Проста речовина

ЛЕКЦІЯ X. ВЛАСТИВОСТІ НЕМЕТАЛІВ. ГІДРОГЕН. ОКСИГЕН. ХАРАКТЕРИСТИКА ЕЛЕМЕНТІВ ТА ЇХ СПОЛУК.

План:

1. Загальна характеристика Гідрогену.

2. Електронна структура Гідрогену.

3. Поширення в природі та способи отримання.

4. Хімічні властивості.

5. Основні хімічні сполуки.

ІІ. Загальна характеристика Оксигену.

1. Характеристика Гідрогену. Електронна формула 1s¹. Положення Гідрогену в Періодичній системі неоднозначне. На користь розміщення Гідрогену перед лужними металами свідчать такі аргументи:

1) Як і лужні метали Гідроген виявляє в більшості сполук ступінь окиснення +1.

2) Подібно лужним металам, він має яскраво виражені відновні властивості.

3) Для Гідрогену і металів, у тому числі і лужних, характерні реакції взаємного витіснення.

Схожість Гідрогену з галогенами зумовлена наступним:

1) Як і атоми галогенів, Гідроген може приєднувати електрон з утворенням іону Гідрогену, який є ізоелектронним найближчому інертному газу Гелію.

2) Як і галогени, проста речовина – водень – газоподібна за звичайних умов и молекула водню складається із двох атомів.

3) Гідроген в сполуках заміщується галогенами. Багаточисельні приклади таких реакцій є в органічній хімії (галогенування насичених вуглеводнів).

4) Потенціал іонізації Гідрогену близький за значенням до потенціалів іонізації галогенів. Так І(Н)=13,6 еВ, а І(F)=17,4 еВ, однак I(Li)=5,6 еВ.

Оскільки Гідроген значно відрізняється за властивостями від лужних металів та галогенів, віднесення його до тієї чи іншої групи умовно.

2. Поширення в природі та способи отримання. Водень є дуже поширеним у природі елементом. У земній корі, включаючи атмосферу, гідросферу й літосферу, його вміст становить 0,15 % (мас.) або 3,0 % за числом атомів (мольних час­ток у відсотках). Водночас він надзвичайно поширений у Всесвіті. Спектральним аналізом доведено, що у фотосфері Сон­ця міститься близько 84 % водню. Він є головним компонентом поверхневих речовин великих планет Сонячної системи - Юпі­тера, Сатурна, Урана, а також білих і блакитних зір. Водень – це «космічне атомнепаливо», джерело енергії Сонцяі зір. За оцінками поширеності елементів у Всесвіті, його вміст переви­щує 70 % (мас.).

Добування. Сировинна база для добування водню практично невичерпна, тому обсяги його одержання зумовлюються лише попитом та енергетичними можливостями. Розроблено кілька різних способів його добування у промисловості, причому відповідно до потреб використовують найдоцільніші і найдешевші з них. Переважна більшість способів добування водню ґрунтується на принципі його відновлення з хімічних сполук.

· Залізопаровий спосіб був розроблений у 1783 р. французьким хіміком А. Лавуазьє й історично є першим способом добування водню. Він полягає у відновленні водню з водяної пари залізом за високої температури:

4H₂O + 3Fe Fe₃O₄ + 4H₂

· Відновлення води вуглецем. За температури понад 1000°С водяна пара взаємодіє з розжареним коксом з утворенням водяного газу, який єсумішшю водню з оксидом вуглецю(ІІ):

Н₂О + С = СО + Н₂.

Водень відокремлюють від домішок (СО₂, N₂, СО) охолодженням одержаної газової суміші скрапленим повітрям за температури -200°С. За цим способом добувають дуже чистий водень, який використовують у харчовій промисловості для гідрогенізації жирів. Найчастіше водяний газ разом з водяною парою за температури 400°С пропускають над каталізатором (оксид заліза чи кобальту), внаслідок чого оксид вуглецю(П) взаємодіє з водою і перетворюється на вуглекислий газ (так звана конверсія СО):

СО + Н₂О_(пара) = СО₂ + Н₂.

· Взаємодія метану з водяною парою. Для синтезу аміаку і гідрування вугілля водень добувають також за реакцією високо- температурної (~1100°С) взаємодії метану з водяною парою за сталого тиску:

СН₄ + Н₂О(пара) = СО + 3Н₂, DН = 206,2 кДж.

Ця реакція ендотермічна і потребує затрат теплоти. Водень одержують, застосовуючи «внутрішнє згоряння», для чого до суміші газів додають кисень, щоб частина метану згоріла до СО₂:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О(пара), DН = -802,2 кДж.

Врешті-решт співвідношення між компонентами реакційної суміші добирають таким, щоб процес був слабко екзотермічним:

12СН₄ + 5Н₂О(пара) + 5О₂ = 29Н₂­ + 9СО + 3СО₂, DН = -67,2 кДж.

· Електрохімічний розклад води. Вода має дуже низьку електропровідність, тому з метою зменшення енерговитрат у промисловості для проведення електролізу використовують лужні розчини. При цьому на електродах, які виготовляють із заліза або нікелю, відбуваються такі процеси:

Катод: 2Н₂О + 2е = Н₂­ + 2ОН^-, Е° = -0,83 В;

Анод: 4 ОН^- = О₂­ + 2Н₂О + 4е, Е° = 0,401 В.

Процес електрохімічного розкладу води дуже енергомісткий. Теоретично для добування 1 м³ водню за нормальних умов потрібно затратити близько 2,8 кВт×год електроенергії. Насправді ж її затрати майже вдвічі більші внаслідок перенапруги на електродах та омічного опору електроліту й діафрагми.

Інші способи добування водню з води мають лабораторне значення, оскільки їх використовують за умов, коли потрібні невеликі його об' єми.

· Взаємодія деяких металів з розчинами кислот. Ці реакції найпростіші для лабораторного добування водню, їх викори­стовував ще Г. Кавендіш. Прикладом є взаємодія цинку з розчином хлоридної кислоти:

Zn + 2НС1 = ZnС1₂ + Н₂.

Водень за цим способомдобувають в апараті Кіппа у середню кулю якого завантажують гранульований цинк. Для очищення водень пропускають крізь підкислений розчин KMnO₄ або K₂Cr₂O₇, а для висушування – крізь концентровану H₂SO₄.

· Взаємодія гідриду кальцію з водою належить до окисно-відновних реакцій диспропорціонування, оскільки відновником катіона Гідрогену виступає негативно заряджений гідрид-іон Н^‑:

-1 +1 О

СаН₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + 2Н₂.

Для добування 1 м³ водню за цією реакцією потрібно всього 0,94 кг гідриду кальцію СаН₂. Ще менше, всього 0,357 кг гідриду літію під час взаємодії з водою утворюють 1 м³ водню. З цієї причини його застосовують у рятувальних жилетах пілотів морської авіації.

· Взаємодією лужних і лужноземельних металів із водою можна подати такими реакціями:

2Nа + 2Н₂О ® 2NаОН + Н₂;

Са + 2Н₂О ® Са(ОН)₂ + Н₂.

· Взаємодією алюмінію ібо кремнію з їдкими лугами описують такі рівняння:

2Al + 2NaOH + 6H₂O ® 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂;

Si + 2NaOH + H₂O ® Na₂SiO₃ + 2H₂.

Для добування 1 м³ водню за цими способами потрібно 0,81 кг алюмінію або 0,63 кг кремнію, тому останній спосіб економніший.

Фізичні властивості. Газоподібний водень складається з двохатомних молекул Н₂. Він безбарвний і не має запаху. Утворення молекул водню з атомів супроводжується виділенням ве­ликої кількості теплоти:

2Н = Н₂, DН = -432,1 кДж,

що є свідченням великої енергії зв' язку Н—Н і значної стійкості цієї молекули.

Молекула водню має дуже малі розміри. Це зумовлює той факт, що за звичайної температури і не дуже високого тиску водень поводить себе майже як ідеальний газ, підпорядковується законам Бойля—Маріотта і Гей-Люссака, а отже, і рівнянню газового стану рV=пRТ. Оскільки малі молекули водню не здатні до значної деформації, то між ними не виникають помітні сили взаємодії. Наслідком цього є надзвичайно низька температура кипіння водню, яка становить лише -252,8°С (20,4 К). У значних кількостях скраплений водень вдалося одержати лише у 1898 р. (через 130 років після його відкриття) англійському фізику Дж. Дьюару (1842-1923), чиїм ім' ям було названо посудину для вберігання скраплених газів.

Молекулярний водень дуже погано розчиняється у воді та інших розчинниках. За температури 18°С його розчинність становить 1,85 об'єму в 100 об' ємах води.

Водень - найлегший з відомих газів: маса 1 м³ водню становить 0,09 кг (для порівняння: 1 м³ гелію вдвічі важчий).

Природний водень складається з трьох нуклідів: протію Н, дейтерію Д і тритію Т. Вміст дейтерію становить близько 0,02 % (об.) порівняно з протієм і мало впливає на фізичні властивості водню. Тритій є радіоактивним нуклідом з періодом піврозпаду 12,5 року і в природному водні відсутній.

3. Хімічні властивості. Атом гідрогену в основному стані має електронну конфігурацію 1s¹, яка є найпростішою. Наявність тільки одного валентного електрона на одній валентній орбіталі відповідає його здатності в усіх сполуках бути одновалентним. Сполуки, число яких у водню найбільше порівняно з іншими елементами, можуть утворюватися з виникненням ковалентного зв язку, коли спільна електронна пара з атомом якогось неметалу певною мірою зміщується у бік більш електронегативного елемента. Можуть також утворюватись іонні сполуки з найактивнішими металами — лужними, лужноземельними, а також лантаноїдами, з якими водень, приєднуючи електрон, перетворюється на однозарядний негативний іон. Із d-металами він утворює металоподібні сполуки, в яких електрони водню залучаються до спільної системи металічного зв' язку.

Водневі сполуки мають низку цікавих особливостей та аномалій, пов'- язаних, зокрема, з утворенням водневого зв'язку, донорно-акцепторними взаємодіями, трицентровим зв' язком, тощо.

Високий потенціал іонізації (13,6 еВ) і низька спорідненість до електрона (0,715 еВ) свідчать про порівняно невелику хімічну активність цього елемента. У хімічних реакціях водень поводить себе як неметал. Його електронегативність становить 2,1.

· У сполуках знайтиповішими неметалами його атом поляризований позитивно й, отже, йому відповідає ступінь окиснення +1.

· У сполуках з металами та слабко електронегативними неметалами атом водню поляризований негативно і має ступінь окиснення -1.

Дата добавления: 2014-11-16