• Вітчизняна наука та медицина в XIX – початку XX ст Хімія 19 століття
• Що таке пептиди? Типи та види пептидів. Все про пептиди та антивікова косметика з пептидами Додаткові пептиди не утворюються
• Токсична дія на людину небезпечних хімічних речовин
• Радіоавтографія Метод авторадіографії у цитології
• Ідентифікація бактерій за антигенною структурою
• Органічні речовини у стічній воді Що таке органічні сполуки у воді
• Водневий показник (pH-фактор)
• Що таке pH води і чому важливо його знати
• Окисно-відновлювальний потенціал Окисно-відновлювальні системи
• Оборотна окислювально-відновна система Оборотні окислювально-відновлювальні системи

Розглянемо, що є водень. Хімічні властивості та отримання цього неметалу вивчають у курсі неорганічної хімії у школі. Саме цей елемент очолює періодичну систему Менделєєва, а тому заслуговує на детальний опис.

Коротка інформація про відкриття елемента

Перш ніж розглядати фізичні та хімічні властивості водню, з'ясуємо, як було знайдено цей важливий елемент.

Хіміки, які працювали у шістнадцятому та сімнадцятому століттях, неодноразово згадували у своїх працях про пальний газ, який виділяється при впливі на кислоти активними металами. У другій половині вісімнадцятого століття Г. Кавендішу вдалося зібрати та проаналізувати цей газ, давши йому назву «горючий газ».

Фізичні та хімічні властивості водню на той час не були вивчені. Тільки наприкінці 18 століття А. Лавуазьє вдалося шляхом аналізу встановити, що одержати цей газ можна шляхом аналізу води. Трохи пізніше він став називати новий елемент hydrogene, що в перекладі означає «що породжує воду». Своєю сучасною російською назвою водень завдячує М. Ф. Соловйову.

Знаходження у природі

Хімічні властивості водню можна аналізувати лише з його поширеності у природі. Даний елемент присутній у гідро- та літосфері, а також входить до складу корисних копалин: природного та попутного газу, торфу, нафти, вугілля, горючих сланців. Важко собі уявити дорослу людину, яка б не знала про те, що водень є складовою води.

Крім того, цей неметал знаходиться в організмах тварин у вигляді нуклеїнових кислот, білків, вуглеводів, жирів. На нашій планеті цей елемент зустрічається у вільному вигляді досить рідко, мабуть, лише у природному та вулканічному газі.

У вигляді плазми водень становить приблизно половину маси зірок та Сонця, крім того, входить до складу міжзоряного газу. Наприклад, у вільному вигляді, а також у формі метану, аміаку цей неметал є у складі комет і навіть деяких планет.

Фізичні властивості

Перш ніж розглядати хімічні властивості водню, зазначимо, що за нормальних умов він є газоподібною речовиною легшою за повітря, що має кілька ізотопних форм. Він майже нерозчинний у воді, має високу теплопровідність. Протий, що має масове число 1, вважається найлегшою його формою. Тритій, який має радіоактивні властивості, утворюється в природі з атмосферного азоту при впливі на нього нейронів УФ-променів.

Особливості будови молекули

Щоб розглянути хімічні властивості водню, реакції, характерні йому, зупинимося і особливостях його будови. У цій двоатомній молекулі ковалентний неполярний хімічний зв'язок. Утворення атомарного водню можливе за умови взаємодії активних металів на розчини кислот. Але в такому вигляді цей неметал здатний існувати лише незначний часовий проміжок, практично відразу він рекомбінується в молекулярний вигляд.

Хімічні властивості

Розглянемо хімічні властивості водню. Здебільшого сполук, які утворює даний хімічний елемент, він виявляє ступінь окислення +1, що робить його схожим з активними (лужними) металами. Основні хімічні властивості водню, що характеризують його як метал:

• взаємодія з киснем із утворенням води;
• реакція з галогенами, що супроводжується утворенням галогеноводороду;
• одержання сірководню при з'єднанні із сіркою.

Нижче наведено рівняння реакцій, що характеризують хімічні властивості водню. Звертаємо увагу на те, що як неметал (зі ступенем окислення -1) він виступає тільки в реакції з активними металами, утворюючи з ними відповідні гідриди.

Водень за нормальної температури неактивно вступає у взаємодію Космосу з іншими речовинами, тому більшість реакцій здійснюється лише після попереднього нагрівання.

Зупинимося докладніше деяких хімічних взаємодіях елемента, який очолює періодичну систему хімічних елементів Менделєєва.

Реакція утворення води супроводжується виділенням 285,937 кДж енергії. При підвищеній температурі (більше 550 градусів за Цельсієм) цей процес супроводжується сильним вибухом.

Серед тих хімічних властивостей газоподібного водню, які знайшли суттєве застосування у промисловості, інтерес представляє його взаємодію Космосу з оксидами металів. Саме шляхом каталітичного гідрування в сучасній промисловості здійснюють переробку оксидів металів, наприклад, виділяють із залізної окалини (змішаного оксиду заліза) чистий метал. Цей спосіб дозволяє вести ефективну переробку металобрухту.

Синтез аміаку, який передбачає взаємодію водню з азотом повітря, також затребуваний у сучасній хімічній промисловості. Серед умов протікання цієї хімічної взаємодії відзначимо тиск та температуру.

Висновок

Саме водень є малоактивною хімічною речовиною за звичайних умов. У разі підвищення температури його активність істотно зростає. Ця речовина потрібна в органічному синтезі. Наприклад, шляхом гідрування можна відновити кетони до вторинних спиртів, а альдегіди перетворити на первинні спирти. Крім того, шляхом гідрування можна перетворити ненасичені вуглеводні класу етилену та ацетилену на граничні сполуки ряду метану. Водень по праву вважають простою речовиною, затребуваною в сучасному хімічному виробництві.

Гідроген Н - хімічний елемент, один із найпоширеніших у нашому Всесвіті. Маса водню як елемента у складі речовин становить 75% загального вмісту атомів іншого типу. Він входить у найважливіше і життєво необхідне з'єднання планети - воду. Відмінною особливістю водню також є те, що він перший елемент у періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

Відкриття та дослідження

Перші згадки про водень у працях Парацельса датуються шістнадцятим століттям. Але його виділення з газової суміші повітря та дослідження горючих властивостей були зроблені вже в сімнадцятому столітті вченим Лемері. Докладно вивчив гідроген англійський хімік, фізик і натураліст який досвідченим шляхом довів, що маса водню найменша порівняно з іншими газами. У наступних етапах розвитку науки багато вчених працювали з ним, зокрема Лавуазьє, який назвав його «що породжує воду».

Характеристика положення в ПСХЕ

Елемент, що відкриває періодичну таблицю Д. І. Менделєєва, це водень. Фізичні та хімічні властивості атома виявляють певну двоїстість, оскільки гідроген одночасно відносять до першої групи, головної підгрупи, якщо він поводиться як метал і віддає єдиний електрон у процесі хімічної реакції, і до сьомої - у разі повного заповнення валентної оболонки, тобто прийому негативної частки, що характеризує його як подібний до галогенів.

Особливості електронної будови елемента

Властивості складних речовин, до складу яких він входить, та найпростішої речовини Н 2 в першу чергу визначаються електронною конфігурацією гідрогену. Частка має один електрон з Z=(-1), який обертається за своєю орбітою навколо ядра, що містить один протон з одиничною масою та позитивним зарядом (+1). Його електронна конфігурація записується як 1s 1 , що означає наявність однієї негативної частки на першій і єдиної для гідрогену s-орбіталі.

При відриві чи віддачі електрона, а атом цього елемента має таку властивість, що ріднить його з металами, виходить катіон. Насправді іон водню - це позитивна елементарна частка. Тому позбавлений електрона гідроген називають просто протоном.

Фізичні властивості

Якщо описувати водню коротко, це безбарвний, малорозчинний газ із відносної атомної масою рівною 2, в 14,5 разу легше, ніж повітря, з температурою зрідження, що становить -252,8 градуса Цельсія.

На досвіді можна легко переконатися, що Н 2 найлегший. Для цього достатньо наповнити три кулі різними речовинами – воднем, вуглекислим газом, звичайним повітрям – і одночасно випустити їх з руки. Найшвидше досягне землі той, який наповнений СО 2 після нього опуститься надутий повітряною сумішшю, а містить Н 2 зовсім підніметься до стелі.

Невелика маса і розмір частинок водню доводять його здатність проникати через різні речовини. На прикладі тієї ж кулі в цьому легко переконатися, через пару днів він сам здувається, оскільки газ просто пройде через гуму. Також водень може накопичуватися в структурі деяких металів (паладій або платина), а при підвищенні температури випаровуватися з неї.

Властивість малорозчинності водню використовують у лабораторній практиці для його виділення способом витіснення водню (таблиця, зображена нижче, містить основні параметри) визначають сфери його застосування та методи одержання.

Ізотопний склад

Як і багато інших представників періодичної системи хімічних елементів, гідроген має кілька природних ізотопів, тобто атомів з однаковим числом протонів у ядрі, але різним числом нейтронів – частинок із нульовим зарядом та одиничною масою. Приклади атомів, що мають подібну властивість - кисень, вуглець, хлор, бром та інші, в тому числі радіоактивні.

Фізичні властивості водню 1 Н, найпоширенішого з представників цієї групи, значно відрізняються від таких самих характеристик його побратимів. Зокрема різняться особливості речовин, до складу яких вони входять. Так, існує звичайна і дейтерована вода, що містить у своєму складі замість атома водню з одним-єдиним протоном дейтерій 2 Н - його ізотоп із двома елементарними частинками: позитивною та незарядженою. Цей ізотоп вдвічі важчий за звичайний гідроген, що і пояснює кардинальну відмінність у властивостях сполук, які вони складають. У природі дейтерій зустрічається у 3200 разів рідше, ніж водень. Третій представник - тритій 3 Н, в ядрі він має два нейтрони та один протон.

Способи отримання та виділення

Лабораторні та промислові методи дуже відрізняються. Так, у малих кількостях газ отримують переважно за допомогою реакцій, у яких беруть участь мінеральні речовини, а великомасштабні виробництва переважно використовують органічний синтез.

У лабораторії застосовують такі хімічні взаємодії:

У промислових інтересах газ одержують такими методами, як:

1. Термічне розкладання метану у присутності каталізатора до складових його простих речовин (350 градусів сягає значення такого показника, як температура) - водню Н 2 і вуглецю З.
2. Пропуск пароподібної води через кокс при 1000 градусів Цельсія з утворенням вуглекислого газу СО 2 і Н 2 (найпоширеніший метод).
3. Конверсія газоподібного метану на нікелевому каталізаторі при температурі 800 градусів.
4. Водень є побічним продуктом при електроліз водних розчинів хлоридів калію або натрію.

Хімічні взаємодії: загальні положення

Фізичні властивості водню багато в чому пояснюють його поведінку у процесах реагування з тим чи іншим з'єднанням. Валентність гідрогену дорівнює 1, так як він у таблиці Менделєєва розташований у першій групі, а ступінь окислення виявляє різну. У всіх сполуках, крім гідридів, водень у с.о.=(1+), у молекулах типу ХН, ХН2, ХН3-(1-).

Молекула газу водню, утворена за допомогою створення узагальненої електронної пари, складається з двох атомів і досить стійка енергетично, саме тому за нормальних умов дещо інертна і реакції вступає при зміні нормальних умов. Залежно від ступеня окислення водню у складі інших речовин, він може виступати як окислювач, так і відновник.

Речовини, з якими реагує та які утворює водень

Елементні взаємодії з утворенням складних речовин (часто за підвищених температур):

1. Лужний та лужноземельний метал + водень = гідрид.
2. Галоген + Н 2 = галогеноводень.
3. Сірка + водень = сірководень.
4. Кисень + Н2 = вода.
5. Вуглець + водень = метан.
6. Азот + Н2 = аміак.

Взаємодія зі складними речовинами:

1. Отримання синтез-газу з монооксиду вуглецю та водню.
2. Відновлення металів із їхніх оксидів за допомогою Н 2 .
3. Насичення воднем ненасичених аліфатичних вуглеводнів.

Водневий зв'язок

Фізичні властивості водню такі, що дозволяють йому, перебуваючи у поєднанні з електронегативним елементом, утворювати особливий тип зв'язку з таким самим атомом із сусідніх молекул, що мають неподілені електронні пари (наприклад, киснем, азотом та фтором). Найяскравіший приклад, на якому краще розглянути подібне явище, – це вода. Вона, можна сказати, прошита водневими зв'язками, які слабші за ковалентні або іонні, але за рахунок того, що їх багато, мають значний вплив на властивості речовини. По суті, водневий зв'язок - це електростатична взаємодія, яка пов'язує молекули води димерами і полімерами, обгрунтовуючи її високу температуру кипіння.

Гідроген у складі мінеральних сполук

До складу всіх входить протон – катіон такого атома, як водень. Речовина, кислотний залишок якого має ступінь окиснення більше (-1), називається багатоосновною сполукою. У ньому є кілька атомів водню, що робить дисоціацію у водних розчинах багатоступінчастою. Кожен наступний протон відривається від залишку кислоти дедалі важче. За кількісним вмістом водень у середовищі визначається його кислотність.

Застосування у діяльності людини

Балони з речовиною, як і ємності коїться з іншими зрідженими газами, наприклад киснем, мають специфічний зовнішній вигляд. Вони пофарбовані в темно-зелений колір із яскраво-червоним написом «Водень». Газ закачують у балон під тиском близько 150 атмосфер. Фізичні властивості водню, зокрема легкість газоподібного агрегатного стану, використовують для наповнення ним у суміші з гелієм аеростатів, куль-зондів і т.д.

Водень, фізичні та хімічні властивості якого люди навчилися використовувати багато років тому, на сьогоднішній момент задіяний у багатьох галузях промисловості. Основна його маса йде на виробництво аміаку. Також водень бере участь в (гафнію, германію, галію, кремнію, молібдену, вольфраму, цирконію та інших) з оксидів, виступаючи в реакції як відновник, синильної та соляної кислот, а також штучного рідкого палива. Харчова промисловість використовує його для перетворення рослинних олій на тверді жири.

Визначили хімічні властивості та застосування водню в різних процесах гідрогенізації та гідрування жирів, вугілля, вуглеводнів, олій та мазуту. За допомогою нього виробляють дорогоцінне каміння, лампи розжарювання, проводять кування та зварювання металевих виробів під впливом киснево-водневого полум'я.

Водень був відкритий у другій половині 18 століття англійським ученим у галузі фізики та хімії Г. Кавендішем. Він зумів виділити речовину у чистому стані, зайнявся її вивченням та описав властивості.

Такою є історія відкриття водню. У ході експериментів дослідник визначив, що це горючий газ, згоряння якого повітря дає воду. Це спричинило визначення якісного складу води.

Що таке водень

Про водень, як про просту речовину, вперше заявив французький хімік А. Лавуазьє в 1784, оскільки визначив, що до його молекули входять атоми одного виду.

Назва хімічного елемента латиною звучить як hydrogenium (читається «гідрогеніум»), що означає «що народжує воду». Назва відсилає до реакції горіння, у результаті якої утворюється вода.

Характеристика водню

Позначення водню Н. Менделєєв привласнив цьому хімічному елементу перший порядковий номер, розмістивши його в головній підгрупі першої групи та першому періоді та умовно в головній підгрупі сьомої групи.

Атомарна вага (атомна маса) водню становить 1,00797. Молекулярна маса H 2 дорівнює 2 а. е. Молярна маса чисельно дорівнює їй.

Представлений трьома ізотопами, що мають спеціальну назву: найпоширеніший протий (H), важкий дейтерій (D), радіоактивний тритій (Т).

Це перший елемент, який може бути розділений повністю на ізотопи простим способом. Ґрунтується він на високій різниці мас ізотопів. Вперше процес було здійснено у 1933 році. Пояснюється це тим, що лише 1932 року було виявлено ізотоп із масою 2.

Фізичні властивості

У нормальних умовах проста речовина водень у вигляді двоатомних молекул є газом, без кольору, у якого відсутній смак і запах. Мало розчинний у воді та інших розчинниках.

Температура кристалізації - 259,2 ° C, температура кипіння - 252,8 ° C.Діаметр молекул водню настільки малий, що вони мають здатність до повільної дифузії через ряд матеріалів (гума, скло, метали). Ця властивість знаходить застосування, коли потрібно очистити водень від газоподібних домішок. За н. у. водень має густину, рівну 0,09 кг/м3.

Чи можливе перетворення водню на метал за аналогією з елементами, розташованими в першій групі? Вченими встановлено, що водень за умов, коли тиск наближається до 2 млн. атмосфер, починає поглинати інфрачервоні промені, що свідчить про поляризацію молекул речовини. Можливо, за ще більш високих тисків водень стане металом.

Це цікаво:є припущення, що на планетах-гігантах, Юпітері та Сатурні водень знаходиться у вигляді металу. Передбачається, що у складі земного ядра теж є металевий твердий водень, завдяки надвисокому тиску, створюваному земною мантією.

Хімічні властивості

У хімічну взаємодію з воднем вступають як прості, і складні речовини. Але малу активність водню потрібно збільшити створенням відповідних умов – підвищенням температури, застосуванням каталізаторів та інших.

При нагріванні реакцію з воднем вступають такі прості речовини, як кисень (O 2), хлор(Cl 2), азот (N 2), сірка(S).

Якщо підпалити чистий водень на кінці газовідвідної трубки в повітрі, він горітиме рівно, але ледве помітно. Якщо помістити газовідвідну трубку в атмосферу чистого кисню, то горіння продовжиться з утворенням на стінках судини крапель води, як результат реакції:

Горіння води супроводжується виділенням великої кількості теплоти. Це екзотермічна реакція сполуки, у процесі якої водень окислюється киснем з утворенням оксиду H 2 O. Це також і окислювально-відновна реакція, в якій водень окислюється, а кисень відновлюється.

Аналогічно відбувається реакція з Cl 2 з утворенням хлороводню.

Для здійснення взаємодії азоту з воднем потрібна висока температура та підвищений тиск, а також присутність каталізатора. Результатом є аміак.

В результаті реакції із сіркою утворюється сірководень, розпізнавання якого полегшує характерний запах тухлих яєць.

Ступінь окислення водню цих реакціях +1, а гідридах, описаних нижче, – 1.

При реакції з деякими металами утворюються гідриди, наприклад гідрид натрію - NaH. Деякі з цих складних сполук використовуються як паливо для ракет, а також термоядерної енергетиці.

Водень реагує і з речовинами категорії складних. Наприклад, з оксидом міді (II) формула CuO. Для здійснення реакції водень міді пропускається над нагрітим порошкоподібним оксидом міді (II). У процесі взаємодії реагент змінює свій колір і стає червоно-коричневим, але в холодних стінках пробірки осідають крапельки води.

Водень у ході реакції окислюється, утворюючи воду, а мідь відновлюється з оксиду простої речовини (Cu).

Області застосування

Водень має велике значення для людини і знаходить застосування в різних сферах:

1. У хімічному виробництві – це сировину, інших галузях – паливо. Не обходяться без водню та підприємства нафтохімії та нафтопереробки.
2. В електроенергетиці ця проста речовина виконує функцію охолоджуючого агента.
3. У чорній та кольоровій металургії водню відводиться роль відновника.
4. Цією допомогою виробляють інертне середовище при упаковці продуктів.
5. Фармацевтична промисловість користується воднем як реагентом у виробництві перекису водню.
6. Цим легким газом заповнюють метеорологічні зонди.
7. Відомий цей елемент і як відновник палива для ракетних двигунів.

Вчені одностайно пророкують водневому паливу пальму першості в енергетиці.

Отримання у промисловості

У промисловості водень отримують шляхом електролізу, якому піддають хлориди чи гідроксиди лужних металів, розчинені у воді. Також можна отримувати водень у такий спосіб безпосередньо з води.

Використовується з цією метою конверсія коксу або метану з водяною парою. Розкладання метану за підвищеної температури також дає водень. Зрідження коксового газу фракційним методом також застосовується для промислового одержання водню.

Отримання у лабораторії

У лабораторії для одержання водню використовують апарат Кіппа.

Як реагенти виступають соляна або сірчана кислота і цинк. Внаслідок реакції утворюється водень.

Знаходження водню у природі

Водень частіше за інші елементи зустрічається у Всесвіті. Основну масу зірок, зокрема Сонця, та інших космічних тіл становить водень.

У земній корі його лише 0,15%. Він присутній у багатьох мінералах, у всіх органічних речовинах, а також у воді, що покриває на 3/4 поверхню нашої планети.

У верхніх шарах атмосфери можна знайти сліди водню в чистому вигляді. Знаходять його й у низці горючих природних газів.

Газоподібний водень є найнещілішим, а рідкий – найщільнішою речовиною на нашій планеті. За допомогою водню можна змінити тембр голосу, якщо вдихнути його, а на видиху заговорити.

В основі дії найпотужнішої водневої бомби лежить розщеплення найлегшого атома.

Атом водню має електронну формулу зовнішнього (і єдиного) електронного рівня. s 1 . З одного боку, за наявності одного електрона на зовнішньому електронному рівні атом водню схожий на атоми лужних металів. Однак, йому, як і галогенам не вистачає до заповнення зовнішнього електронного рівня всього одного електрона, оскільки на першому електронному рівні може розташовуватися не більше 2-х електронів. Виходить, що водень можна помістити одночасно як в першу, так і в передостанню (сьому) групу таблиці Менделєєва, що іноді робиться в різних варіантах періодичної системи:

З погляду властивостей водню як простої речовини, він все-таки має більше спільного з галогенами. Водень, як і галогени, є неметалом і утворює аналогічно їм двоатомні молекули (H 2).

У звичайних умовах водень є газоподібною, малоактивною речовиною. Невисока активність водню пояснюється високою міцністю зв'язку між атомами водню в молекулі, для розриву якої потрібно або сильне нагрівання, або застосування каталізаторів або те й інше одночасно.

Взаємодія водню із простими речовинами

з металами

З металів водень реагує тільки з лужними та лужноземельними! До лужних металів відносяться метали головної підгрупи I-ї групи (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), а до лужноземельних - метали головної підгрупи II-ї групи, крім берилію та магнію (Ca, Sr, Ba, Ra)

При взаємодії з активними металами водень виявляє окисні властивості, тобто. знижує свій рівень окислення. При цьому утворюються гідриди лужних та лужноземельних металів, які мають іонну будову. Реакція протікає при нагріванні:

Слід зазначити, що взаємодія з активними металами є єдиним випадком коли молекулярний водень Н 2 є окислювачем.

з неметалами

З неметалів водень реагує лише з вуглецем, азотом, киснем, сіркою, селеном та галогенами!

Під вуглецем слід розуміти графіт чи аморфний вуглець, оскільки алмаз — вкрай інертна алотропна модифікація вуглецю.

При взаємодії з неметалами водень може виконувати лише функцію відновника, тобто тільки підвищувати свій ступінь окислення:

Взаємодія водню зі складними речовинами

з оксидами металів

Водень не реагує з оксидами металів, що знаходяться в ряду активності металів до алюмінію (включно), однак, здатний відновлювати багато оксидів металів правіше алюмінію при нагріванні:

з оксидами неметалів

З оксидів неметалів водень реагує при нагріванні з оксидами азоту, галогенів та вуглецю. З усіх взаємодій водню з оксидами неметалів слід особливо відзначити його реакцію з чадним газом CO.

Суміш CO і H 2 навіть має власну назву – «синтез-газ», оскільки з неї залежно від умов можуть бути отримані такі затребувані продукти промисловості як метанол, формальдегід і навіть синтетичні вуглеводні:

з кислотами

З неорганічними кислотами водень не реагує!

З органічних кислот водень реагує тільки з ненасиченими, а також кислотами, що містять функціональні групи здатні до відновлення воднем, зокрема альдегідні, кето- або нітрогрупи.

з солями

У разі водних розчинів солей їхня взаємодія з воднем не протікає. Однак при пропусканні водню над твердими солями деяких металів середньої та низької активності можливе їх часткове або повне відновлення, наприклад:

Хімічні властивості галогенів

Галогенами називають хімічні елементи групи VIIA (F, Cl, Br, I, At), а також утворені ними прості речовини. Тут і далі текстом, якщо не сказано інше, під галогенами розумітимуться саме прості речовини.

Усі галогени мають молекулярну будову, що зумовлює низькі температури плавлення та кипіння даних речовин. Молекули галогенів двоатомні, тобто. їхню формулу можна записати в загальному вигляді як Hal 2 .

Слід зазначити таку специфічну фізичну властивість йоду, як її здатність до сублімаціїабо, інакше кажучи, сублімації. сублімацією, називають явище, у якому речовина, що у твердому стані, при нагріванні не плавиться, а, минаючи рідку фазу, відразу ж перетворюється на газоподібний стан.

Електронна будова зовнішнього енергетичного рівня атома будь-якого галогену має вигляд ns 2 np 5 де n – номер періоду таблиці Менделєєва, в якому розташований галоген. Як можна помітити, до восьмиелектронної зовнішньої оболонки атомам галогенів не вистачає лише одного електрона. З цього логічно припустити переважно окислюючі властивості вільних галогенів, що підтверджується і практично. Як відомо, електронегативність неметалів при русі вниз по підгрупі знижується, у зв'язку з чим активність галогенів зменшується в ряді:

F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2

Взаємодія галогенів із простими речовинами

Усі галогени є високоактивними речовинами та реагують з більшістю простих речовин. Однак, слід зазначити, що фтор через свою надзвичайно високу реакційну здатність може реагувати навіть з тими простими речовинами, з якими не можуть реагувати інші галогени. До таких простих речовин відносяться кисень, вуглець (алмаз), азот, платина, золото та деякі шляхетні гази (ксенон та криптон). Тобто. фактично, фтор не реагує лише з деякими благородними газами.

Інші галогени, тобто. хлор, бром і йод також є активними речовинами, проте менш активними, ніж фтор. Вони реагують практично з усіма простими речовинами, крім кисню, азоту, вуглецю у вигляді алмазу, платини, золота та благородних газів.

Взаємодія галогенів з неметалами

воднем

При взаємодії всіх галогенів з воднем утворюються галогеноводородиіз загальною формулою HHal. При цьому реакція фтору з воднем починається мимоволі навіть у темряві і протікає з вибухом відповідно до рівняння:

Реакція хлору з воднем може бути ініційована інтенсивним ультрафіолетовим опроміненням або нагріванням. Також протікає із вибухом:

Бром і йод реагують з воднем тільки при нагріванні і при цьому реакція з йодом є оборотною:

фосфором

Взаємодія фтору з фосфором призводить до окислення фосфору до вищого ступеня окиснення (+5). При цьому відбувається утворення пентафториду фосфору:

При взаємодії хлору та брому з фосфором можливе отримання галогенідів фосфору як у ступені окислення + 3, так і в ступені окислення +5, що залежить від пропорцій речовин, що реагують:

При цьому у разі білого фосфору в атмосфері фтору, хлору або рідкому бромі реакція починається спонтанно.

Взаємодія ж фосфору з йодом може призвести до утворення тільки тріодиду фосфору через значно меншу, ніж у інших галогенів окислювальної здатності:

сірої

Фтор окислює сірку до вищого ступеня окислення +6, утворюючи гексафторид сірки:

Хлор і бром реагують із сіркою, утворюючи сполуки, що містять сірку у вкрай не властивих їй ступенях окиснення +1 та +2. Дані взаємодії є дуже специфічними, й у здачі ЄДІ з хімії вміння записувати рівняння цих взаємодій необов'язково. Тому три нижченаведені рівняння дано швидше для ознайомлення:

Взаємодія галогенів із металами

Як було зазначено вище, фтор здатний реагувати з усіма металами, навіть такими малоактивними як платина і золото:

Інші галогени реагують з усіма металами крім платини та золота:

Реакції галогенів зі складними речовинами

Реакції заміщення з галогенами

Найактивніші галогени, тобто. хімічні елементи яких розташовані вище в таблиці Менделєєва, здатні витісняти менш активні галогени з галогеноводородних кислот і галогенідів металів, що ними утворюються:

Аналогічним чином, бром і йод витісняють сірку з розчинів сульфідів або сірководню:

Хлор є сильнішим окислювачем і окислює сірководень у його водному розчині не до сірки, а до сірчаної кислоти:

Взаємодія галогенів із водою

Вода горить у фторі синім полум'ям відповідно до рівняння реакції:

Бром та хлор реагують з водою інакше, ніж фтор. Якщо фтор виступав у ролі окислювача, то хлор та бром диспропорціонують у воді, утворюючи суміш кислот. При цьому реакції оборотні:

Взаємодія йоду з водою протікає настільки мізерно малою мірою, що їм можна знехтувати і вважати, що реакція не протікає зовсім.

Взаємодія галогенів із розчинами лугів

Фтор при взаємодії з водним розчином лугу знову ж таки виступає в ролі окислювача:

Вміння записувати це рівняння не потрібно для здачі ЄДІ. Достатньо знати факт про можливість такої взаємодії та окисної ролі фтору в цій реакції.

На відміну від фтору, інші галогени в розчинах лугів диспропорціонують, тобто одночасно підвищують і знижують свій ступінь окислення. При цьому, у разі хлору та брому в залежності від температури можливе протікання по двох різних напрямках. Зокрема, на холоді реакції протікають так:

а при нагріванні:

Йод реагує з лугами лише за другим варіантом, тобто. із заснуванням йодату, т.к. гіпоіодит не стійкий не тільки при нагріванні, але також за нормальної температури і навіть на холоді.

ВИЗНАЧЕННЯ

Водень- Перший елемент Періодичної системи хімічних елементів Д.І. Менделєєва. Символ – Н.

Атомна маса – 1 а. Молекула водню двоатомна - Н2.

Електронна конфігурація атома водню - 1s 1 . Водень відноситься до сімейства s-елементів. У своїх сполуках виявляє ступеня окиснення -1, 0, +1. Природний водень складається з двох стабільних ізотопів – протию 1 Н (99,98%) та дейтерію 2 Н (D) (0,015%) – та радіоактивного ізотопу тритію 3 Н (Т) (слідові кількості, період напіврозпаду – 12,5 років) .

Хімічні властивості водню

За звичайних умов молекулярний водень виявляє порівняно низьку реакційну здатність, що пояснюється високою міцністю зв'язків у молекулі. При нагріванні вступає у взаємодію майже з усіма простими речовинами, утвореними елементами основних підгруп (крім шляхетних газів, B, Si, P, Al). У хімічних реакціях може виступати як у ролі відновника (частіше), так і окислювача (рідше).

Водень виявляє властивості відновлювача(Н 2 0 -2е → 2Н +) у наступних реакціях:

1. Реакції взаємодії із простими речовинами – неметалами. Водень реагує з галогенами, причому, реакція взаємодії з фтором при звичайних умовах, у темряві, з вибухом, з хлором – при освітленні (або УФ-опроміненні) ланцюговим механізмом, з бромом і йодом тільки при нагріванні; киснем(суміш кисню та водню в об'ємному відношенні 2:1 називають «гримким газом»), сірої, азотомі вуглецем:

H 2 + Hal 2 = 2HHal;

2H2+O2=2H2O+Q(t);

H 2 + S = H 2 S (t = 150 - 300C);

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);

2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat).

2. Реакції взаємодії зі складними речовинами. Водень реагує з оксидами малоактивних металів, причому він здатний відновлювати тільки метали, що стоять у ряду активності правіше цинку:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O(t);

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O(t);

WO3+3H2=W+3H2O(t).

Водень реагує з оксидами неметалів:

H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O(t);

2H 2 + CO ↔ CH 3 OH (t = 300C, p = 250 – 300 атм., kat = ZnO, Cr 2 O 3).

Водень вступає в реакції гідрування з органічними сполуками класу циклоалканів, алкенів, аренів, альдегідів та кетонів та ін. Всі ці реакції проводять при нагріванні, під тиском, як каталізаторів використовують платину або нікель:

CH 2 = CH 2 + H 2 ↔ CH 3 -CH 3;

C 6 H 6 + 3H 2 ↔ C 6 H 12;

C 3 H 6 + H 2 ↔ C 3 H 8;

CH 3 CHO + H 2 ↔ CH 3 -CH 2 -OH;

CH 3 -CO-CH 3 + H 2 ↔ CH 3 -CH(OH)-CH 3 .

Водень як окислювач(Н 2 +2е → 2Н -) виступає в реакціях взаємодії з лужними та лужноземельними металами. У цьому утворюються гідриди – кристалічні іонні сполуки, у яких водень виявляє ступінь окислення -1.

2Na +H 2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

Фізичні властивості водню

Водень – легкий безбарвний газ, без запаху, густина при н.у. - 0,09 г/л, в 14,5 разів легше за повітря, t кип = -252,8С, t пл = - 259,2С. Водень погано розчинний у воді та органічно розчинниках, добре розчинний у деяких металах: нікелі, паладії, платині.

За даними сучасної космохімії водень є найпоширенішим елементом Всесвіту. Основна форма існування водню у космічному просторі – окремі атоми. За поширеністю Землі водень займає 9 місце серед всіх елементів. Основна кількість водню Землі перебуває у пов'язаному стані – у складі води, нафти, газу, кам'яного вугілля тощо. У вигляді простої речовини водень трапляється рідко – у складі вулканічних газів.

Одержання водню

Розрізняють лабораторні та промислові способи одержання водню. До лабораторних способів відносять взаємодію металів із кислотами (1), а також взаємодію алюмінію з водними розчинами лугів (2). Серед промислових способів отримання водню велику роль відіграють електроліз водних розчинів лугів та солей (3) та конверсія метану (4):

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (1);

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na +3 H 2 (2);

2NaCl + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2NaOH (3);

CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

ПРИКЛАД 2

• Діяльність та педагогічні погляди вона амоса коменського
• Константа швидкості обчислюється за формулою Значення константи швидкості
• Фазові діаграми двокомпонентних систем "полімер - розчинник" Фазові діаграми двокомпонентних систем "полімер - розчинник"
• Тонка та надтонка структура оптичних спектрів
• Як вивчити хімію самостійно з нуля: ефективні способи
• Властивості та характеристика алкенів
• Характеристика студента з місця проходження практики
• Характеристика на студента, який проходив практику на підприємстві: правила написання
• Біографія фарадея. Великі вчені. Майкл Фарадей. відкриття електромагнітного обертання
• Сучасні інновації в освіті

• Заступники у бензольному кільці поділяються на дві групи Реакції бензольного кільця
• Типи хімічних реакцій в органічній хімії Реакції електрофільного приєднання
• Способи поділу неоднорідних сумішей
• Поліметакрилова кислота
• Загальна характеристика елементів підгрупи VI A Елементи 6 а підгрупи
• Теоретичні основи фізики
• Теорія графів у хімії. Граф теорія. Основні визначення та теореми теорії графів
• Алгебра та гармонія у хімічних додатках
• Тести з курсу «Екологія та природокористування
• Директор WWF Росії Ігор Честін: Якутія серед лідерів Я знаю, що Ви багато подорожуєте… Навіщо Вам це