Водород

Общие свойства неметаллов

Элементы VIА группы.

Элементы VIIА группы.

Пероксид водорода.

Вода.

Водород.

Общие свойства неметаллов.

ЭЛЕМЕНТЫ VIIА,VIА ГРУПП

ВОДОРОД. ВОДА. ПЕРОКСИД ВОДОРОДА.

Лекция 13

Тема: ОБЗОР СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ.

Цель: Ознакомить студентов с общей характеристикой и особенностями неметеллов. Рассмотреть строение, свойства, способы получения кислорода, водорода, пероксида водорода, галогенов и халькогенов.

Элементы с неметаллическими свойствами находятся в IIIА – VIIIА группах Периодической системы.

Период	Группы элементов
IIIА	IVА	VА	VIА	VIIА	VIIIА
						He
	B	C	N	O	F	Ne
		Si	P	S	Cl	Ar
			As	Se	Br	Kr
				Te	I	Xe
					At	Rn

Обычно среди неметаллов рассматривают также водород, хотя это не совсем точно, поскольку водороду присущи как неметаллические, так и металлические химические свойства.

Общая электронная формула атомов неметаллов ns²np^1-5, этому соответствует большое разнообразие степеней окисления неметаллов в соединениях.

Характерной особенностью неметаллов является большее (по сравнению с металлами) число электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. Это определяет их большую способность к присоединению дополнительных электронов и проявлению высокой окислительной активности. Вот почему значения электроотрицательности у них велики. Отсюда многообразие химических свойств и способов получения неметаллов.

Другая характерная особенность неметаллов – стремление образовывать ковалентные связи с атомами других неметаллов и амфотерных элементов. Поэтому простые вещества и соединения неметаллов имеют ковалентное строение.

В свободном виде встречаются газообразные вещества – фтор, хлор, азот, водород, твердые – йод, астат, сера, селен, теллур, фосфор, мышьяк, углерод, кремний и бор, при комнатной температуре известен один жидкий неметалл – бром. Нередко для неметаллов наблюдается аллотропия, например, у кислорода (О₂ и О₃) и углерода (графит, алмаз, карбин, фуллерен).

В природе встречаются самородные неметаллы – азот и кислород (в воздухе), сера (в земной коре), но чаще неметаллы в природе находятся в химически связанном виде. В первую очередь, это вода и растворенные в ней соли, минералы и горные породы, например, различные силикаты, алюмосиликаты, фосфаты и бораты. По распространенности в земной коре неметаллы занимают самые различные места: от трех самых распространенных элементов – кислород, кремний, водород до весьма редких – астат, селен, йод, теллур.

Водород – перевод с лат.Hydrogenium (Н), от греч. хидор (вода) и генес (род, происхождение).

Открыт Х.Кавендишем (Англия) в 1766. При действии разбавленной серной кислоты на цинк он наблюдал выделение газа – «горючего воздуха». Кавендиш обстоятельно исследовал физико-химические свойства этого газа: он обнаружил, что водород очень легкий (значительно легче воздуха) и продуктом его сгорания на воздухе является вода. В 1783-1785 гг. А.-Л. Де-Лавуазье и Ж.-Б. Мёнье-де-ла-Плас осуществили опыты по синтезу воды при сгорании водорода в кислороде над ртутью (2Н₂ + О₂ = Н₂О) и восстановлению раскаленного оксида железа (III) водородом (Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O), а также опыт по разложению водяного пара нагретым железом (2Fe + 3H₂O = Fe₂O₃ + 3H₂). Позже Дэви (Англия) провел разложение жидкой воды электролизом:

2H₂O = 2H₂↑ (катод) + О₂↑(анод)

1.Нахождение в природе.

Водород широко распространен в природе – содержится в воде, во всех органических соединениях, в свободном виде – в некоторых природных газах. Содержание его в земной коре достигает 0,15% ее массы (с учетом гидросферы – 1%). Водород составляет половину массы Солнца.

В природе водород встречается в виде двух изотопов – протия (99,98%) и дейтерия (0,02%). поэтому в обычной воде содержатся небольшие количества тяжелой воды.

2. Получение.

В лабораторных условиях водород получают следующими способами.

1. взаимодействием металла (цинка) с растворами соляной и серной кислот (реакция проводится в аппарате Кипа):

Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂↑

2. Электролизом воды. Для увеличения электрической проводимости воды к ней добавляют электролит, например NaOH, H₂SO₄ или Na₂SO₄ . На катоде образуется 2 объема водорода, на аноде – 1 объем кислорода. Схема электролиза:

2H₂O = 2H₂↑ (катод) + О₂↑(анод)

В промышленности водород получают также несколькими способами.

1. Электролизом водных растворов KCl или NaCl, как побочный продукт.

2. Конверсионным способом (конверсия – превращение). Сначала получают водяной газ, пропуская пары воды через раскаленный кокс при 1000°С:

С + Н₂О = СО + Н₂

Затем оксид углерода (II) окисляют в оксид углерода (IV),пропуская смесь водяного газа с избытком паров воды над нагретым до 400 – 450°С катализатором Fe₂O₃ :

СО + (Н₂) + Н₂О = СО₂ + 4Н ₂

Образующийся оксид углерода (IV) поглощается водой. Этим способом получают свыше 50% промышленного водорода.

3. Конверсией метана с водяным паром:

СН₄ + 2Н₂О = СО₂ + 4Н₂

Реакция протекает в присутствии никелевого катализатора при 1300°С. Этот метод позволяет использовать природные газы и получать самый дешевый водород.

4. Нагреванием метана до 350°С в присутствии железного или никелевого катализатора:

СН₄ = С + 2Н₂

5. Глубоким охлаждением (до – 196°С) коксового газа. При таком охлаждении все газообразные вещества, кроме водорода, конденсируются.

3.Физические свойства.

Самый легкий газ без запаха и вкуса, и цвета. Мало растворим в воде (в 1л воды при 20°С растворяется 18 мл водорода). При температуре -252,8°С и атмосферном давлении переходит в жидкое состояние. Жидкий водород бесцветен. Термически устойчивый до 2000°С. Плотность твердого водорода равна 0,08 г/см³, это самое легкое твердое вещество. Для водорода известны три изотопа: ₁¹Н – протий H, ₁²Н – дейтерий D и ₁³Н – тритий Т. Первые два встречаются в природе, третий получен искусственно.

4. Химические свойства.

Положение водорода в периодической системе не однозначно. В пользу помещения водорода в начале подгруппы щелочных металлов существуют следующие аргументы:

1)водород, как и щелочные металлы, проявляет в большинстве соединений СО = +1;

2)водород обладает ярко выраженными восстановительными свойствами;

3)для водорода и металлов характерны реакции взаимного вытеснения.

Сходство водорода и галогенов:

1)атом водорода может принять электрон;

2)как и галогены (легкие), водород при нормальных условиях находится в газообразном состоянии, и молекула состоит из двух атомов;

3)водород в соединениях замещается галогенами (органические реакции).

В соединениях водород всегда одновалентен. Для него характерна степень окисления +1, но в гидридах металлов она равна -1. Молекула водорода состоит из двух атомов. Возникновение связи между ними объясняется образованием обобщенной пары электронов:

Н:Н или Н₂

Благодаря этому обобщению электронов молекула водорода более энергетически устойчива, чем его отдельные атомы. Чтобы разорвать 1 моль молекулы водорода на атомы, необходимо затратить 436 кДж.

Этим объясняется сравнительно небольшая активность молекулярного водорода при обычной температуре.

Для водорода характерен особый вид аллотропии, связанный с различной ориентацией ядерных спинов в молекуле водорода. В молекулах ортоводорода ядерные спины направлены одинаково, у параводорода – противоположно друг другу.

При комнатной температуре водород представляет равновесную смесь орто- (~75%) и пара-формы (~25%). Разделить их можно путем адсорбции на активном угле при температуре жидкого азота. Активный уголь катализирует превращение ортоводорода в параводород.

а) С простыми веществами.

1. Со многими неметаллами водород образует газообразные соединения типа RH₄, RH₃,RH₂,RH.

Смесь водорода с кислородом (гремучий газ) весьма опасна, при поджигании она сгорает с большой силой. Температура пламени достигает 3000°С.

2H₂ + О₂ = 2H₂O

! При работе с водородом необходимо соблюдать большую осторожность: предварительно проверять герметичность аппаратуры, а также чистоту водорода перед его поджиганием.

Реакции с другими неметаллами:

H₂ + Cl₂ = 2HCl (сгорание)

H₂ + S = H₂S (150-200°С)

3H₂ + N₂ ↔ 2NH₃ (500°С, р, кат. Fe Pt)

2. При высокой температуре водород соединяется с щелочными и щелочно-земельными металлами, образуя белые кристаллические вещества – гидриды металлов (LiH, NaH, KH, CaH₂ и др.). Гидриды металлов легко разлагаются водой с образованием соответствующей щелочи и водорода:

CaH₂ + Н₂О = Ca(ОH)₂ + 2Н₂↑

3. Повышенной восстановительной способностью обладает атомарный водород Н (водород in statu nascendi, лат. – в момент возникновения), который получают непосредственно в зоне проводимой реакции (время жизни Н 0,5с); например, гранулы магния вносят в подкисленный раствор перманганата калия, протекают реакции:

~ образование атомарного водорода:

Mg + 2H⁺ = Mg²⁺ + 2H

~ восстановление перманганат-иона атомарным водородом:

5H + 3H⁺ + MnO^4- = Mn²⁺ + 4H₂O

Другой пример – восстановление нитробензола в анилин (реакция Зинина):

А)Fe + 2H⁺ = Fe²⁺ + 2H

Б)C₆H₅NO₂ + 6H = C₆H₅NH₂ + 2H₂O

Получить атомарный водород можно также пропусканием водорода Н₂ над никелевым катализатором: Н₂ = 2Н

Атомарный водород легко восстанавливает при комнатной температуре весьма устойчивые соединения, например:

2H (Zn, разб. HCl) + KNO₃ = KNO₂ + H₂O

2H (Zn, разб. HCl) + O₂ = H₂O₂

Аналогично протекают реакции с использованием амфигенов в щелочной среде:

А)Zn +2OH^-+ 2H₂O = [Zn(OH)₄]^2- + 2H

Б)8H + KNO₃ = NH₃ + KOH +2H₂O

б) Со сложными веществами.

При нагревании водород восстанавливает многие металлы из их оксидов:

CuO + H₂ = Cu + H₂O

в) Характерной особенностью водорода является способность растворяться в металлах, особенно в палладии, никеле, платине. При этом происходит распад молекул водорода на атомы и ионизация последних. В результате образуются твердые фазы с металлической проводимостью, содержащие Н⁺ (электроны атомов Н, подобно валентным электронам металла, делокализованы).

г) Качественная реакция.

Сгорание собранного в пробирку водорода с «хлопком» («гремучая» смесь с воздухом при содержании водорода 4-74% по объему).

5.Применение.

Водород в больших количествах применяется в химической промышленности (синтез аммиака, метанола и других веществ), в пищевой промышленности (производство маргарина), в металлургии для получения железа прямым восстановлением железной руды.

Жидкий водород используется в ракетной технике. Тяжелая вода является весьма эффективным замедлителем нейтронов в ядерных реакторах. Дейтерий широко применяют в научных исследованиях. Водород является универсальным источником энергии, получаемой при непосредственном его сжигании, а также может быть использован в топливных элементах. При сгорании водорода образуется только вода и атмосфера остается чистой.

Дата добавления: 2014-01-05