какое строение имеет водород

Водород. Особенности строения водорода.

Сходство с щелочными металлами весьма условное. Если сравнить энергию ионизации (энергию полного отрыва электрона) водорода с энергией ионизации лития или натрия, то видно, что водород не принадлежит группе щелочных металлов.

Элемент

Энергия ионизации, кДж/моль

Данные таблицы показывают, что для удаления 1-го электрона от щелочных металлов необходимо небольшое количество энергии, вследствие чего образуется устойчивая конфигурация инертного газа, чего нельзя сказать о водороде. Именно водород из-за своего маленького радиуса оказывается поляризующее действие, поэтому все соединения водорода, даже с более активными металлами, являются ковалентно-полярными связями.

Если рассмотреть сродство к электрону (энергия отрыва электрона), что свойственно для всех галогенов, то можно заметить, что и на галогены водород не похож:

Элемент

Сродство к электрону, кДж/моль

Атом водорода может, хотя с большим трудом, присоединять электрон, приобретая устойчивую оболочку гелия и образуя ион:

Но как и галогены водород имеет низкую температуру кипения и плавления и по физическим свойствам представляет собой двухатомный газ. В таком виде водород находится в гидридах (соединение с металлами).

Изотопы водорода.

У водорода 3 изотопные формы: протий ( 1 ₁Н), дейтерий ( 2 ₁Н), тритий ( 3 ₁Н). В природе существует 99,985% изотопа 1 ₁Н, остальное – дейтерий. Тритий встречается в виде радиоактивных следов. Они различаются по физическим свойствам:

Для каждого соединения водорода существует его дейтериевый аналог. Основной – D₂O – тяжелая вода, использующаяся в качестве замедлителя реакций.

Оксид дейтерия получают электролизом воды. На катоде выделяется водород, а та вода, которая остается, обогащается оксидом дейтерия.

Распространение водорода в природе.

Источник

Водород: химия водорода и его соединений

Водород

Положение в периодической системе химических элементов

Водород расположен в главной подгруппе I группы и в первом периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение водорода

Электронная конфигурация водорода в основном состоянии :

+1H 1s 1 1s

Атом водорода содержит на внешнем энергетическом уровне один неспаренный электрон в основном энергетическом состоянии.

Физические свойства

Водород – легкий газ без цвета, без запаха. Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью:

Соединения водорода

Типичные соединения водорода:

Способы получения

Еще один важный промышленный способ получения водорода — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:

Также возможна паровая конверсия угля:

C 0 + H₂ + O → C +2 O + H₂ 0

Химические свойства

1. Водород проявляет свойства окислителя и свойства восстановителя. Поэтому водород реагирует с металлами и неметаллами.

1.1. С активными металлами водород реагирует с образованием гидридов :

2Na + H₂ → 2NaH

1.2. В специальных условиях водород реагирует с серой с образованием бинарного соединения сероводорода:

1.4. С азотом водород реагирует при нагревании под давлением в присутствии катализатора с образованием аммиака:

2. Водород взаимодействует со сложными веществами:

ZnO + H₂ → Zn + H₂O

Также водород восстанавливает медь из оксида меди:

СuO + H₂ → Cu + H₂O

2.2. С органическими веществами водород вступает в реакции присоединения (реакции гидрирования).

Применение водорода

Применение водорода основано на его физических и химических свойствах:

Водородные соединения металлов

Соединения металлов с водородом — солеобразные гидриды МеН_х. Это твердые вещества белого цвета с ионным строением. Устойчивые гидриды образуют активные металлы (щелочные, щелочноземельные и др.).

Способы получения

Гидриды металлов можно получить непосредственным взаимодействием активных металлов и водорода.

2Na + H₂ → 2NaH

Гидрид кальция можно получить из кальция и водорода:

Химические свойства

NaH + H₂O → NaOH + H₂

2. При взаимодействии с кислотами гидриды металлов образуют соль и водород.

NaH + HCl → NaCl + H₂

3. Солеобразные гидриды проявляют сильные восстановительные свойства и взаимодействуют с окислителями (кислород, галогены и др.)

2NaH + O₂ = 2NaOH

Гидрид натрия также окисляется хлором :

NaH + Cl₂ = NaCl + HCl

Летучие водородные соединения

Соединения водорода с неметаллами — летучие водородные соединения.

Строение и физические свойства

Все летучие водородные соединения — газы (кроме воды).

Способы получения силана

Силан образуется при взаимодействии соляной кислоты с силицидом магния:

Видеоопыт получения силана из силицида магния можно посмотреть здесь.

Способы получения аммиака

В лаборатории аммиак получают при взаимодействии солей аммония с щелочами. Поск ольку аммиак очень хорошо растворим в воде, для получения чистого аммиака используют твердые вещества.

Тщательно растирают ступкой смесь соли и основания и нагревают смесь. Выделяющийся газ собирают в пробирку (аммиак — легкий газ и пробирку нужно перевернуть вверх дном). Влажная лакмусовая бумажка синеет в присутствии аммиака.

Видеоопыт получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция можно посмотреть здесь.

Еще один лабораторный способ получения аммиака – гидролиз нитридов.

В промышленности аммиак получают с помощью процесса Габера: прямым синтезом из водорода и азота.

Процесс проводят при температуре 500-550 о С и в присутствии катализатора. Для синтеза аммиака применяют давления 15-30 МПа. В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непрореагировавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Более подробно про технологию производства аммиака можно прочитать здесь.

Способы получения фосфина

В лаборатории фосфин получают водным или кислотным гидролизом фосфидов – бинарных соединений фосфора и металлов.

Еще один лабораторный способ получения фосфина – диспропорционирование фосфора в щелочах.

Способы получения сероводорода

1. В лаборатории сероводород получают действием минеральных кислот на сульфиды металлов, расположенных в ряду напряжений левее железа.

FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑

Еще один способ получения сероводорода – прямой синтез из водорода и серы:

Еще один лабораторный способ получения сероводорода – нагревание парафина с серой.

Видеоопыт получения и обнаружения сероводорода можно посмотреть здесь.

2. Также сероводород образуется при взаимодействии растворимых солей хрома (III) и алюминия с растворимыми сульфидами. Сульфиды хрома (III) и алюминия необратимо гидролизуются в водном растворе.

Например: х лорид хрома (III) реагирует с сульфидом натрия с образованием гидроксида хрома (III), сероводорода и хлорида натрия:

Химические свойства силана

1. Силан — неустойчивое водородное соединение (самовоспламеняется на воздухе). При сгорании силана на воздухе образуется оксид кремния (IV) и вода:

Видеоопыт сгорания силана можно посмотреть здесь.

2. Силан разлагается водой с выделением водорода:

3. Силан разлагается (окисляется) щелочами :

4. Силан при нагревании разлагается :

Химические свойства фосфина

Соли фосфония неустойчивые, легко гидролизуются.

3. Как сильный восстановитель, фосфин легко окисляется под действием окислителей.

Серная кислота также окисляет фосфин:

С фосфином также реагируют другие соединения фосфора, с более высокими степенями окисления фосфора.

2PH₃ + 2PCl₃ → 4P + 6HCl

Химические свойства сероводорода

1. В водном растворе сероводород проявляет слабые кислотные свойства. Взаимодействует с сильными основаниями, образуя сульфиды и гидросульфиды:

H₂S + 2NaOH → Na₂S + 2H₂O
H₂S + NaOH → NaНS + H₂O

В избытке кислорода:

3. Как сильный восстановитель, сероводород легко окисляется под действием окислителей.

Например, бром и хлор окисляют сероводород до молекулярной серы:

H₂S + Br₂ → 2HBr + S↓

H₂S + Cl₂ → 2HCl + S↓

Под действием избытка хлора в водном растворе сероводород окисляется до серной кислоты:

При кипячении сера окисляется до серной кислоты:

Прочие окислители окисляют сероводород, как правило, до молекулярной серы.

Соединения железа (III) также окисляют сероводород:

H₂S + 2FeCl₃ → 2FeCl₂ + S + 2HCl

Бихроматы, хроматы и прочие окислители также окисляют сероводород до молекулярной серы:

Серная кислота окисляет сероводород либо до молекулярной серы:

Либо до оксида серы (IV):

4. Сероводород в растворе реагирует с растворимыми солями тяжелых металлов : меди, серебра, свинца, ртути, образуя черные сульфиды, нерастворимые ни в воде, ни в минеральных кислотах.

Взаимодействие с нитратом свинца в растворе – это качественная реакция на сероводород и сульфид-ионы.

Видеоопыт взаимодействия сероводорода с нитратом свинца можно посмотреть здесь.

Химические свойства прочих водородных соединений

Кислоты образуют в водном растворе: водородные соединения VIA (кроме воды) и VIIA подгрупп.

Прочитать про химические свойства галогеноводородов вы можете здесь.

Физические свойства

Молекулы воды связаны водородными связями: nH₂O = (Н₂O)_n, поэтому вода жидкая в отличие от ее газообразных аналогов H₂S, H₂Se и Н₂Те.

Химические свойства

1.1. С активными металлами вода реагирует при комнатной температуре с образованием щелочей и водорода :

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

Ag + Н₂O ≠

3. Вода взаимодействует с кислотными оксидами (кроме SiO₂):

4. Некоторые соли реагируют с с водой. Как правило, в таблице растворимости такие соли отмечены прочерком :

6. Бинарные соединения неметаллов также гидролизуются водой.

6. Некоторые органические вещества гидролизуются водой или вступают в реакции присоединения с водой (алкены, алкины, алкадиены, сложные эфиры и др.).

Источник

Водород, свойства атома, химические и физические свойства

Водород, свойства атома, химические и физические свойства.

Водород — первый элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 1. Расположен в 1-й группе, первом периоде периодической системы.

Атом и молекула водорода. Формула водорода. Строение атома водорода:

Водород (лат. hydrogenium, от др.-греч. ὕδωρ – «вода» и γεννάω – «рождаю», т.е. «рождающий воду») – первый элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с обозначением H и атомным номером 1. Расположен в 1-й группе, первом периоде периодической системы.

Водород обозначается символом Н.

Как простое вещество водород при нормальных условиях представляет собой двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Молекула водорода двухатомна.

Химическая формула водорода Н₂.

Строение атома водорода – вокруг ядра, состоящего из одного протона, вращается по единственной s-орбитали один электрон. Гелий относится к элементам s-семейства.

Радиус атома водорода (вычисленный) составляет 53 пм.

Атомная масса атома водорода составляет 1,00784-1,00811 а. е. м.

При высокой температуре молекула водорода Н₂ диссоциирует на атомарный водород. При 2000 К на атомарный водород диссоциирует 0,081% молекулярного водорода, при 3000 К – 7,85%, при 5000 К – 95,5%. Переход в атомарное состояние вызывается также электрическим разрядом или под действием излучения с длиной волны менее 85 нм. Распад на атомы требует затраты энергии 104,2 ккал/моль при 25 о С. Под давлением 0,2 мм.рт.ст. атомарный водород может существовать около 1 секунды.

Атомарный водород значительно химически активнее молекулярного.

Изотопы и модификации водорода. Протий, дейтерий, тритий. Ортоводород, параводород:

Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях): ортоводород и параводород. Модификации немного различаются по физическим свойствам, оптическим спектрам, также по характеристикам рассеивания нейтронов. В молекуле ортоводорода o-H₂ (температура плавления −259,10 °C, температура кипения −252,56 °C) спины ядер параллельны, а у параводорода p-H₂ (температура плавления −259,32 °C, температура кипения −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H₂ и p-H₂ при заданной температуре называется равновесный водород e-H₂.

При комнатной температуре водород представляет собой равновесную смесь орто-Н₂ (75%) и пара-Н₂ (25%) форм. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода, так как энергия пара-молекулы немного ниже энергии орто-молекулы. При 80 К соотношение модификаций приблизительно 1:1.

Разделить две формы водорода возможно путем адсорбции на активном угле при температуре жидкого азота. При этом активный уголь катализирует превращение ортоводорода в параводород. Десорбированный с угля параводород при комнатной температуре превращается в ортоводород до образования равновесной смеси (75:25), однако это превращение без катализатора происходит медленно, что дает возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм.

Водород имеет три природных изотопа: 1 H – протий, 2 H – дейтерий и 3 H – тритий (радиоактивен).

Ядро самого распространённого изотопа – протия ( 1 H) – состоит из одного только протона и не содержит нейтронов.

Ядро дейтерия ( 2 H) состоит из одного протона и одного нейтрона.

Ядро трития ( 3 H) состоит из одного протона и двух нейтронов.

Эти изотопы имеют собственные химические символы: протий – H, дейтерий – D, тритий – T.

Протий и дейтерий стабильны. Содержание этих изотопов в природном водороде составляет 99,9885 ± 0,0070 % и 0,0115 ± 0,0070 % соответственно. Оно может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода.

Природный молекулярный водород состоит из молекул H₂ и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание в нём молекул из чистого дейтерия D₂ ещё меньше, отношение концентраций HD и D₂ составляет примерно 6400:1.

Физические свойства изотопов водорода (плотность, температура плавления, температура кипения, критическая температура, критическое давление и пр.) отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов.

Искусственно получены также другие – тяжёлые радиоактивные изотопы водорода с массовыми числами 4-7 и периодами полураспада 10 −21 −10 −23 с:

– 4 H, состоящий из одного протона и трех нейтронов,

– 5 H, состоящий из одного протона и четырех нейтронов,

– 6 H, состоящий из одного протона и пяти нейтронов,

– 7 H, состоящий из одного протона и шести нейтронов.

Молекулы водорода могут быть образованы как чистыми изотопами H₂, D₂, T₂, так и смешанным составом: HD, HT, DT.

Молекулы чистых протия, дейтерия и трития могут существовать в двух аллотропных модификациях (отличающихся взаимной ориентацией спинов ядер) – орто- и параводород: o-D₂, p-D₂, o-T₂, p-T₂. Молекулы водорода с другим изотопным составом (HD, HT, DT) не имеют орто- и парамодификаций.

Свойства водорода (таблица): температура, плотность, давление и пр.:

201* Указан диапазон значений атомной массы в связи с различной распространённостью изотопов данного элемента в природе.

206* Ковалентный радиус водорода согласно [1] и [3] составляет 31±5 пм и 32 пм соответственно.

408* Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔH_кип) водорода согласно [4] составляет 0,916 кДж/моль.

410* Молярная теплоемкость водорода согласно [3] составляет 28,47 Дж/(K·моль).

Физические свойства водорода:

При стандартных температуре и давлении водород – бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичный двухатомный газ с химической формулой H₂.

Водород – самый лёгкий газ. Он легче воздуха в 14,5 раз. Поэтому, например, мыльные пузыри, наполненные водородом, на воздухе стремятся вверх.

Плотность водорода (Н₂) составляет 0,00008988 г/см 3 при 20 °C и иных стандартных условиях ; а также 0,0000899 г/см 3 при 0 °C и иных стандартных условиях .

Общеизвестно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Теплопроводность водорода при 300 K составляет 0,1815 Вт/(м·К). Теплопроводность водорода примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха – 0,0243 Вт/(м·К).

Водород (Н₂) почти не растворяется в воде и органических растворителях. Так, растворимость водорода в воде составляет 0,000157 г/100 г (при температуре 25 °C).

Водород растворяется в металлах: алюминии, железе, никеле, палладии, платине, практически не растворим в серебре. Растворимость в железе и меди мешает при выплавке этих металлов, так как приводит к образованию пустот. Так, растворимость водорода в железе (объемов водорода на объем железа) составляет: при 500 о С – 0,05; при 700 о С – 0,14; при 900 о С – 0,37; при 1100 о С – 0,55; при 1200 о С – 0,65; при 1350 о С – 0,80; при 1450 о С – 0,87; при 1550 о С – 2,05. Растворимость водорода в палладии составляет 850 объёмов H₂ на 1 объём Pd.

При обычных условиях и выше −80 о С при расширении водород разогревается, а не охлаждается как большинство газов (“нормально” он начинает себя вести ниже −80 о С).

При комнатной температуре водород представляет собой равновесную смесь орто-Н₂ (75%) и пара-Н₂ (25%) форм. В молекулах ортоводорода (температура плавления −259,10 °C, температура кипения −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково, а у параводорода (температура плавления −259,32 °C, температура кипения −252,89 °C) – противоположно друг другу.

Температура кипения водорода (Н₂) составляет −252,77 °C [согласно https://ru.wikipedia.org/wiki/Водород)].

Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,77 до −259,19 °C. Жидкий водород – это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C составляет 0,0708 г/см³) и текучая (вязкость при −253 °C 13,8 сП). В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79 % пара-Н₂, 0,21 % орто-Н₂.

Температура плавления водорода (Н₂) составляет −259,19 °C [согласно https://ru.wikipedia.org/wiki/Водород)].

Твёрдый водород, температура плавления −259,19 °C, плотность 0,0807 г/см³ (при −262 °C) – снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a = 0,378 нм и c = 0,6167 нм.

Температура разложения водорода (Н₂) составляет 1700-5000 °C.

Критические параметры водорода (Н₂) очень низкие: критическая температура водорода −239,91 °C и критическое давление водорода 1,297 МПа [согласно https://ru.wikipedia.org/wiki/Водород)]. Этим объясняются трудности при сжижении водорода.

Скорость звука в водороде (Н₂) составляет: 1284 м/с (при 0 °C, состояние вещества – газ), 1301 м/с (при 18 °C, состояние вещества – газ), 1463 м/с (при 100 °C, состояние вещества – газ).

Водород коррозионно неактивен.

В смеси с воздухом и кислородом водород пожаровзрывоопасен, что обусловлено низким значением минимальной энергии зажигания водородно-воздушной смеси (0,017 мДж), высоким значением минимальной теплоты сгорания (121000 кДж/кг) и широкой областью горения и детонации.

Химические свойства водорода. Взаимодействие водорода. Реакции с водородом:

При нормальных условиях водород химически малоактивен.

Химические свойства водорода связаны со строением его электронной оболочки: в атоме один валентный электрон (как у щелочных металлов), а для завершения внешнего электронного слоя не хватает одного электрона (как у атомов гелия и других галогенов).

Поэтому в химических реакциях атом водорода может отдавать или принимать электрон, проявляя при этом в соединениях как положительную, так и отрицательную степени окисления: +1, 0 или –1.

Степень окисления +1 водород проявляет в соединениях с более электроотрицательными неметаллами (H₂O, NH₃, HCl и пр.); степень окисления 0 водород проявляет в молекулах протия H₂, дейтерия D₂, трития T₂, протодейтерия HD, прототрития HT и дейтеротрития DT, т.к. эти молекулы образуются за счет ковалентных неполярных связей; степень окисления –1 водород проявляет в соединениях с металлами, кремнием и бором (NaH, LiH, Ca₂H, SiH₄ и пр.).

В соединениях с неметаллами водород образует ковалентную связь, в соединениях с металлами – ионную связь. В газообразном состоянии водород находится в виде двухатомных молекул, соединенных неполярной ковалентной связью.

Поскольку для водорода возможны положительная и отрицательная степени окисления, водород может проявлять и восстановительные, и окислительные свойства.

Проявляя окислительные свойства, водород взаимодействует с активными металлами.

Проявляя восстановительные свойства, водород взаимодействует с оксидами и галогенидами. В соединениях водород гораздо сильнее проявляет свои восстановительные свойства, чем окислительные. Водород является самым сильным восстановителем после угля, алюминия и кальция. Это свойство используются в промышленности для получения металлов и неметаллов (простых веществ) из оксидов.

Атомарный водород значительно химически активнее молекулярного.

Химическая активность водорода увеличивается при повышении температуры, под действием ультрафиолетового и радиоактивного излучений.

Получение водорода:

Водород может быть получен в результате:

Применение водорода:

Водород используется во многих областях промышленности и быту:

– в химической промышленности при получении некоторых металлов;

– в нефтеперерабатывающей промышленности в процессах гидрокрекинга и гидроочистки Он способствует увеличению глубины переработки сырой нефти и повышению качества конечных продуктов;

– в пищевой промышленности для производства твердых жиров из растительных масел. Водород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949;

– в атомной энергетике;

– в качестве ракетного топлива;

– для сварки и резки металлов при высокой температуре. Температура горения водорода в кислороде составляет 2600 °C.

Источник