Основні властивості водню. Речовини, з якими реагує та які утворює водень

Узагальнююча схема «ВОДОРОД»

а) Положення у ПСХЕ

• порядковий номер №1
• період 1
• група I (Головна підгрупа «А»)
• відносна маса Ar(Н)=1
• латинська назва Hydrogenium (що породжує воду)

б) Поширеність водню у природі

в) Валентність водню у сполуках

II. Водень – проста речовина (Н 2)

Отримання

Знаходження водню у природі.

Водень широко поширений у природі, його вміст у земній корі (літосфера та гідросфера) становить за масою 1%, а за кількістю атомів 16%. Водень входить до складу найпоширенішої речовини на Землі - води (11,19% Водню по масі), до складу сполук, що складають вугілля, нафту, природні гази, глини, а також організми тварин і рослин (тобто до складу білків, нуклеїнових кислот) , жирів, вуглеводів та інших). У вільному стані Водень зустрічається дуже рідко, у невеликих кількостях він міститься у вулканічних та інших природних газах. Незначні кількості вільного Гідрогену (0,0001% за кількістю атомів) присутні в атмосфері. У навколоземному просторі Водень у вигляді потоку протонів утворює внутрішній (протонний) радіаційний пояс Землі. У космосі Водень є найпоширенішим елементом. У вигляді плазми він становить близько половини маси Сонця та більшості зірок, основну частину газів міжзоряного середовища та газових туманностей. Водень присутній в атмосфері низки планет і в кометах у вигляді вільного Н 2 метану СН 4 аміаку NH 3 води Н 2 Про радикалів. У вигляді потоку протонів Водень входить до складу корпускулярного випромінювання Сонця та космічних променів.

Існують три ізотопи водню:
а) легкий водень – протий,
б) важкий водень - дейтерій (D),
в) надважкий водень – тритій (Т).

Тритій нестійкий (радіоактивний) ізотоп, у природі він мало зустрічається. Дейтерій стійкий, але дуже мало: 0,015% (від маси всього земного водню).

Валентність водню у сполуках

У сполуках водень виявляє валентність I.

Фізичні властивості водню

Проста речовина водень (Н 2) – це газ, легший за повітря, без кольору, без запаху, без смаку, t кип = – 253 0 С, водень у воді нерозчинний, горючий. Збирати водень можна шляхом витіснення повітря із пробірки або води. При цьому пробірку потрібно перевернути догори дном.

Одержання водню

У лабораторії водень одержують у результаті реакції

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2.

Замість цинку можна використовувати залізо, алюміній та деякі інші метали, а замість сірчаної кислоти – деякі інші розведені кислоти. Водень, що утворюється, збирають у пробірку методом витіснення води (див. рис. 10.2 б) або просто в перевернуту колбу (рис. 10.2 а).

У промисловості у великих кількостях водень одержують із природного газу (в основному це метан) при взаємодії його з парами води при 800 °С у присутності нікелевого каталізатора:

CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 +CO 2 (t, Ni)

або обробляють при високій температурі парами води вугілля:

2H 2 O + C = 2H 2 + CO 2 . (t)

Чистий водень одержують із води, розкладаючи її електричним струмом (піддаючи електролізу):

2H 2 O = 2H 2 + O 2 (електроліз).

ВОДОРОД
Н (Лат. Hydrogenium),
найлегший газоподібний хімічний елемент - член підгрупи IA періодичної системи елементів, іноді його відносять до VIIA підгрупи. У земній атмосфері водень у незв'язаному стані існує лише частки хвилини, його кількість становить 1-2 частини на 1500000 частин повітря. Він виділяється зазвичай коїться з іншими газами при виверженнях вулканів, з нафтових свердловин й у місцях розкладання великих кількостей органічних речовин. Водень з'єднується з вуглецем та (або) киснем в органічній речовині типу вуглеводів, вуглеводнів, жирів та тварин білків. У гідросфері водень входить до складу води - найбільш поширеної сполуки Землі. У породах, ґрунтах, ґрунтах та інших частинах земної кори водень з'єднується з киснем, утворюючи воду та гідроксид-іон OH-. Водень становить 16% всіх атомів земної кори, але за масою лише близько 1%, оскільки він у 16 ​​разів легший за кисень. Маса Сонця та зірок на 70% складається з водневої плазми: у космосі це найпоширеніший елемент. Концентрація водню в атмосфері Землі зростає з висотою завдяки його низькій щільності та здатності підніматися на великі висоти. Виявлені на Землі метеорити містять 6-10 атомів водню на 100 атомів кремнію.
Історична довідка.Ще німецький лікар та природознавець Парацельс у 16 ​​ст. встановив горючість водню. У 1700 р. Н.Лемері виявив, що газ, що виділяється при дії сірчаної кислоти на залізо, вибухає на повітрі. Водень як елемент ідентифікував Г.Кавендіш у 1766 р. і назвав його "горючим повітрям", а в 1781 р. він довів, що вода - це продукт його взаємодії з киснем. Латинське hydrogenium, яке походить від грецького поєднання "що народжує воду", було присвоєно цьому елементу А. Лавуазьє.
Загальна характеристика водню.Водень - це перший елемент у періодичній системі елементів; його атом складається з одного протона і одного електрона, що обертається навколо нього.
(Див. також ПЕРІОДИЧНА СИСТЕМА ЕЛЕМЕНТІВ).
Один із 5000 атомів водню відрізняється наявністю в ядрі одного нейтрону, що збільшує масу ядра з 1 до 2. Цей ізотоп водню називають дейтерієм 21H або 21D. Інший, більш рідкісний ізотоп водню містить два нейтрони в ядрі і називається тритієм 31H або 31T. Тритій радіоактивний і розпадається з виділенням гелію та електронів. Ядра різних ізотопів водню відрізняються спинами протонів. Водень може бути отриманий а) дією активного металу на воду; б) дією кислот на певні метали; в) дією основ на кремній та деякі амфотерні метали; г) дією перегрітої пари на вугілля та метан, а також на залізо; води та термічним розкладанням вуглеводнів. Хімічна активність водню визначається його здатністю віддавати електрон іншому атому або узагальнювати його майже порівну з іншим елементами при утворенні хімічного зв'язку або приєднувати електрон іншого елемента в хімічній сполукі, яка називається гідридом. Водень, що виробляється промисловістю, у величезних кількостях витрачають на синтез аміаку, азотної кислоти, гідридів металів. Харчова промисловість застосовує водень для гідрування рідкої рослинної олії в тверді жири (наприклад, маргарин). При гідруванні насичені органічні олії, що містять подвійні зв'язки між вуглецевими атомами, перетворюються на насичені, що мають одинарні вуглець-вуглецеві зв'язки. Високочистий (99,9998%) рідкий водень використовується в космічних ракетах як високоефективне паливо.
Фізичні властивості.Для зрідження та затвердіння водню потрібні дуже низькі температури та високий тиск (див. таблицю властивостей). У нормальних умовах водень - безбарвний газ, без запаху та смаку, дуже легкий: 1 л водню при 0° C та атмосферному тиску має масу 0,08987 г (пор. щільність повітря та гелію 1,2929 та 0,1785 г/л відповідно тому повітряна куля, наповнена гелієм і має таку ж підйомну силу, як і повітряна куля з воднем, повинна мати на 8% більший об'єм). У таблиці наведено деякі фізичні та термодинамічні властивості водню. ВЛАСТИВОСТІ ЗВИЧАЙНОГО ВОДОРОДУ
(При 273,16 К, або 0 ° С)
Атомний номер 1 Атомна маса 11Н 1,00797 Щільність, г/л

при нормальному тиску 0,08987 при 2,5*10 5 атм 0,66 при 2,7*10 18 атм 1,12*10 7

у воді, об'єм/100 об'ємів H2O (за стандартних умов) 2,148 в бензолі, мл/г (35,2° С, 150,2 атм) 11,77 в аміаку, мл/г (25° С) при 50 атм 4 ,47 при 1000 атм 79,25

Неметали утворюють леткі гідриди загальної формули MHx (х - ціле число) із відносно низькою температурою кипіння та високим тиском парів. Ці гідриди суттєво відрізняються від сольових гідридів, у яких водень має негативніший заряд. У летких гідридів (наприклад, вуглеводнів) переважає ковалентний зв'язок між неметалами та воднем. У міру посилення неметалічного характеру утворюються сполуки з частково іонним зв'язком, наприклад, H+Cl-, (H2)2+O2-, N3-(H3)3+. Окремі приклади утворення різних гідридів наведені нижче (у дужках вказано теплоту утворення гідриду):

Ізомерія та ізотопи водню. Атоми ізотопів водню несхожі. Звичайний водень, протий, завжди є протон, навколо якого обертається один електрон, що знаходиться від протона на великій відстані (щодо розмірів протона). Обидві частинки мають спином, тому атоми водню можуть відрізнятися або спином електрона, або спином протона, або тим, і іншим. Водневі атоми, що відрізняються спином протона чи електрона, називаються ізомерами. Комбінація двох атомів із паралельними спинами призводить до утворення молекули "ортоводороду", а з протилежними спинами протонів - до молекули "параводню". Хімічно обидві молекули ідентичні. Ортоводень має дуже слабкий магнітний момент. При кімнатній або підвищеній температурі обидва ізомери, ортоводород і параводень, зазвичай знаходяться в рівновазі у співвідношенні 3:1. При охолодженні до 20 K (-253° C) вміст параводню зростає до 99%, оскільки він більш стабільний. При зрідженні методами промислового очищення ортоформа перетворюється на параформу із теплоти, що спричиняє втрат водню від випаровування. Швидкість конверсії ортоформи параформу зростає в присутності каталізатора, наприклад деревного вугілля, оксиду нікелю, оксиду хрому, нанесеного на глинозем. Протий – незвичайний елемент, тому що в ядрі його немає нейтронів. Якщо в ядрі з'являється нейтрон, такий водень називається дейтерій 21D. Елементи з однаковою кількістю протонів та електронів та різною кількістю нейтронів називаються ізотопами. Природний водень містить невелику частку HD та D2. Аналогічно, природна вода містить у малій концентрації (менше 0,1%) DOH та D2O. Тяжка вода D2O, що має масу більше, ніж у H2O, відрізняється за фізичними та хімічними властивостями, наприклад, щільність звичайної води 0,9982 г/мл (20° С), а важкої - 1,105 г/мл, температура плавлення звичайної води 0, 0° С, а важкої - 3,82° С, температура кипіння - відповідно 100° С і 101,42° С. Реакції за участю D2O протікають з меншою швидкістю (наприклад, електроліз природної води, що містить домішок D2O, з добавкою лугу NaOH ). Швидкість електролітичного розкладання оксиду протию H2O більше, ніж D2O (з урахуванням постійного зростання частки D2O, що піддається електролізу). Завдяки близькості властивостей протию та дейтерію можна замінювати протий на дейтерій. Такі сполуки відносяться до так званих міток. Змішуючи сполуки дейтерію із звичайною водневмісною речовиною, можна вивчати шляхи, природу та механізм багатьох реакцій. Таким методом користуються вивчення біологічних і біохімічних реакцій, наприклад процесів травлення. Третій ізотоп водню, тритій (31T), присутній у природі у кількостях. На відміну від стабільного дейтерію тритій радіоактивний та має період напіврозпаду 12,26 років. Тритій розпадається до гелію (32He) із виділенням b-частки (електрона). Тритій та тритиди металів використовують для отримання ядерної енергії; наприклад, у водневій бомбі відбувається наступна реакція термоядерного синтезу: 21H + 31H -> 42He + 10n + 17,6 МеВ
Одержання водню.Найчастіше подальше застосування водню визначається характером виробництва. У деяких випадках, наприклад, при синтезі аміаку, невеликі кількості азоту у вихідному водні, звичайно, не є шкідливою домішкою. Домішка оксиду вуглецю(II) також не буде на заваді, якщо водень використовують як відновник. 1. Найбільше виробництво водню засноване на каталітичній конверсії вуглеводнів з водяною парою за схемою CnH2n+2+nH2O(r)nCO+(2n+1)H2 та CnH2n+2+2nH2O(r)nCO2+(3n+1)H2. Температура процесу залежить від складу каталізатора. Відомо, що температуру реакції з пропаном можна знизити до 370° З, використовуючи як каталізатор боксит. До 95% виробленого при цьому CO витрачається при подальшій реакції з парами води: H2O + CO -> CO2 + H2
2. Метод водяного газу дає значну частину загального виробництва водню. Сутність методу полягає в реакції водяної пари з коксом з утворенням суміші CO і H2. Реакція ендотермічна (DH° = 121,8 кДж/моль) і її проводять при 1000° С. Нагрітий кокс обробляють парою; очищена газова суміш, що виділяється, містить деяку кількість водню, великий відсоток CO і невелику домішок CO2. Для підвищення виходу H2 монооксид CO видаляють подальшої парової обробки при 370° C, при цьому виходить більше CO2. Вуглекислий газ досить легко видалити, пропускаючи газову суміш через скрубер, зрошуваний водою протитечією. 3. Електроліз. У електролітичному процесі водень є практично побічним продуктом виробництва основних продуктів - хлору та лугу (NaOH). Електроліз проводять у слаболужному водному середовищі при 80° C і напрузі близько 2В, використовуючи залізний катод та нікелевий анод:

4. Залізо-паровий метод, яким пар при 500-1000° C пропускають над залізом: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 + 160,67 кДж. Отриманий цим методом водень зазвичай використовують для гідрогенізації жирів та олій. Склад оксиду заліза залежить від температури процесу; при nC+(n+1)H2
6. Наступним за обсягом виробництва є метанол-паровий метод: CH3OH + H2O -> 3H2 + CO2. Реакція ендотермічна і проводять її при ВОДОРОД260° C у звичайних сталевих реакторах при тиску до 20 атм. 7. Каталітичне розкладання аміаку: 2NH3 -> Реакція оборотна.За невеликих потреб у водні цей процес неекономічний. Існують також різноманітні способи одержання водню, які, хоч і не мають великого промислового значення, в деяких випадках можуть виявитися економічно найбільш вигідними. Дуже чистий водень виходить за гідролізу очищених гідридів лужних металів; при цьому з малої кількості гідриду утворюється багато водню: LiH + H2O -> LiOH + H2
(Цей метод зручний при безпосередньому застосуванні водню, що отримується.) При взаємодії кислот з активними металами також виділяється водень, проте при цьому він зазвичай забруднений парами кислоти або іншим газоподібним продуктом, наприклад фосфіном PH3, сірководнем H2S, арсином AsH3. Найбільш активні метали, реагуючи з водою, витісняють водень і утворюють лужний розчин: 2H2O + 2Na -> H2 + 2NaOH Поширений лабораторний метод отримання H2 в апараті Кіппа за реакцією цинку із соляною або сірчаною кислотою:
Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2. Гіридиди лужноземельних металів (наприклад, CaH2), комплексні сольові гідриди (наприклад, LiAlH4 або NaBH4) та деякі бороводні (наприклад, B2H6) при реакції з водою або в процесі термічної дисоціації виділяють водень. Буре вугілля та пара при високій температурі також взаємодіють з виділенням водню.
Очищення водню.Ступінь необхідної чистоти водню визначається його сферою застосування. Домішку вуглекислого газу видаляють виморожуванням або зрідженням (наприклад, пропускаючи газоподібну суміш через рідкий азот). Цю домішку можна повністю видалити барботуванням через воду. CO може бути видалений каталітичним перетворенням на CH4 або CO2 або зрідженням при обробці рідким азотом. Домішка кисню, що утворюється у процесі електролізу, видаляється як води після іскрового розряду.
Застосування водню.Водень застосовується головним чином у хімічній промисловості для виробництва хлороводню, аміаку, метанолу та інших органічних сполук. Він використовується при гідрогенізації олій, а також вугілля та нафти (для перетворення низькосортних видів палив у високоякісні). У металургії за допомогою водню відновлюють деякі кольорові метали з оксидів. Водень використовують для охолодження потужних електрогенераторів. Ізотопи водню знаходять застосування в атомній енергетиці. Воднево-кисневе полум'я застосовується для різання та зварювання металів.
ЛІТЕРАТУРА
Некрасов Б.В. Основи загальної хімії. М., 1973 Рідкий водень. М., 1980 Водень у металах. М., 1981

Енциклопедія Кольєра. - Відкрите суспільство. 2000 .

Дивитись що таке "ВОДОРОД" в інших словниках:

Таблиця нуклідів Загальні відомості Назва, символ Водень 4, 4H Нейтронів 3 Протонів 1 Властивості нукліду Атомна маса 4,027810(110) … Вікіпедія

Таблиця нуклідів Загальні відомості Назва, символ Водень 5, 5H Нейтронів 4 Протонів 1 Властивості нукліду Атомна маса 5,035310(110) … Вікіпедія

Таблиця нуклідів Загальні відомості Назва, символ Водень 6, 6H Нейтронів 5 Протонів 1 Властивості нукліду Атомна маса 6,044940(280) … Вікіпедія

Таблиця нуклідів Загальні відомості Назва, символ Водень 7, 7H Нейтронів 6 Протонів 1 Властивості нукліду Атомна маса 7,052750(1080) … Вікіпедія

Водень - особливий елемент, що займає відразу два осередки в періодичній системі Менделєєва. Він розташовується у двох групах елементів, що мають протилежні властивості, і ця особливість робить його унікальним. Водень є простою речовиною та складовою багатьох складних сполук, це органогенний та біогенний елемент. Варто докладно ознайомитися з основними його особливостями та властивостями.

Водень у періодичній системі Менделєєва

Головні особливості водню, зазначені в:

• порядковий номер елемента – 1 (протонів та електронів стільки ж);
• атомна маса становить 1,00795;
• водень має три ізотопи, кожен з яких має особливі властивості;
• завдяки вмісту тільки одного електрона, водень здатний виявляти відновлювальні та окисні властивості, а після віддачі електрона водень має вільну орбіталь, що бере участь у складанні хімічних зв'язків за донорно-акцепторним механізмом;
• водень – легкий елемент із невеликою щільністю;
• водень є сильним відновником, він відкриває групу лужних металів у першій групі головної підгрупи;
• коли водень вступає у реакцію з металами та іншими сильними відновниками, він приймає їхній електрон і стає окислювачем. Такі сполуки називаються гідридами. За вказаною ознакою водень умовно відноситься до групи галогенів (у таблиці він наводиться над фтором у дужках), з якими має подібність.

Водень як проста речовина

Водень - це газ, молекула якого складається з двох. Ця речовина була відкрита у 1766 році британським ученим Генрі Кавендішем. Він довів, що водень є газом, який вибухає при взаємодії із киснем. Після вивчення водню хіміки встановили, що ця речовина є найлегшою з усіх відомих людині.

Інший вчений, Лавуазьє, привласнив елементу ім'я «гідрогеніум», що в перекладі з латині означає «що породжує воду». У 1781 році Генрі Кавендіш довів, що вода є поєднанням кисню та водню. Іншими словами, вода – це продукт реакції водню з киснем. Займисті властивості водню були відомі ще давнім вченим: відповідні записи залишив Парацельс, який жив у XVI столітті.

Молекулярний водень - це утворюється природним шляхом поширена в природі газоподібна сполука, яка складається з двох атомів і при піднесенні лучини, що горить. Молекула водню може розпадатися на атоми, що перетворюються на ядра гелію, оскільки вони здатні брати участь у ядерних реакціях. Такі процеси регулярно протікають у космосі та на Сонці.

Водень та його фізичні властивості

Водень має такі фізичні параметри:

• кипить за температури -252,76 °C;
• плавиться за температури -259,14 °C; *у зазначених температурних межах водень - це безбарвна рідина, що не має запаху;
• у воді водень слабо розчиняється;
• водень теоретично може перейти у металевий стан при забезпеченні особливих умов (низьких температур та високого тиску);
• чистий водень - вибухонебезпечна та палива речовина;
• водень здатний дифундувати крізь товщу металів, тому добре розчиняється в них;
• водень легший за повітря в 14,5 разів;
• за високого тиску можна отримати снігоподібні кристали твердого водню.

Хімічні властивості водню

Лабораторні методи:

• взаємодія розведених кислот з активними металами та металами середньої активності;
• гідроліз гідридів металів;
• реакція з водою лужних та лужноземельних металів.

Сполуки водню:

Галогенводні; леткі водневі сполуки неметалів; гідриди; гідроксиди; гідроксид водню (вода); перекис водню; органічні сполуки (білки, жири, вуглеводні, вітаміни, ліпіди, ефірні олії, гормони). Натисніть , щоб побачити безпечні експерименти для вивчення властивостей білків, жирів та вуглеводів.

Щоб зібрати водень, що утворюється, потрібно тримати пробірку перевернутої вгору дном. Водень не можна зібрати, як вуглекислий газ, адже він набагато легший за повітря. Водень швидко випаровується, а при змішуванні з повітрям (або при великому скупченні) вибухає. Тому необхідно перевертати пробірку. Відразу після заповнення пробірка закривається гумовою пробкою.

Щоб перевірити чистоту водню, потрібно піднести запалений сірник до шийки пробірки. Якщо станеться глуха і тиха бавовна – газ чистий, а домішки повітря мінімальні. Якщо бавовна гучна і свистяча - газ у пробірці брудний, у ньому присутня велика частка сторонніх компонентів.

Увага! Не намагайтеся повторити ці досліди самостійно!

Водень

ВОДОРОД-а; м.Хімічний елемент (H), легкий газ без кольору та запаху, що утворює у поєднанні з киснем воду.

◁ Водневий, -а, -е. Перші сполуки. Перші бактерії. В-а бомба(бомба величезної руйнівної сили, вибухова дія якої ґрунтується на термоядерній реакції). Водневий, -а, -ое.

(Лат. Hydrogenium), хімічний елемент VII групи періодичної системи. У природі зустрічаються два стабільні ізотопи (протий і дейтерій) і один радіоактивний (тритій). Молекула двоатомна (Н2). Газ без кольору та запаху; густина 0,0899 г/л, tстос - 252,76°C. Поєднується з багатьма елементами, з киснем утворює воду. Найпоширеніший елемент космосу; становить (у вигляді плазми) понад 70% маси Сонця та зірок, основна частина газів міжзоряного середовища та туманностей. Атом водню входить до складу багатьох кислот та основ, більшості органічних сполук. Застосовують у виробництві аміаку, соляної кислоти, для гідрогенізації жирів та ін, при зварюванні та різанні металів. Перспективний як пальне (див. Воднева енергетика).

ВОДОРОД (лат. Hydrogenium), H, хімічний елемент з атомним номером 1, атомна маса 1,00794. Хімічний символ водню Н читається нашій країні «аш», як вимовляється ця літера французькою.
Природний водень складається із суміші двох стабільних нуклідів. (див.НУКЛІД)з масовими числами 1,007825 (99,985 % у суміші) та 2,0140 (0,015 %). Крім того, у природному водні завжди присутні мізерні кількості радіоактивного нукліду - тритію (див.ТРІТІЙ) 3 Н (період напіврозпаду Т 1/2 12,43 року). Так як в ядрі атома водню міститься лише 1 протон (менше в ядрі атома елемента протонів бути не може), то іноді кажуть, що водень утворює природну нижню межу періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва (хоча сам елемент водень розташований у верхній частині таблиці). Елемент водень розташований у першому періоді таблиці Менделєєва. Його відносять і до 1-ї групи (групи ІА лужних металів. (див.ЛУЖНІ МЕТАЛИ)), і до 7-ї групи (групі VIIA галогенів (див.ГАЛОГЕНИ)).
Маси атомів у ізотопів водню різняться між собою дуже сильно (в рази). Це призводить до помітних відмінностей у їх поведінці у фізичних процесах (дистиляція, електроліз та ін) і до певних хімічних відмінностей (відмінності у поведінці ізотопів одного елемента називають ізотопними ефектами, для водню ізотопні ефекти є найбільш суттєвими). Тому на відміну від ізотопів решти елементів ізотопи водню мають спеціальні символи і назви. Водень з масовим числом 1 називають легким воднем або протиєм (лат. Protium, від грецького protos - перший), позначають символом Н, а його ядро ​​називають протоном (див.ПРОТОН (елементарна частка), символ нар. Водень з масовим числом 2 називають важким воднем, дейтерієм (див.ДЕЙТЕРІЙ)(лат Deuterium, від грецького deuteros – другий), для його позначення використовують символи 2 Н, або D (читається «де»), ядро ​​d – дейтрон. Радіоактивний ізотоп з масовим числом 3 називають надважким воднем, або тритієм (лат. Tritum, від грецького tritos - третій), символ 2 Н або Т (читається "ті"), ядро ​​t - тритон.
Конфігурація єдиного електронного шару нейтрального незбудженого атома водню s 1 . У сполуках виявляє ступеня окиснення +1 і, рідше, -1 (валентність I). Радіус нейтрального атома водню 0,024 нм. Енергія іонізації атома 13,595 еВ, спорідненість до електрона 0,75 еВ. За шкалою Полінг електронегативність водню 2,20. Водень належить до неметалів.
У вільному вигляді – легкий горючий газ без кольору, запаху та смаку.
Історія відкриття
Виділення пального газу при взаємодії кислот і металів спостерігали в 16 і 17 століттях на зорі становлення хімії як науки. Знаменитий англійський фізик та хімік Г. Кавендіш (див.Кавендіш Генрі) 1766 року досліджував цей газ і назвав його «горючим повітрям». При спалюванні «горюче повітря» давало воду, але відданість Кавендіша теорії флогістону (див.Флогістон)завадила йому зробити правильні висновки. Французький хімік А. Лавуазьє (див.Лавуазье Антуан Лоран)спільно з інженером Ж. Меньє (див.МЕНЬЄ Жан Батіст Марі Шарль), використовуючи спеціальні газометри, в 1783 р. здійснив синтез води, а потім і її аналіз, розклавши водяну пару розпеченим залізом. Таким чином він встановив, що «горюче повітря» входить до складу води і може бути отримано з неї. У 1787 Лавуазьє дійшов висновку, що «горюче повітря» є простою речовиною, і, отже, належить до хімічних елементів. Він дав йому назву hydrogene (від грецького hydor – вода і gennao – народжую) – «що народжує воду». Встановлення складу води поклало край «теорії флогістону». Російське найменування «водень» запропонував хімік М. Ф. Соловйов (див.СОЛОВ'ЄВ Михайло Федорович)в 1824. На рубежі 18 і 19 століть було встановлено, що атом водню дуже легкий (порівняно з атомами інших елементів), і вага (маса) атома водню була прийнята за одиницю порівняння атомних мас елементів. Масі атома водню приписали значення 1.
Знаходження у природі
На частку водню припадає близько 1% маси земної кори (10 місце серед усіх елементів). У вільному вигляді водень нашій планеті мало зустрічається (його сліди є у верхніх шарах атмосфери), але у складі води поширений Землі майже повсюдно. Елемент водень входить до складу органічних та неорганічних сполук живих організмів, природного газу, нафти, кам'яного вугілля. Він міститься, зрозуміло, у складі води (близько 11% за масою), у різних природних кристалогідратах і мінералах, у складі яких є одна або кілька гідроксогруп ВІН.
Водень як елемент домінує у Всесвіті. На його частку припадає близько половини маси Сонця та інших зірок, він присутній у атмосфері низки планет.
Отримання
Водень можна отримати багатьма способами. У промисловості для цього використовують природні гази, а також гази, що отримуються під час переробки нафти, коксування та газифікації вугілля та інших палив. При виробництві водню з природного газу (основний компонент - метан) проводять його каталітичну взаємодію з водяною парою та неповне окислення киснем:
CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 і CH 4 + 1/2 O 2 = CO 2 + 2H 2
Виділення водню з коксового газу та газів нафтопереробки засноване на їх зрідженні при глибокому охолодженні та видаленні із суміші газів, що скраплюються легше, ніж водень. За наявності дешевої електроенергії водень одержують електролізом води, пропускаючи струм через розчини лугів. У лабораторних умовах водень легко отримати взаємодією металів із кислотами, наприклад, цинку із соляною кислотою.
Фізичні та хімічні властивості
За звичайних умов водень - легкий (щільність за нормальних умов 0,0899 кг/м 3 ) безбарвний газ. Температура плавлення –259,15 °C, температура кипіння –252,7 °C. Рідкий водень (при температурі кипіння) має щільність 70,8 кг/м 3 і є найлегшою рідиною. Стандартний електродний потенціал Н 2 /Н - у водному розчині приймають рівним 0. Водень погано розчинний у воді: при 0 °C розчинність становить менше 0,02 см 3 /мл, але добре розчинний у деяких металах (губчасте залізо та інших), особливо добре - у металевому паладії (близько 850 об'ємів водню в 1 об'ємі металу). Теплота згоряння водню дорівнює 143,06 МДж/кг.
Існує як двоатомних молекул Н 2 . Константа дисоціації Н 2 на атоми при 300 К 2,56 · 10 -34. Енергія дисоціації молекули Н2 на атоми 436 кДж/моль. Міжядерна відстань у молекулі Н 2 0,07414 нм.
Оскільки ядро ​​кожного атома Н, що входить до складу молекули, має свій спин (див.СПІН), то молекулярний водень може бути у двох формах: у вигляді ортоводорода (о-Н 2) (обидва спина мають однакову орієнтацію) й у формі параводню (п-Н 2) (спини мають різну орієнтацію). При звичайних умовах нормальний водень є сумішшю 75% про-Н 2 і 25% п-Н 2 . Фізичні властивості п-і про-Н2 трохи різняться між собою. Так, якщо температура кипіння чистого про-Н 2 20,45 К, то чистого п-Н 2 - 20,26 К. Перетворення про-Н 2 п-Н 2 супроводжується виділенням 1418 Дж/моль теплоти.
У науковій літературі неодноразово висловлювалися міркування про те, що при високих тисках (вище 10 ГПа) і при низьких температурах (близько 10 К і нижче) твердий водень, який зазвичай кристалізується в гексагональній решітці молекулярного типу, може переходити в речовину з металевими властивостями, можливо, навіть надпровідник. Однак поки що однозначних даних про можливість такого переходу немає.
Висока міцність хімічного зв'язку між атомами в молекулі Н 2 (що, наприклад, використовуючи метод молекулярних орбіталей, можна пояснити тим, що в цій молекулі електронна пара знаходиться на зв'язувальній орбіталі, а орбіталь, що розпушує, електронами не заселена) призводить до того, що при кімнатній температурі газоподібний водень хімічно малоактивний Так, без нагрівання при простому змішуванні водень реагує (з вибухом) тільки з газоподібним фтором:
H2+F2=2HF+Q.
Якщо суміш водню і хлору при кімнатній температурі опромінити ультрафіолетовим світлом, спостерігається негайне утворення хлороводню НСl. Реакція водню з киснем відбувається з вибухом, якщо суміш цих газів внести каталізатор - металевий паладій (або платину). При підпалюванні суміш водню та кисню (так званий гримучий газ (див.ГРІМКИЙ ГАЗ)) вибухає, при цьому вибух може відбутися у сумішах, у яких вміст водню становить від 5 до 95 об'ємних відсотків. Чистий водень на повітрі або в чистому кисні спокійно горить з великою кількістю теплоти:
H 2 + 1/2O 2 = Н 2 Про + 285,75 кДж/моль
З іншими неметалами та металами водень якщо і взаємодіє, то лише за певних умов (нагрівання, підвищений тиск, присутність каталізатора). Так, з азотом водень оборотно реагує при підвищеному тиску (20-30 МПа і більше) та при температурі 300-400 °C у присутності каталізатора - заліза:
3H2+N2=2NH3+Q.
Також тільки при нагріванні водень реагує з сіркою з утворенням сірководню H 2 S, з бромом - з утворенням бромоводню НBr, з йодом - з утворенням іодоводу НI. З вугіллям (графітом) водень реагує з утворенням суміші вуглеводнів різного складу. З бором, кремнієм, фосфором водень безпосередньо не взаємодіє, з'єднання цих елементів з воднем отримують непрямими шляхами.
При нагріванні водень здатний вступати в реакції з лужними, лужноземельними металами та магнієм з утворенням сполук з іонним характером зв'язку, у складі яких міститься водень у ступені окислення –1. Так, при нагріванні кальцію в атмосфері водню утворюється солеподібний гідрид складу СаН2. Полімерний гідрид алюмінію (AlH 3) x - один із найсильніших відновників - отримують непрямими шляхами (наприклад, за допомогою алюмінійорганічних сполук). З багатьма перехідними металами (наприклад, цирконієм, гафнієм та ін) водень утворює сполуки змінного складу (тверді розчини).
Водень здатний реагувати не тільки з багатьма простими, але і складними речовинами. Насамперед треба відзначити здатність водню відновлювати багато металів із їх оксидів (такі, як залізо, нікель, свинець, вольфрам, мідь та інших.). Так, при нагріванні до температури 400-450 °C і вище відбувається відновлення заліза воднем з будь-якого оксиду, наприклад:
Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.
Слід зазначити, що відновити воднем з оксидів можна лише метали, які у ряді стандартних потенціалів за марганцем. Більш активні метали (у тому числі марганець) до металу з оксидів не відновлюються.
Водень здатний приєднуватися за подвійним або потрійним зв'язком до багатьох органічних сполук (це - так звані реакції гідрування). Наприклад, у присутності нікелевого каталізатора можна здійснити гідрування етилену 2 Н 4 , причому утворюється етан 2 Н 6:
2 Н 4 + Н 2 = З 2 Н 6 .
Взаємодією оксиду вуглецю(II) та водню в промисловості одержують метанол:
2Н 2 + СО = СН 3 ВІН.
У з'єднаннях, у яких атом водню з'єднаний з атомом більш електронегативного елемента Е (Е = F, Cl, O, N), між молекулами утворюються водневі зв'язки (див.Водневий зв'язок)(Два атоми Е одного і того ж або двох різних елементів пов'язані між собою через атом Н: Е "... Н ... Е"", причому всі три атоми розташовані на одній прямій.. Такі зв'язки існують між молекулами води, аміаку , метанолу та ін і призводять до помітного зростання температур кипіння цих речовин, збільшення теплоти випаровування і т.д.
Застосування
Водень використовують при синтезі аміаку NH 3 , хлороводню HCl, метанолу СН 3 ОН, при гідрокрекінгу (крекінгу в атмосфері водню) природних вуглеводнів, як відновник при отриманні деяких металів. Гідруванням (див.Гідрування)природних рослинних олій одержують твердий жир - маргарин. Рідкий водень знаходить застосування як ракетне паливо, і навіть як холодоагент. Суміш кисню з воднем використовують при зварюванні.
У свій час висловлювалося припущення, що в недалекому майбутньому основним джерелом одержання енергії стане реакція горіння водню, і воднева енергетика витіснить традиційні джерела одержання енергії (вугілля, нафта та ін.). При цьому передбачалося, що для отримання водню у великих масштабах можна використовувати електроліз води. Електроліз води – досить енергоємний процес, і нині отримувати водень електролізом у промислових масштабах невигідно. Але очікувалося, що електроліз буде заснований на використанні середньотемпературної (500-600 ° C) теплоти, яка у великих кількостях виникає під час роботи атомних електростанцій. Ця теплота має обмежене застосування, і можливості отримання з її допомогою водню дозволили б вирішити як проблему екології (при згорянні водню на повітрі кількість екологічно шкідливих речовин, що утворюються, мінімально), так і проблему утилізації середньотемпературної теплоти. Однак після Чорнобильської катастрофи розвиток атомної енергетики повсюдно згортається, тому зазначене джерело енергії стає недоступним. Тому перспективи широкого використання водню як джерела енергії поки що зсуваються щонайменше до середини 21 століття.
Особливості звернення
Водень не отруйний, але при поводженні з ним потрібно постійно враховувати його високу пожежо- та вибухонебезпечність, причому вибухонебезпечність водню підвищена через високу здатність газу до дифузії навіть через деякі тверді матеріали. Перед початком будь-яких операцій з нагрівання в атмосфері водню слід переконатися в його чистоті (при підпалюванні водню в перевернутій вгору дном пробірці звук повинен бути глухим, а не гавкаючим).
Біологічна роль
Біологічне значення водню визначається тим, що він входить до складу молекул води та всіх найважливіших груп природних сполук, у тому числі білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, вуглеводів. Приблизно 10 % маси живих організмів посідає водень. Здатність водню утворювати водневий зв'язок відіграє вирішальну роль у підтримці просторової четвертинної структури білків, а також у здійсненні принципу комплементарності (див.КОМПЛЕМЕНТАРНІСТЬ)у побудові та функціях нуклеїнових кислот (тобто у зберіганні та реалізації генетичної інформації), взагалі у здійсненні «впізнавання» на молекулярному рівні. Водень (іон Н+) бере участь у найважливіших динамічних процесах і реакціях в організмі - в біологічному окисленні, що забезпечує живі клітини енергією, у фотосинтезі у рослин, у реакціях біосинтезу, в азотфіксації та бактеріальному фотосинтезі, у підтримці кислотно-лужної рівноваги (див.ГОМЕОСТАЗ), у процесах мембранного транспорту Таким чином, поряд з киснем та вуглецем водень утворює структурну та функціональну основи явищ життя.

Енциклопедичний словник. 2009 .

Дивитись що таке "водень" в інших словниках:

Таблиця нуклідів Загальні відомості Назва, символ Водень 4, 4H Нейтронів 3 Протонів 1 Властивості нукліду Атомна маса 4,027810(110) … Вікіпедія

Таблиця нуклідів Загальні відомості Назва, символ Водень 5, 5H Нейтронів 4 Протонів 1 Властивості нукліду Атомна маса 5,035310(110) … Вікіпедія

Таблиця нуклідів Загальні відомості Назва, символ Водень 6, 6H Нейтронів 5 Протонів 1 Властивості нукліду Атомна маса 6,044940(280) … Вікіпедія

Таблиця нуклідів Загальні відомості Назва, символ Водень 7, 7H Нейтронів 6 Протонів 1 Властивості нукліду Атомна маса 7,052750(1080) … Вікіпедія

МІНСЬКИЙ КОЛЕДЖ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ДИЗАЙНУ ЛЕГКОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

Реферат

з дисципліни: Хімія

Тема: «Водень та його сполуки»

Підготувала:учня Iкурсу343 групи

Віскуп Олена

Перевірив:Аляб'єва Н.В.

Мінськ 2009

Будова атома водню у періодичній системі

Ступені окислення

Поширеність у природі

Водень як проста речовина

З'єднання водню

Список літератури

Будова атома водню у періодичній системі

Перший елемент періодичної системи (перший період, порядковий номер 1). Не має повної аналогії з іншими хімічними елементами і не належить до жодної групи, тому в таблицях умовно міститься в IА групу та/або VIIA-групу.

Атом водню найменший за розмірами та найлегший серед атомів усіх елементів. Електронна формула атома 1s 1 . Звичайна форма існування елемента у вільному стані – двоатомна молекула.

Ступені окислення

Атом водню в сполуках з більш електронегативними елементами виявляє ступінь окислення +1, наприклад HF, H 2 O та ін. А в сполуках з металами-гідридами - ступінь окислення атома водню дорівнює -1, наприклад NaH, CaH 2 та ін. середнім між типовими металами та неметалами. Здатний каталітично відновлювати в органічних розчинниках, таких як оцтова кислота або спирт, багато органічних сполук: ненасичені сполуки до насичених, деякі сполуки натрію до аміаку або амінів.

Поширеність у природі

Природний водень складається з двох стабільних ізотопів - протию 1 Н, дейтерію 2 Н і тритію 3 Н. По-іншому дейтерій позначають як D, а тритій як Т. Можливі різні комбінації, наприклад НТ, HD, TD, H 2 , D 2 , T 2 . Водень більш поширений у природі у вигляді різних сполук із сіркою (H 2 S), киснем (у вигляді води), вуглецем, азотом та хлором. Рідше як сполук з фосфором, йодом, бромом та іншими елементами. Входить до складу всіх рослинних і тваринних організмів, нафти, вугілля, природного газу, ряду мінералів і порід. У вільному стані зустрічається дуже рідко у невеликих кількостях – у вулканічних газах та продуктах розкладання органічних залишків. Водень є найпоширенішим елементом у Всесвіті (близько 75%). Він входить до складу Сонця та більшості зірок, а також планет Юпітера та Сатурна, які в основному складаються з водню. На окремих планетах водень може існувати у твердому вигляді.

Водень як проста речовина

Молекула водню складається з двох атомів, пов'язаних між собою ковалентним неполярним зв'язком. Фізичні властивості- газ без кольору та запаху. Швидше за інші гази поширюється в просторі, проходить через дрібні пори, при високих температурах порівняно легко проникає крізь сталь та інші матеріали. Має високу теплопровідність.

Хімічні властивості. У звичайному стані за низьких температур малоактивний, без нагрівання реагує з фтором і хлором (за наявності світла).

З неметалами взаємодіє активніше, ніж із металами.

При взаємодії з різними речовинами може виявляти як окислювальні, і відновлювальні властивості.

З'єднання водню

Однією з сполук водню є галогени. Вони утворюються при з'єднанні водню з елементами групи VIIA. HF, HCl, HBr і HI є безбарвними газами, добре розчинними у воді.

Оскільки HBr і HI типові відновники, їх можна одержати по обмінної реакції як HCl.

CaF 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + 2HF

Вода - найпоширеніша у природі сполука водню.

2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О

Немає ні кольору, ні смаку, ні запаху. Дуже слабкий електроліт, але активно реагує з багатьма металами та неметалами, основними та кислотними оксидами.

2Н 2 Про+2Na = 2NaOH + H 2

Н 2 Про + BaO = Ba(OH) 2

3Н 2 О + P 2 O 5 = 2H 3 PO 4

Тяжка вода (D 2 O) – ізотопний різновид води. Розчинність речовин у важкій воді значно менша ніж у звичайній. Тяжка вода отруйна, тому що уповільнює біологічні процеси в живих організмах. Накопичується в залишку електролізу при багаторазовому електролізі води. Використовується як теплоносій та сповільнювач нейтронів у ядерних реакторах.

Гідриди – взаємодія водню з металами (при високій температурі) чи менш електронегативними ніж водень неметалами.

Si + 2H 2 =SiH 4

Сам же водень було відкрито першій половині 16в. Парацельс. У 1776 р. Кавендіш вперше досліджував його властивості, у 1783-1787 А. Лавуазьє показав, що водень входить до складу води, включив його до списку хімічних елементів і запропонував назву гідроген.

Список літератури

1. М.Б. Волович, О.Ф. Кабардін, Р.А. Лідін, Л.Ю. Алікберова, В.С. Рохлов, В.Б. Пятунін, Ю.А. Сімагін, С.В Симонович/Довідник школяра/Москва «АСТ-ПРЕС КНИГА» 2003.

2. І.Л. Кнуняц /Хімічна енциклопедія/Москва «Радянська енциклопедія»1988

3. І.Є. Шиманович /Хімія 11/Мінськ «Народна освіта»2008

4. Ф.Коттон, Дж. Вілкінсон / Сучасна неорганічна хімія / Москва "Світ" 1969