Получаване на химични свойства на водородна формула. Съединения на кислорода с водорода

Нека да разгледаме какво е водород. Химични свойстваа производството на този неметал се изучава в курса по неорганична химия в училище. Именно този елемент оглавява периодичната система на Менделеев и затова заслужава подробно описание.

Кратка информация за отваряне на елемент

Преди да разгледаме физичните и химичните свойства на водорода, нека разберем как е открит този важен елемент.

Химици, работили през шестнадесети и седемнадесети век, многократно споменават в своите писания горимия газ, който се отделя, когато е изложен на киселини. активни метали. През втората половина на осемнадесети век Г. Кавендиш успява да събере и анализира този газ, давайки му името "горим газ".

Физичните и химичните свойства на водорода по това време не са били изследвани. Едва в края на осемнадесети век А. Лавоазие успява да установи чрез анализ, че този газ може да бъде получен чрез анализ на вода. Малко по-късно той започва да нарича новия елемент водород, което означава "раждащ вода". Водородът дължи съвременното си руско име на М. Ф. Соловьов.

Да бъдеш сред природата

Химичните свойства на водорода могат да бъдат анализирани само въз основа на неговото изобилие в природата. Този елемент присъства в хидро- и литосферата, а също така е част от минералите: природен и свързан газ, торф, нефт, въглища, нефтени шисти. Трудно е да си представим възрастен, който не знае, че е водород интегрална частвода.

В допълнение, този неметал се намира в животинските организми под формата нуклеинова киселина, протеини, въглехидрати, мазнини. На нашата планета този елемент се намира в свободна формадоста рядко, може би само в природен и вулканичен газ.

Под формата на плазма водородът съставлява около половината от масата на звездите и Слънцето и също е част от междузвездния газ. Например, в свободна форма, както и под формата на метан, амоняк, този неметал присъства в комети и дори на някои планети.

Физични свойства

Преди да разгледаме химичните свойства на водорода, отбелязваме, че при нормални условиятова е газообразно вещество, по-леко от въздуха, което има няколко изотопни форми. Той е почти неразтворим във вода и има висока топлопроводимост. Протий, който има масово число 1, се счита за най-леката му форма. Тритият, който има радиоактивни свойства, се образува в природата от атмосферния азот, когато невроните го излагат на UV лъчи.

Характеристики на структурата на молекулата

За да разгледаме химичните свойства на водорода, характерните за него реакции, нека се спрем на характеристиките на неговата структура. Тази двуатомна молекула има ковалентна неполярна химична връзка. образование атомен водородвъзможно, когато активните метали взаимодействат с киселинни разтвори. Но в тази форма този неметал може да съществува само за незначителен период от време, почти веднага се рекомбинира в молекулярна форма.

Химични свойства

Помислете за химичните свойства на водорода. В повечето от съединенията, които образуват това химичен елемент, той показва степен на окисление +1, което го прави подобен на активните (алкални) метали. Основните химични свойства на водорода, характеризиращи го като метал:

• взаимодействие с кислород за образуване на вода;
• реакция с халогени, придружена от образуване на халогеноводород;
• производство на сероводород, когато се комбинира със сяра.

По-долу е уравнението на реакцията, което характеризира химичните свойства на водорода. Обръщаме внимание на факта, че като неметал (със степен на окисление -1) той действа само в реакция с активни метали, образувайки с тях съответните хидриди.

Водородът при нормална температура не взаимодейства активно с други вещества, така че повечето от реакциите се извършват само след предварително нагряване.

Нека се спрем по-подробно на някои химични взаимодействия на елемента, който оглавява периодичната система от химични елементи на Менделеев.

Реакцията на образуване на вода е придружена от освобождаване на 285,937 kJ енергия. При повишени температури (над 550 градуса по Целзий) този процеспридружен от силен взрив.

Сред химичните свойства на газообразния водород, които са намерили значително приложение в промишлеността, интерес представлява взаимодействието му с метални оксиди. Именно чрез каталитично хидрогениране в съвременната промишленост се обработват метални оксиди, например чист метал се изолира от желязо (смесен железен оксид). Този методпозволява ефективно рециклиране на скрап.

Синтезът на амоняк, който включва взаимодействието на водород с атмосферния азот, също е търсен в съвременния химическа индустрия. Сред условията за това химично взаимодействиеобърнете внимание на налягането и температурата.

Заключение

Водородът е неактивен химическипри нормални условия. С повишаване на температурата активността му се увеличава значително. Това вещество е в търсенето органичен синтез. Например, чрез хидрогениране, кетоните могат да бъдат редуцирани до вторични алкохоли, а алдехидите могат да бъдат превърнати в първични алкохоли. В допълнение, чрез хидрогениране ненаситените въглеводороди от класовете на етилен и ацетилен могат да бъдат превърнати в наситени съединения от серията метан. Водородът правилно се счита просто веществов търсенето в съвременното химическо производство.

Водородът заема специално място в периодичната система на химичните елементи на D.I. Менделеев. По отношение на броя на валентните електрони, способността за образуване на хидратиращ йон H + в разтвори, той е подобен на алкални метали, и следва да се постави в I група. Според броя на електроните, необходими за завършване на външната електронна обвивка, стойността на йонизационната енергия, способността да се покаже отрицателна степен на окисление и малкия атомен радиус, водородът трябва да бъде поставен в група VII на периодичната система. По този начин поставянето на водорода в една или друга група на периодичната система е до голяма степен произволно, но в повечето случаи той се поставя в група VII.

Електронна формула на водород 1 с 1 . Единственият валентен електрон е директно в сферата на действие атомно ядро. Простота електронна конфигурацияводород не означава, че химичните свойства на този елемент са прости. Напротив, химията на водорода се различава по много начини от химията на други елементи. Водородът в неговите съединения може да проявява степени на окисление +1 и -1.

Има много методи за производство на водород. В лабораторията се получава чрез взаимодействие на определени метали с киселини, например:

Водородът може да се получи чрез електролиза водни разтворисярна киселина или основа. В този случай протича процесът на отделяне на водород на катода и кислород на анода.

В промишлеността водородът се получава главно от природни и свързани газове, продукти от газификация на гориво и коксов газ.

Просто вещество водород (H 2)Това е запалим газ без цвят и мирис. Точка на кипене -252,8 °C. Водородът е 14,5 пъти по-лек от въздуха и слабо разтворим във вода.

Молекулата на водорода е стабилна и има голяма здравина. Поради високата енергия на дисоциация (435 kJ/mol), разлагането на H 2 молекулите на атоми се извършва в значителна степен само при температури над 2000 °C.

За водород, положителен и отрицателна степенокисление, следователно при химични реакции водородът може да проявява както окислителни, така и редуциращи свойства. В случаите, когато водородът действа като окислител, той се държи като халогени, образувайки хидриди, подобни на халидите ( хидридинаричаме група химични съединения на водорода с метали и елементи, по-малко електроотрицателни от него):

По отношение на окислителната активност водородът е значително по-нисък от халогените. Следователно само хидридите на алкални и алкалоземни метали проявяват йонен характер. Йонните, както и сложните хидриди, например, са силни редуциращи агенти. Те се използват широко в химическия синтез.

В повечето реакции водородът действа като редуциращ агент. При нормални условия водородът не взаимодейства с кислорода, но при запалване реакцията протича с експлозия:

Смес от два обема водород с един обем кислород се нарича детониращ газ. Контролирани изпускания при горене Голям бройтоплина, а температурата на водородно-кислородния пламък достига 3000 °C.

Реакцията с халогени протича, в зависимост от природата на халогена, по различни начини:

С флуора такава реакция протича с експлозия дори при ниски температури. При хлор на светлина реакцията също протича с експлозия. С брома реакцията е много по-бавна, а с йода не достига края дори при висока температура. Механизмът на тези реакции е радикален.

При повишени температури водородът взаимодейства с елементи от VI група - сяра, селен, телур, например:

Реакцията на водород с азот е много важна. Тази реакция е обратима. За да изместите равновесието към образуването на амоняк, използвайте високо кръвно налягане. В промишлеността този процес се извършва при температура 450–500 °C в присъствието на различни катализатори:

Водородът редуцира много метали от оксиди, например:

Тази реакция се използва за получаване на някои чисти метали.

Огромна роля играят реакциите на хидрогениране на органични съединения, които се използват широко както в лабораторната практика, така и в промишления органичен синтез.

Намаляване естествени източницивъглеводородни суровини, замърсяване заобикаляща средапродуктите от изгаряне на гориво увеличават интереса към водорода като екологично чисто гориво. Водородът вероятно ще играе важна роля в енергията на бъдещето.

В момента водородът се използва широко в промишлеността за синтез на амоняк, метанол, хидрогениране на твърди и течни горива, в органичния синтез, за ​​заваряване и рязане на метали и др.

Водата H 2 O, водородният оксид, е най-важният химическо съединение. При нормални условия водата е безцветна течност, без мирис и вкус. Водата е най-често срещаното вещество на повърхността на Земята. AT човешкото тялосъдържа 63–68% вода.

Физическите свойства на водата в много отношения са аномални. При нормално атмосферно налягане водата кипи при 100°C. Точка на замръзване чиста вода 0°C. За разлика от други течности, плътността на водата при охлаждане не нараства монотонно, а има максимум при +4 °C. Топлинният капацитет на водата е много висок и възлиза на 418 kJ/mol·K. Топлинният капацитет на леда при 0 °C е 2,038 kJ/mol·K. Топлината на топящия се лед е необичайно висока. Електрическата проводимост на водата е много ниска. Аномалните физични свойства на водата обясняват нейната структура. Ъгълът на връзката H–O–H е 104,5°. Молекулата на водата е изкривен тетраедър, в два върха на който са разположени водородни атоми, а другите две са заети от орбиталите на несподелени двойки електрони на кислородния атом, които не участват в образуването на химични връзки.

Водата е стабилно съединение, разлагането му на кислород и водород става само под действието на постоянни електрически токили при около 2000 °C:

Водата директно взаимодейства с металите, стоящи в поредица от стандартни електронни потенциали до водорода. Продуктите на реакцията, в зависимост от естеството на метала, могат да бъдат съответните хидроксиди и оксиди. Скоростта на реакцията, в зависимост от естеството на метала, също варира в широки граници. И така, натрият реагира с вода вече при стайна температура, реакцията е придружена от отделяне на голямо количество топлина; желязото реагира с вода при 800°C:

Химични свойства на водорода

При нормални условия молекулярният водород е относително неактивен, свързвайки се директно само с най-активните неметали (с флуор, а на светлина и с хлор). Въпреки това, когато се нагрява, той реагира с много елементи.

Водородът реагира с прости и сложни вещества:

При висока температура водородът реагира директно с някои метали(алкални, алкалоземни и други), образуващи бели кристални вещества - метални хидриди (Li H, Na H, KH, CaH 2 и др.):

H 2 + 2Li = 2LiH

Металните хидриди лесно се разлагат от вода с образуването на съответните алкали и водород:

Sa H 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2H 2

1). С кислородВодородът образува вода:

Видео "Изгаряне на водород"

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O + Q

При обикновени температури реакцията протича изключително бавно, над 550 ° C - с експлозия (смес от 2 обема Н2 и 1 обем О2 се нарича експлозивен газ) .

Видео "Експлозия на експлозивен газ"

Видео "Приготвяне и експлозия на експлозивна смес"

2). С халогениВодородът образува водородни халиди, например:

H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl

Водородът експлодира с флуор (дори на тъмно и при -252°C), реагира с хлор и бром само при осветяване или нагряване, а с йод само при нагряване.

3). С азотВодородът реагира с образуването на амоняк:

ZN 2 + N 2 \u003d 2NH 3

само на катализатор и при повишени температури и налягания.

четири). При нагряване водородът реагира бурно със сяра:

H 2 + S \u003d H 2 S (сероводород),

много по-трудно със селен и телур.

5). с чист въглеродВодородът може да реагира без катализатор само при високи температури:

2H 2 + C (аморфен) = CH 4 (метан)

- Водородът влиза в реакция на заместване с метални оксиди , докато в продуктите се образува вода и металът се редуцира. Водород - проявява свойствата на редуциращ агент:

Използва се водород за възстановяване на много метали, тъй като отнема кислород от техните оксиди:

Fe 3 O 4 + 4H 2 \u003d 3Fe + 4H 2 O и др.

Приложение на водорода

Видео "Използване на водород"

В момента водородът се произвежда в огромни количества. Силно повечетоизползва се при синтеза на амоняк, хидрогенирането на мазнини и хидрогенирането на въглища, масла и въглеводороди. В допълнение, водородът се използва за синтеза на солна киселина, метилов алкохол, циановодородна киселина, при заваряване и коване на метали, както и при производството на лампи с нажежаема жичка и скъпоценни камъни. Водородът се продава в бутилки под налягане над 150 атм. Те са боядисани в тъмно зелено и са снабдени с червен надпис "Водород".

Водородът се използва за превръщане на течни мазнини в твърди мазнини (хидрогениране), за производство на течни горива чрез хидрогениране на въглища и мазут. В металургията водородът се използва като редуциращ агент за оксиди или хлориди за получаване на метали и неметали (германий, силиций, галий, цирконий, хафний, молибден, волфрам и др.).

Практическото приложение на водорода е разнообразно: обикновено се пълни с балони, в химическата промишленост служи като суровина за производството на много много важни продукти (амоняк и др.), В хранително-вкусовата промишленост - за производството на растителни маслатвърди мазнини и др. Високата температура (до 2600 °C) в резултат на изгарянето на водород в кислород се използва за топене на огнеупорни метали, кварц и др. Течният водород е едно от най-ефективните реактивни горива. Годишното световно потребление на водород надхвърля 1 милион тона.

СИМУЛАТОРИ

номер 2. Водород

ЗАДАЧИ ЗА ЗАТКРОЙВАНЕ

Водородът е първият елемент в периодичната таблица на химичните елементи, има атомен номер 1 и относителен атомна маса 1,0079. Какви са физичните свойства на водорода?

Физични свойства на водорода

В превод от латински водородът означава "раждащ вода". Още през 1766 г. английският учен Г. Кавендиш събира "горимия въздух", отделен от действието на киселините върху металите, и започва да изследва свойствата му. През 1787 г. А. Лавоазие определя този "горим въздух" като нов химичен елемент, който е част от водата.

Ориз. 1. А. Лавоазие.

Водородът има 2 стабилни изотопа - протий и деутерий, както и радиоактивен - тритий, чието количество на нашата планета е много малко.

Водородът е най-разпространеният елемент в космоса. Слънцето и повечето звезди имат водород като основен елемент. Освен това този газ е част от водата, нефта, природен газ. Общото съдържание на водород на Земята е 1%.

Ориз. 2. Формулата на водорода.

Атомът на това вещество съдържа ядро ​​и един електрон. Когато водородът загуби електрон, той образува положително зареден йон, т.е. проявява метални свойства. Но също така водородният атом е способен не само да загуби, но и да спечели електрон. В това той е много подобен на халогените. Следователно водородът в периодичната система принадлежи към двете групи I и VII. Неметалните свойства на водорода са изразени в по-голяма степен.

Молекулата на водорода се състои от два атома, свързани с ковалентна връзка

Водородът при нормални условия е безцветен газообразен елемент, който е без мирис и вкус. Той е 14 пъти по-лек от въздуха и има точка на кипене от -252,8 градуса по Целзий.

Таблица "Физични свойства на водорода"

С изключение физични свойстваВодородът също има редица химични свойства. водородът при нагряване или под действието на катализатори реагира с метали и неметали, сяра, селен, телур, а също така може да редуцира оксидите на много метали.

Получаване на водород

от индустриални начинипроизводство на водород (с изключение на електролизата на водни солеви разтвори), следва да се отбележи следното:

• преминаване на водна пара през горещи въглища при температура 1000 градуса:

• преобразуване на метан с водна пара при температура 900 градуса:

CH 4 + 2H 2 O \u003d CO 2 + 4H 2

Ориз. 3. Парна конверсия на метан.

• разлагане на метан в присъствието на катализатор (Ni) при температура 400 градуса:

Водородът H е най-често срещаният елемент във Вселената (около 75% от масата), на Земята той е деветият най-често срещан елемент. Най-важното естествено водородно съединение е водата.
Водородът е на първо място в периодична система(Z = 1). Има най-простата структура на атом: ядрото на атома е 1 протон, заобиколен от електронен облак, състоящ се от 1 електрон.
При едни условия водородът проявява метални свойства (отдава електрон), при други - неметални (приема електрон).
В природата се срещат изотопи на водорода: 1H - протий (ядрото се състои от един протон), 2H - деутерий (D - ядрото се състои от един протон и един неутрон), 3H - тритий (T - ядрото се състои от един протон и два неутрони).

Простото вещество водород

Молекулата на водорода се състои от два атома, свързани с неполярна ковалентна връзка.
физични свойства.Водородът е безцветен, нетоксичен газ без мирис и вкус. Молекулата на водорода не е полярна. Следователно силите на междумолекулно взаимодействие в газообразния водород са малки. Това се проявява в ниски точки на кипене (-252,6 0С) и точки на топене (-259,2 0С).
Водородът е по-лек от въздуха, D (във въздух) = 0,069; слабо разтворим във вода (2 обема H2 се разтварят в 100 обема H2O). Следователно водородът, когато се произвежда в лабораторията, може да бъде събран чрез методи на изместване на въздух или вода.

Получаване на водород

В лабораторията:

1. Действие на разредени киселини върху метали:
Zn +2HCl → ZnCl2 +H2

2. Взаимодействие на алкални и ш-з металис вода:
Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

3. Хидролиза на хидриди: металните хидриди лесно се разлагат от вода с образуването на съответната основа и водород:
NaH + H 2 O → NaOH + H 2
CaH 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2H 2

4. Действието на алкали върху цинк или алуминий или силиций:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2
Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2

5. Водна електролиза. За увеличаване електропроводимоствода, към нея се добавя електролит, например NaOH, H 2 SO 4 или Na 2 SO 4. На катода се образуват 2 обема водород, на анода - 1 обем кислород.
2H 2 O → 2H 2 + O 2

Промишлено производство на водород

1. Преобразуване на метан с пара, Ni 800 °C (най-евтиният):
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2

Общо:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2

2. Водна пара през горещ кокс при 1000 o C:
C + H 2 O → CO + H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2

Полученият въглероден окис (IV) се абсорбира от водата, като по този начин се получават 50% от индустриалния водород.

3. Чрез нагряване на метан до 350°C в присъствието на железен или никелов катализатор:
CH 4 → C + 2H 2

4. Електролиза на водни разтвори на KCl или NaCl като страничен продукт:
2H 2 O + 2NaCl → Cl 2 + H 2 + 2NaOH

Химични свойства на водорода

• В съединенията водородът винаги е едновалентен. Има степен на окисление +1, но в металните хидриди е -1.
• Молекулата на водорода се състои от два атома. Появата на връзка между тях се обяснява с образуването на обобщена двойка електрони H: H или H 2
• Поради това обобщение на електроните, молекулата Н 2 е по-енергийно стабилна от нейните отделни атоми. За да се разбие молекула на атоми в 1 мол водород, е необходимо да се изразходва енергия от 436 kJ: H 2 \u003d 2H, ∆H ° \u003d 436 kJ / mol
• Това обяснява относително ниската активност на молекулярния водород при нормална температура.
• С много неметали водородът образува газообразни съединения като RN 4, RN 3, RN 2, RN.

1) Образува водородни халогениди с халогени:
H 2 + Cl 2 → 2HCl.
В същото време той експлодира с флуор, реагира с хлор и бром само при осветяване или нагряване и с йод само при нагряване.

2) С кислород:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
с отделяне на топлина. При обикновени температури реакцията протича бавно, над 550 ° C - с експлозия. Смес от 2 обема Н 2 и 1 обем О 2 се нарича експлозивен газ.

3) При нагряване реагира енергично със сяра (много по-трудно със селен и телур):
H 2 + S → H 2 S (сероводород),

4) С азот с образуване на амоняк само върху катализатора и с повишени температурии натиск:
ZN 2 + N 2 → 2NH 3

5) С въглерод при високи температури:
2H 2 + C → CH 4 (метан)

6) Образува хидриди с алкални и алкалоземни метали (водородът е окислител):
H 2 + 2Li → 2LiH
в металните хидриди водородният йон е отрицателно зареден (степен на окисление -1), т.е. хидридът Na + H - е изграден като хлорид Na + Cl -

Със сложни вещества:

7) С метални оксиди (използвани за възстановяване на метали):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O

8) с въглероден оксид (II):
CO + 2H 2 → CH 3 OH
Синтез - газ (смес от водород и въглероден окис) има важен практическа стойност, тъй като в зависимост от температурата, налягането и катализатора, различни органични съединения, като HCHO, CH3OH и други.

9) Ненаситените въглеводороди реагират с водород, превръщайки се в наситени:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2.