Водень

Водень – перший елемент Періодичної системи (1-й період, порядковий номер 1). Не має повній аналогії з іншими хімічними елементами і не належить ні до якої групи (в таблицях умовно поміщається в IA- та / або в VIIA-групу).

Атом водню найменший за розмірами і найлегший серед атомів всіх елементів. Електронна формула атома 1s1, характерні ступені окислення 0, + I і рідше – I. Стан HI вважається стійким (з’єднання з HI – сильні відновники).

Шкала ступенів окислення водню:

За електронегативності (2,10) водень займає проміжне положення між типовими металами і типовими неметалами. Проявляє амфотерні властивості – металеві та неметалеві. Входить до складу катіонів (катіони оксония Н3O + і амонію NH4 +, аквакатіону металів) і численних аніонів – кислих кислотних залишків (HS-, HCO3- і ін.).

Природний водень містить ізотоп 1Н – протий з домішкою стабільного ізотопу 2H (D) – дейтерію і слідами радіоактивного ізотопу 3Н (Т) – тритію (на Землі всього 2 кг тритію). У хімії символом Н у формулах речовин позначається міститься в них природна суміш ізотопів з переважанням ізотопу протий, а самі речовини розглядаються як майже ізотопночістие з’єднання протію.

Водень – найбільш поширений елемент в космосі (Сонце, великі планети Юпітер і Сатурн, зірки, міжзоряне середовище, туманності); до складу космічної матерії входить 63% Н, 36% Не і 1% всіх інших елементів.

У природі – третій за хімічною поширеності елемент (після О і Si), основа гідросфери. Зустрічається в хімічно зв’язаному вигляді (вода, живі організми, нафту, природний вугілля, мінерали), міститься у верхніх шарах атмосфери.

Водень Н2. Проста речовина. Безбарвний газ без запаху і смаку. Молекула містить ковалентну? -зв’язок Н – Н. Дуже легкий, термічно стійкий до 2000 ° C. Вельми мало розчинний у воді. Хемосорбіруется металами Fe, Ni, Pd, Pt, де знаходиться в атомному стані.

Водень Н2 може проявляти в одних умовах відновні властивості (частіше), в інших – окисні властивості (рідше):

відновник Н20 – 2е- = 2НI

окислювач Н20 + 2е- = 2Н-I

Сильний відновник при високих температурах, водень реагує з неметалами і оксидами малоактивних металів, виконує роль окислювача в реакціях з типовими металами:
Дуже високою відновною здатністю володіє атомарний водень Н0 (водень in statu nascendi, лат., – В момент виникнення), який отримують безпосередньо в зоні проведеної реакції (час життя Н0 0,5 с); наприклад, гранули магнію вносять в підкисленою розчин переманганата калію, протікають реакції:

а) утворення атомарного водню

Mg + 2Н + = Mg2 + + 2Н0

б) відновлення перманганат-іона атомарним воднем

5Н0 + 3H + + MnO4- = Mn2 + + 4Н2O

Інший приклад – відновлення нітробензолу в анілін (реакція Зініна):

а) Fe + 2Н + = Fe2 + + 2Н0

б) C6H5NO2 + 6Н0 = C6H5NH2 + 2Н2O

Отримати атомарний водень можна також пропусканням водню Н2 над нікелевим каталізатором.

Атомарний водень легко відновлює при кімнатній температурі досить стійкі з’єднання, наприклад KNO3 і O2:

2Н0 (Zn, разб. HCl) + KNO3 = KNO2 + H2O

2H0 (Zn, разб. HCl) + O2 = Н2O2

Аналогічно протікають реакції при використанні амфігенов (Zn, Al) у лужному середовищі:

а) Zn + 2OH- + 2H2O = [Zn (OH) 4] 2 + 2Н0

б) 8Н0 + KNO3 = NH3 ^ + КОН + 2Н2O (кип’ятіння)

Якісна реакція – згоряння зібраного в пробірку водню з «бавовною» («гримуча» суміш з повітрям при вмісті Н2 4-74% за об’ємом).

Застосовується водень як відновник і гидрируются агент в синтезі технічно важливих продуктів (рідкісні метали, NH3, НCl, органічні речовини).

Вода Н2О. Бінарне з’єднання. Безбарвна рідина (шар більше 5 м завтовшки забарвлений в блакитний колір), без смаку і запаху. Молекула має будову двічі незавершеного тетраедра [:: ОН2] (sр3-гібридизація). Летюча речовина, термічно стійке до 1000 ° C.

У звичайних умовах полярні молекули води утворюють між собою водневі зв’язки. Це обумовлює аномалію температур плавлення і кипіння води – вони значно вищі, ніж у її хімічних аналогів (H2S та інших). Затвердіння води в лід супроводжується збільшенням обсягу на 9%, т. Е. Лід легше рідкої води (друга аномалія води). Найбільшу щільність вода має не при 0 ° C, а при 4 ° C (третя аномалія води). Тверда вода (лід) легко переганяється.

Природна вода за ізотопним складом водню в основному 1Н2O з домішкою 1Н2НО і 2Н2O, за ізотопним складом кисню в основному Н216O з домішкою Н218O і Н217O. У малому ступені піддається дисоціації до Н +, або, точніше, до Н3O +, і ОН; дуже слабкий електроліт. Катіон оксония Н3O + має будову незавершеного тетраедра [: O (Н) 3] (sр3-гібридизація). Утворює кристалогідрати з багатьма солями, Аквакомплекси – з катіонами металів. Реагує з металами, неметалами, оксидами. Викликає електролітичноїдисоціації кислот, основ і солей, гидролизует багато бінарні сполуки і солі. Піддається електролізу в присутності сильних електролітів. Майже універсальний рідкий розчинник неорганічних речовин.

Для хімічних цілей природну воду очищають перегонкою (дистильована вода), для промислових цілей умягчают, усуваючи «тимчасову» і «постійну» жорсткість, або повністю обессолівают, пропускаючи через іоніти в кислотному Н + -форме і лужної ОН- – формі (іони солей осідають на ионитах, а іони Н + і ОН переходять у воду і взаємно нейтралізуються). Питну воду знезаражують хлоруванням (старий спосіб) або озонуванням (сучасний, але дорогий спосіб; озон не тільки окисляє шкідливі домішки подібно хлору, а й збільшує вміст розчиненого кисню).

Один з методів виявлення води заснований на переході у вологій атмосфері білого сульфату міді (II) CuSO4 в блакитний мідний купорос CuSO4 5Н2O.

Відома ізотопна різновид води – важка вода D2O (2Н2O); в природних водах масове відношення D2O: Н2О = 1: 6000.

Щільність, температури плавлення і кипіння важкої води вище, ніж у звичайної. Розчинність більшості речовин у важкій воді значно менше, ніж у звичайній воді. Вона отруйна, так як уповільнює біологічні процеси в живих організмах. Важка вода накопичується в залишку електроліту при багаторазовому електролізі води. Використовується як теплоносій і сповільнювач нейтронів в ядерних реакторах.

Гідрид кальцію СаН2. Бінарне з’єднання. Білий, має іонну будову Са2 + (Н) 2. При плавленні розкладається. Чутливий до кисню повітря. Сильний відновник, реагує з водою, кислотами. Застосовується як твердий джерело водню (1 кг СаН2 дає 1000 л Н2), осушувач газів і рідин, аналітичний реагент для кількісного визначення води в кристалогідратів.

...
ПОДІЛИТИСЯ: