Водень як хімічний елемент
Отримання і застосування водню
Фізичні та хімічні властивості водню
Вода. Хімічні та фізичні властивості
Роль водню і води в природі
Водень як хімічний елемент
Водень - це єдність-ний елемент періодичної системи Д. І. Менделєєва, міс-тоположеніе якого неоднозначно. Його хімічний символ в таблиці Менделєєва записаний двічі: і в IA, і в VIIAгруппах. Це пояснюється тим, що водень має ряд властивостей, які об'єднують його як з лужними металами, так і з галогенами (табл. 14).
Порівняння властивостей водню з властивостями лужних металів і галогенів
Схожість з лужними металами
Схожість з галогенами
На зовнішньому енергетичному рівні атоми водню містять один елект-рон. Водень відноситься до s-елементів-там
До завершення зовнішнього і єдиного рівня атомам водню, як і атомам гало-генів, бракує одного елект-рона
Водень проявляє восстано-вітельно властивості. У резуль-таті окислення водень напів-чає найбільш часто зустрічаю-щуюся в його з'єднаннях ступінь окислення +1
Водень, як і галогени, в з'єднаннях з лужними і лужноземельними метал-лами має ступінь окислюванню ня -1, що підтверджує його окисні властивості.
Передбачається наявність в космосі твердого водню з металевої кристалічної-ської гратами.
Подібно фтору і хлору, водо-род при звичайних умовах є газом. Його молекули, як і молекули галогену-нів, двоатомний і утворені за рахунок ковалентного неполярний-ної зв'язку
У природі водень існує у вигляді трьох ізотопів з мас-совимі числами 1, 2 і 3: протий 1 1 Н, дейтерій 2 1 D і три-тий 3 1 Т. Перші два є стабільними ізотопами, а тре-тий - радіоактивний. У природній суміші ізотопів преобла-дає протий. Кількісні співвідношення між ізотопу-ми Н. D. Т становлять 1. 1,46 • 10 -5. 4,00 • 10 -15.
З'єднання ізотопів водню відрізняються за властивостями один від одного. Так, наприклад, температура кипіння і замерзання легкої протиевой води (H2 O) відповідно рівні - 100 о С і 0 ° С, а дейтерієвої (D2 O) - 101,4 о С і 3,8 про С. Швидкість протікання реакцій за участю легкої води вище, ніж важкою.
У Всесвіті водень є найпоширенішим елементом - на його частку приходить-ся близько 75% маси Всесвіту або понад 90% всіх її атомів. Водень входить до складу води в її найважливішу геологіче-ську оболонку Землі - гідросферу.
Отримання і застосування водню
Вперше водень був отриманий в XVI столітті середньовічним лікарем і алхіміком Парацельсом, при зануренні залізної пластини в сірчану кислоту, а в 1766 році англійським хіміком Генрі Кавендіш було доведено, що водень виходить не тільки при взаємодії заліза з сірчаною кислотою, а й інших металів з іншими кислотами. Кавендіш також описав вперше властивості водню.
У лабораторних умовах водень отримують:
1. Взаємодією металів з кислотою:
2. Взаємодією лужних і лужноземельних металів з водою
У промисловості водень отримують наступними способами:
1. Електроліз водних розчинів солей, кислот і лугів. Найчастіше використовують розчин кухонної солі:
2. Відновлення водяної пари розпеченим коксом:
Утвориться суміш чадного газу і водню називається водяним газом (синтез газ), і широко використовується для синтезу різних хімічних продуктів (аміаку, метанолу та ін.). Для виділення водню з водяного газу чадний газ перетворюють в вуглекислий, при нагріванні з парами води:
3. Нагрівання метану в присутності парів води і кисню. Цей спосіб в даний час є основним:
Водень широко застосовується для:
1. промислового синтезу аміаку і хлороводню;
2. отримання метанолу та синтетичного рідкого палива в складі синтез-газу (2 обсягу водню і 1 об'єм СО);
3. гідроочищення і гідрокрекінгу нафтових фрак-цій;
4. гідрогенізації рідких жирів;
5. різання і зварювання металів;
6. отримання вольфраму, молібдену і ренію з їх оксидів;
7. космічних двигунів як паливо.
8. в термоядерних реакторах як паливо использу-ються ізотопи водню.
Фізичні та хімічні властивості водню
Водень - газ без кольору, смаку і запаху. Щільність при н.у. 0,09 г / л (в 14 разів легший за повітря). Водень погано розчинний у воді (тільки 2 обсягу газу на 100 обсягів води), проте добре поглинається d-метал-лами - нікелем, платиною, паладієм (в одному обсязі пал-Ладия розчиняється до 900 об'ємів водню).
У хімічних реакціях водень проявляє як відновлювальні, так і окисні властивості. Найчастіше водень виступає як відновник.
1. Взаємодія з неметалами. Водень з неметалами утворює леткі водневі з'єднання (див. Лекція 25).
З галогенами швидкість реакції і умови протікання змінюються від фтору до йоду: з фтором водень реагує з вибухом навіть в темряві, з хлором реакція йде досить спокійно при невеликому опроміненні світлом, з бромом і йодом реакції оборотні і йдуть тільки при нагріванні:
H2 + I2 → t 2HI
З киснем і сіркою водень реагує при невеликому нагріванні. Суміш кисню і водню в співвідношенні 1: 2 називається гримучим газом:
З азотом, фосфором і вуглецем реакція відбувається при нагріванні, підвищеному тиску і в присутності каталізатора. Реакції оборотні:
3H2 + N2 → кат. р, t2NH3
2H2 + 3P → кат. р, t3PH3
H2 + C → кат. p, t CH4
2. Взаємодія зі складними речовинами. При високій температурі водень відновлює метали з їх оксидів:
3. При взаємодія з лужними і лужноземельними металами водень виявляє окисні властивості:
2Na + H2 → 2NaH
4. Взаємодія з органічними речовинами. Водень активно взаємодіє з з багатьма органічними речовинами, такі реакції називаються реакціями гідрування. Подібні реакції більш детально будуть розглянуті в III частині збірника «Органічна хімія».