1. ВОДОРОД
1 Положение элемента в ПС и особенности
строения атома
2 Нахождение в природе
3 Простое вещество
4 Соединения водорода
http://arkadiyzaharov.ru/studentu/chto-delat-studentam/neorganicheskaya-ximiya/
2. ВОДОРОД
1 ПОЛОЖЕНИЕ ВОДОРОДА В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ И ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТА.
Водород – первый элемент ПС. Он состоит всего из
двух частиц: протона и электрона. Его электронная
формула 1s1, что формально позволяет отнести его к
s-элементам первой группы.
Однако, несмотря на простейшее строение, химия
водорода характеризуется рядом особенностей,
отличающих его от s-металлов первой группы и
приближающих его к неметаллам VII группы.
3. ВОДОРОД
1 ПОЛОЖЕНИЕ ВОДОРОДА В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ И ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТА.
Водород проявляет двойственный характер: в одних
условиях он проявляет металлический характер в
других – неметаллический:
1) по числу валентных электронов водород должен
находиться в первой группе;
2) по числу электронов, недостающих до завершения
его валентного слоя – VII группе;
С р-элементами VII группы (галогенами) атом водорода
объединяет также высокая энергия ионизации:
Н = Н+ + е+ , I = 13,6 эВ
4. ВОДОРОД
1 ПОЛОЖЕНИЕ ВОДОРОДА В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ И ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТА.
В то же время в состоянии свободного иона Н+
водород не имеет ничего общего с ионами
щелочных металлов.
Главной особенностью атома водорода является
то, что у него нет промежуточного электронного
слоя между ядом и валентной оболочкой. Ион Н+
представляет собой элементарную частицу –
протон.
5. ВОДОРОД
1 ПОЛОЖЕНИЕ ВОДОРОДА В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ И ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТА.
В силу большого значения потенциала иониза-
ции атома водорода и исключительно высокой
поляризующей способности иона Н+, химические
связи водорода даже с наиболее электроотри-
цательными элементами (F, O и др.) никогда не
бывают ионными.
6. ВОДОРОД
1 ПОЛОЖЕНИЕ ВОДОРОДА В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ И ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТА.
Протон Н+ в свободном состоянии не существует, он
легко внедряется в электронные оболочки молекул с
образованием, так называемых, ониевых ионов,
например:
Н+ + Н2О: → Н3О+ (ион гидроксония)
Н+ + :NH3 → NH4+ (ион аммония)
..
H + C2H5OH→ C2H5OH2+ (ион этилоксония)
+
Наконец особенности строения атома водорода
обуславливают особый, присущий только соединени-
ям Н (+1) вид химической связи – водородную связь.
7. ВОДОРОД
1 ПОЛОЖЕНИЕ ВОДОРОДА В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ И ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТА.
Водородная связь – дополнительная связь,
которую способен образовывать положительно
поляризованный атом водорода одной молеку-
лы с отрицательно поляризованным атомом
другой молекулы (или той же самой -
внутримолекулярная водородная связь).
8. ВОДОРОД
2 НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ
Водород – наиболее распространенный элемент во
Вселенной. Солнце и звезды черпают свою энергию
из реакции ядерного синтеза с участием водорода:
1
1 Н = 4
2 Не + 2е+ + γ-лучи
В земной коре на долю водорода приходится 1 % по
массе. Водород в основном находится в виде воды.
Он содержится в природном газе, нефти, раститель-
ных и животных организмах.
9. ВОДОРОД
2 НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ
Водород имеет три изотопа с массовыми числами 1,
2 и 3 соответственно: протий 1Н, дейтерий 2Н (2D) и
тритий 3Н (3Т). Протий и дейтерий – стабильные изо-
топы. Изотопный состав природных соединений
водорода соответствует отношению
D : Н = 1 : 6800 (по числу атомов)
Тритий – радиоактивный изотоп (β-излучатель, Т1/2=
12,26 года):
3
1 Т = 32Не + β–
10. 3. ВОДОРОД- ПРОСТОЕ ВЕЩЕСТВО
Физические и химические свойства
При нормальных условиях водород представляет
собой легкий (в 14,32 раза легче воздуха)
бесцветный газ, образованный двухатомными
молекулами Н2. Наряду с молекулами легкого
водорода Н2 возможны молекулы тяжелого
водорода D2, а также Т2, НD, HT, DT.
11. 3. ВОДОРОД- ПРОСТОЕ ВЕЩЕСТВО
Физические и химические свойства
Молекулы водорода отличаются большой проч-
ностью и малой поляризуемостью, незначительными
размерами и массой.
Поэтому у водорода очень низкие температуры
лавления (–259,1 0С) и кипения (–252,6 0С). Из-за
малой поляризуемости водород трудно сжижается.
Он плохо растворяется в воде, лучше – в
органических растворителях. Хорошо растворяется
во многих металлах (1 объём Pd растворяет до 900
объёмов Н2).
12. 3. ВОДОРОД- ПРОСТОЕ ВЕЩЕСТВО
Физические и химические свойства
В химическом отношении водород благодаря
прочности молекул при обычных условиях мало
активен и непосредственно взаимодействует только
со фтором.
При нагревании же он взаимодействует со многими
неметаллами, металлами и сложными веществами,
выполняя как восстановительные, так и окисли-
тельные функции:
13. 3. ВОДОРОД- ПРОСТОЕ ВЕЩЕСТВО
Физические и химические свойства
Водород как восстановитель:
Н2 (г) + Cl2 (г) = 2НCl (г), (на свету, 20 0С)
Н2 (г) + О2 (г) = 2Н2О (г), (550 0С)
СuO + H2 = Cu + H2O
4H2 + CO2 = CH4 + 2H2O, (нагр.,кат.)
Водород как окислитель:
Н2 (г) + Na (т) = 2NaH (т), (300 0С)
Н2 (г) + С (кокс) = СaH2 (т), (500 0С)
Окислительные свойства водорода выражены слабее
восстановительных. По восстановительным он также
уступает таким восстановителям, как С, Al, Ca и др.
14. 3. ВОДОРОД- ПРОСТОЕ ВЕЩЕСТВО
ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА
Промышленные способы:
800 0С
СН4 + Н2О → СО + 3Н2
Ni
600 0С
СО + Н2О СО2 + Н2
Cr2O3, Al2O3
1000 0С
C + H2O CO + H2
15. 3. ВОДОРОД- ПРОСТОЕ ВЕЩЕСТВО
ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА
Лабораторные способы:
Zn + H+ → Zn2+ + ½ H2 ↑
2Al + 3NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2↑
Применение водорода
- в синтезе NH3, HCl, CH3OH;
- гидрирование растительных жиров:
- при сварке и резке металлов (2Н2 + О2 = 2Н2О; Т = 2800 0С);
- жидкий водород используют как ракетное топливо;
- в топливных элементах.
16. 4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА
В соответствии с доминирующим типом химической
связи, все бинарные (двухэлементные) соединения
водорода можно разделить на три типа:
1) солеобразные (ионные);
2) металлоподобные;
3) летучие (ковалентные).
В первых двух типах соединений водород
отрицательно поляризован (имеет степень окисления
–1). Эти соединения называются гидридами. В
большинстве соединениях с ковалентной связью
водород поляризован положительно (имеет степень
окисления +1), в некоторых (ковалентных гидридах) –
отрицательно.
17. 4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА
ИОННЫЕ ГИДРИДЫ
Ионные гидриды, например, КН и СаН2 образуются
при непосредственном взаимодействии водорода со
щелочными и щёлочно-земельными металлами. Это
твердые кристаллические вещества, т.е. соли.
В химическом отношении ионные гидриды ведут себя
как основные соединения. Они энергично взаимодей-
ствуют с водой с выделением водорода:
ЭН + +1 2О = ЭОН + Н2
–1
Н
–1 +1
ЭН2 + 2Н2О = Э(ОН)2 + 2Н2
Или в ионном виде: Н:– + НОН = Н + ОН–
2
18. 4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА
МЕТАЛЛОПОДОБНЫЕ ГИДРИДЫ
Гидриды d- и f-элементов характеризуются преиму-
щественно металлическим характером связи. Все они
являются соединениями внедрения, имеют нестехио-
метрический состав ЭН, ЭН2, в некоторых случаях ЭН3.
Имеют вид металлоподобных темных порошков или
хрупкой массы, их электро- и тепло-проводность такие
же, как у металлов.
Первые три металла каждого d-семейства поглощают
водород со значительным экзотермическим эффектом,
d-металлы VI–VIII групп по отношению к водороду
малоактивны. Исключением является палладий.
19. 4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА
МЕТАЛЛОПОДОБНЫЕ ГИДРИДЫ
Металлические гидриды используются как вос-
становители при получении покрытия из соответст-
вующего металла, а также для получения металлов в
виде порошков.
ГИДРИДЫ С КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗЬЮ
К ковалентным относятся гидриды с мене
электроотрицательными, чем сам водород,
неметаллами. Например, SiH4 и BH3. В них водород
имеет степень окисления –1, но в отличие от ионных
(солеобразных) гидридов это легколетучие
соединения с молекулярной структурой.
20. 4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА
ГИДРИДЫ С КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗЬЮ
По химической природе гидриды неметаллов являют-
ся кислотными соединениями, что видно из их
отношения к воде: при взаимодействии с водой
выделяется водород и образуется кислота:
SiH4 + 3HOH = H2SiO3 + H2
–1 +1
В неводных средах (например, в эфире) ионные
(основные) и ковалентные (кислотные) гидриды реагируют
между собой, образуя комплексные гидриды, например:
NaH + BH3 = Na[BH4]
основный кислотный тетрагидридоборат
Li
H:– + □BH3 = [BH4]–
донор акцептор
21. 4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА
ГИДРИДЫ С КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗЬЮ
Комплексные гидриды Na[BH4] и Li[AlH4] широко
применяются в химическом синтезе в качестве
сильных восстановителей. Стандартный потенциал
системы:
½ Н2 + е– = :Н–
равен –2,25 В. Поэтому гидрид-ион :Н– – один из
самых сильных восстановителей.
22. 4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА
КОВАЛЕНТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА С НЕМЕТАЛЛАМИ
Водородные соединения с преимущественно ковалент-
ным типом связи образуются при взаимодействии
водорода с p-элементами IVA–VIIA-групп. В этих
соединениях водород выступает, как правило, в
качестве катионообразователя (имеет степень
окисления +1).
Ковалентные соединения водорода летучи. Их терми-
ческая устойчивость уменьшается в группах сверху
вниз, вплоть до того, что PbH4, PoH2 и HAt не получены,
а BiН3 разлагается в момент выделения.
23. 4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА
КОВАЛЕНТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА С НЕМЕТАЛЛАМИ
Для получения ковалентных соединений водорода
используют:
метод прямого синтеза, например:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3
метод гидролиза:
Ca3C2 + 6H2O = 3Ca(OH)2 + 2NH3↑
CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + Ca2H2↑
ZnS + 2HCl = ZnCl2 + H2S↑
Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4↑
24. 4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА
КОВАЛЕНТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА С НЕМЕТАЛЛАМИ
Отношение к воде
Чем полярнее связь Э-Н, тем легче происходит
электролитическая ионизация по этой связи в водных
растворах.
Водородные соединения р-элементов IVA-группы
плохо растворимы в воде (но хорошо растворимы в
неполярных органических растворителях). В растворе
они медленно гидролизуются с образованием
гидроксосоединений и выделением водорода,
например:
SiH4 + 4H2O = H4SiO4 + 4H2↑
25. 4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА
КОВАЛЕНТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА С НЕМЕТАЛЛАМИ
Отношение к воде
Соединения элементов VA-группы хорошо раство-
римы в воде и продукты их взаимодействия диссоци-
ируют по основному типу:
:ЭН3 + Н2О = ЭН4+ + ОН–
Фактически подобным образом с водой взаимодейст-
вует лишь NH3 (аммиак). AsH3, SbH3, BiH3 с водой
практически не взаимодействуют.
26. 4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА
КОВАЛЕНТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА С НЕМЕТАЛЛАМИ
Отношение к воде
Более полярные соединения элементов VIA-группы:
H2S, H2Se и H2Te при растворении в воде
диссоциируют уже по кислотному типу:
H2S + H2O ↔ HS– + H3O+ или H2S ↔ HS– + H+
Сила кислот Н2Э увеличивается в ряду:
H2S – H2Se – H2Te
27. 4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА
КОВАЛЕНТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА С НЕМЕТАЛЛАМИ
Еще более полярны и лучше растворимы в воде сое-
динения элементов VIIA-группы, их водные растворы
являются уже сильными кислотами (кроме HF):
НЭ + Н2О ↔ Э– + Н3О+ или НЭ ↔ Э– + Н+
Сила кислот также возрастает в ряду HCl – HBr – HI,
несмотря на то, что полярность связей в этом
направлении уменьшается. Причина – уменьшение
прочности связи Э–Н.
Таким образом гетеролитический распад в водом
растворе обусловлен не только полярностью, но и
прочностью связей.
28. 4 СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА
КОВАЛЕНТНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ВОДОРОДА
Несколько отличается от остальных водородных
соединений группа полимерных гидридов бериллия,
магния, алюминия: (BeH2)x, (MgH2)x, (AlH3)x.
Это твердые вещества, термически распада-
ющиеся на элементы соответственно при 100, 300 и
100 0С. Близки к ним по свойствам гидриды Cu, Ag, Zn
и Cd, а также твердые гидриды фосфора (РН3)х.
Гидриды бора В2Н6 и галлия Ga2H6 представляют
собой летучие димеры. У бора имеются также и
полимерные гидриды BnHn+4 и BnHn+6. Среди них
имеются газообразные, жидкие и твердые вещества.
