Допомога по Теле2, тарифи, питання

Будова та фізичні властивості воднюВодень – двоатомний газ Н2. Він не має ні кольору, ні запаху. Це найлегший газ. Завдяки цій властивості він використовувався в аеростатах, дирижаблях та подібних пристроях, проте широкому застосуванню водню з цією метою заважає його вибухонебезпечність у суміші з повітрям.

Молекули водню неполярні і дуже малі, тому взаємодія між ними мало. У зв'язку з цим він має дуже низькі температури плавлення (-259оС) та кипіння (-253оС). Водень практично нерозчинний у воді.

Водень має 3 ізотопи: звичайний 1Н, дейтерій 2H або D, і радіоактивний тритій 3Н або Т. Тяжкі ізотопи водню унікальні тим, що важче за звичайний водень у 2 або навіть у 3 рази! Саме тому заміна звичайного водню на дейтерій або тритій помітно позначається на властивостях речовини (так температури кипіння звичайного водню Н2 і дейтерію D2 різняться на 3,2 градуси). Взаємодія водню із простими речовинамиВодень - неметал середньої електронегативності. Тому йому притаманні і окисні, і відновлювальні властивості.

Окисні властивості водню проявляються в реакціях з типовими металами - елементами основних підгруп I-II групи таблиці Менделєєва. Найактивніші метали (лужні та лужноземельні) при нагріванні з воднем дають гідриди – тверді солеподібні речовини, що містять кристалічній решітцігідрид-іон Н-. 2Na + Н2 = 2NaН ; Са + Н2 = СаН2Відновлювальні властивості водню проявляються в реакціях з типовими неметалами, ніж водень: 1) Взаємодія із галогенами H2 + F2 = 2HF

Аналогічно протікає взаємодія з аналогами фтору – хлором, бромом, йодом. У міру зменшення активності галогену інтенсивність перебігу реакції зменшується. Реакція з фтором відбувається при звичайних умовах з вибухом, для реакції з хлором потрібно освітлення або нагрівання, а реакція з йодом протікає лише при сильному нагріванні та оборотно. 2) Взаємодія з киснем 2Н2 + О2 = 2Н2О Реакція протікає з великим виділенням тепла, іноді вибухом. 3) Взаємодія із сіркоюН2 + S = H2S Сірка - набагато менш активний неметал, ніж кисень, і взаємодія з воднем протікає спокійно. 4) Взаємодія із азотом 3Н2 + N2↔ 2NH3 Реакція оборотна, протікає в помітній мірі тільки у присутності каталізатора, при нагріванні та під тиском. Продукт називається аміак. 5) Взаємодія з вуглецемС + 2Н2↔ СН4 Реакція протікає в електричній дузі або за дуже високих температур. Як побічні продукти утворюються й інші вуглеводні. 3. Взаємодія водню зі складними речовинамиВодень виявляє відновлювальні властивості і в реакціях зі складними речовинами: 1) Відновлення оксидів металів, що стоять в електрохімічному ряді напруг правіше алюмінію, а також оксиди неметалів: Fe2O3 + 2H2 2Fe + 3H2O ; CuO + H2 Cu + H2O Водень застосовують як відновник для вилучення металів із оксидних руд. Реакції йдуть при нагріванні.2) Приєднання до органічних ненасичених речовин; С2Н4 + Н2(t;p)→ С2Н6 Реакції протікають у присутності каталізатора та під тиском. Інших реакцій водню ми поки що не торкатимемося. 4. Одержання воднюУ промисловості водень отримують переробкою вуглеводневої сировини - природної та попутного газу, коксу тощо. Лабораторні методи одержання водню:

1) Взаємодія металів, що стоять в електрохімічному ряду напруг металів лівіше за водень, з кислотами. Взаємодія металів, що стоять в електрохімічному ряду напруг металів ліворуч від магнію, з холодною водою. При цьому також утворюється луг.

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 Метал, що знаходиться в електрохімічному ряді напруг металів лівіше за марганець, здатний витісняти водень з води за певних умов (магній - з гарячої води, алюміній - за умови зняття оксидної плівки з поверхні).

Mg + 2H2O Mg(OH)2 + H2

Метал, що знаходиться в електрохімічному ряді напруг металів лівіше за кобальт, здатний витісняти водень з водяної пари. При цьому утворюється також оксид.

3Fe + 4H2Oпар Fe3O4 + 4H23) Взаємодія металів, гідроксиди яких амфотерні, з розчинами лугів.

Метали, гідроксиди яких амфотерни, витісняють водень із розчинів лугів. Вам необхідно знати 2 таких метали - алюміній та цинк:

2Al + 2NaOH +6H2O = 2Na + + 3H2

Zn + 2KOH + 2H2O = K2 + H2

При цьому утворюються комплексні солі - гідроксоалюмінати та гідроксоцінкати.

Всі методи, перераховані досі, засновані на тому самому процесі - окисленні металу атомом водню в ступені окислення +1:

М0 + nН+ = Мn+ + n/2 H2

4) Взаємодія гідридів активних металів із водою:

СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2

Цей процес заснований на взаємодії водню у ступені окислення -1 з воднем у ступені окислення +1:

5) Електроліз водних розчинів лугів, кислот, деяких солей:

2Н2О 2Н2 + О2

5. Водневі сполукиУ цій таблиці зліва легкою тінню виділено клітини елементів, що утворюють з воднем іонні сполуки – гідриди. Ці речовини мають у своєму складі гідрид-іон Н-. Вони є твердими безбарвними солеподібними речовинами і реагують з водою з виділенням водню.

Елементи основних підгруп IV-VII груп утворюють з воднем сполуки молекулярної будови. Іноді їх називають гідридами, але це некоректно. У їхньому складі немає гідрид-іону, вони складаються з молекул. Як правило, найпростіші водневі сполуки цих елементів – безбарвні гази. Винятки - вода, що є рідиною, і фтороводород, який за кімнатної температури газоподібний, але за нормальних умов - рідина.

Темними клітинами відзначені елементи, що утворюють з воднем сполуки, які виявляють кислотні властивості.

Темними клітинами з хрестом позначені елементи, що утворюють з воднем сполуки, які виявляють основні властивості.

=================================================================================

29). Загальна характеристикавластивостей елементів головної підгрупи 7гр. Хлор. Властивості Лора. Соляна кислота.У підгрупу галогенів входять фтор, хлор, бром, йод та астат (астат – радіоактивний елемент, вивчений мало). Це р-елементи VII групи періодичної системи Д.І.Менделєєва. На зовнішньому енергетичному рівні їх атоми мають 7 електронів ns2np5. Цим пояснюється спільність їх властивостей.

Вони легко приєднують по одному електрону, виявляючи ступінь окиснення -1. Такий ступінь окиснення галогени мають у сполуках з воднем та металами.

Проте атоми галогенів, крім фтору, можуть виявляти і позитивні ступені окислення: +1, +3, +5, +7. Можливі значення ступенів окислення пояснюються електронною будовою, яку у атомів фтору можна представити схемою

Будучи найбільш електронегативним елементом, фтор може тільки приймати один електрон на 2р під рівень. У нього один неспарений електрон, тому фтор буває тільки одновалентним, а ступінь окислення завжди -1.

Електронна будова атома хлору виражається схемою атома хлору один неспарений електрон на 3р-підрівні і звичайному (незбудженому) стані хлор одновалентний. Але оскільки хлор знаходиться в третьому періоді, то він має ще п'ять орбіталей 3d-підрівня, в яких можуть розміститися 10 електронів.

У фтору немає вільних орбіталей, отже, при хімічних реакціях немає роз'єднання спарених електронів в атомі. Тому при розгляді властивостей галогенів завжди треба враховувати особливості фтору та сполук.

Водні розчини водневих сполук галогенів є кислотами: НF – фтороводородна (плавикова), НСl – хлороводнева (соляна), НВr – бромводнева, НI – йодоводородна.

Хлор (лат. Chlorum), Cl, хімічний елемент VII групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 17, атомна маса 35453; відноситься до сімейства галогенів. За нормальних умов (0°С, 0,1 Мн/м2, або 1 кгс/см2) жовто-зелений газ із різким дратівливим запахом. Природний хлор складається з двох стабільних ізотопів: 35Сl (75,77%) та 37Cl (24,23%).

Хімічні властивостіХлора. Зовнішня електронна конфігураціяатома Cl 3s2Зр5. Відповідно до цього Хлор у сполуках виявляє ступеня окиснення -1, +1, +3, +4, +5, +6 та +7. Ковалентний радіус атома 0,99 Å, іонний радіус Cl-1.82 Å, спорідненість атома Хлору до електрона 3,65 ев, енергія іонізації 12,97 ев.

Хімічно Хлор дуже активний, безпосередньо з'єднується майже з усіма металами (з деякими тільки у присутності вологи або при нагріванні) та з неметалами (крім вуглецю, азоту, кисню, інертних газів), утворюючи відповідні хлориди, вступає у реакцію з багатьма сполуками, заміщає водень у граничних вуглеводнях та приєднується до ненасичених сполук. Хлор витісняє бром і йод їх сполук з воднем і металами; зі сполук Хлора із цими елементами він витісняється фтором. Лужні метали у присутності слідів вологи взаємодіють з Хлором із запаленням, більшість металів реагує із сухим Хлором тільки при нагріванні Фосфор спалахує в атмосфері Хлору, утворюючи РCl3, а при подальшому хлоруванні – РСl5; сірка з хлором при нагріванні дає S2Cl2, SCl2 та інші SnClm. Миш'як, сурма, вісмут, стронцій, телур енергійно взаємодіють із Хлором. Суміш Хлора з воднем горить безбарвним чи жовто-зеленим полум'ям із заснуванням хлористого водню (це ланцюгова реакція). З киснем Хлор утворює оксиди: Cl2О, СlO2, Cl2О6, Сl2О7, Cl2О8, а також гіпохлорити (солі хлорноватистої кислоти), хлорити, хлорати та перхлорати. Всі кисневі сполуки хлору утворюють вибухонебезпечні суміші з речовинами, що легко окислюються. Хлор у воді гідролізується, утворюючи хлорновату і соляну кислоти: Cl2 + Н2О = НClО + НCl. При хлоруванні водних розчинів лугів нахолоду утворюються гіпохлорити та хлориди: 2NaOH + Cl2 = NaClO + NaCl + Н2О, а при нагріванні – хлорати. Хлоруванням сухого гідрооксиду кальцію отримують хлорне вапно. При взаємодії аміаку з хлором утворюється трихлористий азот. При хлоруванні органічних сполук Хлор або заміщає водень, або приєднується по кратних зв'язках, утворюючи різні органічні сполуки, що містять хлор. Хлор утворює з іншими галогенами міжгалогенні сполуки. Фториди ClF, ClF3, ClF3 дуже реакційні; наприклад, в атмосфері ClF3 скляна вата самозаймається. Відомі сполуки хлору з киснем та фтором - оксифториди Хлору: ClO3F, ClO2F3, ClOF, ClOF3 та перхлорат фтору FClO4. Соляна кислота (хлороводнева, хлористоводнева, хлористий водень) - HCl, розчин хлороводню у воді; сильна одноосновна кислота. Безбарвна (технічна соляна кислота жовта з-за домішок Fe, Cl2 та ін.), «димна» на повітрі, їдка рідина. Максимальна концентрація при 20 °C дорівнює 38% за масою. Солі соляної кислоти називаються хлоридами.

Взаємодія із сильними окислювачами (перманганат калію, діоксид марганцю) з виділенням газоподібного хлору:

Взаємодія з аміаком з утворенням білого густого диму, що складається з дрібних кристаликів хлориду амонію:

Якісною реакцією на соляну кислоту та її солі є її взаємодія з нітратом срібла, при якому утворюється сирий осад хлориду срібла, нерозчинний в азотній кислоті:

===============================================================================

• Позначення – H (Hydrogen);
• Латинська назва – Hydrogenium;
• Період – I;
• Група – 1 (Ia);
• Атомна маса – 1,00794;
• Атомний номер – 1;
• Радіус атома = 53 пм;
• Ковалентний радіус = 32 пм;
• Розподіл електронів - 1s 1;
• t плавлення = -259,14 ° C;
• t кипіння = -252,87 ° C;
• Електронегативність (по Полінгу/по Алпреду та Рохову) = 2,02/-;
• Ступінь окиснення: +1; 0; -1;
• Щільність (н. у.) = 0,0000899 г/см3;
• Молярний об'єм = 14,1 см3/моль.

Бінарні сполуки водню з киснем:

Водень ("що народжує воду") було відкрито англійським ученим Г. Кавендішем у 1766 році. Це найпростіший елемент у природі - атом водню має ядро ​​і один електрон, мабуть, тому водень є найпоширенішим елементом у Всесвіті (становить більше половини маси більшості зірок).

Про водень можна сказати, що "малий золотник, та дорогий". Незважаючи на свою "простоту", водень дає енергію всім живим істотам на Землі - на Сонці йде безперервна термоядерна реакція в ході якої з чотирьох атомів водню утворюється один атом гелію, цей процес супроводжується виділенням колосальної кількості енергії (детальніше див. ядерний синтез).

У земній корі масова частка водню становить лише 0,15%. Тим часом, переважна кількість (95%) всіх відомих на Землі хімічних речовин містить один або кілька атомів водню.

У з'єднаннях з неметалами (HCl, H 2 O, CH 4 ...) водень віддає свій єдиний електрон більш електронегативним елементам, виявляючи ступінь окислення +1 (частіше), утворюючи тільки ковалентні зв'язки(Див. Ковалентний зв'язок).

У з'єднаннях з металами (NaH, CaH 2 ...) водень, навпаки, приймає на свою єдину s-орбіталь ще один електрон, намагаючись таким чином завершити свій електронний шар, виявляючи ступінь окислення -1 (рідше), утворюючи частіше іонну. зв'язок (див. Іонний зв'язок), т. до., різниця в електронегативності атома водню та атома металу може бути досить великою.

H 2

У газоподібному стані водень перебуває у вигляді двоатомних молекул, утворюючи неполярний ковалентний зв'язок.

Молекули водню мають:

• великою рухливістю;
• великою міцністю;
• малою поляризованістю;
• малими розмірами та масою.

Властивості газу водню:

• найлегший у природі газ, без кольору та запаху;
• погано розчиняється у воді та органічних розчинниках;
• в незначних кіл-вах розчиняється в рідких і твердих металах (особливо в платині та паладії);
• важко піддається зрідженню (через свою малу поляризуемість);
• має найвищу теплопровідність з усіх відомих газів;
• при нагріванні реагує з багатьма неметалами, виявляючи властивості відновника;
• при кімнатній температурі реагує зі фтором (відбувається вибух): H2 + F2 = 2HF;
• з металами реагує з утворенням гідридів, виявляючи окисні властивості: H 2 + Ca = CaH 2;

У сполуках водень набагато сильніше виявляє свої відновлювальні властивості, ніж окисні. Водень є найсильнішим відновником після вугілля, алюмінію та кальцію. Відновлювальні властивості водню широко використовуються в промисловості для одержання металів та неметалів (простих речовин) з оксидів та галідів.

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Реакції водню із простими речовинами

Водень приймає електрон, граючи роль відновлювача, у реакціях:

• з киснем(при підпалюванні або у присутності каталізатора), у співвідношенні 2:1 (водень: кисень) утворюється вибухонебезпечний гримучий газ: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 кДж
• з сірий(при нагріванні до 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• з хлором(при підпалюванні або опроміненні УФ-променями): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
• з фтором: H 2 0 +F 2 = 2H +1 F
• з азотом(при нагріванні в присутності каталізаторів або при високому тиску): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

Водень віддає електрон, граючи роль окислювача, у реакціях з лужнимиі лужноземельнимиметалами з утворенням гідридів металів - солеподібні іонні сполуки, що містять гідрид-іони H - це нестійкі кристалічні в-ва білого кольору.

Ca+H 2 = CaH 2 -1 2Na+H 2 0 = 2NaH -1

Для водню нехарактерно виявляти рівень окислення -1. Реагуючи з водою, гідриди розкладаються, відновлюючи воду до водню. Реакція гідриду кальцію з водою має такий вигляд:

CaH 2 -1 +2H 2 +1 0 = 2H 2 0 +Ca(OH) 2

Реакції водню зі складними речовинами

• за високої температури водень відновлює багато оксидів металів: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
• метиловий спирт отримують внаслідок реакції водню з оксидом вуглецю (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
• у реакціях гідрогенізації водень реагує з багатьма органічними речовинами.

Докладніше рівняння хімічних реакцій водню та його сполук розглянуто сторінку " Водень і його сполуки - рівняння хімічних реакцій з участю водню " .

Застосування водню

• в атомній енергетиці використовуються ізотопи водню – дейтерій та тритій;
• у хімічній промисловості водень використовують для синтезу багатьох органічних речовин, аміаку, хлороводню;
• у харчовій промисловості водень застосовують у виробництві твердих жирів за допомогою гідрогенізації рослинних олій;
• для зварювання та різання металів використовують високу температуру горіння водню в кисні (2600 ° C);
• при отриманні деяких металів водень використовують як відновник (див. вище);
• оскільки водень є легким газом, його використовують у повітроплаванні як наповнювач повітряних куль, аеростатів, дирижаблів;
• як паливо водень використовують у суміші з СО.

Останнім часом вчені приділяють багато уваги пошуку альтернативних джерел відновлюваної енергії. Одним із перспективних напрямів є "воднева" енергетика, в якій як паливо використовується водень, продуктом згоряння якого є звичайна вода.

Способи одержання водню

Промислові способи одержання водню:

• конверсією метану (каталітичним відновленням водяної пари) парами води за високої температури (800°C) на нікелевому каталізаторі: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
• конверсією оксиду вуглецю з водяною парою (t=500°C) на каталізаторі Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2;
• термічним розкладанням метану: CH 4 = C + 2H 2;
• газифікацією твердих палив (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2;
• електролізом води (дуже дорогий спосіб, у якому виходить дуже чистий водень): 2H 2 O → 2H 2 + O 2 .

Лабораторні способи одержання водню:

• дією на метали (частіше цинк) соляною або розведеною сірчаною кислотою: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2; Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2;
• взаємодією пар води з розпеченими залізними стружками: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2 .

Приступаючи до розгляду хімічних та фізичних властивостейводню, необхідно зазначити, що у звичному стані, цей хімічний елемент знаходиться у газоподібному вигляді. Безбарвний газ водень не має запаху, він без смаку. Вперше цей хімічний елемент був названий воднем після того, як ученим А. Лавуазьє було проведено досліди з водою, за результатами яких світова наука дізналася, що вода – це багатокомпонентна рідина, до складу якої входить Водень. Подія ця відбулася в 1787 році, але задовго до цієї дати водень був відомий вченим під назвою «горючий газ».

Водень у природі

За даними вчених, водень міститься у земній корі та у воді (приблизно 11,2% у загальному обсязі води). Цей газ входить до складу багатьох корисних копалин, які людство протягом століть витягує з надр землі. Частково властивості водню характерні для нафти, природних газів та глини, для організмів тварин та рослин. Але в чистому вигляді, тобто не поєднаний з іншими хімічними елементами таблиці Менделєєва, цей газ зустрічається дуже рідко в природі. Цей газ може виходити на поверхню землі під час виверження вулканів. Вільний водень у незначних кількостях є у атмосфері.

Хімічні властивості водню

Оскільки хімічні властивості водню неодноманітні, цей хімічний елемент відноситься як до I групи системи Менделєєва, так і до VII групи системи. Будучи представником першої групи, водень є, по суті, лужним металом, який має ступінь окислення +1 переважно сполук, до яких він входить. Така ж валентність характерна для натрію та інших лужних металів. Зважаючи на такі хімічні властивості, водень розглядається, як елемент, подібний до цих металів.

Якщо йдеться про гідридах металів, то іон водню має негативну валентність – його ступінь окислення дорівнює -1. Na+H- будується за тією ж схемою, що й хлориду Na+Cl-. Цей факт і є причиною того, щоб зарахувати водень до VII групи системи Менделєєва. Водень, будучи в стані молекули, за умови, що він перебуває у звичайному середовищі, малорухливий, і може з'єднуватися виключно з неметалами, активнішими за нього. До таких металів можна віднести фтор, за наявності світла водень з'єднується з хлором. Якщо водень нагрівати, він стає активнішим, вступаючи у реакції з багатьма елементами періодичної системи Менделєєва.

Атомарний водень виявляє активніші хімічні властивості, ніж молекулярний. Молекули кисню з формують воду - Н2 + 1/2О2 = Н2О. При взаємодії водню з галогенами, утворюються галогеноводороды Н2 + Cl2 = 2НСl, причому у цю реакцію водень вступає за відсутності світла і за досить великих негативних температурах – до - 252°С. Хімічні властивості водню дозволяють використовувати його відновлення багатьох металів, оскільки вступаючи у реакцію, водень поглинає в оксидів металів кисень, наприклад, CuO + H2 = Cu + H2O. Водень бере участь у формуванні аміаку, взаємодіючи з азотом у реакції ЗН2 + N2 = 2NН3, але за умови, що використовуватиметься каталізатор, а температура і тиск – підвищені.

Енергійна реакція відбувається при взаємодії водню з сіркою реакції Н2 + S = H2S, результатом якої стає сірководень. Трохи менш активна взаємодія водню з телуром та селеном. Якщо немає каталізатора, то вступає в реакцію з чистим вуглецем, водень лише за умови, що буде створено високі температури. 2Н2 + З (аморфний) = СН4 (метан). У процесі активності водню з деякими лужними та іншими металами виходять гідриди, наприклад, Н2 + 2Li = 2LiH.

Фізичні властивості водню

Водень дуже легкий хімічною речовиною. Принаймні вчені стверджують, що на даний момент немає легше речовини, ніж водень. Його маса в 14,4 рази легша за повітря, густина становить 0,0899 г/л при 0°С. При температурах -259,1°С водень здатний плавиться - це дуже критична температура, яка не характерна для перетворення більшості хімічних сполук з одного стану в інший. Тільки такий елемент як гелій перевищує фізичні властивості водню в цьому плані. Зрідження водню важко, тому що його критична температура дорівнює (-240 ° С). Водень – найбільш теплопродний газ із усіх, відомих людству. Всі, описані вище властивості, є найбільш значущими фізичними властивостями водню, які використовуються людиною для певних цілей. Також ці властивості є найбільш актуальними для сучасної науки.

У періодичній системі водень розташовується у двох абсолютно протилежних за своїми властивостями групах елементів. Ця особливість робить його абсолютно унікальним. Водень не просто є елементом або речовиною, але також є складовою багатьох складних сполук, органогенним і біогенним елементом. Тому розглянемо його властивості та характеристики більш докладно.

Виділення пального газу процесі взаємодії металів і кислот спостерігали ще XVI столітті, тобто під час становлення хімії як науки. Відомий англійський вчений Генрі Кавендіш досліджував речовину, починаючи з 1766 року, і дав йому назву «горюче повітря». Під час спалювання цей газ давав воду. На жаль, прихильність вченого теорії флогістону (гіпотетичної «надтонкої матерії») завадила йому дійти правильних висновків.

Французький хімік і природовипробувач А. Лавуазьє разом з інженером Ж. Менье і за допомогою спеціальних газометрів у 1783 р. провів синтез води, а потім і її аналіз за допомогою розкладання водяної пари розпеченим залізом. Таким чином, вчені змогли дійти правильних висновків. Вони встановили, що «горюче повітря» не лише входить до складу води, а й може бути отримане з неї.

У 1787 році Лавуазьє висунув припущення, що досліджуваний газ є простою речовиною і, відповідно, належить до первинних хімічних елементів. Він назвав його hydrogene (від грецьких слів hydor - вода + gennao - народжую), тобто «що народжує воду».

Російську назву «водень» 1824 року запропонував хімік М. Соловйов. Визначення складу води ознаменувало кінець «теорії флогістону». На стику XVIII і XIX століть було встановлено, що атом водню дуже легкий (порівняно з атомами інших елементів) та його маса була прийнята за основну одиницю порівняння атомних мас, отримавши значення 1.

Фізичні властивості

Водень є найлегшим з усіх відомих науці речовин (він у 14,4 разів легший за повітря), його щільність становить 0,0899 г/л (1 атм, 0 °С). Даний матеріал плавиться (твердне) і кипить (скраплюється), відповідно, при -259,1 ° С і -252,8 ° С (тільки гелій має нижчі t ° кипіння і плавлення).

Критична температура водню дуже низька (-240 ° С). Тому його зрідження - досить складний і витратний процес. Критичний тиск речовини – 12,8 кгс/см², а критична щільність становить 0,0312 г/см³. Серед усіх газів водень має найбільшу теплопровідність: за 1 атм і 0 °С вона дорівнює 0,174 вт/(мхК).

Питома теплоємність речовини за тих самих умов - 14,208 кДж/(кгхК) чи 3,394 кал/(гх°С). Даний елемент слабо розчинний у воді (близько 0,0182 мл/г при 1 атм і 20 °С), але добре - у більшості металів (Ni, Pt, Pa та інших), особливо в паладії (приблизно 850 об'ємів на один об'єм Pd ).

З останнім властивістю пов'язана його здатність дифундування, причому дифузія через вуглецевий метал (наприклад, сталь) може супроводжуватися руйнуванням металу через взаємодії водню з вуглецем (цей процес називається декарбонізація). У рідкому стані речовина дуже легка (щільність - 0,0708 г/см при t° = -253 °С) і текуча (в'язкість - 13,8 спуаз в тих же умовах).

У багатьох сполуках цей елемент виявляє валентність +1 (ступінь окислення), подібно до натрію та інших лужних металів. Зазвичай він розглядається як аналог цих металів. Відповідно він очолює І групу системи Менделєєва. У гідридах металів іон водню виявляє негативний заряд (ступінь окислення у своїй -1), тобто Na+H- має структуру, подібну хлориду Na+Cl-. Відповідно до цього та деяких інших фактів (близькість фізичних властивостей елемента «H» і галогенів, здатність його заміщення галогенами в органічних сполуках) Hydrogene відносять до VII групи системи Менделєєва.

У звичайних умовах молекулярний водень має низьку активність, безпосередньо з'єднуючись тільки з найактивнішими з неметалів (з фтором і хлором, з останнім – на світлі). У свою чергу, при нагріванні він взаємодіє з багатьма хімічними елементами.

Атомарний водень має підвищену хімічну активність (якщо порівнювати із молекулярним). З киснем він утворює воду за формулою:

Н₂ + ½О₂ = Н₂О,

виділяючи 285,937 кДж/моль тепла чи 68,3174 ккал/моль (25 °З, 1 атм). У нормальних температурних умовах реакція протікає досить повільно, а за t° >= 550 °З - неконтрольовано. Межі вибухонебезпечності суміші водень + кисень за обсягом становлять 4–94 % Н₂, а суміші водень + повітря – 4–74 % Н₂ (суміш із двох обсягів Н₂ та одного обсягу О₂ називають гримучим газом).

Цей елемент використовують для відновлення більшості металів, тому що він забирає кисень у оксидів:

Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4Н₂О,

CuO + H₂ = Cu + H₂O і т.д.

З різними галогенами водень утворює галогеноводороды, наприклад:

Н₂ + Cl₂ = 2НСl.

Однак при реакції з фтором водень вибухає (це відбувається і в темряві, -252 °С), з бромом і хлором реагує тільки при нагріванні або освітленні, а з йодом - виключно при нагріванні. При взаємодії з азотом утворюється аміак, але лише на каталізаторі, при підвищених тисках та температурі:

ЗН₂ + N₂ = 2NН₃.

При нагріванні водень активно реагує із сіркою:

Н₂ + S = H₂S (сірководень),

і значно важче – з телуром чи селеном. З чистим вуглецем водень реагує без каталізатора, але за високих температур:

2Н₂ + С (аморфний) = СН₄ (метан).

Дана речовина безпосередньо реагує з деякими з металів (лужними, лужноземельними та іншими), утворюючи гідриди, наприклад:

Н₂ + 2Li = 2LiH.

Важливе практичне значення мають взаємодії водню та оксиду вуглецю (II). При цьому залежно від тиску, температури та каталізатора утворюються різні органічні сполуки: НСНО, СН₃ОН та ін. Ненасичені вуглеводні в процесі реакції переходять у насичені, наприклад:

З n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.

Водень та його сполуки грають у хімії виняткову роль. Він зумовлює кислотні властивості т.зв. протонних кислот, схильний утворювати з різними елементами водневий зв'язок, що надає значний вплив на властивості багатьох неорганічних та органічних сполук.

Одержання водню

Основними видами сировини для промислового виробництва цього елемента є гази нафтопереробки, природні горючі та коксові гази. Його також одержують із води за допомогою електролізу (у місцях з доступною електроенергією). Одним із найважливіших методівВиробництво матеріалу з природного газу вважається каталітична взаємодія вуглеводнів, в основному метану, з водяною парою (т.з. конверсія). Наприклад:

СН₄ + H₂О = СО + ЗН₂.

Неповне окиснення вуглеводнів киснем:

СН₄ + ½О₂ = СО + 2Н₂.

Синтезований оксид вуглецю (II) піддається конверсії:

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂.

Водень, що виготовляється з природного газу, є найдешевшим.

Для електролізу води застосовується постійний струм, який пропускається через розчин NaOH або КОН (кислоти не використовують, щоб уникнути корозії апаратури). У лабораторних умовах матеріал одержують електролізом води або в результаті реакції між соляною кислотою та цинком. Проте найчастіше застосовують готовий заводський матеріал у балонах.

З газів нафтопереробки та коксового газу даний елемент виділяють шляхом видалення решти всіх компонентів газової суміші, так як вони легше зріджуються при глибокому охолодженні.

Промислово цей матеріал стали отримувати ще наприкінці XVIII століття. Тоді його використовували для заповнення повітряних куль. На даний момент водень широко застосовують у промисловості, головним чином – у хімічній, для виробництва аміаку.

Масові споживачі речовини - виробники метилового та інших спиртів, синтетичного бензину та багатьох інших продуктів. Їх одержують синтезом з оксиду вуглецю (II) та водню. Hydrogene використовують для гідрогенізації важкого та твердого рідкого палива, жирів та ін., для синтезу HCl, гідроочищення нафтопродуктів, а також у різанні/зварюванні металів. Найважливішими елементами для атомної енергетики є його ізотопи – тритій та дейтерій.

Біологічна роль водню

Близько 10 % маси живих організмів (загалом) посідає цей елемент. Він входить до складу води та найважливіших груп природних сполук, включаючи білки, нуклеїнові кислоти, ліпіди, вуглеводи. Навіщо він служить?

Цей матеріал грає вирішальну роль: за підтримки просторової структури білків (четвертичной), у здійсненні принципу компліментарності нуклеїнових кислот (тобто у реалізації та зберіганні генетичної інформації), взагалі у «пізнанні» на молекулярному рівні.

Іон водню Н+ бере участь у важливих динамічних реакціях/процесах в організмі. У тому числі: у біологічному окисленні, яке забезпечує живі клітини енергією, у реакціях біосинтезу, у фотосинтезі у рослин, у бактеріальному фотосинтезі та азотфіксації, у підтримці кислотно-лужного балансу та гомеостазу; мембранних процесахтранспорту. Поряд із вуглецем і киснем він утворює функціональну та структурну основи явищ життя.

Водень був відкритий у другій половині 18 століття англійським ученим у галузі фізики та хімії Г. Кавендішем. Він зумів виділити речовину у чистому стані, зайнявся її вивченням та описав властивості.

Такою є історія відкриття водню. У ході експериментів дослідник визначив, що це горючий газ, згоряння якого повітря дає воду. Це спричинило визначення якісного складу води.

Що таке водень

Про водень, як про просту речовину, вперше заявив французький хімік А. Лавуазьє в 1784, оскільки визначив, що до складу його молекули входять атоми одного виду.

Назва хімічного елемента латиною звучить як hydrogenium (читається «гідрогеніум»), що означає «воду, що народжує». Назва відсилає до реакції горіння, у результаті якої утворюється вода.

Характеристика водню

Позначення водню М. Менделєєв надав цьому хімічному елементуперший порядковий номер, розмістивши його в головній підгрупі першої групи та першому періоді та умовно в головній підгрупі сьомої групи.

Атомарна вага (атомна маса) водню становить 1,00797. Молекулярна маса H 2 дорівнює 2 а. е. Молярна маса чисельно дорівнює їй.

Представлений трьома ізотопами, що мають спеціальну назву: найпоширеніший протий (H), важкий дейтерій (D), радіоактивний тритій (Т).

Це перший елемент, який можна повністю розділити на ізотопи простим способом. Ґрунтується він на високій різниці мас ізотопів. Вперше процес було здійснено у 1933 році. Пояснюється це тим, що лише 1932 року було виявлено ізотоп із масою 2.

Фізичні властивості

В нормальних умовах проста речовина водень у вигляді двоатомних молекул є газом, без кольору, у якого відсутній смак і запах. Мало розчинний у воді та інших розчинниках.

Температура кристалізації - 259,2 ° C, температура кипіння - 252,8 ° C.Діаметр молекул водню настільки малий, що вони мають здатність до повільної дифузії через ряд матеріалів (гума, скло, метали). Ця властивість знаходить застосування, коли потрібно очистити водень від газоподібних домішок. За н. у. водень має густину, рівну 0,09 кг/м3.

Чи можливе перетворення водню на метал за аналогією з елементами, розташованими в першій групі? Вченими встановлено, що водень за умов, коли тиск наближається до 2 млн. атмосфер, починає поглинати інфрачервоні промені, що свідчить про поляризацію молекул речовини. Можливо, при ще вищому тиску водень стане металом.

Це цікаво:є припущення, що на планетах-гігантах, Юпітері та Сатурні водень знаходиться у вигляді металу. Передбачається, що у складі земного ядра теж є металевий твердий водень, завдяки надвисокому тиску, створюваному земною мантією.

Хімічні властивості

У хімічну взаємодію з воднем вступають як прості, і складні речовини. Але малу активність водню потрібно збільшити створенням відповідних умов – підвищенням температури, застосуванням каталізаторів та інших.

При нагріванні реакцію з воднем вступають такі прості речовини, як кисень (O 2), хлор(Cl 2), азот (N 2), сірка(S).

Якщо підпалити чистий водень на кінці газовідвідної трубки в повітрі, він горітиме рівно, але ледве помітно. Якщо помістити газовідвідну трубку в атмосферу чистого кисню, то горіння продовжиться з утворенням на стінках судини крапель води, як результат реакції:

Горіння води супроводжується виділенням великої кількості теплоти. Це екзотермічна реакція з'єднання, у процесі якої водень окислюється киснем з утворенням оксиду H 2 O. Це також і окислювально-відновна реакція, в якій водень окислюється, а кисень відновлюється.

Аналогічно відбувається реакція з Cl 2 з утворенням хлороводню.

Для взаємодії азоту з воднем потрібно висока температурата підвищений тиск, а також присутність каталізатора. Результатом є аміак.

В результаті реакції із сіркою утворюється сірководень, розпізнавання якого полегшує характерний запах тухлих яєць.

Ступінь окислення водню у цих реакціях +1, а гідридах, описаних нижче, – 1.

При реакції з деякими металами утворюються гідриди, наприклад гідрид натрію - NaH. Деякі з цих складних з'єднань використовуються як паливо для ракет, а також термоядерної енергетиці.

Водень реагує з речовинами з категорії складних. Наприклад, з оксидом міді (II) формула CuO. Для здійснення реакції водень міді пропускається над нагрітим порошкоподібним оксидом міді (II). У процесі взаємодії реагент змінює свій колір і стає червоно-коричневим, але в холодних стінках пробірки осідають крапельки води.

Водень під час реакції окислюється, утворюючи воду, а мідь відновлюється з оксиду простої речовини (Cu).

Області застосування

Водень має велике значення для людини і знаходить застосування в різних сферах:

1. У хімічному виробництві – це сировину, інших галузях – паливо. Не обходяться без водню та підприємства нафтохімії та нафтопереробки.
2. В електроенергетиці ця проста речовина виконує функцію охолоджуючого агента.
3. У чорній та кольоровій металургії водню відводиться роль відновника.
4. Завдяки цьому створюють інертне середовище при упаковці товарів.
5. Фармацевтична промисловість користується воднем як реагентом у виробництві перекису водню.
6. Цим легким газом заповнюють метеорологічні зонди.
7. Відомий цей елемент і як відновник палива для ракетних двигунів.

Вчені одностайно пророкують водневому паливу пальму першості в енергетиці.

Отримання у промисловості

У промисловості водень отримують шляхом електролізу, якому піддають хлориди чи гидроксиды лужних металів, розчинені у питній воді. Також можна отримувати водень у такий спосіб безпосередньо з води.

Використовується з цією метою конверсія коксу або метану з водяною парою. Розкладання метану за підвищеної температури також дає водень. Зрідження коксового газу фракційним способом теж застосовується для промислового отримання водню.

Отримання у лабораторії

У лабораторії для одержання водню використовують апарат Кіппа.

Як реагентів виступають соляна або сірчана кислотата цинк. Внаслідок реакції утворюється водень.

Знаходження водню у природі

Водень частіше за інших елементів зустрічається у Всесвіті. Основну масу зірок, зокрема Сонця, та інших космічних тіл становить водень.

У земній корі його лише 0,15%. Він присутній у багатьох мінералах, у всіх органічних речовинах, а також у воді, що покриває на 3/4 поверхню нашої планети.

У верхніх шарах атмосфери можна знайти сліди водню в чистому вигляді. Знаходять його й у низці горючих природних газів.

Газоподібний водень є найбільш нещільним, а рідкий - найщільнішою речовиною на нашій планеті. За допомогою водню можна змінити тембр голосу, якщо вдихнути його, а на видиху заговорити.

В основі дії найпотужнішої водневої бомби лежить розщеплення найлегшого атома.