Водород, вода. Пероксид водорода

Теоретические сведения

Водород. Относится к элементам – органогенам, входит в состав живых систем. В организме человека содержится 9,7 (масс.) % водорода. Содержится в земной коре (1 %), атмосфере. Электронная конфигурация: ₁Н 1s¹

В Периодической Системе Д.И.Менделеева водород располагается в первой (со щелочными металлами) и седьмой (с галогенами) группах, главных подгруппах, так как, имея один электрон, может и отдавать его, проявляя восстановительную способность (NH₃, H₂O), и принимать один электрон до устойчивой конфигурации 1s² , проявляя свойства окислителя (NaH, CaH₂ – гидриды). Электронное семейство: s- элемент. Характерные степени окисления +1, 0, -1.

Уникальность атома водорода заключается в том, что его единственный валентный электрон находится непосредственно в поле ядра атома и не экранируется другими электронами, что обеспечивает ему специфические свойства.

Получение водорода:

1. В лаборатории водород может быть получен взаимодействием активных металлов с водой или металлов, стоящих в ряду электрохимических потенциалов до водорода, с кислотами:

2Na_(т.) + 2H₂O_(ж.) → 2NaOH_(в.) + H_2(г.)

Zn_(т.) + 2HCl_(в.) → ZnCl_2(в.) + H_2(г.)

2Al_(т.) + 6H₂O_(ж.) + 6NaOH_(в.) → 2Na₃ [Al(OH)₆] _(в.) + H_2(г.)

2. В промышленности водород получают

– из природного газа по реакции:

H₂O_(г.) + CH_4(г.) ↔ CO_(г.)+ 3H_2(г.) (синтез – газ)

(с катализатором Ni и температурой 1200 К)

– электролизом воды: 2H₂O_(ж.) → 2H_2(г.) + O_2(г.)

– конверсионным методом: H₂O_(г.) + C_(т.) ↔ CO_(г.)+ H_2(г.);

CO_(г.)+ H₂О_(г.) ↔ CO_2(г.)+ H_2(г).; (700 К, катализатор – оксид железа)

– железопаровым методом: Fe_(т.) + H₂O_(г.) → FeO_(т.) + H_2(г.)

Cвойства водорода. Молекула водорода двухатомна – Н₂. Энергия связи (Е_{с в.}) Н-Н составляет 436 кДж/моль), поэтому атомарный водород реакционноспособнее, чем молекулярный. Водород – газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность – r_{273 К} = 0,08988 г/дм³; Т_кип. = -252,72 ⁰С.

Вследствие неполярности молекулы и большой прочности при нормальных условиях молекулярный водород непосредственно активно взаимодействует только с фтором, а при действии света – с хлором и бромом. Большинство реакций с участием водорода протекает при высоких температурах, давлении и/или в присутствии катализатора.

В химических реакциях водород проявляет себя восстановителем, взаимодействуя с неметаллами и оксидами металлов и окислителем при взаимодействии с активными металлами.

Особо энергичным восстановителем является атомарный водород.

Характерный хлопок при внесении пробирки, заполненной водородом в пламя горелки – классическая качественная реакция на этот газ. При использовании больших объёмов водорода лёгкий хлопок превращается в мощный взрыв – реакция протекает по радикальному цепному механизму с разветвлением:

O_2(г.)+ 2H_2(г) →2H₂O_(г.)

При потере электрона образуется протон – Н⁺, существующий лишь в вакууме. В водных растворах образуется ион гидроксония Н^+···Н₂О или Н₃О⁺ (более корректно – протон окружён четырьмя молекулами воды – Н₉О₄⁺).

Проявляя восстановительные свойства с активными металлами, водород образует гидриды: со щелочными металлами – солеобразные (LiH), с менее активными металлами – полимерные (AlH₃) _n, с d– и f –элементами металлоподобные гидриды – соединения нестехиометрического состава с металлическим типом связи.

Солеобразные (с преимущественно ионным типом связи) гидриды похожи на соединения металлов с галогенами. Это твёрдые кристаллические вещества с высокими температурами плавления, не проводящие электрический ток. Наличие гидрид – иона Н^– подтверждается выделением водорода на аноде при электролизе расплавов гидридов. В водных растворах гидридов протекает полный гидролиз с выделением водорода (высокая восстановительная активность которого в момент выделения используется в металлургии для снятия окалины с листов проката):

LiH_(т) + H₂O_(ж.) → LiOH_(в) + H_2(г).

Металлоподобные гидриды – твёрдые хрупкие вещества с металлическим блеском и значительной электрической проводимостью.

C неметаллами водород образует бинарные соединения ковалентного типа с разной степенью полярности связи. Многие из них газообразны. Бинарные соединения водорода с галогенами в водных растворах проявляют свойства сильных кислот – HCl, HBr, HI. Бинарные соединения с халькогенами в водных растворах проявляют свойства слабых кислот – H₂S, H₂Se, H₂Te.

Известны комплексные гидриды: Li[BH₄], Al[BH₄]_3.

Бинарным соединениям водорода с сильно электроотрицательными элементами присущ межмолекулярный тип взаимодействия – водородная связь, которая образуется между атомами водорода одной молекулы и электроотрицательными атомами другой и изменяет свойства и реакционную способность многих соединений. Так, фтороводород не проявляет в водных растворах свойств сильной кислоты, формируя равновесную систему:

HF + H₂O ↔ H₃O⁺ + F^-, K_a = 7,2·10^-4

F^– + HF ↔ HF^2-.

Фтористый водород и его водный раствор – плавиковая кислота разрушают кварц и стекло в результате образования газообразного фторида кремния SiF₄:

4HF_(г) + SiO_2(т) → SiF_4(г) + 2H₂O;

6HF_(ж) + SiO_2(т) → H₂[SiF₆] _(в) + 2H₂O_(ж).

Водород используется для промышленного синтеза аммиака, хлороводорода, спиртов, альдегидов, кетонов; для гидрогенизации твёрдого и жидкого топлива, жиров; для очистки продуктов переработки нефти; при сварке и резке металлов кислородно-водородным пламенем (≈2800 ⁰С), при атомарно-водородной сварке (≈4000 ⁰С); в металлургии для восстановления металлов; изотопы водорода – дейтерий и тритий – используются в атомной энергетике.

Вода. Одно из важнейших химических соединений Природы – Н₂О. Она является главной составной частью живого организма и универсальной средой для протекания биохимических процессов. Вода, особенности которой определяются её составом и строением, является уникальным ионизирующим растворителем.

Молекула воды имеет тетраэдрическую структуру. Две вершины тетраэдра заняты атомами водорода, связанными с двумя неспаренными электронами атома кислорода ковалентными связями, две другие – вакантны и способны к донорно-акцепторному взаимодействию (рис.1).

₈О 1s², 2s²,2p⁴ n=2 ­¯ ­¯ ­ ­ ^О

H 104,5⁰ H

s p

Рис.1. Строение молекул воды.

Молекула воды полярна, дипольный момент её равен 1,86 Д. Полярность молекул воды обеспечивает диссоциацию веществ с ионным и полярным ковалентным типом связи.

Другим важнейшим свойством молекул воды является их способность образовывать между собой водородные связи. Так, в структуре льда реализованы межмолекулярные водородные связи за счёт электростатического и донорно-акцепторного взаимодействия. Каждая молекула воды образует связи с четырьмя другими (координационное число молекулы воды в структуре льда равно четырём) (рис.2).

о

О

О

Н О

Дата добавления: 2015-05-09