Ціль заняття.На цьому занятті ви дізнаєтеся про, мабуть, найважливіші хімічні елементи для життя на землі – водень і кисень, дізнаєтеся про їх хімічні властивості, а також про фізичні властивості простих речовин, що ними утворюються, дізнаєтеся більше про роль кисню та водню в природі та житті людини.

Водень- Найпоширеніший елемент у Всесвіті. Кисень– найпоширеніший елемент Землі. Разом вони утворюють воду – речовину, яка становить понад половину маси людського тіла. Кисень - газ, необхідний нам для дихання, а без води ми не змогли б прожити й кількох днів, так що, без сумніву, можна вважати кисень і водень найважливішими хімічними елементами, необхідними для життя.

Будова атомів водню та кисню

Таким чином, водень виявляє неметалеві властивості. У природі водень зустрічається у вигляді трьох ізотопів, протию, дейтерію та тритію, ізотопи водню дуже сильно відрізняються один від одного за фізичними властивостями, тому їм навіть присвоєні індивідуальні символи.

Якщо ви не пам'ятаєте або не знаєте, що таке ізотопи, попрацюйте з матеріалами електронного ресурсу «Ізотопи як різновиди атомів одного хімічного елемента». У ньому ви дізнаєтеся, чим відрізняються один від одного ізотопи одного елемента, до чого призводить наявність декількох ізотопів одного елемента, а також познайомитеся з ізотопами декількох елементів.

Таким чином, можливі ступені окислення кисню обмежені значеннями від -2 до +2. Якщо кисень приймає два електрони (стаючи аніоном) або утворює два ковалентні зв'язки з менш електронегативними елементами, він переходить у ступінь окислення -2. Якщо кисень утворює один зв'язок з іншим атомом кисню, а другий з атомом менш негативного елемента, він переходить у ступінь окислення –1. Утворюючи два ковалентні зв'язки з фтором (єдиним елементом з вищим значенням електронегативності), кисень перетворюється на ступінь окислення +2. Утворюючи один зв'язок з іншим атомом кисню, а другий – з атомом фтору – +1. І нарешті, якщо кисень утворює один зв'язок із меншим електронегативним атомом, а другий – з фтором, він перебуватиме в ступені окислення 0.

Фізичні властивості водню та кисню, алотропія кисню

Водень– безбарвний газ без смаку та запаху. Дуже легкий (у 14,5 разів легший за повітря). Температура зрідження водню - -252,8 ° C - майже найнижча серед усіх газів (поступається тільки гелію). Рідкий і твердий водень дуже легкі безбарвні речовини.

Кисень– безбарвний газ без смаку та запаху, трохи важчий за повітря. При температурі -182,9 °C перетворюється на важку рідину блакитного кольору, при -218 °C твердне з утворенням кристалів синього кольору. Молекули кисню є парамагнітними, тобто кисень притягується магнітом. Кисень погано розчинний у воді.

На відміну від водню, що утворює молекули тільки одного типу, кисень виявляє алотропію і утворює молекули двох типів, тобто елемент кисень утворює дві прості речовини: кисень і озон.

Хімічні властивості та отримання простих речовин

Водень.

Зв'язок у молекулі водню – одинарний, проте це один із найміцніших одинарних зв'язків у природі, і щоб розірвати його необхідно витратити багато енергії, тому водень дуже малоактивний при кімнатній температурі, проте при підвищенні температури (або в присутності каталізатора) водень легко взаємодіє з багатьма простими та складними речовинами.

Водень з хімічної точки зору є типовим неметалом. Тобто він здатний взаємодіяти з активними металами з утворенням гідридів, де він виявляє ступінь окислення –1. З деякими металами (літій, кальцій) взаємодія протікає навіть за кімнатної температури, проте досить повільно, тому при синтезі гідридів використовують нагрівання:

,

.

Утворення гідридів прямою взаємодією простих речовин можливе лише для активних металів. Вже алюміній не взаємодіє з воднем безпосередньо, його гідрид отримують обмінними реакціями.

З неметалами водень також реагує тільки при нагріванні. Винятками є галогени хлор та бром, реакція з якими може бути індукована світлом:

.

Реакція з фтором також не вимагає нагрівання, вона протікає з вибухом навіть при сильному охолодженні та в абсолютній темряві.

Реакція з киснем протікає розгалуженим ланцюговим механізмом, тому швидкість реакції стрімко зростає, і в суміші кисню з воднем у співвідношенні 1:2 реакція протікає з вибухом (така суміш носить назву «гримучий газ»):

.

Реакція із сіркою протікає набагато спокійніше, практично без виділення тепла:

.

Реакції з азотом та йодом протікають оборотно:

,

.

Ця обставина дуже ускладнює отримання аміаку в промисловості: процес вимагає використання підвищеного тиску для змішування рівноваги у бік утворення аміаку. Йодоводень прямим синтезом не отримують, оскільки є кілька набагато зручніших способів його синтезу.

З малоактивними неметалами () водень безпосередньо не реагує, хоча його з'єднання з ними відомі.

У реакціях зі складними речовинами водень здебільшого виступає у ролі відновника. У розчинах водень може відновлювати малоактивні метали (розташовуються після водню в ряду напруг) з їх солей:

При нагріванні водень може відновлювати багато металів із їх оксидів. При цьому чим активніший метал, тим складніше його відновити і тим вища для цього потрібна температура:

.

Метали активніші, ніж цинк, практично неможливо відновити воднем.

Водень у лабораторії отримують взаємодією металів із сильними кислотами. Найчастіше використовують цинк та соляну кислоту:

Рідше використовується електроліз води у присутності сильних електролітів:

У промисловості водень отримують як побічний продукт при отриманні їдкого натру електроліз розчину хлориду натрію:

Крім того, водень одержують при переробці нафти.

Отримання водню фотолізом води – один із найбільш перспективних способів у майбутньому, проте на сьогоднішній момент промислове застосування цього методу важко.

Попрацюйте з матеріалами електронних освітніх ресурсів Лабораторна робота «Отримання та властивості водню» та Лабораторна робота «Відновлювальні властивості водню». Вивчіть принцип дії апарату Кіппа та апарату Кірюшкіна. Подумайте, у яких випадках зручніше використовувати апарат Кіппа, а в яких – Кирюшкіна. Які властивості виявляє водень у реакціях?

Кисень.

Зв'язок у молекулі кисню подвійний і дуже міцний. Тому кисень досить малоактивний за кімнатної температури. При нагріванні він, проте, починає виявляти сильні окисні властивості.

Кисень без нагрівання реагує з активними металами (лужними, лужноземельними та деякими лантаноїдами):

При нагріванні кисень взаємодіє з більшістю металів із утворенням оксидів:

,

,

.

Срібло та менш активні метали не окислюються киснем.

Кисень також реагує з більшістю неметалів з утворенням оксидів:

,

,

.

Взаємодія з азотом відбувається лише за дуже високих температур, близько 2000 °C.

З хлором, бромом та йодом кисень не реагує, хоча багато їх оксидів можна отримати непрямим шляхом.

Взаємодія кисню з фтором можна провести при пропущенні електричного розряду через суміш газів:

.

Фторид кисню (II) – нестійка сполука, легко розкладається і є дуже сильним окислювачем.

У розчинах кисень є сильним, хоч і повільним, окислювачем. Як правило, кисень сприяє переходу металів у вищі ступені окислення:

Присутність кисню часто дозволяє розчиняти в кислотах метали, розташовані відразу за воднем у ряді напруг:

При нагріванні кисень може окислювати нижчі оксиди металів:

.

Кисень у промисловості не отримують хімічними способами, його одержують із повітря перегонкою.

У лабораторії використовують реакції розкладання багатих на кисень сполук – нітратів, хлоратів, перманганатів при нагріванні:

Також можна отримати кисень при каталітичному розкладі перекису водню:

Крім того, для отримання кисню може використовуватися наведена реакція електролізу води.

Попрацюйте з матеріалами електронного освітнього ресурсу Лабораторна робота «Отримання кисню та його властивості».

Як називається метод збирання кисню, що використовується в лабораторній роботі? Які ще способи збирання газів існують і які з них підходять для збирання кисню?

Завдання 1. Перегляньте відеофрагмент «Розкладання перманганату калію при нагріванні».

Дайте відповідь на питання:

1. 1. Який із твердих продуктів реакції розчинний у воді?
   2. Який колір має розчин перманганату калію?
   3. Який колір має розчин калію манганату?

Напишіть рівняння реакцій, що протікають. Зрівняйте їх за допомогою методу електронного балансу.

Обговоріть виконання завдання з учителем на або у відеокімнаті.

Озон.

Молекула озону трихатомна і зв'язки в ній менш міцні, ніж у молекулі кисню, що призводить до більшої хімічної активності озону: озон легко окислює багато речовин у розчинах або сухому вигляді без нагрівання:

Озон здатний легко окислити оксид азоту(IV) до оксиду азоту(V), а оксид сірки(IV) до оксиду сірки(VI) без каталізатора:

Озон поступово розкладається з утворенням кисню:

Для отримання озону використовуються спеціальні прилади - озонатори, в яких через кисень пропускають розряд, що тліє.

У лабораторії для отримання незначних кількостей озону іноді використовують реакції розкладання перокосполук та деяких вищих оксидів при нагріванні:

Попрацюйте з матеріалами електронного освітнього ресурсу Лабораторна робота «Отримання озону та дослідження його властивостей».

Поясніть, чому розчин індиго знебарвлюється. Напишіть рівняння реакцій, що протікають при змішуванні розчинів нітрату свинцю та сульфіду натрію і при пропущенні через озвану озоновану повітря. Для реакції іонного обміну складіть іонні рівняння. Для окисно-відновної реакції складіть електронний баланс.

Обговоріть виконання завдання з учителем на або у відеокімнаті.

Хімічні властивості води

Для кращого ознайомлення з фізичними властивостями води та її значущістю попрацюйте з матеріалами електронних освітніх ресурсів «Аномальні властивості води» та «Вода – найважливіша рідина Землі».

Вода має величезну важливість для будь-яких живих організмів – по суті багато живих організмів складаються з води більш ніж наполовину. Вода одна із найбільш універсальних розчинників (при високих температурах і тисках її можливості як розчинника істотно зростають). З хімічної точки зору вода є оксидом водню, при цьому у водному розчині вона дисоціює (хоча і дуже мало) на катіони водню і гідроксид-аніони:

.

Вода взаємодіє з багатьма металами. З активними (лужними, лужноземельними та деякими лантаноїдами) вода реагує без нагрівання:

З менш активною взаємодія відбувається при нагріванні.

У періодичній системі водень розташовується у двох абсолютно протилежних за своїми властивостями групах елементів. Ця особливість роблять його унікальним. Водень не просто є елементом або речовиною, але також є складовою багатьох складних сполук, органогенним і біогенним елементом. Тому розглянемо його властивості та характеристики більш докладно.

Виділення пального газу у процесі взаємодії металів та кислот спостерігали ще у XVI столітті, тобто під час становлення хімії як науки. Відомий англійський вчений Генрі Кавендіш досліджував речовину, починаючи з 1766 року, і дав йому назву «горюче повітря». При спалюванні цей газ давав воду. На жаль, прихильність вченого теорії флогістона (гіпотетичної «надтонкої матерії») завадила йому дійти правильних висновків.

Французький хімік і дослідник природи А. Лавуазьє разом з інженером Ж. Менье і за допомогою спеціальних газометрів в 1783 р. провів синтез води, а після і її аналіз за допомогою розкладання водяної пари розпеченим залізом. Таким чином, вчені змогли дійти правильних висновків. Вони встановили, що "горюче повітря" не тільки входить до складу води, але і може бути отримане з неї.

У 1787 році Лавуазьє висунув припущення, що досліджуваний газ є простою речовиною і, відповідно, належить до первинних хімічних елементів. Він назвав його hydrogene (від грецьких слів hydor – вода + gennao – народжую), тобто «що народжує воду».

Російську назву «водень» у 1824 році запропонував хімік М. Соловйов. Визначення складу води ознаменувало кінець «теорії флогістону». На стику XVIII і XIX століть було встановлено, що атом водню дуже легкий (порівняно з атомами інших елементів) та його маса була прийнята за основну одиницю порівняння атомних мас, отримавши значення 1.

Фізичні властивості

Водень є найлегшим із усіх відомих науці речовин (він у 14,4 разів легший за повітря), його щільність становить 0,0899 г/л (1 атм, 0 °С). Даний матеріал плавиться (твердне) і кипить (скраплюється), відповідно, при -259,1 ° С і -252,8 ° С (тільки гелій має більш низькі t ° кипіння і плавлення).

Критична температура водню дуже низька (-240 ° С). Тому його зрідження - досить складний і витратний процес. Критичний тиск речовини - 12,8 кгс/см2, а критична щільність становить 0,0312 г/см3. Серед усіх газів водень має найбільшу теплопровідність: за 1 атм і 0 °С вона дорівнює 0,174 вт/(мхК).

Питома теплоємність речовини у тих самих умовах - 14,208 кДж/(кгхК) чи 3,394 кал/(гх°С). Даний елемент слабо розчинний у воді (близько 0,0182 мл/г при 1 атм і 20 °С), але добре - у більшості металів (Ni, Pt, Pa та інших), особливо в паладії (приблизно 850 об'ємів на один об'єм Pd ).

З останньою властивістю пов'язана його здатність дифундування, при цьому дифузія через вуглецевий сплав (наприклад, сталь) може супроводжуватися руйнуванням сплаву через взаємодію водню з вуглецем (цей процес називається декарбонізація). У рідкому стані речовина дуже легка (щільність - 0,0708 г/см³ при t° = -253 °С) і текуча (в'язкість - 13,8 спуаз у тих самих умовах).

У багатьох сполуках цей елемент виявляє валентність +1 (ступінь окислення), подібно до натрію та інших лужних металів. Зазвичай він розглядається як аналог цих металів. Відповідно він очолює І групу системи Менделєєва. У гідридах металів іон водню виявляє негативний заряд (ступінь окислення при цьому -1), тобто Na+H- має структуру, подібну до хлориду Na+Cl-. Відповідно до цього та деяких інших фактів (близькість фізичних властивостей елемента «H» і галогенів, здатність його заміщення галогенами в органічних сполуках) Hydrogene відносять до VII групи системи Менделєєва.

У звичайних умовах молекулярний водень має низьку активність, безпосередньо з'єднуючись тільки з найактивнішими з неметалів (з фтором і хлором, з останнім – на світлі). У свою чергу при нагріванні він взаємодіє з багатьма хімічними елементами.

Атомарний водень має підвищену хімічну активність (якщо порівнювати із молекулярним). З киснем він утворює воду за формулою:

Н₂ + ½О₂ = Н₂О,

виділяючи 285,937 кДж/моль тепла чи 68,3174 ккал/моль (25 °З, 1 атм). У нормальних температурних умовах реакція протікає досить повільно, а при t° >= 550 °З - неконтрольовано. Межі вибухонебезпечності суміші водень + кисень за обсягом становлять 4–94 % Н₂, а суміші водень + повітря – 4–74 % Н₂ (суміш із двох обсягів Н₂ та одного обсягу О₂ називають гримучим газом).

Цей елемент використовують для відновлення більшості металів, тому що він забирає кисень у оксидів:

Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4Н₂О,

CuO + H₂ = Cu + H₂O і т.д.

З різними галогенами водень утворює галогеноводороды, наприклад:

Н₂ + Cl₂ = 2НСl.

Однак при реакції з фтором водень вибухає (це відбувається і в темряві при -252 ° С), з бромом і хлором реагує тільки при нагріванні або освітленні, а з йодом - виключно при нагріванні. При взаємодії з азотом утворюється аміак, але лише на каталізаторі, при підвищених тисках та температурі:

ЗН₂ + N₂ = 2NН₃.

При нагріванні водень активно реагує із сіркою:

Н₂ + S = H₂S (сірководень),

і значно важче – з телуром чи селеном. З чистим вуглецем водень реагує без каталізатора, але за високих температур:

2Н₂ + С (аморфний) = СН₄ (метан).

Дана речовина безпосередньо реагує з деякими з металів (лужними, лужноземельними та іншими), утворюючи гідриди, наприклад:

Н₂ + 2Li = 2LiH.

Важливе практичне значення мають взаємодії водню та оксиду вуглецю (II). При цьому залежно від тиску, температури та каталізатора утворюються різні органічні сполуки: НСНО, СН₃ОН та ін. Ненасичені вуглеводні в процесі реакції переходять у насичені, наприклад:

З n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.

Водень та його сполуки грають у хімії виняткову роль. Він зумовлює кислотні властивості т.зв. протонних кислот, схильний утворювати з різними елементами водневий зв'язок, що надає значний вплив на властивості багатьох неорганічних та органічних сполук.

Одержання водню

Основними видами сировини для промислового виробництва цього елемента є гази нафтопереробки, природні горючі та коксові гази. Його також одержують із води за допомогою електролізу (у місцях з доступною електроенергією). Одним із найважливіших методів виробництва матеріалу з природного газу вважається каталітична взаємодія вуглеводнів, в основному метану, з водяною парою (т.з. конверсія). Наприклад:

СН₄ + H₂О = СО + ЗН₂.

Неповне окислення вуглеводнів киснем:

СН₄ + ½О₂ = СО + 2Н₂.

Синтезований оксид вуглецю (II) піддається конверсії:

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂.

Водень, що виробляється з природного газу, є найдешевшим.

Для електролізу води застосовується постійний струм, який пропускається через розчин NaOH або КОН (кислоти не використовують, щоб уникнути корозії апаратури). У лабораторних умовах матеріал одержують електролізом води або в результаті реакції між соляною кислотою та цинком. Однак найчастіше застосовують готовий заводський матеріал у балонах.

З газів нафтопереробки та коксового газу даний елемент виділяють шляхом видалення решти всіх компонентів газової суміші, так як вони легше зріджуються при глибокому охолодженні.

Промисловим чином цей матеріал почали одержувати ще наприкінці XVIII ст. Тоді його використовували для заповнення повітряних куль. На даний момент водень широко застосовують у промисловості, головним чином – у хімічній, для виробництва аміаку.

Масові споживачі речовини - виробники метилового та інших спиртів, синтетичного бензину та багатьох інших продуктів. Їх одержують синтезом з оксиду вуглецю (II) та водню. Hydrogene використовують для гідрогенізації важкого та твердого рідкого палива, жирів тощо, для синтезу HCl, гідроочищення нафтопродуктів, а також у різанні/зварюванні металів. Найважливішими елементами для атомної енергетики є його ізотопи – тритій та дейтерій.

Біологічна роль водню

Близько 10 % маси живих організмів (у середньому) посідає цей елемент. Він входить до складу води та найважливіших груп природних сполук, включаючи білки, нуклеїнові кислоти, ліпіди, вуглеводи. Навіщо він служить?

Цей матеріал відіграє вирішальну роль: за підтримки просторової структури білків (четвертинної), у здійсненні принципу компліментарності нуклеїнових кислот (тобто у реалізації та зберіганні генетичної інформації), взагалі у «впізнанні» на молекулярному рівні.

Іон водню Н+ бере участь у важливих динамічних реакціях/процесах в організмі. У тому числі: у біологічному окисленні, яке забезпечує живі клітини енергією, у реакціях біосинтезу, у фотосинтезі у рослин, у бактеріальному фотосинтезі та азотфіксації, у підтримці кислотно-лужного балансу та гомеостазу, у мембранних процесах транспорту. Поряд із вуглецем і киснем він утворює функціональну та структурну основи явищ життя.

10.1. Водень

Назва "водень" відноситься і до хімічного елемента, і до простої речовини. Елемент воденьскладається з атомів водню. Проста речовина воденьскладається із молекул водню.

а) Хімічний елемент водень

У ряді елементів порядковий номер водню – 1. У системі елементів водень перебуває у першому періоді в IA чи VIIA групі.

Водень – один із найпоширеніших елементів на Землі. Молярна частка атомів водню в атмосфері, гідросфері та літосфері Землі (все разом це називається земною корою) дорівнює 0,17. Він входить до складу води, багатьох мінералів, нафти, природного газу, рослин та тварин. У тілі людини у середньому міститься близько семи кілограмів водню.

Існують три ізотопи водню:
а) легкий водень - протий,
б) важкий водень - дейтерій(D),
в) надважкий водень - тритій(Т).

Тритій нестійкий (радіоактивний) ізотоп, у природі він мало зустрічається. Дейтерій стійкий, але дуже мало: w D = 0,015% (від маси всього земного водню). Тому атомна маса водню дуже мало відрізняється від 1 Дн (1,00794 Дн).

б) Атом водню

З попередніх розділів курсу хімії вам відомі такі характеристики атома водню:

Валентні можливості атома водню визначаються наявністю одного електрона єдиної валентної орбіталі. Велика енергія іонізації робить атом водню не схильний до віддачі електрона, а не надто висока енергія спорідненості до електрона призводить до незначної схильності його приймати. Отже, у хімічних системах утворення катіону Н неможливе, а сполуки з аніоном Н не надто стійкі. Таким чином, для атома водню найбільш характерним є утворення з іншими атомами ковалентного зв'язку за рахунок свого одного неспареного електрона. І у разі утворення аніону, і у разі утворення ковалентного зв'язку атом водню одновалентний.
У простій речовині ступінь окиснення атомів водню дорівнює нулю, у більшості сполук водень виявляє ступінь окиснення +I, і тільки в гідридах найменш електронегативних елементів у водню ступінь окиснення -I.
Відомості про валентні можливості атома водню наведені в таблиці 28. Валентний стан атома водню, пов'язаного одним ковалентним зв'язком з будь-яким атомом, у таблиці позначено символом "H-".

Таблиця 28Валентні можливості атома водню

Валентний стан				Приклади хімічних речовин
			I 0 -I	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 H 2 B 2 H 6 , SiH 4 , GeH 4
				NaH, KH, CaH 2 , BaH 2

в) Молекула водню

Двохатомна молекула водню Н 2 утворюється при зв'язуванні атомів водню єдиним можливим для них ковалентним зв'язком. Зв'язок утворюється за обмінним механізмом. За способом перекриття електронних хмар це s-зв'язок (рис. 10.1 а). Оскільки атоми однакові, зв'язок неполярний.

Межатомна відстань (точніше рівноважна міжатомна відстань, адже атоми коливаються) в молекулі водню r(H-H) = 0,74 A (рис.10.1 в), що значно менше від суми орбітальних радіусів (1,06 A). Отже, електронні хмари атомів, що зв'язуються, перекриваються глибоко (рис. 10.1 б), і зв'язок у молекулі водню міцний. Про це говорить і досить велике значення енергії зв'язку (454 кДж/моль).
Якщо охарактеризувати форму молекули граничною поверхнею (аналогічною граничній поверхні електронної хмари), то можна сказати, що молекула водню має форму трохи деформованої (витягнутої) кулі (рис. 10.1) г).

г) Водень (речовина)

За звичайних умов водень – газ без кольору та запаху. У невеликих кількостях він нетоксичний. Твердий водень плавиться при 14 К (-259 ° С), а рідкий водень кипить при 20 К (-253 ° С). Низькі температури плавлення та кипіння, дуже маленький температурний інтервал існування рідкого водню (всього 6 °С), а також невеликі значення молярних теплот плавлення (0,117 кДж/моль) та пароутворення (0,903 кДж/моль) говорять про те, що міжмолекулярні зв'язки у водні дуже слабкі.
Щільність водню r(Н2) = (2 г/моль):(22,4 л/моль) = 0,0893 г/л. Для порівняння: середня густина повітря дорівнює 1,29 г/л. Тобто водень у 14,5 рази "легший" за повітря. У воді він практично нерозчинний.
При кімнатній температурі водень є малоактивним, але при нагріванні реагує з багатьма речовинами. У цих реакціях атоми водню можуть як підвищувати, і знижувати свій рівень окислення: Н 2 + 2 е- = 2Н -I, Н 2 - 2 е- = 2Н + I .
У першому випадку водень є окислювачем, наприклад, у реакціях з натрієм або кальцієм: 2Na + H 2 = 2NaH, ( t) Ca + H 2 = CaH 2 . ( t)
Але найбільш характерні для водню відновлювальні властивості: O 2 + 2H 2 = 2H 2 O, ( t)
CuO + H 2 = Cu + H 2 O. ( t)
При нагріванні водень окислюється як киснем, а й деякими іншими неметалами, наприклад, фтором, хлором, сіркою і навіть азотом.
У лабораторії водень одержують у результаті реакції

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2.

Замість цинку можна використовувати залізо, алюміній та деякі інші метали, а замість сірчаної кислоти – деякі інші розведені кислоти. Водень, що утворюється, збирають у пробірку методом витіснення води (див. рис. 10.2 б) або просто в перевернуту колбу (рис. 10.2 а).

У промисловості у великих кількостях водень одержують із природного газу (в основному це метан) при взаємодії його з парами води при 800 °С у присутності нікелевого каталізатора:

CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 +CO 2 ( t, Ni)

або обробляють при високій температурі парами води вугілля:

2H 2 O + C = 2H 2 + CO 2 . ( t)

Чистий водень одержують із води, розкладаючи її електричним струмом (піддаючи електролізу):

2H 2 O = 2H 2 + O 2 (електроліз).

д) З'єднання водню

Гідриди (бінарні сполуки, що містять водень) поділяються на два основні типи:
а) леткі (молекулярні) гідриди,
б) солеподібні (іонні) гідриди.
Елементи IVА – VIIA груп та бор утворюють молекулярні гідриди. З них стійкі лише гідриди елементів, що утворюють неметали:

B 2 H 6; CH 4; NH 3; H 2 O; HF
SiH 4; PH 3; H 2 S; HCl
AsH 3; H 2 Se; HBr
H 2 Te; HI
За винятком води, всі ці сполуки за кімнатної температури – газоподібні речовини, звідси їх назва – "летючі гідриди".
Деякі з елементів, що утворюють неметали, входять до складу і складніших гідридів. Наприклад, вуглець утворює сполуки із загальними формулами C n H 2 n+2, C n H 2 n, C n H 2 n-2 та інші, де nможе бути дуже велике (ці сполуки вивчає органічна хімія).
До іонних гідридів відносяться гідриди лужних, лужноземельних елементів та магнію. Кристали цих гідридів складаються з аніонів Н і катіонів металу вищою мірою окислення Ме або Ме 2 (залежно від групи системи елементів).

LiH
NaH	MgH 2
KH	CaH 2
RbH	SrH 2
CsH	BaH 2

І іонні, і багато молекулярні гідриди (крім Н 2 Про і НF) є відновниками, але іонні гідриди виявляють відновлювальні властивості значно сильніше, ніж молекулярні.
Крім гідридів, водень входить до складу гідроксидів та деяких солей. З властивостями цих, складніших, сполук водню ви познайомитеся у наступних розділах.
Головними споживачами водню, що отримується в промисловості, є заводи з виробництва аміаку і азотних добрив, де аміак отримують безпосередньо з азоту і водню:

N 2 +3H 2 2NH 3 ( Р, t, Pt - каталізатор).

У великих кількостях водень використовують для отримання метилового спирту (метанолу) по реакції 2Н 2 + СО = СН 3 ВІН ( t, ZnO – каталізатор), а також у виробництві хлороводню, який отримують безпосередньо з хлору та водню:

H 2 + Cl 2 = 2HCl.

Іноді водень використовують у металургії як відновник при отриманні чистих металів, наприклад: Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.

1.З яких частинок складаються ядра а) протию, б) дейтерію, в) тритію?
2.Порівняйте енергію іонізації атома водню з енергією іонізації атомів інших елементів. До якого елемента за цією характеристикою водень найближчий?
3. Проробіть те саме для енергії спорідненості до електрона
4.Порівняйте напрямок поляризації ковалентного зв'язку та ступінь окислення водню в сполуках: а) BeH 2 ,CH 4 , NH 3 , H 2 O, HF; б) CH 4 SiH 4 GeH 4 .
5.Запишіть найпростішу, молекулярну, структурну та просторову формулу водню. Яка з них найчастіше використовується?
6. Часто кажуть: "Водень легший за повітря". Що під цим мається на увазі? У яких випадках цей вираз можна розуміти буквально, а в яких ні?
7.Складіть структурні формули гідридів калію та кальцію, а також аміаку, сірководню та бромоводню.
8. Знаючи молярні теплоти плавлення та пароутворення водню, визначте значення відповідних питомих величин.
9. Для кожної з чотирьох реакцій, що ілюструють основні хімічні властивості водню, складіть електронний баланс. Позначте окислювачі та відновники.
10.Визначте масу цинку, необхідного для одержання 4,48 л водню лабораторним способом.
11.Визначте масу та об'єм водню, який можна отримати з 30 м 3 суміші метану та парів води, взятих в об'ємному відношенні 1:2, при виході 80 %.
12.Складіть рівняння реакцій, що протікають при взаємодії водню а) зі фтором, б) із сіркою.
13.Наведені нижче схеми реакцій ілюструють основні хімічні властивості іонних гідридів:

а) MH + O 2 MOH ( t); б) MH + Cl 2 MCl + HCl ( t);
в) MH + H 2 O MOH + H 2; г) MH + HCl(p) MCl + H 2
Тут М – це літій, натрій, калій, рубідій чи цезій. Складіть рівняння відповідних реакцій, якщо М – натрій. Проілюструйте рівняння реакцій хімічні властивості гідриду кальцію.
14. Використовуючи метод електронного балансу, складіть рівняння наступних реакцій, що ілюструють відновлювальні властивості деяких молекулярних гідридів:
а) HI + Cl 2 HCl + I 2 ( t); б) NH 3 + O 2 H 2 O + N 2 ( t); в) CH 4 + O 2 H 2 O + CO 2 ( t).

10.2 Кисень

Як і у випадку водню, слово "кисень" є назвою і хімічного елемента, і простої речовини. Крім простої речовини кисень"(дикисень) хімічний елемент кисень утворює ще одну просту речовину, яка називається " озон"(Трикисень). Це алотропні модифікації кисню. Речовина кисень складається з молекул кисню O 2 а речовина озон складається з молекул озону O 3 .

а) Хімічний елемент кисень

У ряді елементів порядковий номер кисню – 8. У системі елементів кисень перебуває у другому періоді у VIA групі.
Кисень – найпоширеніший елемент Землі. У земній корі кожен другий атом - атом кисню, тобто молярна частка кисню в атмосфері, гідросфері та літосфері Землі - близько 50%. Кисень (речовина) – складова частина повітря. Об'ємна частка кисню повітря –21 %. Кисень (елемент) входить до складу води, багатьох мінералів, а також рослин та тварин. У тілі людини міститься у середньому 43 кг кисню.
Природний кисень складається з трьох ізотопів (16 Про, 17 Про і 18 Про), з яких найбільш поширений найлегший ізотоп 16 Про. Тому атомна маса кисню близька до 16 Дн (15,9994 Дн).

б) Атом кисню

Вам відомо наступні характеристики атома кисню.

Таблиця 29Валентні можливості атома кисню

Валентний стан				Приклади хімічних речовин
				Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 *
			-II -I 0 +I +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 O 2 ** O 2 F 2 OF 2
				NaOH, KOH, Ca(OH) 2 , Ba(OH) 2 Na 2 O 2 , K 2 O 2 , CaO 2 , BaO 2
				Li 2 O, Na 2 O, MgO, CaO, BaO, FeO, La 2 O 3

* Ці оксиди можна розглядати і як іонні сполуки.
** Атоми кисню в молекулі не перебувають у даному валентному стані; це лише приклад речовини зі ступенем окислення атомів кисню, що дорівнює нулю.
Велика енергія іонізації (як у водню) виключає утворення атома кисню простого катіону. Енергія спорідненості до електрона досить велика (майже вдвічі більше, ніж у водню), що забезпечує більшу схильність атома кисню до приєднання електронів і здатність утворювати аніони 2A. Але енергія спорідненості до електрона в атома кисню все ж таки менша, ніж у атомів галогенів і навіть інших елементів VIA групи. Тому аніони кисню ( оксид-іони) існують лише у сполуках кисню з елементами, атоми яких дуже легко віддають електрони.
Узагальнюючи два неспарені електрони, атом кисню може утворити два ковалентні зв'язки. Дві неподілені пари електронів через неможливість збудження можуть вступати лише у донорно-акцепторну взаємодію. Таким чином, без урахування кратності зв'язку та гібридизації атом кисню може перебувати в одному з п'яти валентних станів (табл. 29).
Найбільш характерний для атома кисню валентний стан з Wдо = 2, тобто утворення двох ковалентних зв'язків за рахунок двох неспарених електронів.
Дуже висока електронегативність атома кисню (вище - тільки у фтору) призводить до того, що в більшості своїх сполук кисень має ступінь окислення -II. Існують речовини, в яких кисень виявляє й інші значення ступеня окислення, деякі з них наведені в таблиці 29 як приклади, а порівняльна стійкість показана на рис. 10.3.

в) Молекула кисню

Експериментально встановлено, що двоатомна молекула кисню 2 містить два неспарені електрони. Використовуючи метод валентних зв'язків, таку електронну будову цієї молекули неможливо пояснити. Тим не менш, зв'язок у молекулі кисню близька за властивостями до ковалентного. Молекула кисню неполярна. Межатомна відстань ( r o–o = 1,21 (A = 121 нм) менше, ніж відстань між атомами, пов'язаними простим зв'язком. Молярна енергія зв'язку досить велика і становить 498 кДж/моль.

г) Кисень (речовина)

За звичайних умов кисень – газ без кольору та запаху. Твердий кисень плавиться при 55 К (-218 ° С), а рідкий кисень кипить при 90 К (-183 ° С).
Міжмолекулярні зв'язки у твердому та рідкому кисні дещо міцніші, ніж у водні, про що свідчить більший температурний інтервал існування рідкого кисню (36 °С) та більші, ніж у водню, молярні теплоти плавлення (0,446 кДж/моль) та пароутворення (6, 83 кДж/моль).
Кисень незначно розчинний у воді: при 0 ° С у 100 об'ємах води (рідкої!) Розчиняється всього 5 обсягів кисню (газу!).
Висока схильність атомів кисню до приєднання електронів і висока електронегативність призводять до того, що кисень виявляє лише окисні властивості. Ці властивості особливо яскраво виявляються за високої температури.
Кисень реагує з багатьма металами: 2Ca + O 2 = 2CaO, 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 ( t);
неметалами: C + O 2 = CO 2, P 4 + 5O 2 = P 4 O 10
та складними речовинами: CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O, 2H 2 S + 3O 2 = 2H 2 O + 2SO 2 .

Найчастіше в результаті таких реакцій виходять різні оксиди (див. гл. II § 5), але активні лужні метали, наприклад натрій, згоряючи, перетворюються на пероксиди:

2Na + O2 = Na2O2.

Структурна формула пероксиду натрію (Na ) 2 ( O-O ), що вийшов.
Тліюча лучинка, поміщена в кисень, спалахує. Це зручний та простий спосіб виявлення чистого кисню.
У промисловості кисень отримують з повітря шляхом ректифікації (складної розгонки), а в лабораторії - піддаючи термічного розкладання деякі кисневмісні сполуки, наприклад:
2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200 °С);
2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 (150 ° С, MnO 2 - каталізатор);
2KNO 3 = 2KNO 2 + 3O 2 (400 °С)
і, крім того, шляхом каталітичного розкладання пероксиду водню за кімнатної температури: 2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (MnO 2 –каталізатор).
Чистий кисень використовують у промисловості для інтенсифікації тих процесів, у яких відбувається окислення, та для створення високотемпературного полум'я. У ракетній техніці як окислювач використовується рідкий кисень.
Велике значення має кисень для підтримки життєдіяльності рослин, тварин та людини. У звичайних умовах людині достатньо дихання кисню повітря. Але в умовах, коли повітря не вистачає, або воно взагалі відсутнє (в літаках, при водолазних роботах, у космічних кораблях тощо), для дихання готують спеціальні газові суміші, що містять кисень. Застосовують кисень і в медицині при захворюваннях, що викликають утруднення дихання.

д) Озон та його молекули

Озон O3 – друга алотропна модифікація кисню.
Трихатомна молекула озону має кутову структуру, середню між двома структурами, що відображаються такими формулами:

Озон – темно-синій газ із різким запахом. Через свою сильну окислювальну активність він отруйний. Озон у півтора рази "важчий" кисню і трохи більше, ніж кисень, розчинний у воді.
Озон утворюється в атмосфері з кисню при електричних грозових розрядах:

3О 2 = 2О 3 ().

За нормальної температури озон повільно перетворюється на кисень, а при нагріванні цей процес протікає з вибухом.
Озон міститься в так званому "озоновому шарі" земної атмосфери, оберігаючи все живе Землі від шкідливого впливу сонячного випромінювання.
У деяких містах озон використовується замість хлору для дезінфекції (знезараження) питної води.

Зобразіть структурні формули наступних речовин: 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 . Назвіть ці речовини. Опишіть валентні стани атомів кисню у цих сполуках.
Визначте валентність та ступінь окислення кожного з атомів кисню.
2.Складіть рівняння реакцій згоряння в кисні літію, магнію, алюмінію, кремнію, червоного фосфору і селену (атоми селену окислюються до ступеня окиснення +IV, атоми інших елементів – до вищого ступеня окиснення). До яких класів оксидів належать продукти цих реакцій?
3. Скільки літрів озону можна отримати (за нормальних умов) а) з 9 л кисню, б) з 8 г кисню?

Вода – найпоширеніша у земній корі речовина. Маса земної води оцінюється у 10 18 тонн. Вода - основа гідросфери нашої планети, крім того, вона міститься в атмосфері, у вигляді льоду утворює полярні шапки Землі та високогірні льодовики, а також входить до складу різних гірських порід. Масова частка води в організмі людини становить близько 70 %.
Вода – єдина речовина, яка має у всіх трьох агрегатних станах свої особливі назви.

Електронна будова молекули води (рис. 10.4) а) нами було детально вивчено раніше (див. § 7.10).
Через полярність зв'язків О–Н та кутової форми молекула води є електричний диполь.

Для характеристики полярності електричного диполя використовується фізична величина, яка називається " електричний момент електричного диполяабо просто " дипольний момент".

У хімії дипольний момент вимірюють у дебаях: 1 Д = 3,34. 10 -30 Кл. м

У молекулі води – два полярні ковалентні зв'язки, тобто два електричні диполі, кожен з яких має свій дипольний момент (і ). Загальний дипольний момент молекули дорівнює векторній сумі цих двох моментів (рис. 10.5):

(Н 2 О) = ,

де q 1 та q 2 – часткові заряди (+) на атомах водню, а й – міжатомні відстані ПРО – Н у молекулі. Так як q 1 = q 2 = q, а , то

Експериментально певні дипольні моменти молекули води та деяких інших молекул наведено у таблиці.

Таблиця 30Дипольні моменти деяких полярних молекул

Молекула		Молекула		Молекула

Враховуючи дипольний характер молекули води, її часто схематично зображують так:
Чиста вода – безбарвна рідина без смаку та запаху. Деякі основні фізичні характеристики води наведено у таблиці.

Таблиця 31Деякі фізичні характеристики води

Великі значення молярних теплот плавлення та пароутворення (на порядок більше, ніж у водню та кисню) свідчать про те, що молекули води, як у твердій, так і рідкій речовині, досить міцно пов'язані між собою. Ці зв'язки називають " водневими зв'язками".

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ДИПОЛЬ, ДИПОЛЬНИЙ МОМЕНТ, ПОЛЯРНІСТЬ ЗВ'ЯЗКУ, ПОЛЯРНІСТЬ МОЛЕКУЛИ.
Скільки валентних електронів атома кисню бере участь в утворенні зв'язків у молекулі води?
2.При перекриванні яких орбіталей утворюються зв'язки між воднем і киснем у молекулі води?
3.Складіть схему утворення зв'язків у молекулі пероксиду водню H 2 O 2 . Що ви можете сказати про просторову будову цієї молекули?
4.Межатомні відстані в молекулах HF, HCl та HBr рівні, відповідно, 0,92; 1,28 та 1,41. Використовуючи таблицю дипольних моментів, розрахуйте та порівняйте між собою часткові заряди на атомах водню у цих молекулах.
5. Межатомні відстані S - H в молекулі сірководню рівні 1,34, а кут між зв'язками 92 °. Визначте значення часткових зарядів на атомах сірки та водню. Що ви можете сказати про гібридизацію валентних орбіталей атома сірки?

10.4. Водневий зв'язок

Як ви вже знаєте, через суттєву різницю в електронегативності водню і кисню (2,10 і 3,50) у атома водню в молекулі води виникає великий позитивний частковий заряд ( qгод = 0,33 е), а атома кисню – ще більший негативний частковий заряд ( qгод = -0,66 е). Згадаймо також, що атом кисню має дві неподілені пари електронів на sp 3-гібридних АТ. Атом водню однієї молекули води притягується до атома кисню іншої молекули, і, крім того, напівпорожня 1s-АТ атома водню частково акцептує пару електронів атома кисню. Внаслідок цих взаємодій між молекулами виникає особливий вид міжмолекулярних зв'язків – водневий зв'язок.
У разі води утворення водневого зв'язку може бути схематично представлено таким чином:

В останній структурній формулі трьома точками (пунктирний штрих, а не електрони!) Показано водневий зв'язок.

Водневий зв'язок існує не лише між молекулами води. Вона утворюється, якщо дотримуються дві умови:
1) у молекулі є сильно полярний зв'язок Н–Е (Е – символ атома досить електронегативного елемента),
2) у молекулі є атом Е з великим негативним частковим зарядом та неподіленою парою електронів.
Як елемент Е може бути фтор, кисень і азот. Суттєво слабші водневі зв'язки, якщо Е – хлор чи сірка.
Приклади речовин з водневим зв'язком між молекулами: фтороводород, твердий або рідкий аміак, етиловий спирт та багато інших.

У рідкому фтороводороді його молекули пов'язані водневими зв'язками в досить довгі ланцюги, а рідкому і твердому аміаку утворюються тривимірні сітки.
За міцністю водневий зв'язок – проміжний між хімічним зв'язком та іншими видами міжмолекулярних зв'язків. Молярна енергія водневого зв'язку зазвичай лежить у межах від 5 до 50 кДж/моль.
У твердій воді (тобто в кристалах льоду) всі атоми водню пов'язані водневими зв'язками з атомами кисню, причому кожен атом кисню утворює по два водневі зв'язки (використовуючи обидві неподілені пари електронів). Така структура робить лід більш "пухким" порівняно з рідкою водою, де частина водневих зв'язків виявляється розірваною, і молекули отримують можливість дещо щільніше "упаковуватися". Ця особливість структури льоду пояснює, чому, на відміну більшості інших речовин, вода у твердому стані має меншу щільність, ніж у рідкому. Максимальної щільності вода досягає при 4 ° С - при цій температурі рветься досить багато водневих зв'язків, а теплове розширення ще не дуже позначається на щільності.
Водневі зв'язки мають дуже велике значення у нашому житті. Уявімо на хвилину, що водневі зв'язки перестали утворюватися. Ось деякі наслідки:

• вода при кімнатній температурі стала б газоподібною, оскільки її температура кипіння знизилася до приблизно –80 °С;
• всі водоймища стали б промерзати з дна, оскільки щільність льоду була б більшою за щільність рідкої води;
• перестала б існувати подвійна спіраль ДНК та багато іншого.

Наведених прикладів достатньо, щоб зрозуміти, що в цьому випадку природа на нашій планеті стала б зовсім іншою.

Водневий зв'язок, УМОВИ ЇЇ ОСВІТИ.
Формула етилового спирту СН 3 -СН 2 -О-Н. Між якими атомами різних молекул цієї речовини утворюються водневі зв'язки? Складіть структурні формули, що ілюструють їх освіту.
2. Водневі зв'язки існують не тільки в індивідуальних речовинах, а й у розчинах. Покажіть за допомогою структурних формул, як утворюються водневі зв'язки у водному розчині а) аміаку; б) фтороводню; в) етанолу (етилового спирту). = 2Н2О.
Обидві ці реакції протікають у воді постійно і з рівною швидкістю, отже, у воді існує рівновага: 2Н 2 О AН 3 О + ВІН .
Ця рівновага називається рівновагою автопротолізуводи.

Пряма реакція цього оборотного процесу ендотермічна, тому при нагріванні автопротоліз посилюється, при кімнатній температурі рівновагу зсунуто вліво, тобто концентрація іонів Н 3 Про і ВІН мізерні. Чому вони рівні?
За законом діючих мас

Але через те, що кількість молекул води, що прореагували, порівняно із загальним числом молекул води незначна, можна вважати, що концентрація води при автопротолізі практично не змінюється, і 2 = const Така низька концентрація різноіменно заряджених іонів у чистій воді пояснює, чому ця рідина, хоч і погано, проте проводить електричний струм.

АВТОПРОТОЛІЗ ВОДИ, КОНСТАНТУ АВТОПРОТОЛІЗУ (ІОННИЙ ТВІР) ВОДИ.
Іонний добуток рідкого аміаку (температура кипіння –33 °С) дорівнює 2·10 –28 . Складіть рівняння автопротолізу аміаку. Визначте концентрацію іонів амонію в чистому рідкому аміаку. Електропровідність якої речовини більша, води чи рідкого аміаку?

1. Отримання водню та його горіння (відновлювальні властивості).
2. Отримання кисню та горіння речовин у ньому (окисні властивості).

Загальна та неорганічна хімія

Лекція 6. Водень та кисень. Вода. Перекис водню.

Водень

Атом водню – найпростіший об'єкт хімії. Строго кажучи, його іон протон ще простіше. Вперше описаний у 1766 р. Кавендішем. Назва від грецьк. "hydro genes" - породжує воду.

Радіус атома водню приблизно 0,5 * 10-10 м, а його іона (протона) - 1,2 * 10-15 м. Або від 50 пм до 1,2 * 10-3 пм або від 50 метрів (діагональ СХА ) До 1 мм.

Наступний 1s елемент – літій змінюється лише від 155 до 68 пм у Li+. Така різниця у розмірах атома та його катіону (5 порядків) унікальна.

Завдяки малому розміру протона здійснюється обмінна водневий зв'язок, Насамперед між атомами кисню, азоту і фтору. Міцність водневих зв'язків становить 10-40 кДж/моль, що значно менше енергії розриву більшості звичайних зв'язків (100-150 кДж/моль в органічних молекулах), але більше за середню кінетичну енергію теплового руху при 370 С (4 кДж/моль). У результаті живому організмі водневі зв'язки оборотно розриваються, забезпечуючи перебіг процесів життєдіяльності.

Водень плавиться при 14 К, кипить при 20,3 К (тиск 1 атм), щільність рідкого водню всього 71 г/л (у 14 разів легша за воду).

У розрідженому міжзоряному середовищі виявлено збуджені атоми водню з переходами аж до n 733 → 732 з довжиною хвилі 18 м, що відповідає борівському радіусу (r = n2 * 0,5 * 10-10 м) близько 0,1 мм (!).

Найпоширеніший елемент у космосі (88,6% атомів, 11,3% атомів посідає гелій, і лише 0,1% – атоми від інших елементів) .

4 H → 4 He + 26,7 МеВ 1 еВ = 96,48 кДж/моль

Оскільки протони мають спін 1/2, існують три варіанти молекул водню:

ортоводород про-Н2 з паралельними ядерними спинами, параводень п-Н2 з антипаралельнимиспинами та нормальний н-Н2 – суміш 75% орто-водню та 25% пара-водню. При перетворенні про-Н2 → п-Н2 виділяється 1418 Дж/моль.

Властивості орто- та параводню

Оскільки атомна маса водню – мінімально можлива, його ізотопи – дейтерій D (2 H) та тритій T (3 H) істотно відрізняються від протию 1 Н за фізичними та хімічними властивостями. Наприклад, заміна одного з водень в органічній сполукі на дейтерій помітно відбивається на його коливальному (інфрачервоному) спектрі, що дозволяє встановлювати структуру складних молекул. Подібні заміни ("метод мічених атомів") використовують також для встановлення складних механізмів.

хімічних та біохімічних процесів. Особливо чутливий метод мічених атомів при використанні замість протию радіоактивного тритію (β-розпад, період напіврозпаду 12,5 років).

Властивості протию та дейтерію

					Плотн., г/л (20 К)
Основний метод отримання воднюу промисловості – конверсія метану
або гідратація вугілля при 800-11000 С (каталізатор):
CH4 + H2 O = CO + 3 H2				вище 10000 С
"Водяний газ": C + H2 O = CO + H2
Потім конверсія CO: CO + H2 O = CO2 + H2						4000 C, оксиди кобальту

Сумарно: C + 2 H2 O = CO2 + 2 H2

Інші джерела водню.

Коксовий газ: близько 55% водню, 25% метану, до 2% важких вуглеводнів, 4-6%, 2% СО2, 10-12% азоту.

Водень як продукт горіння:

Si + Ca(OH)2 + 2 NaOH = Na2 SiO3 + CaO + 2 H2

На 1 кг піротехнічної суміші виділяється до 370 л водню.

Водень у вигляді простої речовини застосовують для виробництва аміаку та гідрування (затвердіння) рослинних жирів, для відновлення з оксидів деяких металів (молібден, вольфрам), для отримання гідридів (LiH, CaH2,

LiAlH4).

Ентальпія реакції: H. + H. = H2 становить -436 кДж/моль, тому атомарний водень використовується для отримання високотемпературного відновного «полум'я» («пальник Ленгмюра»). Струмінь водню в електричній дузі атомізується при 35000 С на 30%, потім при рекомбінації атомів вдається досягти 50000 С.

Зріджений водень використовується як паливо в ракетах (див. кисень). Перспективне екологічно чисте паливо наземного транспорту; йдуть експерименти щодо використання металгідридних акумуляторів водню. Наприклад, сплав LaNi5 може поглинути в 1,5-2 рази більше водню, ніж його міститься в такому обсязі (як обсяг сплаву) рідкого водню.

Кисень

Згідно з загальноприйнятими зараз даними, кисень відкритий в 1774 р. Дж. Прістлі і незалежно К. Шееле. Історія відкриття кисню – добрий приклад впливу парадигм в розвитку науки (див. Додаток 1).

Очевидно, насправді кисень був відкритий набагато раніше за офіційну дату. У 1620 р. будь-який бажаючий міг покататися Темзою (в Темзі) на підводному човні конструкції Корнеліуса ван Дреббеля. Човен рухався під водою завдяки зусиллям дюжини веслярів. За свідченнями численних очевидців, винахідник підводного човна успішно вирішив проблему дихання, освіжаючи повітря в ньому хімічним способом. Роберт Бойль писав у 1661 р.: “... Крім механічної конструкції човна, у винахідника був хімічний розчин (liquor), що він

вважав головним секретом підводного плавання. І коли час від часу він переконувався в тому, що придатна для дихання частина повітря вже витрачена і ускладнювала дихання людей, що перебувають у човні, він міг, розкупоривши наповнений цим розчином посудину, швидко заповнити повітря таким вмістом життєвих частин, які зробили б його знову придатним для дихання досить тривалий час”.

Здорова людина у спокійному стані за добу прокачує через свої легені близько 7200 л повітря, забираючи безповоротно 720 л кисню. У закритому приміщенні об'ємом 6 м3 може протриматися без вентиляції до 12 годин, а при фізичній роботі 3-4 години. Основна причина утруднення дихання – не брак кисню, а накопичення вуглекислого газуз 0,3 до 2,5%.

Довгий час основним методом отримання кисню був "барієвий" цикл (отримання кисню за методом Бріна):

BaSO4 -t-→ BaO + SO3;

5000 C ->

BaO + 0,5 O2 ====== BaO2<- 7000 C

Секретний розчин Дреббеля міг бути розчином пероксиду водню: BaO2 + H2 SO4 = BaSO4 ↓ + H2 O2

Одержання кисню при горінні пиросуміші: NaClO3 = NaCl + 1,5 O2 + 50,5 кДж

У суміші до 80% NaClO3, до 10% залізного порошку, 4% перекису барію та скловата.

Молекула кисню парамагнітна (практично - бірадикал), тому висока її активність. Органічні речовини повітря окислюються через стадію утворення пероксидів.

Кисень плавиться при 548 К, кипить при 902 К.

Алотропна модифікація елемента кисню – речовина озон O3. Надзвичайно важливим є біологічний озоновий захист Землі. На висоті 20-25 км встановлюється рівновага:

УФ<280 нм		УФ 280-320нм
O2 ----> 2 O*	O* + O2 + M --> O3	O3 -------	> O2 + O
	(M - N2, Ar)

У 1974 р. виявлено, що атомарний хлор, який утворюється з фреонів на висоті більше 25 км, каталізує розпад озону, ніби замінюючи "озоновий" ультрафіолет. Цей УФ здатний викликати рак шкіри (у США на рік до 600 тис. випадків). Заборона на фреони в аерозольних балонах діє США з 1978 р.

З 1990 р. до списку заборонених речовин (у 92 країнах) включено CH3 CCl3 , CCl4 , хлорбромвуглеводні – їх виробництво згортається до 2000 р .

Горіння водню у кисні

Реакція дуже складна (схема в лекції 3), тому на початок практичного застосування знадобилося тривале вивчення.

21 липня 1969 р. перший землянин - Н. Армстронг пройшовся по Місяцю. Ракетоносій "Сатурн-5" (конструктор - Вернер фон Браун) складається з трьох ступенів. У першій гас і кисень, у другій і третій – рідкі водень та кисень. Всього 468 т рідких O2 та H2. Здійснено 13 успішних запусків.

З квітня 1981 р. США здійснює польоти “Спейс шаттл”: 713 т рідких O2 і H2 , і навіть два твердопаливних прискорювача по 590 т (сумарна маса твердого палива 987 т). Перші 40 км підйом на ТТУ, від 40 до 113 км працюють двигуни на водні та кисні.

15 травня 1987 р. перший старт "Енергії", 15 листопада 1988 р. перший і єдиний політ "Бурана". Стартова маса 2400 т., маса палива (гасу в

бічних відсіках, рідких O2 та H2) 2000 т. Потужність двигунів 125000 МВт, корисний вантаж 105 т .

Не завжди горіння було керованим та вдалим.

У 1936 р. був збудований найбільший у світі водневий дирижабль LZ-129 "Гінденбург". Об'єм 200000 м3, довжина близько 250 м, діаметр 41,2 м. Швидкість 135 км/год завдяки 4 двигунам по 1100 к.с., корисне навантаження 88 т. Дирижабль здійснив 37 рейсів через Атлантику та перевіз понад 3 тис. пасажирів.

6 травня 1937 р. при причалюванні США дирижабль вибухнув і згорів. Одна з можливих причин – диверсія.

28 січня 1986 р. на 74-й секунді польоту вибухнув “Челленджер” із сімома космонавтами – 25-й рейс системи “Шаттл”. Причина – дефект твердопаливного прискорювача.

Демонстрація:

вибух гримучого газу (суміші водню з киснем)

Паливні елементи

Технічно важливий варіант цієї реакції горіння - поділ процесу на два:

електроокислення водню (анод): 2 H2 + 4 OH– - 4 e– = 4 H2 O

електровідновлення кисню (катод): O2 + 2 H2 O + 4 e– = 4 OH–

Система, у якій здійснюється таке "горіння" - паливний елемент. ККД набагато вищий, ніж у теплових електростанцій, оскільки відсутня

спеціальна стадія генерації теплоти. Максимальний ККД = ∆ G/∆ H; для горіння водню виходить 94%.

Ефект відомий з 1839, але перші практично працюючі ТЕ реалізовані

наприкінці XX століття в космосі ("Джеміні", "Аполлон", "Шаттл" - США, "Буран" - СРСР).

Перспективи паливних елементів [ 17 ]

Представник фірми Ballard Power Systems, виступаючи на науковій конференції у Вашингтоні, підкреслив, що комерційно виправданим двигун на паливних елементах стане, коли він буде відповідати чотирьом основним критеріям: зниження вартості енергії, що виробляється, підвищення довговічності, зменшення розмірів установки і можливості швидкого запуску в холодну погоду . Вартість одного кіловата енергії, виробленого установкою на паливних елементах, має знизитись до 30 доларів США. Для порівняння, 2004 року аналогічний показник становив 103 доларів, а 2005 очікується на рівні 80 доларів. Для досягнення цієї ціни необхідно випускати щонайменше 500 тисяч двигунів на рік. Європейські вчені обережніші в прогнозах і вважають, що комерційне використання паливних водневих елементів в автопромисловості розпочнеться не раніше 2020 року.

Водень H — найпоширеніший елемент у Всесвіті (близько 75 % за масою), Землі — дев'ятий за поширеністю. Найбільш важливою природною сполукою водню є вода.
Водень займає перше місце у періодичній системі (Z = 1). Він має найпростішу будову атома: ядро ​​атома – 1 протон, оточене електронною хмарою, що складається з 1 електрона.
В одних умовах водень виявляє металеві властивості (віддає електрон), в інших – неметалічні (приймає електрон).
У природі зустрічаються ізотопи водню: 1Н - протий (ядро складається з одного протону), 2Н - дейтерій (D - ядро ​​складається з одного протону та одного нейтрону), 3Н - тритій (Т - ядро ​​складається з одного протону та двох нейтронів).

Проста речовина водень

Молекула водню складається з двох атомів, пов'язаних між собою ковалентним неполярним зв'язком.
Фізичні властивості.Водень - безбарвний нетоксичний газ без запаху та смаку. Молекула водню не є полярною. Тому сили міжмолекулярної взаємодії у газоподібному водні малі. Це проявляється у низьких температурах кипіння (-252,6 0С) та плавлення (-259,2 0С).
Водень легший за повітря, D (по повітрю) = 0,069; незначно розчиняється у воді (у 100 об'ємах H2O розчиняється 2 об'єми H2). Тому водень при отриманні в лабораторії можна збирати методами витіснення повітря чи води.

Одержання водню

В лабораторії:

1.Дія розведених кислот на метали:
Zn +2HCl → ZnCl 2 +H 2

2.Взаємодія лужних та щ-з металів з водою:
Ca +2H 2 O → Ca(OH) 2 +H 2

3.Гідроліз гідридів: гідриди металів легко розкладаються водою з утворенням відповідного лугу та водню:
NaH + H 2 O → NaOH + H 2
СаH 2 + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + 2Н 2

4.Дія лугів на цинк чи алюміній чи кремній:
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. Електроліз води. Для збільшення електричної провідності води до неї додають електроліт, наприклад NаОН, Н 2 SO 4 або Na 2 SO 4 . На катоді утворюється 2 обсяги водню, аноді - 1 обсяг кисню.
2H 2 O → 2H 2 +О 2

Промислове одержання водню

1. Конверсія метану з водяною парою, Ni 800 °С (найдешевший):
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2

В сумі:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2

2. Пари води через розпечений кокс при 1000 про:
З + H 2 O → CO + H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2

Оксид вуглецю (IV), що утворюється, поглинається водою, цим способом отримують 50 % промислового водню.

3. Нагріванням метану до 350°С у присутності залізного або нікелевого каталізатора:
СH 4 → С + 2Н 2

4. Електроліз водних розчинів KCl або NaCl як побічний продукт:
2Н 2 Про + 2NaCl→ Cl 2 + H 2 + 2NaOH

Хімічні властивості водню

• У сполуках водень завжди одновалентний. Він характерна ступінь окислення +1, але у гідридах металів вона дорівнює -1.
• Молекула водню і двох атомів. Виникнення зв'язку з-поміж них пояснюється утворенням узагальненої пари електронів Н:Н чи Н 2
• Завдяки цьому узагальнення електронів молекула Н 2 більш енергетично стійка, ніж окремі атоми. Щоб розірвати в 1 моль водню молекули на атоми, необхідно витратити енергію 436 кДж: Н 2 = 2Н, ∆H° = 436 кДж/моль
• Цим пояснюється порівняно невелика активність молекулярного водню за нормальної температури.
• З багатьма неметалами водень утворює газоподібні сполуки типу RН 4 , RН 3 , RН 2 , RН.

1) З галогенами утворює галогеноводороди:
Н 2 + Cl 2 → 2НСl.
При цьому з фтором вибухає, з хлором і бромом реагує лише при освітленні або нагріванні, а з йодом тільки при нагріванні.

2) З киснем:
2Н 2 + О 2 → 2Н 2 О
із виділенням тепла. При нормальних температурах реакція протікає повільно, вище 550 ° С - з вибухом. Суміш 2 обсягів Н 2 і 1 обсягу 2 називається гримучим газом.

3) При нагріванні енергійно реагує із сіркою (значно важче з селеном та телуром):
Н 2 + S → H 2 S (сірководень),

4) З азотом з утворенням аміаку лише на каталізаторі та при підвищених температурах та тисках:
ДТ 2 + N 2 → 2NН 3

5) З вуглецем при високих температурах:
2Н 2 + С → СН 4 (метан)

6) З лужними та лужноземельними металами утворює гідриди (водень – окислювач):
Н 2 + 2Li → 2LiH
в гідридах металів іон водню заряджений негативно (ступінь окислення -1), тобто гідрид Na + H - побудований подібно до хлориду Na + Cl -

Зі складними речовинами:

7) З оксидами металів (використовується для відновлення металів):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4Н 2 О

8) з оксидом вуглецю (II):
CO + 2H 2 → CH 3 OH
Синтез - газ (суміш водню і чадного газу) має важливе практичне значення, т.к. залежно від температури, тиску і каталізатора утворюються різні органічні сполуки, наприклад НСНО, СН 3 ВІН та інші.

9) Ненасичені вуглеводні реагують з воднем, переходячи в насичені:
З n Н 2n + Н 2 → З n Н 2n+2 .