10.1 Водород
Името "водород" се отнася както за химичен елемент, така и за просто вещество. елемент водородсе състои от водородни атоми. проста субстанция водородсе състои от водородни молекули.
а) Химичен елемент водород
В естествената серия от елементи поредният номер на водорода е 1. В системата от елементи водородът е в първия период в групата IA или VIIA.
Водородът е един от най-разпространените елементи на Земята. Моларната фракция на водородните атоми в атмосферата, хидросферата и литосферата на Земята (общо това се нарича земна кора) е 0,17. Намира се във вода, много минерали, нефт, природен газ, растения и животни. Средното човешко тяло съдържа около 7 килограма водород.
Има три изотопа на водорода:
а) лек водород - протий,
б) тежък водород - деутерий(Д)
в) свръхтежък водород - тритий(Т).
Тритият е нестабилен (радиоактивен) изотоп, така че практически не се среща в природата. Деутерият е стабилен, но има много малко от него: w D = 0,015% (от масата на целия земен водород). Следователно атомната маса на водорода се различава много малко от 1 Dn (1,00794 Dn).
б) Водороден атом
От предишните раздели на курса по химия вече знаете следните характеристики на водородния атом:
Валентните възможности на водороден атом се определят от наличието на един електрон в една валентна орбитала. Голямата йонизираща енергия прави водородния атом не склонен да дарява електрон, а не твърде високият електронен афинитет води до лека тенденция да го приема. Следователно в химичните системи образуването на Н катиона е невъзможно, а съединенията с Н аниона не са много стабилни. По този начин образуването на ковалентна връзка с други атоми поради неговия един несдвоен електрон е най-характерно за водородния атом. Както в случай на образуване на анион, така и в случай на образуване на ковалентна връзка, водородният атом е едновалентен.
В простото вещество степента на окисление на водородните атоми е нула, в повечето съединения водородът проявява степен на окисление +I и само в хидридите на най-малко електроотрицателните елементи във водорода е степен на окисление от –I.
Информация за валентните способности на водородния атом е дадена в таблица 28. Валентното състояние на водороден атом, свързан чрез една ковалентна връзка с който и да е атом, е обозначено в таблицата със символа "H-".
Таблица 28Валентни възможности на водородния атом
Валентно състояние |
Примери за химикали |
|||
аз |
HCl, H 2 O, H 2 S, NH 3 , CH 4 , C 2 H 6 , NH 4 Cl, H 2 SO 4 , NaHCO 3 , KOH |
|||
NaH, KH, CaH2, BaH2 |
в) Молекула на водорода
Двуатомната водородна молекула H 2 се образува, когато водородните атоми са свързани с единствената възможна за тях ковалентна връзка. Комуникацията се формира от обменния механизъм. Според начина, по който електронните облаци се припокриват, това е s-връзка (фиг. 10.1 а). Тъй като атомите са еднакви, връзката е неполярна.
Междуатомно разстояние (по-точно равновесното междуатомно разстояние, защото атомите вибрират) в молекула на водорода r(H-H) = 0,74 A (фиг. 10.1 v), което е много по-малко от сумата на орбиталните радиуси (1,06 A). Следователно, електронните облаци от свързващи атоми се припокриват дълбоко (фиг. 10.1 б), а връзката в водородната молекула е силна. Това се доказва и от доста голямата стойност на енергията на свързване (454 kJ/mol).
Ако характеризираме формата на молекулата чрез граничната повърхност (подобно на граничната повърхност на електронния облак), тогава можем да кажем, че водородната молекула има формата на леко деформирана (удължена) топка (фиг. 10.1 г).
г) водород (вещество)
При нормални условия водородът е безцветен газ без мирис. В малки количества е нетоксичен. Твърдият водород се топи при 14 K (–259°C), докато течният водород кипи при 20 K (–253°C). Ниски точки на топене и кипене, много малък температурен интервал за съществуването на течен водород (само 6 °C), както и малки моларни топлина на топене (0,117 kJ/mol) и изпаряване (0,903 kJ/mol) показват, че междумолекулните връзки във водорода много слаб.
Плътност на водорода r (H 2) = (2 g / mol): (22,4 l / mol) = 0,0893 g / l. За сравнение: средната плътност на въздуха е 1,29 g/l. Тоест водородът е 14,5 пъти "по-лек" от въздуха. Той е практически неразтворим във вода.
При стайна температура водородът е неактивен, но при нагряване реагира с много вещества. При тези реакции водородните атоми могат както да увеличат, така и да намалят степента си на окисление: H 2 + 2 д- \u003d 2H -I, H 2 - 2 д- \u003d 2H + I.
В първия случай водородът е окислител, например при реакции с натрий или калций: 2Na + H 2 = 2NaH, ( т) Ca + H 2 = CaH 2 . ( т)
Но редуциращите свойства са по-характерни за водорода: O 2 + 2H 2 \u003d 2H 2 O, ( т)
CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O. ( т)
При нагряване водородът се окислява не само от кислород, но и от някои други неметали, като флуор, хлор, сяра и дори азот.
В лабораторията чрез реакцията се получава водород
Zn + H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2.
Вместо цинк могат да се използват желязо, алуминий и някои други метали, а вместо сярна киселина могат да се използват някои други разредени киселини. Полученият водород се събира в епруветка по метода на изместване на водата (виж фиг. 10.2 б) или просто в обърната колба (фиг. 10.2 а).
В промишлеността водородът се получава в големи количества от природен газ (главно метан) чрез взаимодействие с водна пара при 800 °C в присъствието на никелов катализатор:
CH 4 + 2H 2 O \u003d 4H 2 + CO 2 ( т, Ni)
или обработени при висока температура с въглища с водна пара:
2H 2 O + C \u003d 2H 2 + CO 2. ( т)
Чистият водород се получава от вода чрез разлагането й с електрически ток (подложен на електролиза):
2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2 (електролиза).
д) Водородни съединения
Хидридите (бинарни съединения, съдържащи водород) са разделени на два основни типа:
а) летливи
(молекулярни) хидриди,
б) соленоподобни (йонни) хидриди.
Елементите IVA - VIIA групи и бор образуват молекулни хидриди. От тях само хидриди на елементи, които образуват неметали, са стабилни:
B2H6;CH4; NH3; H2O; HF
SiH4;PH3; H2S; HCl
AsH 3 ; H2Se; HBr
H2Te; Здрасти
С изключение на водата, всички тези съединения са газообразни вещества при стайна температура, откъдето идва и името им - "летливи хидриди".
Някои от елементите, които образуват неметали, също са включени в по-сложни хидриди. Например, въглеродът образува съединения с общата формула C н H2 н+2, C н H2 н, ° С н H2 н-2 и други, къде нможе да бъде много голям (органичната химия изучава тези съединения).
Йонните хидриди включват алкални, алкалоземни и магнезиеви хидриди. Кристалите на тези хидриди се състоят от Н аниони и метални катиони в най-висока степен на окисление на Me или Me 2 (в зависимост от групата на системата от елементи).
| LiH | |
| NaH | MgH2 |
| KH | CaH2 |
| RbH | SrH 2 |
| CSH | BaH2 |
Както йонните, така и почти всички молекулярни хидриди (с изключение на H 2 O и HF) са редуциращи агенти, но йонните хидриди проявяват редуциращи свойства много по-силни от молекулярните.
В допълнение към хидридите, водородът е част от хидроксидите и някои соли. Ще се запознаете със свойствата на тези по-сложни водородни съединения в следващите глави.
Основните потребители на водород, произвеждан в промишлеността, са заводи за производство на амоняк и азотни торове, където амонякът се получава директно от азот и водород:
N 2 + 3H 2 2NH 3 ( Р, т, Pt е катализаторът).
Водородът се използва в големи количества за производството на метилов алкохол (метанол) чрез реакцията 2H 2 + CO = CH 3 OH ( т, ZnO - катализатор), както и при производството на хлороводород, който се получава директно от хлор и водород:
H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl.
Понякога водородът се използва в металургията като редуциращ агент при производството на чисти метали, например: Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.
1. От какви частици се състоят ядрата на а) протий, б) деутерий, в) тритий?
2. Сравнете йонизационната енергия на водороден атом с йонизационната енергия на атомите на други елементи. Кой елемент е най-близък до водорода по тази характеристика?
3. Направете същото за енергията на електронен афинитет
4. Сравнете посоката на поляризация на ковалентната връзка и степента на окисление на водорода в съединенията: а) BeH 2 , CH 4 , NH 3 , H 2 O, HF; б) CH 4, SiH 4, GeH 4.
5. Запишете най-простата, молекулярна, структурна и пространствена формула на водорода. Коя е най-често използваната?
6. Често казват: „Водородът е по-лек от въздуха“. Какво се има предвид под това? В кои случаи този израз може да се приеме буквално и в кои не?
7. Направете структурните формули на калиеви и калциеви хидриди, както и на амоняк, сероводород и бромоводород.
8. Познавайки моларните топлина на топене и изпаряване на водорода, определете стойностите на съответните специфични количества.
9. За всяка от четирите реакции, илюстриращи основните химични свойства на водорода, направете електронен баланс. Избройте окислителите и редуциращите агенти.
10. Определете масата на цинка, необходима за получаване на 4,48 литра водород по лабораторен начин.
11. Определете масата и обема на водорода, който може да се получи от 30 m 3 смес от метан и водна пара, взети в обемно съотношение 1: 2, с добив 80%.
12. Съставете уравненията на реакциите, които протичат при взаимодействието на водород а) с флуор, б) със сяра.
13. Реакционните схеми по-долу илюстрират основните химични свойства на йонните хидриди:
а) MH + O 2 MOH ( т); б) MH + Cl 2 MCl + HCl ( т);
в) MH + H2O MOH + H2; г) MH + HCl(p) MCl + H2
Тук М е литий, натрий, калий, рубидий или цезий. Съставете уравненията на съответните реакции, ако М е натрий. Илюстрирайте химичните свойства на калциевия хидрид с реакционни уравнения.
14. Използвайки метода на електронния баланс, напишете уравненията за следните реакции, илюстриращи редукционните свойства на някои молекулни хидриди:
а) HI + Cl 2 HCl + I 2 ( т); б) NH 3 + O 2 H 2 O + N 2 ( т); в) CH 4 + O 2 H 2 O + CO 2 ( т).
10.2 Кислород
Както в случая с водорода, думата "кислород" е името както на химичен елемент, така и на просто вещество. С изключение на простото вещество" кислород"(диоксиген) химичният елемент кислород образува друго просто вещество, наречено " озон"(трикислород). Това са алотропни модификации на кислорода. Веществото кислород се състои от кислородни молекули O 2 , а веществото озон се състои от молекули на озона O 3 .
а) Химичният елемент кислород
В естествената серия от елементи поредният номер на кислорода е 8. В системата от елементи кислородът е във втория период в групата VIA.
Кислородът е най-разпространеният елемент на Земята. В земната кора всеки втори атом е кислороден атом, тоест моларната фракция на кислорода в атмосферата, хидросферата и литосферата на Земята е около 50%. Кислородът (вещество) е неразделна част от въздуха. Обемната част на кислорода във въздуха е 21%. Кислородът (елемент) е част от водата, много минерали, както и растения и животни. Човешкото тяло съдържа средно 43 кг кислород.
Естественият кислород се състои от три изотопа (16 O, 17 O и 18 O), от които най-разпространеният е най-лекият изотоп 16 O. Следователно атомната маса на кислорода е близка до 16 Dn (15,9994 Dn).
б) Кислороден атом
Знаете следните характеристики на кислородния атом.
Таблица 29Валентни възможности на кислородния атом
Валентно състояние |
Примери за химикали |
|||
Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 * |
||||
-II |
H 2 O, SO 2, SO 3, CO 2, SiO 2, H 2 SO 4, HNO 2, HClO 4, COCl 2, H 2 O 2 |
|||
NaOH, KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2 |
||||
Li 2 O, Na 2 O, MgO, CaO, BaO, FeO, La 2 O 3 |
* Тези оксиди също могат да се считат за йонни съединения.
** Кислородните атоми в молекулата не са в даденото валентно състояние; това е само пример за вещество със степен на окисление на кислородни атоми, равна на нула
Голяма йонизираща енергия (като тази на водорода) изключва образуването на прост катион от кислородния атом. Енергията на електронен афинитет е доста висока (почти два пъти по-висока от тази на водорода), което осигурява по-голяма склонност на кислородния атом да прикрепя електрони и способността да образува O 2A аниони. Но енергията на електронен афинитет на кислородния атом все още е по-малка от тази на халогенните атоми и дори на други елементи от групата VIA. Следователно кислородните аниони ( оксидни йони) съществуват само в съединения на кислорода с елементи, чиито атоми много лесно даряват електрони.
Чрез споделяне на два несдвоени електрона, кислороден атом може да образува две ковалентни връзки. Две самотни двойки електрони, поради невъзможността за възбуждане, могат да влязат само във взаимодействие донор-акцептор. По този начин, без да се взема предвид множеството на връзките и хибридизацията, кислородният атом може да бъде в едно от петте валентни състояния (Таблица 29).
Най-характерното за кислородния атом е валентното състояние с У k \u003d 2, тоест образуването на две ковалентни връзки поради два несдвоени електрона.
Много високата електроотрицателност на кислородния атом (само флуорът е по-висок) води до факта, че в повечето от неговите съединения кислородът има степен на окисление -II. Има вещества, в които кислородът показва други стойности на степента на окисление, някои от тях са дадени в таблица 29 като примери, а сравнителната стабилност е показана на фиг. 10.3.
в) Молекула на кислорода
Експериментално е установено, че двуатомната кислородна молекула O 2 съдържа два несдвоени електрона. Използвайки метода на валентните връзки, такава електронна структура на тази молекула не може да бъде обяснена. Въпреки това, връзката в кислородната молекула е близка по свойства до ковалентната връзка. Кислородната молекула е неполярна. Междуатомно разстояние ( r o–o = 1,21 A = 121 nm) е по-малко от разстоянието между атомите, свързани с единична връзка. Моларната енергия на свързване е доста висока и възлиза на 498 kJ/mol.
г) Кислород (вещество)
При нормални условия кислородът е газ без цвят и мирис. Твърдият кислород се топи при 55 K (–218 °C), докато течният кислород кипи при 90 K (–183 °C).
Междумолекулните връзки в твърдия и течния кислород са малко по-силни, отколкото във водорода, както се вижда от по-големия температурен интервал за съществуването на течен кислород (36 ° C) и моларните топлина на топене (0,446 kJ / mol) и изпаряване (6, 83 kJ/mol).
Кислородът е слабо разтворим във вода: при 0 ° C само 5 обема кислород (газ!) се разтварят в 100 обема вода (течност!)
Високата склонност на кислородните атоми да прикрепят електрони и високата електроотрицателност водят до факта, че кислородът проявява само окислителни свойства. Тези свойства са особено изразени при високи температури.
Кислородът реагира с много метали: 2Ca + O 2 = 2CaO, 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 ( т);
неметали: C + O 2 = CO 2, P 4 + 5O 2 = P 4 O 10,
и сложни вещества: CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O, 2H 2 S + 3O 2 \u003d 2H 2 O + 2SO 2.
Най-често в резултат на такива реакции се получават различни оксиди (виж гл. II § 5), но активните алкални метали, като натрий, при изгаряне се превръщат в пероксиди:
2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2.
Структурна формула на получения натриев пероксид (Na) 2 (O-O).
Тлееща треска, поставена в кислород, избухва. Това е удобен и лесен начин за откриване на чист кислород.
В промишлеността кислородът се получава от въздуха чрез ректификация (сложна дестилация), а в лабораторията - чрез подлагане на някои кислород-съдържащи съединения на термично разлагане, например:
2KMnO 4 \u003d K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200 ° C);
2KClO 3 \u003d 2KCl + 3O 2 (150 ° C, MnO 2 - катализатор);
2KNO 3 \u003d 2KNO 2 + 3O 2 (400 ° C)
и, в допълнение, чрез каталитично разлагане на водороден пероксид при стайна температура: 2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (MnO 2 -катализатор).
Чистият кислород се използва в промишлеността за интензифициране на онези процеси, при които настъпва окисляване и за създаване на високотемпературен пламък. В ракетната технология течният кислород се използва като окислител.
Кислородът играе важна роля в поддържането на живота на растенията, животните и хората. При нормални условия човек се нуждае от достатъчно кислород, за да диша въздуха. Но в условия, когато няма достатъчно въздух или изобщо не е наличен (в самолети, по време на водолазни операции, в космически кораби и др.), За дишане се приготвят специални газови смеси, съдържащи кислород. Кислородът се използва и в медицината за заболявания, които причиняват затруднено дишане.
д) Озонът и неговите молекули
Озон О3 е втората алотропна модификация на кислорода.
Триатомната озонова молекула има ъглова структура по средата между двете структури, представени със следните формули:
Озонът е тъмносин газ с остра миризма. Поради силната си окислителна активност е отровен. Озонът е един и половина пъти "по-тежък" от кислорода и малко повече от кислорода, разтворим във вода.
Озонът се образува в атмосферата от кислород по време на светкавични електрически разряди:
3O 2 \u003d 2O 3 ().
При обикновени температури озонът бавно се превръща в кислород и при нагряване този процес протича с експлозия.
Озонът се съдържа в така наречения „озонов слой“ на земната атмосфера, предпазвайки целия живот на Земята от вредното въздействие на слънчевата радиация.
В някои градове озонът се използва вместо хлор за дезинфекция (обеззаразяване) на питейна вода.
Начертайте структурните формули на следните вещества: OF 2 , H 2 O, H 2 O 2 , H 3 PO 4 , (H 3 O) 2 SO 4 , BaO, BaO 2 , Ba(OH) 2 . Назовете тези вещества. Опишете валентните състояния на кислородните атоми в тези съединения.
Определете валентността и степента на окисление на всеки от кислородните атоми.
2. Направете уравненията за реакциите на горене в кислород на литий, магнезий, алуминий, силиций, червен фосфор и селен (атомите на селена се окисляват до степен на окисление + IV, атомите на останалите елементи до най-висока степен на окисление ). Към кои класове оксиди принадлежат продуктите от тези реакции?
3. Колко литра озон могат да се получат (при нормални условия) а) от 9 литра кислород, б) от 8 g кислород?
Водата е най-разпространеното вещество в земната кора. Масата на земната вода се оценява на 10 18 тона. Водата е основата на хидросферата на нашата планета, освен това се съдържа в атмосферата, под формата на лед образува полярните шапки на Земята и високопланинските ледници, а също така е част от различни скали. Масовата част на водата в човешкото тяло е около 70%.
Водата е единственото вещество, което има свои специални имена и в трите агрегатни състояния.
Електронната структура на водната молекула (фиг. 10.4 а) разгледахме подробно по-рано (виж § 7.10).
Поради полярността на O-H връзките и ъгловата форма, водната молекула е електрически дипол.
За да се характеризира полярността на електрически дипол, физическа величина, наречена " електрически момент на електрически диполили просто " диполен момент".
В химията диполният момент се измерва в дебай: 1 D = 3,34. 10–30 С. м
В молекулата на водата има две полярни ковалентни връзки, тоест два електрически дипола, всеки от които има свой собствен диполен момент (и). Общият диполен момент на една молекула е равен на векторната сума от тези два момента (фиг. 10.5):
(H2O) = 
,
където q 1 и q 2 - частични заряди (+) на водородни атоми и и - междуатомни разстояния O - H в молекулата. Защото q 1 = q 2 = q, а , тогава
Експериментално определените диполни моменти на водната молекула и някои други молекули са дадени в таблицата.
Таблица 30Диполни моменти на някои полярни молекули
Молекула |
Молекула |
Молекула |
|||
Като се има предвид диполната природа на водната молекула, тя често се изобразява схематично, както следва:
Чистата вода е безцветна течност без вкус и мирис. Някои основни физически характеристики на водата са дадени в таблицата.
Таблица 31Някои физически характеристики на водата
Големите стойности на моларните топлоти на топене и изпаряване (с порядък по-големи от тези на водорода и кислорода) показват, че водните молекули, както в твърди, така и в течни вещества, са доста силно свързани помежду си. Тези връзки се наричат водородни връзки".
ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ДИПОЛ, ДИПОЛЕН МОМЕНТ, КОМУНИКАЦИОННА ПОЛЯРИТЕТ, ПОЛЯРИТЕТ НА МОЛЕКУЛАТА.
Колко валентни електрона на кислороден атом участват в образуването на връзки във водната молекула?
2. При припокриване на кои орбитали се образуват връзки между водород и кислород в молекула на водата?
3. Направете диаграма на образуването на връзки в молекула на водороден пероксид H 2 O 2. Какво можете да кажете за пространствената структура на тази молекула?
4. Междуатомните разстояния в молекулите HF, HCl и HBr са равни съответно на 0,92; 1.28 и 1.41. Използвайки таблицата на диполните моменти, изчислете и сравнете частичните заряди на водородните атоми в тези молекули.
5. Междуатомните разстояния S - H в молекула на сероводород са равни на 1,34, а ъгълът между връзките е 92 °. Определете стойностите на частичните заряди на серни и водородни атоми. Какво можете да кажете за хибридизацията на валентните орбитали на серния атом?
10.4. водородна връзка
Както вече знаете, поради значителната разлика в електроотрицателността на водорода и кислорода (2.10 и 3.50), водородният атом във водната молекула придобива голям положителен частичен заряд ( q h = 0,33 д), а кислородният атом има още по-голям отрицателен частичен заряд ( q h = -0,66 д). Припомнете си също, че кислородният атом има две самотни двойки електрони на sp 3-хибриден AO. Водородният атом на една водна молекула е привлечен от кислородния атом на друга молекула и, в допълнение, полупразният 1s-AO на водородния атом частично приема двойка електрони от кислородния атом. В резултат на тези взаимодействия между молекулите възниква специален вид междумолекулни връзки - водородна връзка.
В случай на вода образуването на водородна връзка може да бъде схематично представено, както следва:
В последната структурна формула три точки (пунктирана черта, а не електрони!) показват водородна връзка.
Водородната връзка съществува не само между водните молекули. Образува се, ако са изпълнени две условия:
1) има силно полярна H-E връзка в молекулата (E е символът на атом на достатъчно електроотрицателен елемент),
2) в молекулата има атом Е с голям отрицателен частичен заряд и несподелена двойка електрони.
Като елемент Е може да бъде флуор, кислород и азот. Водородните връзки са много по-слаби, ако Е е хлор или сяра.
Примери за вещества с водородна връзка между молекулите: флуороводород, твърд или течен амоняк, етилов алкохол и много други.
В течния флуороводород неговите молекули са свързани чрез водородни връзки в доста дълги вериги, докато в течния и твърдия амоняк се образуват триизмерни мрежи.
По отношение на силата, водородната връзка е междинна между химическата връзка и други видове междумолекулни връзки. Моларната енергия на водородната връзка обикновено е в диапазона от 5 до 50 kJ/mol.
В твърда вода (тоест ледени кристали) всички водородни атоми са свързани с водород с кислородни атоми, като всеки кислороден атом образува две водородни връзки (използвайки и двете самотни двойки електрони). Такава структура прави леда по-„хлабав“ в сравнение с течната вода, където част от водородните връзки се разрушават и молекулите получават възможност да се „опаковат“ малко по-плътно. Тази особеност на структурата на леда обяснява защо, за разлика от повечето други вещества, водата в твърдо състояние има по-ниска плътност, отколкото в течно състояние. Водата достига максималната си плътност при 4 ° C - при тази температура се разрушават доста водородни връзки и термичното разширение все още не оказва много силен ефект върху плътността.
Водородните връзки са много важни в живота ни. Представете си за момент, че водородните връзки са престанали да се образуват. Ето някои последствия:
- водата при стайна температура ще стане газообразна, тъй като точката на кипене ще падне до около -80°C;
- всички резервоари ще започнат да замръзват от дъното, тъй като плътността на леда ще бъде по-голяма от плътността на течната вода;
- двойната спирала на ДНК ще престане да съществува и много повече.
Дадените примери са достатъчни, за да разберем, че в този случай природата на нашата планета би била напълно различна.
ВОДОРОДНА ВРЪЗКА, УСЛОВИЯ ЗА ОБРАЗУВАНЕТО й.
Формулата на етиловия алкохол е CH3-CH2-O-H. Между какви атоми на различни молекули на това вещество се образуват водородни връзки? Направете структурни формули, илюстриращи тяхното образуване.
2. Водородните връзки съществуват не само в отделни вещества, но и в разтвори. Покажете с помощта на структурни формули как се образуват водородни връзки във воден разтвор на а) амоняк, б) флуороводород, в) етанол (етилов алкохол). \u003d 2H 2 O.
И двете реакции протичат във вода постоянно и с еднаква скорост, следователно във водата има равновесие: 2H 2 O AN 3 O + OH.
Този баланс се нарича автопротолизно равновесиевода.
Директната реакция на този обратим процес е ендотермична, следователно при нагряване автопротолизата се увеличава, докато при стайна температура равновесието се измества наляво, тоест концентрациите на йони H 3 O и OH са незначителни. На какво са равни?
Според закона за масовите действия
Но поради факта, че броят на реагиралите водни молекули е незначителен в сравнение с общия брой водни молекули, можем да предположим, че концентрацията на вода по време на автопротолиза практически не се променя и 2 = const Такава ниска концентрация на противоположно заредени йони в чиста вода обяснява защо тази течност, макар и лошо, все пак провежда електрически ток.
АВТОПРОТОЛИЗА НА ВОДАТА, КОНСТАНТ НА АВТОПРОТОЛИЗА (ЙОНЕН ПРОДУКТ) НА ВОДАТА.
Йонният продукт на течния амоняк (точка на кипене -33 ° C) е 2 10 -28. Напишете уравнение за автопротолизата на амоняка. Определете концентрацията на амониеви йони в чист течен амоняк. Електрическата проводимост на кое от веществата е по-голяма, водата или течният амоняк?
1. Получаване на водород и неговото изгаряне (редуциращи свойства).
2. Получаване на кислород и изгаряне на вещества в него (окислителни свойства).
Водородът Н е най-разпространеният елемент във Вселената (около 75% от масата), на Земята е деветият най-разпространен елемент. Най-важното естествено водородно съединение е водата.
Водородът е на първо място в периодичната таблица (Z = 1). Той има най-простата структура на атома: ядрото на атома е 1 протон, заобиколено от електронен облак, състоящ се от 1 електрон.
При някои условия водородът проявява метални свойства (дарява електрон), при други - неметални (приема електрон).
В природата се срещат водородни изотопи: 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 лаборатория, може да бъде събран чрез въздушни или водни методи за изместване.
Получаване на водород
В лабораторията:
1. Действие на разредените киселини върху металите:
Zn +2HCl → ZnCl 2 +H 2
2. Взаимодействие на алкални и алкални метали с вода:
Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2
3. Хидролиза на хидриди: металните хидриди лесно се разлагат от вода с образуването на съответните алкали и водород:
NaH + H 2 O → NaOH + H 2
CaH 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2H 2
4. Действие 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 да се увеличи електрическата проводимост на водата, 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-евтино):
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 оксид (IV) се абсорбира от водата, като по този начин се получава 50% от промишления 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 метални 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 H 2 е по-енергийно стабилна от отделните й атоми. За да разбиете молекула на атоми в 1 мол водород, е необходимо да изразходвате енергия от 436 kJ: H 2 = 2H, ∆H ° = 436 kJ / mol
- Това обяснява относително ниската активност на молекулния водород при обикновена 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, а 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 H 2 и 1 обем O 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 на катализатора и при повишени температури и налягания:
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), тоест 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 оксид) е от голямо практическо значение, тъй като в зависимост от температурата, налягането и катализатора се образуват различни органични съединения, например HCHO, CH 3 OH и др.
9) Ненаситените въглеводороди реагират с водорода, превръщайки се в наситени:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2.
Кислородът е най-разпространеният елемент на Земята. Заедно с азота и малко количество други газове, свободният кислород образува земната атмосфера. Съдържанието му във въздуха е 20,95% по обем или 23,15% по маса. В земната кора 58% от атомите са атоми на свързан кислород (47% от масата). Кислородът е част от водата (запасите от свързан кислород в хидросферата са изключително големи), скалите, много минерали и соли и се намира в мазнините, протеините и въглехидратите, които изграждат живите организми. Почти целият свободен кислород на Земята се създава и съхранява в резултат на процеса на фотосинтеза.
физични свойства.
Кислородът е безцветен газ без вкус и мирис, малко по-тежък от въздуха. Той е слабо разтворим във вода (31 ml кислород се разтваря в 1 литър вода при 20 градуса), но все пак е по-добър от другите атмосферни газове, така че водата е обогатена с кислород. Плътността на кислорода при нормални условия е 1,429 g/l. При температура от -183 0 C и налягане от 101,325 kPa кислородът преминава в течно състояние. Течният кислород има синкав цвят, привлича се в магнитното поле и при -218,7 ° C образува сини кристали.
Естественият кислород има три изотопа O 16, O 17, O 18.
алотропия- способността на химичен елемент да съществува под формата на две или повече прости вещества, които се различават само по броя на атомите в молекулата или по структура.
Озон О 3 – съществува в горните слоеве на атмосферата на височина 20-25 км от земната повърхност и образува т. нар. „озонов слой”, който предпазва Земята от вредното ултравиолетово лъчение на Слънцето; бледо лилав, отровен газ в големи количества със специфична, остра, но приятна миризма. Точката на топене е -192,7 0 C, точката на кипене е -111,9 0 C. Нека се разтваря във вода по-добре от кислорода.
Озонът е силен окислител. Неговата окислителна активност се основава на способността на молекулата да се разлага с освобождаването на атомен кислород:
Той окислява много прости и сложни вещества. Той образува озониди с някои метали, например калиев озонид:
K + O 3 \u003d KO 3
Озонът се получава в специални устройства - озонатори. В тях, под действието на електрически разряд, молекулният кислород се превръща в озон:
Подобна реакция протича под действието на мълниеносни разряди.
Използването на озона се дължи на неговите силни окисляващи свойства: използва се за избелване на тъкани, дезинфекция на питейна вода и в медицината като дезинфектант.
Вдишването на озон в големи количества е вредно: дразни лигавиците на очите и дихателните органи.
Химични свойства.
При химични реакции с атоми на други елементи (с изключение на флуор) кислородът проявява изключително окислителни свойства.
Най-важното химично свойство е способността да образува оксиди с почти всички елементи. В същото време кислородът реагира директно с повечето вещества, особено при нагряване.
В резултат на тези реакции, като правило, се образуват оксиди, по-рядко пероксиди:
2Ca + O 2 \u003d 2CaO
2Ва + О 2 = 2ВаО
2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2
Кислородът не взаимодейства директно с халогени, злато, платина, техните оксиди се получават индиректно. При нагряване сярата, въглеродът, фосфорът изгарят в кислород.
Взаимодействието на кислорода с азота започва само при температура от 1200 0 C или при електрически разряд:
N 2 + O 2 \u003d 2NO
Кислородът се комбинира с водород, за да образува вода:
2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O
По време на тази реакция се отделя значително количество топлина.
Смес от два обема водород с един кислород експлодира при запалване; нарича се експлозивен газ.
Много метали в контакт с атмосферния кислород претърпяват разрушаване - корозия. Някои метали при нормални условия се окисляват само от повърхността (например алуминий, хром). Полученият оксиден филм предотвратява по-нататъшното взаимодействие.
4Al + 3O 2 \u003d 2Al 2 O 3
Сложните вещества при определени условия също взаимодействат с кислорода. В този случай се образуват оксиди, а в някои случаи оксиди и прости вещества.
CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O
H 2 S + O 2 \u003d 2SO 2 + 2H 2 O
4NH 3 + ZO 2 \u003d 2N 2 + 6H 2 O
4CH 3 NH 2 + 9O 2 = 4CO 2 + 2N 2 + 10H 2 O
При взаимодействие със сложни вещества кислородът действа като окислител. Важното му свойство се основава на окислителната активност на кислорода – способността да се поддържа изгаряневещества.
Кислородът също образува съединение с водород - водороден прекис H 2 O 2 - безцветна прозрачна течност с парещ стипчив вкус, силно разтворима във вода. Химически водородният прекис е много интересно съединение. Характерна е ниската му стабилност: когато стои, той бавно се разлага на вода и кислород:
H 2 O 2 \u003d H 2 O + O 2
Светлината, топлината, наличието на алкали, контактът с окислители или редуциращи агенти ускоряват процеса на разлагане. Степента на окисление на кислорода във водороден прекис = - 1, т.е. има междинна стойност между степента на окисление на кислорода във вода (-2) и в молекулния кислород (0), така че водородният пероксид проявява редокс двойственост. Окислителните свойства на водородния пероксид са много по-изразени от редуциращите и се проявяват в киселинни, алкални и неутрални среди.
H 2 O 2 + 2KI + H 2 SO 4 \u003d K 2 SO 4 + I 2 + 2H 2 O
§3. Уравнение на реакцията и как да го напишем
Взаимодействие водородС кислород, както установи сър Хенри Кавендиш, води до образуването на вода. Нека използваме този прост пример, за да научим как да пишем уравнения на химичните реакции.
Какво идва от водороди кислород, вече знаем:
H 2 + O 2 → H 2 O
Сега вземаме предвид, че атомите на химичните елементи в химичните реакции не изчезват и не се появяват от нищото, не се превръщат един в друг, а комбинирайте в нови комбинацииза образуване на нови молекули. Това означава, че в уравнението на химичната реакция на атомите от всеки тип трябва да има едно и също число предиреакции ( налявоот знака за равенство) и следкрая на реакцията ( на дясноот знака за равенство), както следва:
2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O
Ето какво е уравнение на реакцията - условен запис на протичаща химическа реакция с помощта на формули на вещества и коефициенти.
Това означава, че в горната реакция две бенки водородтрябва да реагира с с една бенка кислород, и резултатът ще бъде две бенки вода.
Взаимодействие водородС кислород- изобщо не е лесен процес. Това води до промяна в степените на окисление на тези елементи. За избор на коефициенти в такива уравнения обикновено се използва методът " електронен баланс".
Когато водата се образува от водород и кислород, това означава, че водородпромени степента на окисление от 0 преди +аз, а кислород- от 0 преди −II. В същото време няколко (н)електрони:
Тук служат електрони, даряващи водород редуциращ агенти електрони, приемащи кислород - окислител.
Окисляващи и редуциращи агенти
Сега нека видим как изглеждат процесите на даване и получаване на електрони поотделно. водород, след като се срещна с "разбойника" - кислорода, губи цялото си свойство - два електрона, а степента на окисление става равно на +аз:
H 2 0 − 2 д− = 2Н + I
Се случи уравнение на окислителна полуреакцияводород.
И бандитът кислород Около 2, взел последните електрони от злополучния водород, е много доволен от новото си окислително състояние -II:
O 2 + 4 д− = 2O −II
Това редукционно уравнение на полуреакциякислород.
Остава да добавим, че и "бандитът", и неговата "жертва" са загубили своята химическа идентичност и от прости вещества - газове с двуатомни молекули H 2и Около 2превърнати в компоненти на ново химическо вещество - вода H 2 O.
По-нататък ще спорим по следния начин: колко електрона е дал редукторът на окислителния бандит, толкова е получил той. Броят на електроните, дарени от редуктора, трябва да бъде равен на броя на електроните, приети от окислителя..
Значи имате нужда изравняване на броя на електронитев първата и втората полуреакции. В химията се приема следната условна форма на записване на уравненията на полуреакциите:
2 H 2 0 − 2 д− = 2Н + I |
|
1 O 2 0 + 4 д− = 2O −II |
Тук числата 2 и 1 вляво от къдравата скоба са фактори, които ще помогнат да се гарантира, че броят на дадените и получените електрони е равен. Отчитаме, че в уравненията на полуреакциите се отдават 2 електрона, а се приемат 4. За изравняване на броя на получените и дадените електрони се намират най-малкото общо кратно и допълнителни фактори. В нашия случай най-малкото общо кратно е 4. Допълнителните фактори ще бъдат 2 за водород (4: 2 = 2), а за кислород - 1 (4: 4 = 1)
Получените множители ще служат като коефициенти на бъдещото уравнение на реакцията:
2H 2 0 + O 2 0 \u003d 2H 2 + I O -II
водород окисленине само при среща кислород. Приблизително същият ефект върху водорода и флуор F2, халоген и прословутия "разбойник", и привидно безобиден азот N 2:
H 2 0 + F 2 0 = 2H + I F -I |
3H 2 0 + N 2 0 \u003d 2N -III H 3 + I |
Това води до флуороводород HFили амоняк NH3.
И в двете съединения степента на окисление водородстава равен +аз, защото той получава партньори в молекулата "алчни" за чуждо електронно добро, с висока електроотрицателност - флуор Фи азот н. В азотстойността на електроотрицателността се счита за равна на три конвенционални единици, а y флуоркато цяло най-високата електроотрицателност сред всички химични елементи е четири единици. Така че не е чудно, че оставят бедния водороден атом без никаква електронна среда.
Но водородможе би Възстанови- приемат електрони. Това се случва, ако в реакцията с него участват алкални метали или калций, в които електроотрицателността е по-малка от тази на водорода.
Нека да разгледаме какво е водород. Химичните свойства и производството на този неметал се изучават в курса по неорганична химия в училище. Именно този елемент оглавява периодичната система на Менделеев и следователно заслужава подробно описание.
Кратка информация за отваряне на елемент
Преди да разгледаме физичните и химичните свойства на водорода, нека да разберем как е открит този важен елемент.
Химиците, които са работили през шестнадесети и седемнадесети век, многократно споменават в своите писания горимия газ, който се отделя, когато киселините са изложени на активни метали. През втората половина на осемнадесети век Г. Кавендиш успява да събере и анализира този газ, давайки му името "запалим газ".
Физичните и химичните свойства на водорода по това време не са 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 „раждане на 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 би знаел, че водородът е неразделна част от водата.
В допълнение, този неметал се намира в животинските организми под формата на нуклеинови киселини, протеини, въглехидрати и мазнини. На нашата планета този елемент се среща в свободна форма доста рядко, може би само в природен и вулканичен газ.
Под формата на плазма водородът съставлява около половината от масата на звездите и Слънцето, а също така е част от междузвездния газ. Например, в свободна форма, както и под формата на метан, амоняк, този неметал присъства в комети и дори някои планети.
Физически свойства
Преди да разгледаме химичните свойства на водорода, отбелязваме, че при нормални условия това е газообразно вещество, по-леко от въздуха, имащо няколко изотопни форми. Той е почти неразтворим във вода и има висока топлопроводимост. Протиумът, 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 особеностите на неговата структура. Тази двуатомна молекула има ковалентна неполярна химична връзка. Образуването на атомен водород е възможно, 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 съединения, които този химичен елемент образува, той проявява 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 реакцията с активните метали, образувайки с тях съответните хидриди.
Водородът при обикновена температура не взаимодейства активно с други вещества, така че повечето от реакциите се извършват само след предварително загряване.
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 (повече от 550 градуса по Целзий) този процес е придружен от силен взрив.
Сред онези химични 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 чистият метал се изолира от железния нагар (смесен железен оксид). Този метод позволява ефективна обработка на метален скрап.
Синтезът на амоняк, който включва взаимодействието на водорода с атмосферния азот, също е търсен в съвременната химическа промишленост. Сред условията за възникване на това химическо взаимодействие отбелязваме налягането и температурата.
Заключение
Водородът е неактивно химическо вещество при нормални условия. С повишаване на температурата активността му се увеличава значително. Това вещество е търсено в органичния синтез. Например, чрез хидрогениране, кетоните могат да бъдат редуцирани до вторични алкохоли, а алдехидите могат да се превърнат в първични алкохоли. В допълнение, чрез хидрогениране, ненаситените въглеводороди от класовете етилен и ацетилен могат да бъдат превърнати в наситени съединения от метанова серия. Водородът с право се счита за просто вещество, търсено в съвременното химическо производство.
Зареждане...
