Гідроген, його прості та складні речовини  

Гідроген, його прості та складні речовини

12

Розділ 1

Гідроген та оксиген. Властивості їх простих і складних речовин

Розгляд цих хімічних елементів в одному розділі зумовлено тим, з одного боку, що своїми властивостями і будовою атомів вони значно відрізняються від хімічних елементів тих груп, куди вони входять, з другого боку, більшість неорганічних та органічних сполук ), всі гідрати (гідроксиди) різних оксидів тощо є сполуками атомів гідрогену і оксигену. Обидва ці хімічні елементи належать до біоелементів – органогенів.

Гідроген, його прості та складні речовини

Загальна характеристика. Гідроген – s-елемент ІА групи Періодичної системи хімічних елементів. Електронна структура (конфігурація) атома гідрогену в нормальному стані . Тому його відносять до s-елементів, бо він є частково аналогом лужних металів. Як і атоми лужних металів атом гідрогену може віддавати один електрон, утворюючи позитивно заряджений іон , який на відміну від катіонів лужних металів, є досить активним акцептором електронної пари, тому у водних розчинах уже в момент його виникнення утворює комплексний іон . Це може відбуватися у будь-якому розчиннику, молекули якого є донорами електронної пари. Зауважимо, що іон (або інший подібний іон) може легко перебувати у комплексному іоні, з другого боку, вільно переміщується як протон по всьому розчину.

Крім того, атом гідрогену у гідридах лужних та лужноземельних металів подібно до атомів галогенів, приєднавши один електрон, перетворюється в негативно заряджений іон , в якому його ступінь окиснення дорівнює -1. Проста речовина дигідроген (молекулярний водень) має такий же склад, як і молекули галегонів , але енергія зв’язку в молекулі водню в декілька разів більша, ніж у молекулах галогенів.

Зауважимо, що атом гідрогену суттєво відрізняється від атомів лужних металів та атомів галогенів тим, що у нього відсутній внутрішній електронний шар. Це зумовлює легку проникність атомів гідрогену за високих температур, а іонів (протонів) у водних розчинах через металеві, кварцові та скляні мембрани. Саме відсутність у атомів гідрогену внутрішнього електронного шару, а у катіона гідрогену – електронів взагалі, дозволяє йому у сполуках з флуором, оксигеном та нітрогеном утворювати водневі зв’язки, що не притаманно атомам всіх інших хімічних елементів.

І хоча згідно з теорією метода валентних зв’язків атом гідрогену має один валентний електрон і одну валентну орбіталь , тобто може утворювати один -зв'язок, все ж в іоні ( ) атом гідрогену продукує ще один досить міцний водневий зв'язок. А в молекулі атом гідрогену бере участь в утворенні двох зв’язків із двома атомами бору. Тобто один електрон та орбіталь атома гідрогену та один електрон одного атома бору, та дві орбіталі різних атомів бору беруть участь в утворенні зв’язку за рахунок однієї електронної пари між трьома атомами.



Зауважимо, що для гідрогену в Періодичній системі хімічних елементів повні аналоги відсутні.

Отже, очевидно, що атоми гідрогену мають унікальні властивості, тому цей хімічний елемент, його прості та складні речовини необхідно розглянути окремо.

Поширення у природі. Гідроген як хімічний елемент у природі існує у вигляді трьох ізотопів – протію , дейтерію , тритію . Ядро атома протію (нуклід) складається з одного протона, якого з однаковим правом можна назвати як нуклоном, так і нуклідом гідрогену (протію).

Ядро атома дейтерію (нуклід) складається з двох нуклонів – одного протона і одного нейтрона.

Співвідношення числа атомів (нуклідів) цих ізотопів у земній корі таке: на 5000 атомів протію приблизно один атом дейтерію . В досить мізерних кількостях – порядку одного атома на 1018 атомів (протію) – до них примішаний радіоактивний ізотоп гідрогену (тритій), середня протяжність існування нуклідів якого складає 18 років.

Завдяки різній кількісній перевазі протію над двома іншими ізотопами можна вважати у першому наближенні, що природній гідроген складається із атомів (нуклідів) (протію).

Якщо говорити не тільки про земну кору, а й про Всесвіт, то гідроген є найбільш поширеним хімічним елементом. Масові та молярні частки його нуклідів переважають масові та молярні частки нуклідів усіх інших хімічних елементів. У земній корі, включаючи атмосферу, гідросферу і літосферу, його масова частка становить 0,15%, а молярна частка атомів гідрогену – 3,0%.

У вільному стані за природних умов Землі гідроген (моногідроген та дигідроген ) майже відсутній. Дигідроген міститься у вулканічних газах, порівняно незначні кількості водню (дигідрогену) утворюються під час розкладу органічних речовин під дією деяких бактерій. Дуже розріджена атмосфера землі на висотах понад 100 км складається переважно з атомів гідрогену (моногідрогену) й має в основному неземне походження. Ще у високих шарах атмосфери він реагує з киснем і потрапляє на поверхню Землі у вигляді води.

В організмі людини в залежності від віку масова частка води змінюється від 80% до 60-55%. У тілі новонародженої дитини становить 80%, у дорослих чоловіків – 60%, організм жінки містить 55% води. У вигляді води та органічних сполук в організмі людини масою 70 кг міститься близько 7 кг (3500 моль) атомів (нуклідів) гідрогену.

Вода займає більшу частину поверхні земної кулі, перебуваючи на ній у трьох агрегатних станах: твердому, рідкому та газоподібному (газуватому). Крім того, значні маси води входять також до складу речовин органічного походження рослинного і тваринного світу: нафти, природного газу, вугілля тощо.

Фізичні властивості. Водень (дигідроген) - безбарвний газ, який не має запаху. Його температура плавлення дорівнює -259oC, а температура кипіння - -253oC. За кімнатної температури 2 об’єми водню (дигідрогену) розчиняються в 1000 об’ємах води.

Йому притаманна висока розчинність (абсорбція) в деяких металах: . Навпаки, деякі інші метали, наприклад , його практично не розчиняють. Разом з тим здатність водню за високих температур проникати через нагріті металеві частини апаратури створюють значні технічні труднощі при роботі з ним за високих температур та тиску.

Добування. Сировинна база для добування водню (дигідрогену) практично необмежена. Переважна більшість способів одержання водню ґрунтується на його заміщенні у сполуках або термічному розкладі вуглеводнів тощо. Наводимо декілька прикладів одержання водню у промисловості:

1. Відновлення води вугіллям. За температури понад 1000oC водяна пара взаємодіє з розжареним коксом:

.

2. За температури коксування кам’яного вугілля відбувається розклад (піроліз) вуглеводнів, що містяться в ньому, з утворенням значної кількості водню.

3. Застарілий спосіб добування водню, який історично є першим способом добування водню – залізопаровий спосіб:

.

Він досить довго залишався основним промисловим способом добування водню, але з часом йому на зміну прийшли більш дешеві та зручні способи.

4. Для добування аміаку водень одержують за реакцією високотемпературної взаємодії метану з водяною парою та киснем:

.

Оскільки реакція ендотермічна і потребує затрати теплоти, то використовують «внутрішнє згоряння», для чого до суміші додають кисень, щоб спалити частину метану. Об’єми газів, що змішують, розраховують за приведеним вище рівнянням реакції.

5. Електрохімічний розклад води (електроліз води). Використовують, як правило, лужні розчини. При цьому на електродах, які виготовляють із нікелю, відбуваються такі процеси:

Катод: ;

Анод: .

Сумарно процес електролізу можна записати так:

.

Водень, одержаний за цим способом, досить чистий. Його використовуються для гідрогенізації жирів, а також інших речовин.

В лабораторних умовах для одержання водню можна використовувати такі реакції:

;

;

;

;

.

Зауважимо, що натрій дигідрогенсилікат в результаті поліконденсації іонів перетворюється в різні полісилікатні іони, які спрощено записують або просто , а сіль - , де - наближена емпірична формула.

Хімічні властивості. Атом гідрогену в основному стані має електронну структуру (конфігурацію) , яка є найпростішою у порівнянні з електронними структурами атомів інших хімічних елементів. Наявність у нього одного валентного електрона і однієї валентної орбіталі згідно з методом валентних зв’язків дозволяє йому з будь-якими атомами інших хімічних елементів утворювати тільки один -зв'язок бути одновалентним. У сполуках атом гідрогену може утворювати неполярні ковалентні зв’язки , коли електронегативності досить близькі або однакові , тоді ступінь окиснення атома гідрогену дорівнює нулю. Якщо при утворенні полярного ковалентного зв’язку спільна електронна пара зміщена у бік іншого атома , то ступінь окиснення атома гідрогену дорівнює +1. За умови, що спільна електронна пара зміщена у бік атома гідрогену (протона) - - то ступінь окиснення атома гідрогену дорівнює -1. У випадку гідридів лужних і лужноземельних металів зв'язок іонний. Гідроген існує у вигляді аніона .

За методом молекулярних орбіталей, де відсутнє поняття «ковалентність», а існує поняття «кратність зв’язку», кратність зв’язку у атома гідрогену в молекулі дорівнює 1, в катіоні – 0,5, в аніоні – 0,5. Обидва іони менш стійкі, ніж молекула . Вони можуть утворюватись у проміжних стадіях реакцій

Перш ніж розглядати хімічні властивості гідрогену зазначимо, що атомарний водень (моногідроген) більш активний, ніж молекулярний водень (дигідроген).

У реакціях з найактивнішими металами молекулярний водень веде себе як окисник, приєднує електрони і перетворюється в негативно заряджені гідрид-іони . Ці реакції відбуваються при нагріванні реагентів:

;

.

Гідрид- іон порівняно з атомом гідрогену має досить великі розміри, його іонний радіус (1,36∙10-10 м) перевищує іонний радіус флуору (1,33∙10-10 м).

Гідриди одержують непрямим шляхом. Наприклад: ; реакція відбувається в діетиловому ефірі. При надлишку утворюється комплекс: , який широко застосовують в органічній хімії як один з найактивніших відновників.

Найхарактернішими для молекулярного водню (дигідрогену) є відновні властивості. Вони проявляються переважно щодо неметалів і деяких оксидів.

За звичайних умов молекулярний водень малоактивний. Лише зі флуором він взаємодіє з вибухом за будь-яких умов: , тобто реакція відбувається за ланцюговим механізмом.

З хлором водень реагує при освітленні або нагріванні. Реакція також відбувається за ланцюговим механізмом: .

Взаємодія йоду з воднем протікає при нагріванні з утворенням активованих комплексів, крім того, оборотно:

.

Реакція брому з воднем в залежності від умов може відбуватися, як з утворенням активованих комплексів, так і за ланцюговим механізмом:

.

Реакція водню з киснем (диоксигеном) відбувається при нагріванні і за ланцюговим механізмом:

.

З азотом і вугіллям водень реагує лише за нагрівання, високого тиску і присутності каталізатора:

;

.

З багатьма неметалами водень (дигідроген) безпосередньо практично не сполучається, тому ці сполуки одержують непрямим способом. Наприклад:

;

.

Відновні властивості водню виражені слабко, вони посилюються при високих температурах:

;

;

.

Відновні властивості атомарного гідрогену (моногідрогену) значно сильніші. Вже за звичайної температури він реагує з деякими оксидами:

;

.

Спільними для всіх типів гідрогенних бінарних сполук з іншими хімічними елементами є зменшення термічної стійкості аналогічних за складом речовин у групі Періодичної системи хімічних елементів згори вниз. У цьому самому напрямку зростає їхня відновна здатність. Наприклад: молекула більш стійка, ніж ; молекула більш стійка, ніж тощо.

Застосування. Водень (дигідроген) застосовують у величезних кількостях для виробництва аміаку, синтезу різноманітних органічних речовин. Його використовують також для відновлення деяких оксидів. В ядерній енергетиці для проведення ядерних реакцій використовують ізотопи гідрогену – тритій і дейтерій.

Гідроген – основа хімічної технології та енергетики майбутнього.

Контрольні запитання, вправи та задачі для самостійної роботи

1. Вказати число нуклонів у ядрах атомів (нуклідів) протію , дейтерію , тритію .

2. Вказати число протонів у ядрах атомів (нуклідів) протію , дейтерію , тритію .

3. Вказати число нейтронів у ядрах атомів (нуклідів) протію , дейтерію , тритію .

4. Яка кратність зв’язку у: , , ?

5. Навести приклади іонного, ковалентного полярного та неполярного зв’язків у бінарних сполуках гідрогену.

6. В яких молекулах чи макромолекулах може проявлятись водневий зв'язок?

7. Чому саме атом гідрогену здатний утворювати водневий зв'язок?

8. Яка частинка найстійкіша: , , ?

9. Хімічно більш активний моногідроген чи дигідроген ?

10. Чи може утворити у сполуці атом гідрогену зв'язок?

11. Вказати ступені окиснення гідрогену у таких сполуках:

12. Написати рівняння таких перетворень:

а) ;

б) .

13. Навести приклади добування водню у промисловості.

14. Навести приклади добування водню у лабораторії.

15. Обчислити об’єм водню за умови , , який утвориться при взаємодії 10 г цинку з надлишком соляної (хлоридної) кислоти .

16. Обчислити об’єм водню за умови , , який потрібно для відновлення 20 г купрум (ІІ) оксиду. .

17. Який ступінь окиснення має гідроген у всіх органічних сполуках організму людини?

18. Чи можуть ядра (нукліди) протію брати участь у передачі нервового імпульсу у нервовій тканині?


7455059525369526.html
7455101289184867.html
    PR.RU™