Водень хімія. водень

Будова і фізичні властивості воднюВодень - двоатомний газ Н2. Він не має ні кольору, ні запаху. Це найлегший газ. Завдяки цій властивості він використовувався в аеростатах, дирижаблях і тому подібних пристроях, проте широкого застосування водню в цих цілях заважає його вибухонебезпечність в суміші з повітрям.

Молекули водню неполярні і дуже маленькі, тому взаємодія між ними мало. У зв'язку з цим він має дуже низькі температури плавлення (-259оС) і кипіння (-253оС). Водень практично не розчиняється у воді.

Водень має 3 ізотопи: звичайний 1Н, дейтерій 2H або D, і радіоактивний тритій 3Н або Т. Важкі ізотопи водню унікальні тим, що важче звичайного водню в 2 або навіть в 3 рази! Саме тому заміна звичайного водню на дейтерій або тритій помітно позначається на властивостях речовини (так, температури кипіння звичайного водню Н2 і дейтерію D2 різняться на 3,2 градуса). Взаємодія водню з простими речовинами Водень - неметалл среднейелектроотріцательності. Тому йому притаманні і окисні, і відновні властивості.

Окисні властивості водню виявляються в реакціях з типовими металами - елементами головних підгруп I-II групи таблиці Менделєєва. Найактивніші метали (лужні і лужноземельні) при нагріванні з воднем дають гідриди - тверді солеобразние речовини, що містять в кристалічній решітці гідрид-іон Н. 2Na + Н2 \u003d 2NaН ; Са + Н2 \u003d СаН2 Відновлювальні властивості водню виявляються в реакціях з більш типовими неметалами, ніж водень: 1) Взаємодія з галогенами H2 + F2 \u003d 2HF

Аналогічно протікає взаємодія з аналогами фтору - хлором, бромом, йодом. У міру зменшення активності галогену інтенсивність протікання реакції зменшується. Реакція з фтором відбувається при звичайних умовах з вибухом, для реакції з хлором потрібно освітлення або нагрівання, а реакція з йодом протікає лише при сильному нагріванні і оборотно. 2) Взаємодія з киснем2Н2 + О2 \u003d 2Н2О Реакція протікає з великим виділенням тепла, іноді з вибухом. 3) Взаємодія з сіркою Н2 + S \u003d H2S Сірка - набагато менш активний неметалл, ніж кисень, і взаємодія з воднем протікає спокойно.Ь 4) Взаємодія з азотом 3Н2 + N2↔ 2NH3 Реакція оборотна, протікає в помітному ступені тільки в присутності каталізатора, при нагріванні і під тиском. Продукт називається аміак. 5) Взаємодія з вуглецем З + 2Н2↔ СН4 Реакція протікає в електричній дузі або при дуже високих температурах. В якості побічних продуктів утворюються і інші вуглеводні. 3. Взаємодія водню зі складними речовинами Водень проявляє відновні властивості і в реакціях зі складними речовинами: 1) відновлення оксидів металів, що стоять в електрохімічному ряді напруг правіше алюмінію, а також неметалів: Fe2O3 + 2H2 2Fe + 3H2O ; CuO + H2 Cu + H2OВодород застосовують як відновник для вилучення металів з оксидних руд. Реакції йдуть при нагреваніі.2) Приєднання до органічних ненасичених речовин; С2Н4 + Н2 (t; p) → С2Н6 Реакції протікають в присутності каталізатора і під тиском. Інших реакцій водню ми поки торкатися не будемо. 4. Отримання воднюУ промисловості водень отримують переробкою вуглеводневої сировини - природного і попутного газу, коксу і т.п. Лабораторні методи отримання водню:

1) Взаємодія металів, що стоять в електрохімічному ряді напруг металів лівіше водню, з кислотами. Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb (H2) Cu Hg Ag Pt Mg + 2HCl \u003d MgCl2 + H22) Взаємодія металів, що стоять в електрохімічному ряді напруг металів лівіше магнію, з холодною водою. При цьому також утворюється луг.

2Na + 2H2O \u003d 2NaOH + H2 Метал, що знаходиться в електрохімічному ряді напруг металів лівіше марганцю, здатний витісняти водень із води при певних умовах (магній - з гарячої води, алюміній - за умови зняття оксидної плівки з поверхні).

Mg + 2H2O Mg (OH) 2 + H2

Метал, що знаходиться в електрохімічному ряді напруг металів лівіше кобальту, здатний витісняти водень з водяної пари. При цьому також утворюється оксид.

3Fe + 4H2Oпар Fe3O4 + 4H23) Взаємодія металів, гідроксиди яких амфотерни, з розчинами лугів.

Метали, гідроксиди яких амфотерни, витісняють водень з розчинів лугів. Вам необхідно знати 2 таких метали - алюміній і цинк:

2Al + 2NaOH + 6H2O \u003d 2Na + + 3H2

Zn + 2KOH + 2H2O \u003d K2 + H2

При цьому утворюються комплексні солі - гідроксоалюмінат і гідроксоцінкати.

Всі методи, перераховані до сих пір, засновані на одному і тому ж процесі - окисленні металу атомом водню в ступені окислення +1:

М0 + NН + \u003d Мn + + n / 2 H2

4) Взаємодія гідридів активних металів з водою:

СаН2 + 2Н2О \u003d Са (ОН) 2 + 2Н2

Цей процес заснований на взаємодії водню в ступені окислення -1 з воднем в ступені окислення +1:

5) Електроліз водних розчинів лугів, кислот, деяких солей:

2Н2О 2Н2 + О2

5. Водневі сполукиУ цій таблиці зліва легкою тінню виділені клітини елементів, що утворюють з воднем іонні сполуки - гідриди. Ці речовини мають в своєму складі гідрид-іон Н. Вони являють собою тверді безбарвні солеобразние речовини і реагують з водою з виділенням водню.

Елементи головних підгруп IV-VII груп утворюють з воднем сполуки молекулярного будови. Іноді їх також називають гідридами, але це некоректно. У їх складі немає гідрид-іона, вони складаються з молекул. Як правило, найпростіші водневі сполуки цих елементів - безбарвні гази. Винятки - вода, що є рідиною, і фтороводород, який при кімнатній температурі газообразующую, але при нормальних умовах - рідина.

Темними клітинами відзначені елементи, що утворюють з воднем сполуки, що проявляють кислотні властивості.

Темними клітинами з хрестом позначені елементи, що утворюють з воднем сполуки, що проявляють основні властивості.

=================================================================================

29). загальна характеристика властивостей елементів головної підгрупи 7гр. Хлор. Властивості лора. Соляна кислота.У підгрупу галогенів входять фтор, хлор, бром, йод і астат (астат - радіоактивний елемент, вивчений мало). Це р-елементи VII групи періодичної системи Д. І. Менделєєва. На зовнішньому енергетичному рівні їх атоми мають по 7 електронів ns2np5. Цим пояснюється спільність їх властивостей.

Вони легко приєднують по одному електрону, проявляючи ступінь окислення -1. Таку ступінь окислення галогени мають в з'єднаннях з воднем і металами.

Однак атоми галогенів, крім фтору, можуть проявляти і позитивні ступеня окислення: +1, +3, +5, +7. Можливі значеніястепеней окислення пояснюються електронною будовою, яке у атомів фтору можна представітьсхемой

Будучи найбільш електронегативний елементом, фтор може тільки приймати один електрон на 2р подуровень.У нього один неспарених електронів, тому фтор буває тільки одновалентним, а ступінь окислення завжди -1.

Електронна будова атома хлору виражається схемойУ атома хлору один неспарених електронів на 3р-підрівні і звичайному (не збудженому) стані хлор одновалентен. Але оскільки хлор знаходиться в третьому періоді, то у нього є ще п'ять орбіталей 3d-підрівні, в яких можуть розміститися 10 електронів.

У фтору немає вільних орбіталей, а значить, при хімічних реакціях не відбувається роз'єднання спарених електронів в атомі. Тому при рассмотреніісвойств галогенів завжди треба враховувати особливості фтору і з'єднань.

Водні розчини водневих з'єднань галогенів є кислотами: НF - фтороводородной (плавикова), НСl - хлороводородная (соляна), НВr - бромводородная, НI - йодоводородная.

Хлор (лат.Chlorum), Cl, хімічний елемент VII групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 17, атомна маса 35,453; відноситься до сімейства галогенів. При нормальних умовах (0 ° С, 0,1 Мн / м2, або 1 кгс / см2) жовто-зелений газ з різким запахом дратівливим. Природний Хлор складається з двох стабільних ізотопів: 35Сl (75,77%) і 37Cl (24,23%).

Хімічні властивості Хлора. Зовнішня електронна конфігурація атома Cl 3s2Зр5. Відповідно до цього Хлор у сполуках виявляє ступені окиснення -1, + 1, 3, 4, +5, +6 і +7. Ковалентний радіус атома 0,99Å, іонний радіус Cl- 1.82Å, спорідненість атома Хлору до електрона 3,65 ев, енергія іонізації 12,97 ев.

Хімічно Хлор дуже активний, безпосередньо з'єднується майже з усіма металами (із деякими тільки в присутності вологи або при нагріванні) і з неметалами (крім вуглецю, азоту, кисню, інертних газів), утворюючи відповідні хлориди, вступає в реакцію з багатьма сполуками, заміщає водень в граничних вуглеводнях і приєднується до ненасичених сполук. Хлор витісняє бром і йод з їхніх сполук з воднем і металами; із з'єднань Хлора з цими елементами він витісняється фтором. Лужні метали в присутності слідів вологи взаємодіють з Хлором із запалюванням, більшість металів реагує з сухим Хлором тільки при нагріванні Фосфор спалахує в атмосфері Хлора, утворюючи РCl3, а при подальшому хлоруванні - РСl5; сірка з Хлором при нагріванні дає S2Cl2, SCl2 і інші SnClm. Миш'як, сурма, вісмут, стронцій, телур енергійно взаємодіють з Хлором. Суміш Хлора з воднем горить безбарвним або жовто-зеленим полум'ям з утворенням хлористого водню (це ланцюгова реакція). З киснем Хлор утворює оксиди: Cl2О, СlO2, Cl2О6, Сl2О7, Cl2О8, а також гіпохлорити (солі хлорнуватистої кислоти), хлорити, хлорати і перхлорати. Всі кисневі сполуки хлору утворюють вибухонебезпечні суміші з легко окиснюються. Хлор у воді гідролізується, утворюючи хлорноватистую і соляну кислоти: Cl2 + Н2О \u003d НClО + НCl. При хлоруванні водних розчинів лугів нахолоду утворюються гіпохлорити і хлориди: 2NaOH + Cl2 \u003d NaClO + NaCl + Н2О, а при нагріванні - хлорати. Хлоруванням сухого гідроксиду кальцію отримують хлорне вапно. При взаємодії аміаку з Хлором утворюється треххлорістий азот. При хлоруванні органічних сполук Хлор або заміщає водень, або приєднується за кратними зв'язками, утворюючи різні хлорсодержащие органічних з'єднання. Хлор утворює з інших галогенами міжгалогенні з'єднання. Фториди ClF, ClF3, ClF3 дуже реакційноздатні; наприклад, в атмосфері ClF3 скляна вата самозаймається. Відомі сполуки хлору з киснем і фтором - оксифториди Хлора: ClO3F, ClO2F3, ClOF, ClOF3 і перхлорат фтору FClO4. Соляна кислота (хлороводородная, хлористоводнева, хлористий водень) - HCl, розчин хлороводню у воді; сильна одноосновная кислота. Безбарвна (технічна соляна кислота жовтувата із-за домішок Fe, Cl2 та ін.), «Димить» на повітрі, їдка рідина. Максимальна концентрація при 20 ° C дорівнює 38% по масі. Солі соляної кислоти називаються хлоридами.

Взаємодія з сильними окислювачами (перманганат калію, діоксид марганцю) з виділенням газоподібного хлору:

Взаємодія з аміаком з утворенням густого білого диму, що складається з дрібних кристаликів хлориду амонію:

Якісною реакцією на соляну кислоту і її солі є її взаємодія з нітратом срібла, при якому образуетсятворожістий осад хлориду срібла, нерозчинний в азотній кислоті:

===============================================================================

Водень - це газ, саме він знаходиться на першому місці в Періодичній системі. Назва цього широко поширеного в природі елемента в перекладі з латині означає «породжує воду». Так які фізичні та хімічні властивості водню нам відомі?

Водень: загальна інформація

При звичайних умовах водень не має ні смаку, ні запаху, ні кольору.

Мал. 1. Формула водню.

Оскільки атом має один енергетичний електронний рівень, на якому можуть перебувати максимум два електрони, то для стійкого стану атом може як прийняти один електрон (ступінь окислення -1), так і віддати віддати один електрон (ступінь окислення +1), проявляючи постійну валентність I . Саме тому символ елемента водню поміщають не тільки в IA групу (головну підгрупу I групи) разом з лужними металами, а й в VIIA групу (головну підгрупу VII групи) разом з галогенами. Атомам галогенів теж не вистачає одного електрона до заповнення зовнішнього рівня, і вони, як і водень, є неметалами. Водень проявляє позитивну ступінь окислення в з'єднаннях, де він пов'язаний з більш електронегативними елементами-неметалами, а негативну ступінь окислення - в з'єднаннях з металами.

Мал. 2. Розташування водню в періодичній системі.

У водню є три ізотопи, кожен з яких має власну назву: протий, дейтерій, тритій. Кількість останнього на Землі мізерно.

Хімічні властивості водню

У простому речовині H 2 зв'язок між атомами міцна (енергія зв'язку 436 кДж / моль), тому активність молекулярного водню невелика. При звичайних умовах він взаємодіє тільки з дуже активними металами, а єдиним неметаллом, з яким водень вступає в реакцію, є фтор:

F 2 + H 2 \u003d 2HF (фтороводород)

З іншими простими (металами і неметалами) і складними (оксидами, органічними невизначеними сполуками) речовинами водень реагує або при опроміненні і підвищенні температури, або в присутності каталізатора.

Водень горить в кисні з виділенням значної кількості теплоти:

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O

Суміш водню з киснем (2 обсягу водню і 1 об'єм кисню) при підпалюванні сильно вибухає і тому носить назву гримучого газу. При роботі з воднем слід дотримуватися правил техніки безпеки.

Мал. 3. Гримучий газ.

У присутності каталізаторів газ може реагувати з азотом:

3H 2 + N 2 \u003d 2NH 3

- по цій реакції при підвищених температурах і тиску в промисловості отримують аміак.

В умовах високої температури водень здатний реагувати з сіркою, селеном, телуром. а при взаємодії з лужними і лужноземельними металами відбувається утворення гідридів: 4.3. Всього отримано оцінок: 186.

Приступаючи до розгляду хімічних і фізичних властивостей водню, необхідно відзначити, що в звичному стані, цей хімічний елемент знаходиться в газоподібному вигляді. Безбарвний газ водень не має запаху, він несмачний. Вперше даний хімічний елемент був названий воднем після того, як вченим А. Лавуазьє були проведені досліди з водою, за результатами яких, світова наука дізналася, що вода - це багатокомпонентна рідина, до складу якої входить Водень. Подія це сталося в 1787 році, але задовго до цієї дати водень був відомий вченим під назвою «горючий газ».

Водень в природі

За даними вчених, водень міститься в земній корі і в воді (приблизно 11,2% в загальному обсязі води). Цей газ входить до складу багатьох корисних копалин, які людство протягом століть витягує з надр землі. Частково властивості водню характерні для нафти, природних газів і глини, для організмів тварин і рослин. Але в чистому вигляді, тобто, не з'єднаний з іншими хімічними елементами таблиці Менделєєва, цей газ зустрічається вкрай рідко в природі. Цей газ може виходити на поверхню землі при виверженні вулканів. Вільний водень в незначних кількостях присутній в атмосфері.

Хімічні властивості водню

Оскільки хімічні властивості водню неодноманітно, то цей хімічний елемент відноситься як до I групі системи Менделєєва, так і до VII групі системи. Будучи представником першої групи, водень є, по суті, лужним металом, який має ступінь окислення +1 в більшій частині з'єднань, в які він входить. Така ж валентність характерна для натрію і інших лужних металів. Зважаючи на такі хімічних властивостей, водень розглядається, як елемент, подібний цим металам.

Якщо ж мова йде про гидридах металів, то іон водню має негативнувалентність - його ступінь окислення дорівнює -1. Na + H- будується за тією ж схемою, що і хлориду Na + Cl-. Цей факт і є причиною того, щоб віднести водень до VII групі системи Менделєєва. Водень, будучи в стані молекули, за умови, що він перебуває в звичайному середовищі, малорухомий, і може з'єднуватися винятково з неметалами, більш активними за нього. До таких металів можна віднести фтор, при наявності світла, водень з'єднується з хлором. Якщо водень нагрівати, то він стає більш активним, вступаючи в реакції з багатьма елементами періодичної системи Менделєєва.

Атомарний водень проявляє більш активні хімічні властивості, ніж молекулярний. Молекули кисню з формують воду - Н2 + 1 / 2О2 \u003d Н2О. При взаємодії водню з галогенами, утворюються галогеноводороди Н2 + Cl2 \u003d 2НСl, причому в цю реакцію водень вступає при відсутності світла і при досить великих негативних температурах - до - 252 ° С. Хімічні властивості водню дозволяють використовувати його для відновлення багатьох металів, оскільки вступаючи в реакцію, водень поглинає у оксидів металів кисень, наприклад, CuO + H2 \u003d Cu + H2O. Водень бере участь у формуванні аміаку, взаємодіючи з азотом в реакції ЗН2 + N2 \u003d 2NН3, але за умови, що буде використовуватися каталізатор, а температура і тиск - підвищені.

Енергійна реакція відбувається при взаємодії водню із сіркою в реакції Н2 + S \u003d H2S, результатом якої стає сірководень. Трохи менш активно взаємодія водню з телуром і селеном. Якщо немає каталізатора, то вступає в реакцію з чистим вуглецем, водень лише за умови, що будуть створені високі температури. 2Н2 + С (аморфний) \u003d СН4 (метан). В процесі активності водню з деякими лужними та іншими металами, виходять гідриди, наприклад, Н2 + 2Li \u003d 2LiH.

Фізичні властивості водню

Водень є дуже легким хімічною речовиною. По крайней мере, вчені стверджують, що на даний момент, немає легше речовини, ніж водень. Його маса в 14,4 рази легше за повітря, щільність становить 0,0899 г / л при 0 ° С. При температурах в -259,1 ° С водень здатний плавиться - це дуже критична температура, яка не характерна для перетворення більшості хімічних сполук з одного стану в інший. Тільки такий елемент, як гелій, перевищує фізичні властивості водню в цьому плані. Скраплення водню важко, так як його критична температура дорівнює (-240 ° С). Водень - найбільш теплопродний газ з усіх, відомих людству. Все, описані вище властивості, є найбільш значущими фізичними властивостями водню, які використовуються людиною для конкретних цілей. Також дані властивості є найбільш актуальними для сучасної науки.

Історія відкриття водню

Якщо є найпоширенішим хімічним елементом на Землі, то водень - найпоширеніший елемент у всьому Всесвіті. Наше (і інші зірки) приблизно на половину складається з водню, а що стосується міжзоряного газу, то він на 90% складається з атомів водню. Чимале місце цей хімічний елемент займає і на Землі, адже разом з киснем він входить до складу води, а сама його назва «водень» походить від двох давньогрецьких слів: «вода» і «народжую». Крім води водень присутній в більшості органічних речовин і клітин, без нього, як і без кисню, була б немислима сама Життя.

Історія відкриття водню

Першим серед вчених водень зауважив ще великий алхімік і лікар середньовіччя Теофраст Парацельс. У своїх алхімічних дослідах, в надії відшукати «філософський камінь» змішуючи з кислотами Парацельс отримав якийсь невідомий до того горючий газ. Правда відокремити цей газ від повітря так і не вдалося.

Тільки через півтора століття після Парацельса французькому хіміку Лемері таки вдалося відокремити водень від повітря і довести його горючість. Правда Лемері так і не зрозумів, що отриманий їм газ є чистим воднем. Паралельно подібними хімічними дослідами займався і російський вчений Ломоносов, але справжній прорив в дослідженні водню був зроблений англійським хіміком Генрі Кавендіш, якого по праву вважають першовідкривачем водню.

У 1766 р Кавендишу вдалося отримати чистий водень, який він називав «горючим повітрям». Ще через 20 років талановитий французький хімік Антуан Лавуазьє зміг синтезувати воду і виділити з неї цей самий «горючий повітря» - водень. І до речі саме Лавуазьє запропонував водню його назва - «Hydrogenium», він же «водень».

Антуан Лавуазьє зі своєю дружиною, яка допомагала йому проводити хімічні досліди, в тому числі і по синтезу водню.

В основі розташування хімічних елементів у періодичній системі Менделєєва лежить їх атомна вага, розрахований щодо атомної ваги водню. Тобто іншими словами водень і його атомна вага є наріжним каменем таблиці Менделєєва, тією точкою опори, на основі якої великий хімік створив свою систему. Тому не дивно, що в таблиці Менделєєва водень займає почесне перше місце.

Крім цього водень має такі характеристики:

Атомна маса водню становить 1,00795.
У водню в наявності три ізотопи, кожен з яких має індивідуальні властивості.
Водень - легкий елемент має малу щільність.
Водень має відновлювальні та окислювальні властивості.
Вступаючи в с металами, водень приймає їх електрон і стає окислювачем. Такі сполуки називаються гідратами.

Водень це газ, молекула його складається з двох атомів.

Так схематично виглядає молекула водню.

Молекулярний водень, утворений з таких ось двоатомних молекул вибухає при піднесеної палаючої сірнику. Молекула водню під час вибуху розпадається на атоми, які перетворюються в ядра гелію. Саме таким чином відбуваються на Сонці та інших зірках - за рахунок постійного розпадання молекул водню наше світило горить і обігріває нас своїм теплом.

Фізичні властивості водню

У водню в наявність наступні фізичні властивості:

Температура кипіння водню становить 252,76 ° C;
А при температурі 259,14 ° C він вже починає плавитися.
У воді водень розчиняється слабо.
Чистий водень - дуже небезпечну вибухову і горюча речовина.
Водень легше повітря в 14,5 разів.

Хімічні властивості водню

Оскільки водень може бути в різних ситуаціях і окислювачем і відновником його використовують для здійснення реакцій і з'єднань.

Окисні властивості водню взаємодіють з активними (зазвичай лужними і лужноземельними) металами, результатом цих взаємодій є утворення гідридів - солеподібний з'єднань. Втім, гідриди утворюються і при реакціях водню з малоактивними металами.

Відновлювальні властивості водню мають здатність відновлювати метали до простих речовин з їх оксидів, в промисловості це називається водородотерміей.

Як отримати водень?

Серед промислових засобів отримання водню можна виділити:

газифікацію вугілля,
парову конверсію метану,
електроліз.

У лабораторії водень можна отримати:

при гідролізі гідридів металів,
при реакції з водою лужних і лужноземельних металів,
при взаємодії розбавлених кислот з активними металами.

застосування водню

Так як водень в 14 разів легший за повітря, то в минулі часи їм начиняли повітряні кулі та дирижаблі. Але після серії катастроф, що відбулися з дирижаблями конструкторам довелося шукати водню заміну (нагадаємо, чистий водень - вибухонебезпечну речовину, і найменшої іскри було достатньо, щоб трапився вибух).

Вибух дирижабля Гінденбург в 1937 році, причиною вибуху якраз і стало займання водню (внаслідок короткого замикання), на якому літав цей величезний дирижабль.

Тому для подібних літальних апаратів замість водню стали використовувати гелій, який також легший за повітря, отримання гелію більш трудомістке, зате він не такий вибухонебезпечний як водень.

Також за допомогою водню проводиться очищення різних видів палива, особливо на основі нафти і нафтопродуктів.

Водень, відео

І на завершення освітній відео по темі нашої статті.

Позначення - H (Hydrogen);
Латинська назва - Hydrogenium;
Період - I;
Група - 1 (Ia);
Атомна маса - 1,00794;
Атомний номер - 1;
Радіус атома \u003d 53 пм;
Ковалентний радіус \u003d 32 пм;
Розподіл електронів - 1s 1;
t плавлення \u003d -259,14 ° C;
t кипіння \u003d -252,87 ° C;
Електронегативність (за Полінгом / по Алпреду і Рохової) \u003d 2,02 / -;
Ступінь окислення: +1; 0; -1;
Щільність (н. У.) \u003d 0,0000899 г / см 3;
Молярний об'єм \u003d 14,1 см 3 / моль.

Бінарні сполуки водню з киснем:

Водень ( "що породжує воду") був відкритий англійським вченим Г. Кавендіш в 1766 році. Це найпростіший елемент в природі - атом водню має ядро \u200b\u200bі один електрон, напевно, з цієї причини водень є найпоширенішим елементом у Всесвіті (складає більше половини маси більшості зірок).

Про водень можна сказати, що "малий золотник, да дорог". Незважаючи на свою "простоту", водень дає енергію всім живим істотам на Землі - на Сонце йде безперервна термоядерна реакція в ході якої з чотирьох атомів водню утворюється один атом гелію, даний процес супроводжується виділенням колосальної кількості енергії (докладніше див. Ядерний синтез).

У земній корі масова частка водню становить всього 0,15%. Тим часом, переважна кількість (95%) всіх відомих на Землі хімічних речовин містять один або кілька атомів водню.

У з'єднаннях з неметалами (HCl, H 2 O, CH 4 ...) водень віддає свій єдиний електрон більш електронегативний елементів, виявляючи ступінь окислення +1 (частіше), утворюючи тільки ковалентні зв'язки (див. Ковалентний зв'язок).

У з'єднаннях з металами (NaH, CaH 2 ...) водень, навпаки, приймає на свою єдину s-орбіталь ще один електрон, намагаючись, таким чином, завершити свій електронний шар, проявляючи ступінь окислення -1 (рідше), утворюючи частіше іонну зв'язок (див. Іонна зв'язок), т. к., різниця в електронегативності атома водню і атома металу може бути досить великою.

H 2

У газоподібному стані водень знаходиться в вигляді двохатомних молекул, утворюючи неполярну ковалентний зв'язок.

Молекули водню володіють:

великою рухливістю;
великою міцністю;
малої поляризуемостью;
малими розмірами і масою.

Властивості газу водню:

найлегший в природі газ, без кольору і запаху;
погано розчиняється у воді і органічних розчинниках;
в незначних кол-вах розчиняється в рідких і твердих металах (особливо в платині і паладій);
важко піддається зрідження (через свою малу поляризуемости);
має найвищу теплопровідність з усіх відомих газів;
при нагріванні реагує з багатьма неметалами, проявляючи властивості відновника;
при кімнатній температурі реагує з фтором (відбувається вибух): H 2 + F 2 \u003d 2HF;
з металами реагує з утворенням гідридів, проявляючи окисні властивості: H 2 + Ca \u003d CaH 2;

У з'єднаннях водень набагато сильніше проявляє свої відновні властивості, ніж окисні. Водень є найсильнішим відновником після вугілля, алюмінію і кальцію. Відновлювальні властивості водню широко використовуються в промисловості для отримання металів і неметалів (простих речовин) з оксидів і галлідов.

Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O

Реакції водню з простими речовинами

Водень приймає електрон, граючи роль відновника, В реакціях:

з киснем (При підпалюванні або в присутності каталізатора), в співвідношенні 2: 1 (водень: кисень) утворюється вибухонебезпечний гримучий газ: 2H 2 0 + O 2 \u003d 2H 2 +1 O + 572 кДж
з сірої (При нагріванні до 150 ° C-300 ° C): H 2 0 + S ↔ H 2 +1 S
з хлором (При підпалюванні або опроміненні УФ-променями): H 2 0 + Cl 2 \u003d 2H +1 Cl
з фтором: H 2 0 + F 2 \u003d 2H +1 F
з азотом (При нагріванні в присутності каталізаторів або при високому тиску): 3H 2 0 + N 2 ↔ 2NH 3 +1

Водень віддає електрон, граючи роль окислювача, В реакціях з лужними і лужноземельними металами з утворенням гідридів металів - солеобразние іонні сполуки, що містять гідрид-іони H - - це нестійкі кристалічні в-ва білого кольору.

Ca + H 2 \u003d CaH 2 -1 2Na + H 2 0 \u003d 2NaH -1

Для водню нехарактерно проявляти ступінь окислення -1. Реагуючи з водою, гідриди розкладаються, відновлюючи воду до водню. Реакція гідриду кальцію з водою має наступний вигляд:

CaH 2 -1 + 2H 2 +1 0 \u003d 2H 2 0 + Ca (OH) 2

Реакції водню зі складними речовинами

при високій температурі водень відновлює багато оксиди металів: ZnO + H 2 \u003d Zn + H 2 O
метиловий спирт отримують в результаті реакції водню з оксидом вуглецю (II): 2H 2 + CO → CH 3 OH
в реакціях гідрогенізації водень реагує з багатьма органічними речовинами.

Більш докладно рівняння хімічних реакцій водню і його сполук розглянуті на сторінці "Водень і його сполуки - рівняння хімічних реакцій за участю водню".

застосування водню

в атомній енергетиці використовуються ізотопи водню - дейтерій і тритій;
в хімічній промисловості водень використовують для синтезу багатьох органічних речовин, аміаку, хлороводню;
в харчовій промисловості водень застосовують у виробництві твердих жирів посередництвом гідрогенізації рослинних олій;
для зварювання та різання металів використовують високу температуру горіння водню в кисні (2600 ° C);
при отриманні деяких металів водень використовують як відновник (див. вище);
оскільки водень є легким газом, його використовують в повітроплавання в якості наповнювача повітряних куль, аеростатів, дирижаблів;
як паливо водень використовують в суміші з СО.

Останнім часом вчені приділяють достатньо багато уваги пошуку альтернативних джерел відновлюваної енергії. Одним з перспективних напрямків є "воднева" енергетика, в якій в якості палива використовується водень, продуктом згоряння якого є звичайна вода.

Способи отримання водню

Промислові способи отримання водню:

конверсією метану (каталітичним відновленням водяної пари) парами води при високій температурі (800 ° C) на нікелевому каталізаторі: CH 4 + 2H 2 O \u003d 4H 2 + CO 2;
конверсією оксиду вуглецю з водяною парою (t \u003d 500 ° C) на каталізаторі Fe 2 O 3: CO + H 2 O \u003d CO 2 + H 2;
термічним розкладанням метану: CH 4 \u003d C + 2H 2;
газифікацією твердого палива (t \u003d 1000 ° C): C + H 2 O \u003d CO + H 2;
електролізом води (дуже дорогий спосіб при якому виходить дуже чистий водень): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Лабораторні способи отримання водню:

дією на метали (частіше цинк) соляної або розведеної сірчаною кислотою: Zn + 2HCl \u003d ZCl 2 + H 2; Zn + H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2;
взаємодією парів води з розпеченими залізними стружками: 4H 2 O + 3Fe \u003d Fe 3 O 4 + 4H 2.