Учебник по Химии.

Оглавление учебника

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. ЭЛЕМЕНТЫ И ИХ СОЕДИНЕНИЯ

1. Водород

Свойства ₁H.

Атомная масса	1,008	кларк, ат.% (распространненость в природе)	17
Электронная конфигурация*		Агрегатное состояние (н. у.).	газ
	¾	Цвет	бесцветный
	0,136		- 259,1
Энергия ионизации	13,6		- 252,6
Относительная электроотрицательность	2,10	Плотность	¾
Возможные степени окисления	+1, -1	Стандартный электродный потенциал	0

*Приведена конфигурация внешних электронных уровней атома элемента. Конфигурация остальных электронных уровней совпадает с таковой для благородного газа, завершающего предыдущий период и указанного в скобках.

Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Этот простейший атом не имеет аналогов в периодической системе. Он способен терять электрон, превращаясь в катион Н⁺, и в этом отношении сходен со щелочными металлами, которые также проявляют степень окисления 1+. Атом водорода может также присоединять электрон, образуя при этом анион Н- , электронная конфигурация которого такая же, как у атома гелия. В этом отношении водород сходен с галогенами, анионы которых имеют электронные конфигурации соседних благородных газов.

Таким образом, водород имеет двойственную природу, проявляя как окислительную, так и восстановительную способность. По этой причине в одних случаях водород помещают в подгруппу щелочных металлов, в других — в подгруппу галогенов.

Химические свойства. Энергия связи в молекуле водорода H₂ составляет 436 кДж/моль. Большая величина энергии связи объясняет сравнительно малую активность молекулярного водорода при обычных условиях. Так, при комнатной температуре водород реагирует лишь с фтором:

и с хлором при ультрафиолетовом облучении.

При повышенной температуре водород реагирует со многими веществами: он сгорает в атмосфере кислорода с образованием воды и выделением большого количества теплоты:

Соединения водорода с неметаллами. При нагревании водород обратимо реагирует также с бромом, иодом, серой и азотом, причем с последним только в присутствии катализатора и при высоком давлении.

Водород при нагревании способен реагировать не только с простыми, но и со сложными веществами:

Во всех рассматриваемых реакциях водород является восстановителем, образуя соединения, где его степень окисления равна 1+.

Соединения водорода с металлами. Со многими металлами водород вступает в реакции при повышенных температуре и давлении с образованием гидридов (NaH, KH, СаН₂, где его степень окисления равна 1-:

Гидрид натрия — белое кристаллическое соединение, по физическим свойствам напоминающее хлорид натрия. Однако химические свойства NaH и NaCI сильно различаются. Так, хлорид натрия растворяется в воде и диссоциирует в растворе на ионы. Гидрид натрия водой разлагается с образованием щелочи и водорода:

Получение. Для промышленного получения водорода используют следующие способы:

1. Электролиз водных растворов хлоридов.

2. Пропускание паров воды над раскаленным углем при температуре 1000 °С:

3. Конверсия метана при высоких температурах:

4. Крекинг углеводородов.

Для лабораторного получения водорода используют следующие способы:

1. Взаимодействие металлов с кислотами:

2. Взаимодействие щелочноземельных металлов с водой:

3. Взаимодействие алюминия или кремния с водными растворами щелочей:

4. Взаимодействие гидридов с водой.

Вода. Оксид водорода — одно из наиболее распространенных и важных веществ. Поверхность Земли, занятая водой, в 2,5 раза больше поверхности суши. Чистой воды в природе нет, — она всегда содержит примеси. Получают чистую воду методом перегонки. Перегнанная вода называется дистиллированной. Состав воды (по массе): 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода.

Физические свойства. Чистая вода прозрачна, не имеет запаха и вкуса. Наибольшую плотность она имеет при 0 °С (1 г/см³). Плотность льда меньше плотности жидкой воды, поэтому лед всплывает на поверхность. Вода замерзает при 0 °С и кипит при 100° С при давлении 101 325 Па. Она плохо проводит теплоту и очень плохо проводит электричество. Вода — хороший растворитель.

Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Поэтому молекула воды — диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, — отрицательно. Благодаря полярности молекул воды электролиты в ней диссоциируют на ионы.

В жидкой воде наряду с обычными молекулами Н₂О содержатся ассоциированные молекулы, т. е. соединенные в более сложные агрегаты (Н₂О)_х, благодаря образованию водородных связей. Наличием водородных связей между молекулами воды объясняются аномалии ее физических свойств; максимальная плотность при 4° С, высокая температура кипения (в ряду Н₂О—H₂S — H₂Se — Н₂Те), аномально высокая теплоемкость [4,18 кДж/(гЧ К)]. С повышением температуры водородные связи разрываются, и полный разрыв их наступает при переходе воды в пар.

Химические свойства. Вода — весьма реакционноспособное вещество. При обычных условиях она взаимодействует со многими основными и кислотными оксидами, а также со щелочными и щелочноземельными металлами:

Вода образует многочисленные соединения — гидраты (кристаллогидраты):

Очевидно, соединения, связывающие воду, могут служить в качестве осушителей. Из других осушающих веществ можно указать Р₂O₅, СаО, ВаО, металлический Na (они тоже химически взаимодействуют с водой), а также силикагель.

К важным химическим свойствам воды относится ее способность вступать в реакции гидролитического разложения.

Тяжелая вода. Вода, содержащая тяжелый водород, называется тяжелой водой (обозначается формулой D₂O). Как это видно из сопоставления физических свойств, она отличается от обычной воды:(в скобках приведены характеристики обычной воды (H₂O))

Молекулярная масса: 20 (18)

Плотность при 20 °С, г/см³ : 1,1050 (0,9982)

Температура кристаллизации, ^oC: 3,8 (0)

Температура кипения, °С: 101,4 (100)

Химические реакции с тяжелой водой протекают значительно медленнее, чем с обычной водой. Поэтому она при длительном электролизе обычной воды накапливается в электролизере.

Тяжелая вода применяется в качестве замедлителей нейтронов в ядерных реакторах.