в растворах галогенидов за счёт образования полигалогенных анионов, например:

KI + I2 = K[In], n = 3 – 9.

Применение

F2, F2O – окислители, используемые при фторировании воды с целью обеззараживания и в производство тефлона.

Плавиковая кислота широко используется в синтезах как лабораторных, так и производственных, например, при получении криолита.

Cl2 – окислитель, отбеливатель, используется для обеззараживания питьевой воды и воды в плавательных бассейнах. Соляная кислота является второй после серной широко используемой минеральной кислотой. Газообразный хлороводород необходим в производстве винилхлорида и соответствующего полимера.

Хлорная известь находит применение как отбеливатель и обеззараживатель.

Br2 – распространённый окислитель в неорганическом и органическом синтезе; бромопроизводные органических веществ находят применение в медицине. Бромид серебра – основа чёрно-белой фотографии.