лек. 20 водород

1 Положение элемента в ПС и особенности строения атома2 Нахождение в природе3 Простое вещество4 Соединения водорода

ВОДОРОД

http://arkadiyzaharov.ru/studentu/chto-delat-studentam/neorganicheskaya-ximiya/

ВОДОРОД

Водород – первый элемент ПС. Он состоит всего из двух частиц: протона и электрона. Его электронная формула 1s1, что формально позволяет отнести его к s-элементам первой группы.

Однако, несмотря на простейшее строение, химия водорода характеризуется рядом особенностей, отличающих его от s-металлов первой группы и приближающих его к неметаллам VII группы.

1 ПОЛОЖЕНИЕ ВОДОРОДА В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ И ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТА.

Водород проявляет двойственный характер: в одних условиях он проявляет металлический характер в других – неметаллический:

1) по числу валентных электронов водород должен находиться в первой группе;

2) по числу электронов, недостающих до завершения его валентного слоя – VII группе;

С р-элементами VII группы (галогенами) атом водорода объединяет также высокая энергия ионизации:

Н = Н+ + е+ , I = 13,6 эВ

ВОДОРОД


ВОДОРОД

В то же время в состоянии свободного иона Н+ водород не имеет ничего общего с ионами щелочных металлов.

Главной особенностью атома водорода является то, что у него нет промежуточного электронного слоя между ядом и валентной оболочкой. Ион Н+ представляет собой элементарную частицу – протон.


ВОДОРОД

В силу большого значения потенциала иониза-ции атома водорода и исключительно высокой поляризующей способности иона Н+, химические связи водорода даже с наиболее электроотри-цательными элементами (F, O и др.) никогда не бывают ионными.


Протон Н+ в свободном состоянии не существует, он легко внедряется в электронные оболочки молекул с образованием, так называемых, ониевых ионов, например:

Н+ + Н2О: → Н3О+ (ион гидроксония)

Н+ + :NH3 → NH4+ (ион аммония)

ВОДОРОД


Наконец особенности строения атома водорода обуславливают особый, присущий только соединени-ям Н (+1) вид химической связи – водородную связь.

H+ + C2H5OH→ C2H5OH2+ (ион этилоксония)

..

Водородная связь – дополнительная связь, которую способен образовывать положительно поляризованный атом водорода одной молеку-лы с отрицательно поляризованным атомом другой молекулы (или той же самой - внутримолекулярная водородная связь).

ВОДОРОД


Водород – наиболее распространенный элемент во Вселенной. Солнце и звезды черпают свою энергию из реакции ядерного синтеза с участием водорода:

11Н = 4

2Не + 2е+ + γ-лучи

В земной коре на долю водорода приходится 1 % по массе. Водород в основном находится в виде воды. Он содержится в природном газе, нефти, раститель-ных и животных организмах.

ВОДОРОД2 НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ

Водород имеет три изотопа с массовыми числами 1, 2 и 3 соответственно: протий 1Н, дейтерий 2Н (2D) и тритий 3Н (3Т). Протий и дейтерий – стабильные изо-топы. Изотопный состав природных соединений водорода соответствует отношению

D : Н = 1 : 6800 (по числу атомов)

Тритий – радиоактивный изотоп (β-излучатель, Т1/2= 12,26 года):

31Т = 3

2Не + β–

ВОДОРОД2 НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ

При нормальных условиях водород представляет собой легкий (в 14,32 раза легче воздуха) бесцветный газ, образованный двухатомными молекулами Н2. Наряду с молекулами легкого водорода Н2 возможны молекулы тяжелого водорода D2, а также Т2, НD, HT, DT.

3. ВОДОРОД- ПРОСТОЕ ВЕЩЕСТВО

Физические и химические свойства



Молекулы водорода отличаются большой проч-ностью и малой поляризуемостью, незначительными размерами и массой.

Поэтому у водорода очень низкие температуры лавления (–259,1 0С) и кипения (–252,6 0С). Из-за малой поляризуемости водород трудно сжижается. Он плохо растворяется в воде, лучше – в органических растворителях. Хорошо растворяется во многих металлах (1 объём Pd растворяет до 900 объёмов Н2).

В химическом отношении водород благодаря прочности молекул при обычных условиях мало активен и непосредственно взаимодействует только со фтором.

При нагревании же он взаимодействует со многими неметаллами, металлами и сложными веществами, выполняя как восстановительные, так и окисли-тельные функции:



Водород как восстановитель:

Н2 (г) + Cl2 (г) = 2НCl (г), (на свету, 20 0С)Н2 (г) + О2 (г) = 2Н2О (г), (550 0С)СuO + H2 = Cu + H2O4H2 + CO2 = CH4 + 2H2O, (нагр.,кат.)

Водород как окислитель:

Н2 (г) + Na (т) = 2NaH (т), (300 0С)Н2 (г) + С (кокс) = СaH2 (т), (500 0С)



Окислительные свойства водорода выражены слабее восстановительных. По восстановительным он также уступает таким восстановителям, как С, Al, Ca и др.

ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА

СН4 + Н2О → СО + 3Н2

800 0С

Ni

СО + Н2О СО2 + Н2 600 0С

Cr2O3, Al2O3

C + H2O CO + H2


Промышленные способы:

1000 0С

Zn + H+ → Zn2+ + ½ H2 ↑

2Al + 3NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑

CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2↑

Лабораторные способы:

- в синтезе NH3, HCl, CH3OH;- гидрирование растительных жиров:- при сварке и резке металлов (2Н2 + О2 = 2Н2О; Т = 2800 0С);

- жидкий водород используют как ракетное топливо;- в топливных элементах.

Применение водорода

ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА


В соответствии с доминирующим типом химической связи, все бинарные (двухэлементные) соединения водорода можно разделить на три типа:

1) солеобразные (ионные);

2) металлоподобные;

3) летучие (ковалентные).

В первых двух типах соединений водород отрицательно поляризован (имеет степень окисления –1). Эти соединения называются гидридами. В большинстве соединениях с ковалентной связью водород поляризован положительно (имеет степень окисления +1), в некоторых (ковалентных гидридах) – отрицательно.

4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА

Ионные гидриды, например, КН и СаН2 образуются при непосредственном взаимодействии водорода со щелочными и щёлочно-земельными металлами. Это твердые кристаллические вещества, т.е. соли.

В химическом отношении ионные гидриды ведут себя как основные соединения. Они энергично взаимодей-ствуют с водой с выделением водорода:

ИОННЫЕ ГИДРИДЫ

ЭН + Н2О = ЭОН + Н2

–1 +1

ЭН2 + 2Н2О = Э(ОН)2 + 2Н2

Н:– + НОН = Н2 + ОН–Или в ионном виде:


–1 +1

Гидриды d- и f-элементов характеризуются преиму-щественно металлическим характером связи. Все они являются соединениями внедрения, имеют нестехио-метрический состав ЭН, ЭН2, в некоторых случаях ЭН3.

Имеют вид металлоподобных темных порошков или хрупкой массы, их электро- и тепло-проводность такие же, как у металлов.

Первые три металла каждого d-семейства поглощают водород со значительным экзотермическим эффектом, d-металлы VI–VIII групп по отношению к водороду малоактивны. Исключением является палладий.

МЕТАЛЛОПОДОБНЫЕ ГИДРИДЫ4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА

Металлические гидриды используются как вос-становители при получении покрытия из соответст-вующего металла, а также для получения металлов в виде порошков.

К ковалентным относятся гидриды с мене электроотрицательными, чем сам водород, неметаллами. Например, SiH4 и BH3. В них водород имеет степень окисления –1, но в отличие от ионных (солеобразных) гидридов это легколетучие соединения с молекулярной структурой.

ГИДРИДЫ С КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗЬЮ

МЕТАЛЛОПОДОБНЫЕ ГИДРИДЫ4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА

ГИДРИДЫ С КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗЬЮ

SiH4 + 3HOH = H2SiO3 + H2

В неводных средах (например, в эфире) ионные (основные) и ковалентные (кислотные) гидриды реагируют между собой, образуя комплексные гидриды, например:

NaH + BH3 = Na[BH4] основный кислотный тетрагидридоборат Li

H:– + □BH3 = [BH4]–

донор акцептор


По химической природе гидриды неметаллов являют-ся кислотными соединениями, что видно из их отношения к воде: при взаимодействии с водой выделяется водород и образуется кислота:

–1 +1

Комплексные гидриды Na[BH4] и Li[AlH4] широко применяются в химическом синтезе в качестве сильных восстановителей. Стандартный потенциал системы:

½ Н2 + е– = :Н–

равен –2,25 В. Поэтому гидрид-ион :Н– – один из самых сильных восстановителей.

ГИДРИДЫ С КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗЬЮ4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА

Водородные соединения с преимущественно ковалент-ным типом связи образуются при взаимодействии водорода с p-элементами IVA–VIIA-групп. В этих соединениях водород выступает, как правило, в качестве катионообразователя (имеет степень окисления +1).

4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДАКОВАЛЕНТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА С НЕМЕТАЛЛАМИ

Ковалентные соединения водорода летучи. Их терми-ческая устойчивость уменьшается в группах сверху вниз, вплоть до того, что PbH4, PoH2 и HAt не получены, а BiН3 разлагается в момент выделения.

Для получения ковалентных соединений водорода используют:

метод прямого синтеза, например:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3

метод гидролиза:

Ca3C2 + 6H2O = 3Ca(OH)2 + 2NH3↑

CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + Ca2H2↑

ZnS + 2HCl = ZnCl2 + H2S↑

Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4↑


Чем полярнее связь Э-Н, тем легче происходит электролитическая ионизация по этой связи в водных растворах.

Водородные соединения р-элементов IVA-группы плохо растворимы в воде (но хорошо растворимы в неполярных органических растворителях). В растворе они медленно гидролизуются с образованием гидроксосоединений и выделением водорода, например:

SiH4 + 4H2O = H4SiO4 + 4H2↑


Отношение к воде

Соединения элементов VA-группы хорошо раство-римы в воде и продукты их взаимодействия диссоци-ируют по основному типу:

:ЭН3 + Н2О = ЭН4+ + ОН–

Фактически подобным образом с водой взаимодейст-вует лишь NH3 (аммиак). AsH3, SbH3, BiH3 с водой практически не взаимодействуют.



Более полярные соединения элементов VIA-группы: H2S, H2Se и H2Te при растворении в воде диссоциируют уже по кислотному типу:

H2S + H2O ↔ HS– + H3O+ или H2S ↔ HS– + H+



Сила кислот Н2Э увеличивается в ряду:

H2S – H2Se – H2Te

Еще более полярны и лучше растворимы в воде сое-динения элементов VIIA-группы, их водные растворы являются уже сильными кислотами (кроме HF):

НЭ + Н2О ↔ Э– + Н3О+ или НЭ ↔ Э– + Н+

Сила кислот также возрастает в ряду HCl – HBr – HI, несмотря на то, что полярность связей в этом направлении уменьшается. Причина – уменьшение прочности связи Э–Н.

Таким образом гетеролитический распад в водом растворе обусловлен не только полярностью, но и прочностью связей.


Несколько отличается от остальных водородных соединений группа полимерных гидридов бериллия, магния, алюминия: (BeH2)x, (MgH2)x, (AlH3)x.

Это твердые вещества, термически распада-ющиеся на элементы соответственно при 100, 300 и 100 0С. Близки к ним по свойствам гидриды Cu, Ag, Zn и Cd, а также твердые гидриды фосфора (РН3)х.

Гидриды бора В2Н6 и галлия Ga2H6 представляют собой летучие димеры. У бора имеются также и полимерные гидриды BnHn+4 и BnHn+6. Среди них имеются газообразные, жидкие и твердые вещества.

4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДАКОВАЛЕНТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА

Documents

лек. 20 водород