ЧАСТИНА 2 НЕОРГАНІЧНА ХІМІЯ

Розділ IS-ЕЛЕМЕНТИ

ВОДЕНЬ І ЙОГО СПОЛУКИ

В результаті вивчення змісту цієї глави студент повинен: знати

  • • фізичні та хімічні властивості водню, пероксиду водню, води, способи їх отримання, біологічну роль і застосування в медицині і фармації;
  • • класифікацію природних і мінеральних вод;
  • • способи очищення води; вміти
  • • складати рівняння реакцій, що характеризують хімічні властивості молекулярного водню, води, пероксиду водню;
  • • здійснювати стехиометрические розрахунки за отриманими рівняннями; володіти
  • • методикою классіфіцікаціі мінеральної води;
  • • навичками складання рівнянь хімічних реакцій;
  • • методами вирішення розрахункових завдань але визначення складу розчину;
  • • технікою проведення пробіркових реакцій;
  • • навичками роботи з хімічним обладнанням і реактивами.

Водень

Перший хімічний елемент в Періодичній системі хімічних елементів - водень - займає в ній особливе положення. Електронна конфігурація атома водню - Is 1 - подібна конфігурації валентних електронів лужних металів, і як лужні метали, водень є відновником, проявляючи ступінь окислення (+1). Подібно елементів підгрупи вуглецю водень має наполовину заповнений зовнішній енергетичний рівень, а його перша енергія іонізації (1312 кДж / моль) близька до такої для вуглецю (тисяча вісімдесят шість кДж / моль). Для завершення зовнішнього енергетичного рівня атома водню не вистачає одного електрона, що обумовлює існування гідрид-іона Н і схожість з атомами галогенів.

Елемент водень існує у вигляді трьох ізотопів, кожен з яких має свою назву і істотно відрізняється за своїми фізичними і хімічними властивостями. Протій} Н, на частку якого припадає 99,985% всіх атомів, являє собою елементарну частинку - протон. Другий ізотоп 'jH, дейтерій, називають важким воднем. Для його позначення використовують символ D. У всіх водородсодержащих речовинах його домішка становить 0,015% від загального числа атомів. Третій ізотоп водню - радіо-

про

активний тритій t H (символ Т), що має період напіврозпаду 12,26 років, розпадається, випускаючи (3-частинку і утворюючи рідкісний, але стабільний ізотоп гелію

Дейтерій і тритій широко використовуються в ядерній техніці і вступають в реакцію термоядерного синтезу

Ця реакція є перспективним джерелом енергії, крім того вона протікає при вибуху водневої бомби.

Завдяки різним властивостям ізотопи водню використовують в якості міток, які можна відстежувати методами спектроскопії - інфрачервоної (ІК) або ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Наприклад, заміна атома водню на дейтерій дозволяє встановлювати структуру складних органічних молекул, а також використовується для встановлення механізмів хімічних і біохімічних процесів.

При нормальних умовах стійкою формою простого речовини є молекула Н 2 , або діводород. Молекула має високу енергію 71-зв'язку (436 кДж / моль) і малу довжину зв'язку (0,71 А). Ядерні спини атомів, що утворюють молекулу водню, можуть бути паралельними або антіпа- паралельно (не плутати з електронними спинами, які при утворенні молекули повинні бути антіпараллельни). У зв'язку з цим існує три варіанти водню: орто-водень (паралельні спини), пара -водород (антипаралельні спини) і нормальний водень (суміш 75% орто-водню і 25% пара-водню).

Водень є найпоширенішим елементом у Всесвіті, входячи до складу зірок і міжгалактичного газу. Вільного простого речовини водню в атмосфері Землі дуже мало. У невеликій кількості він знаходиться лише в верхніх шарах атмосфери, оскільки легко долає гравітаційне поле Землі. За змістом в земній корі елемент водень займає лише 9-е місце (1% по масі). Значна частина водню Землі пов'язана в воду, а також входить до складу переважної більшості органічних сполук.

Фізичні властивості. Водень - газ без смаку, запаху і кольору - найлегший зі всіх відомих речовин (в 14,4 рази легший за повітря) з щільністю 0,0899 г / л при 0 ° С і 1 атм, температурою плавлення -259 ° С і температурою кипіння -253 ° С. Молекули водню, завдяки своєму малому розміру, здатні дифундувати через багато матеріалів: гуму, скло, метали, що використовується при його очищенні. Водень мало розчинний у воді (2,1 обсягу в 100 об'ємах води при н.у.) і в інших розчинниках. Багато перехідні метали і їх сплави здатні оборотно поглинати велику кількість водню, який при цьому дисоціюють на атоми і займає порожнечі в кристалічній решітці металу. Так, один обсяг паладію здатний поглинути до 900 обсягів водню. Водень має дуже високу теплопровідність, порівнянну з теплопровідністю металів.

Водень - неметалл, проте ще в 1935 р Уінгер і Хунтінгтоном було висловлено припущення про можливість переходу водню в металевий стан при дуже високому тиску. На жаль, ведуться в цій галузі роботи поки нс увінчалися успіхом. Вважається, що в металевому стані водень знаходиться на Юпітері і Сатурні, а також в земному ядрі при надвисоких тисках, що створюються мантією.

Отримання. Як згадувалося вище, молекулярний водень практично не міститься в земній атмосфері або в підземних газових родовищах, проте його отримують у великих кількостях для виробничих потреб.

1. Основним промисловим способом отримання водню в даний час є газифікація твердого палива перегрітою водяною парою при 1000 ° С:

або каталітична конверсія природного газу з водяною парою при високій температурі в присутності нікелевого каталізатора (пароводяна конверсія метану, 1000 ° С):

Отриманий водень далі очищають від токсичного СО, проводячи його конверсію на железохромовом каталізаторі, а потім поглинаючи утворюється вуглекислий газ розчином карбонату калію або водою під тиском:

2. У промисловості чистий водень утворюється при електролізі води, що містить електроліти (Na 2 S0 4 ):

а також в якості побічного продукту при електролізі водних розчинів хлоридів, гідроксидів і інших з'єднань з діафрагмою, що розділяє катодного і анодное простір:

3. У лабораторії водень отримують при дії на цинк розчинів сірчаної або соляної кислот в апараті кіп:

при розчиненні алюмінію або кремнію в лугах:

при взаємодії гідридів лужних або лужноземельних металів з водою:

Хімічні властивості. Зв'язок Н-Н є однією з найміцніших a-зв'язків, термічна дисоціація якої настає при температурі вище 2000 ° С. Цим пояснюється те, що при кімнатній температурі водень мало реакционноспособен і повільно реагує з більшістю реагонгов. Взаємодія водню з галогенами і киснем протікає по радикальному механізму.

1. При кімнатній температурі водень реагує тільки з фтором, реакційна суміш вибухає навіть в темряві. З хлором і бромом реакція можлива при опроміненні ультрафіолетом, а реакція з йодом відбувається переважно в зворотному напрямку:

Взаємодія з хлором є прикладом неразветвленной ланцюгової реакції:

2. З киснем водень утворює вибухову суміш - гримучий газ, але реакція починається тільки при підпалюванні:

Вибух гримучого газу - приклад розгалуженого ланцюгового процесу, в якому ініціювання включає кілька стадій:

3. При пропущенні Н 2 через розплавлену сірку утворюється сірководень:

4. У присутності каталізатора водень оборотно реагує з азотом з утворенням аміаку:

5. При 450 ° С водень реагує з вуглецем, однак вихід метану не перевищує 20%:

З фосфором, бором і кремнієм водень безпосередньо не взаємодіє. Водневі сполуки цих елементів зазвичай отримують непрямим шляхом, наприклад:

У вищенаведених реакціях (1-5) водень є відновником і утворює ковалентні гідриди з більш-менш полярної зв'язком.

Властивості цих з'єднань, що мають молекулярну будову, визначаються характером елемента. Ковалентні гідриди можуть проявляти кислотні (НС1, H 2 S), амфотерні (Н 2 0) або основні властивості (NH 3 ) і будуть розглянуті далі.

6. У реакціях з лужними і лужноземельними металами водень виступає в якості окислювача, утворюючи при нагріванні іонні (солеобразние) гідриди, побудовані з аніонів Н "і катіонів металу:

Перехідні d- і / -метал утворюють металеві гідриди, за деякими властивостями (електро- і теплопровідності, магнітними властивостями) нагадують метали і часто мають Нестехіометричні склад.

7. Водень використовують в якості відновника при отриманні металів, оксидів і галогенідів в низьких ступенях окислення, причому чим вище температура реакції, тим активніше водень:

При 1000 ° С водень здатний відновлювати сульфати до сульфідів:

8. Водень реагує з багатьма органічними речовинами (реакції гідрування алкенів, алкінів, диенов, аренов, жирів, відновлення нітросполук, альдегідів і вуглеводів). Ці реакції докладно розглядаються в курсі органічної хімії.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >