11. Химия элементов и их соединений I группа пс. Водород: особенности электронной структуры, изотопы. Получение и применение водорода и щелочных металлов. Получение и применение меди, серебра, золота.

Металлы главной подгруппы I группы периодической системы объединены под общим названием «щелочные металлы», т.к. гидроксиды их главных представителей (натрия и калия) известны под названием «щелочи». Атомы этих элементов имеют один валентный электрон. По сравнению с элементами других подгрупп у них низкие потенциалы ионизации, а размеры атомов и ионов большие. С увеличением атомного номера в подгруппе возрастает размер атомов и уменьшается их энергия ионизации, что свидетельствует об усилении в ряду Li – Fr металлических признаков элементов.

Водород

Особенность строения электронной оболочки атома водорода, не позволяет однозначно решить в какой группе ПС он должен находиться.

Н – е^- → Н⁺ восстановитель

Н + е^- → Н^- окислитель

Поэтому его помещают и в I и в VII группы, но прямым химическим аналогом не щелочных металлов, не галогенов – водород не является.

Водород имеет три изотопа

¹₁Н протий - стабильный

²₁Н (D) дейтерий - стабильный

³₁Н (Т) тритий - радиоактивный

Получение

1) в лаборатории

а)взаимодействие металла с кислотой ( в аппарате Киппа)

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑

б)электролиз воды

2H₂O→ 2H₂↑ (катод) + О₂ (анод)

2)Промышленный способ

а)электролиз растворов NaCl и KCl

2NaCl + 2H₂O → H₂↑ + 2NaOH + Cl₂

б)конверсионный способ.

Сначала получают водяной газ, пропуская пары воды через раскаленный кокс - t=1000⁰C

H₂O_(пар) + C_(кокс) ⇄ H₂ + CO (водный газ)

Далее водный газ с избытком водяных паров пропускают под нагретым катализатором

СО + (Н₂) + Н₂О CO₂ + (H₂) + H₂

очистка от СО₂

Ca(OH)₂ + (Н₂) + СО₂ → CaCO₃↓ + H₂O + (H₂)↑

Таким способом получают более 50% водорода.

в)конверсией метана с водяным паром –самый дешевый способ, при t=1300⁰C

CH₄ + H₂O(пар) CO₂ + 4H₂

г)термическое разложение углеводородов

CH₄ С + 2H₂

д) железо-паровой способ

2Fe + 3H₂O(пар) Fe₂O₃ + 3H₂

Химические свойства водорода

W(H)= +1, -1 степень окисления

Молекула водорода образована двумя атомами, связанными прочными ковалентными связями, поэтому химическая активность водорода при обычных температурах невелика.

1. с элементами главных подгрупп I и II групп образуют солеобразные гидриды.

2Na + H₂ = 2NaH гидрид натрия

Са + Н₂ = СаН₂ гидрид кальция

Гидриды легко разлагаются водой и кислотами:

CaH₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2H₂↑

NaH + НСl → NaCl + H₂

2. с В и Ga, и со всеми элементами главных подгрупп IV – VII групп образует газообразные ковалентные соединения:

С +2Н₂ = СН₄

S + H₂ = H₂S

3. Водород горит в кислороде:

О₂ + 2Н₂ = 2Н₂О

гремучий

газ

4.Водород хороший восстановитель, хорошо восстанавливает металлы из их оксидов:

CuO + Н₂ Cu + Н₂O

2BCl₃ + 3H₂ = 2B + 6HCl

Применение

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.

Химическая промышленность: При производстве аммиака, метанола, мыла и пластмасс.

Пищевая промышленность: При производстве маргарина изжидких растительных масел. Зарегистрирован в качествепищевой добавкиE949. Входит в список пищевых добавок, допустимых к применению в пищевой промышленности РФ в качестве вспомогательного средства для производства пищевой продукции.

Авиационная промышленность: Водород очень лёгок и ввоздухевсегда поднимается вверх. Когда-тодирижаблиивоздушные шарынаполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколькокатастроф, в ходе которых дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием, несмотря на его существенно более высокую стоимость.

Топливо: Водород используют в качестверакетного топлива. Ведутся исследования по применению водорода как топлива длялегковыхигрузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающую среду и выделяют тольководяной пар. В водородно-кислородныхтопливных элементахиспользуется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.