Фізичні та хімічні властивості В одню

Фізичні властивості. Водень – найлегший з відомих газів: маса 1 м³ водню становить 0,09 кг. Газоподібний водень складається з двохатомних молекул Н₂. Він безбарвний і не має запаху. Утворення молекул водню з атомів супроводжується виділенням великої кількості теплоти, легший за повітря:

2Н = Н₂,          ∆ Н₂₉₈ = - 432,1 кДж,

що є свідченням великої енергії зв’язку Н–Н і значної стійкості цієї молекули. Водень погано розчинний у воді, а ще гірше у органічних розчинниках, але невеликі кількості Н₂ розчиняється в усіх розплавлених металах.

Атомарний водень можна одержати і термічно – нагріванням водню розжареною електричним струмом вольфрамовою ниткою або пропусканням струменя водню крізь зону вольтової дуги. У разі зіткнення двох атомів водню в газовому середовищі за високої температури вони розлітаються, як більярдні кулі, і молекула Н₂ не утворюється. Це пояснюється тим, що енергія двох атомів водню перевищує енергію дисоціації молекули Н₂. За умови відведення надлишку енергії у момент зіткнення атомів водню відбувається їх взаємодія. Цей надлишок енергії можна відвести за допомогою будь-якого твердого тіла, яке за цих умов нагріватиметься. На цьому ґрунтується дія запропонованого американським фізиком і фізико-хіміком І. Ленгмюром так званого атомного пальника. Потік молекул водню проходить крізь зону вольтової дуги і потрапляє на місце нагрівання, захищене середовищем водню від контакту із зовнішнім середовищем. Метал нагрівається до дуже високих температур за рахунок рекомбінації атомів водню на його поверхні.

Молекули водню мають дуже малі розміри, і тому не здатні до значної деформації, тому між ними не виникають помітні сили взаємодії. Наслідком цього є надзвичайно низька температура кипіння водню, яка становить лише  20,4 К. 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.

Хімічні властивості водн ю. Атом водню 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 атомів якогось неметалу певною мірою збільшується у бік більш електронегативного елемента. Можуть також утворюватись іонні сполуки з найактивнішими металами – лужними, лужноземельними.

 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 і низька спорідненість до електрона свідчать про порівняно невелику хімічну активність цього елемента. У хімічних реакціях водень поводить себе як неметал. Його електронегативність становить 2,1. У сполуках з найтиповішими неметалами його атом поляризований позитивно, отже йому відповідає ступінь окиснення +1. У сполуках з металами та слабко електронегативними неметалами атом водню поляризований негативно, тому має ступінь окиснення -1.

Оскільки ступінь окиснення – це умовний заряд, формальна величина, можна вважати, що у водневих сполуках з неметалами водень має ступінь окиснення +1, а з металами -1.

Можливі ступені окиснення водню та його найхарактерніші сполуки можна подати такою схемою:

       

Сполуки

Бінарні сполуки. У реакціях з найактивнішими металами молекулярний водень поводить себе як окисник, відновлюючись, приєднує електрон і перетворюється на негативно заряджений гідрид-іон Н^-, який разом із катіоном металу утворює кристалічну іонну солеподібну сполуку. Слід зазначити, що окиснювальна функція для водню малохарактерна. Гідриди металів утворюються під час нагрівання реагентів:

2Li + H₂   2LiH;

Ca + H₂    CaH₂.

Найстійкішим до нагрівання в інертному середовищі серед гідридів лужних металів є LiH, що видно з порівняння наведених нижче значень теплот їх утворення:

Гідрид	LiH	NaH	KH
∆Н ,кДж/моль	90,4	53,6	41,0

 

1. Для s-елементів другої групи періодичної системи не спостерігається закономірної зміни стійкості гідридів. Від берилію до кальцію їх стійкість наростає, а далі зменшується у напрямку до барію. Взагалі ж гідриди порівняно легко розщеплюються під час нагрівання на метал і водень:

2NaH  2Na + H₂↑

2. Електронна пара гідрид-іона в гідридах металів слабко стабілізована і легко руйнується, але інколи вона може брати участь в утворенні

донорно-акцепторного зв’язку, наприклад:

LiH + AlH₃ → Li[AIH₄];                 2NaH + B₂H₆ → 2Na[BH₄] .

3. Гідриди легко взаємодіють із водою:

LiH + H₂O → LiOH + H₂↑

NaH +H₂O → NaOH + H₂↑

AlH₃ + H₂O → Al(OH)₃ + H₂↑

4. Деякі з гідридів займаються на повітрі:

MgH₂ + O₂ → MgO + H₂O

Найхарактернішими для водню є відновні властивості. Вони виявляються переважно відносно металів і деяких оксидів.

Молекулярний водень за звичайних умов малоактивний. Лише зі фтором за будь-яких умов він взаємодіє з вибухом. Цікаво, що швидкість реакції фтору з воднем значною мірою залежить від матеріалу, з якого виготовлена посудина, де відбувається реакція. У магнієвій посудині на холоді й у темряві водень і фтор не взаємодіють.

Із хлором водень взаємодіє при освітленні, а з киснем – у разі нагрівання. Він реагує також із бромом, сіркою, йодом, селеном і телуром. З азотом водень реагує лише за нагрівання, високого тиску і наявності каталізатора з утворенням аміаку. У цьому разі утворення певної сполуки залежить від умов перебігу реакції.

        Н₂ + Cl₂ → 2HCl,                                            ∆ Н₂₉₈ = -183,6 кДж;

       2H₂ + O₂ → 2H₂O,                                               ∆ Н₂₉₈ = -483,64 кДж;

       3H₂ + N₂ → 2NH₃,                                           ∆ Н₂₉₈ = -92,38 кДж;

        3H₂ + Fe₂o₃ → 2Fe + 3H₂O,                            ∆ Н₂₉₈ = 96,74 кДж;

         H₂ + CuO → Cu + H₂O,                                 ∆ Н₂₉₈ = -79,82 кДж.

Умовно водневі сполуки елементів поділяють на наведені нижче групи:

1) Гідриди сольової природи – тверді, утворюються найактивнішими металами під час безпосередньої взаємодії з воднем. Вони легко руйнуються водою з виділенням водню й утворенням лугу.

2) Полімерні гідриди у разі безпосередньої взаємодії елементів не утворюються, їх можна добути лише непрямим шляхом. Вони бувають твердими ((AlH₃)_x, (ZnH₂)₄, (GaH₃)_x та ін.) і рідкими (Ga₂H₆). Вони руйнуються водою з виділенням водню та осаду гідроксиду, а також здатні до утворення гідридних комплексів.

3) Гідриди d-елементів – тверді, металоподібні, часто не мають стехіометричного складу (NbH, TiH_1-2), водою не розкладаються.

4) Водневі сполуки бору і p-елементів IV групи леткі, утворюються лише непрямим шляхом. Сполуки вуглецю водою не розкладаються, відщеплюють водень тільки за високої температури. Бінарні водневі сполуки з рештою елементів цієї групи розкладаються водою подібно до полімерних гідридів.

5) Водневі сполуки p-елементів V групи леткі, їх можна добути переважно не прямим шляхом. Ці сполуки утворюють солі типу амонійних.

6) Водневі сполуки p-елементів VІ та VІІ груп леткі, утворюються під час безпосередньої взаємодії елементів. Їхні водні розчини є кислотами (H₂S, HCl).

Спільним для всіх типів водневих сполук є зменшення термічної стійкості аналогічних за складом речовин у групі згори вниз. У цьому зростає їхня відновна здатність.

 

Застосування В одню

Водень – цінна сировина для хімічної промисловості. Він використовується для виготовлення аміаку, метанолу, альдегідів, вуглеводів, перетворення рідких жирів в тверді, виробництво рідкого палива. В металургії водень використовують як відновник оксидів або хлоридів для отримання металів і неметалів. Завдяки високій температурі горіння в кисні водень застосовують також при різанні та зварюванні металів.

 

Висновок

Водень – перший елемент періодичної системи. Це найлегший газ, його атом і молекула мають найпростішу будову. Водень є дуже поширеним у природі елементом. Він є головним компонентом поверхневих речовин великих планет Сонячної системи – Юпітера, Сатурна, Урана, а також білих і блакитних зір. Водень це "космічне атомне паливо", джерело енергії Сонця і зір.

Найпоширенішою в природі й найважливішою для людини сполукою водню є вода. Вода – слабкий електроліт і малою мірою дисоціює на іони, це зумовлює дуже низьку її електропровідність. В організмі людини міститься близько 60% води, тому вона є найціннішою речовиною і для людини, і для всього живого.

 Він використовується для виготовлення аміаку, метанолу, альдегідів, вуглеводів, перетворення рідких жирів в тверді, виробництво рідкого палива, сировина для хімічної промисловості. В металургії водень використовують як відновник оксидів або хлоридів для отримання металів і неметалів.

 

 

Розділ ІІ.

Оксиген. Його сполуки

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: