Водород

Оглавление

• Положение водорода в Периодической системе
• Химические свойства водорода
• Физические свойства
• Получение водорода
• Применение водорода

Положение водорода в Периодической системе

В некоторых периодических системах можно наблюдать, что водород располагается как в первой, так и в седьмой группе. К первой группе водород относят из-за наличия у него всего одного валентного электрона на внешнем электронном уровне. Это обуславливает существование катионов водорода H⁺(протонов водорода), которые образуются аналогично катионам металлов IА-группы.

Однако не стоит относить водород к полным аналогам щелочных металлов: в отличие от них, валентный электрон водорода прочнее связан с ядром, так как между ядром и электроном нет других электронных слоёв. Это значит, что есть только силы притяжения положительного ядра к отрицательному валентному электрону, а силы отталкивания между электронами нет. Поэтому положительное ядро водорода может притягивать чужие электроны, а свой единственный электрон не обеспечивает значительной силы отталкивания чужих электронов. Благодаря этому водород может выступать не только в роли восстановителя, отдавая электрон, но и в роли окислителя, образуя гидрид-ион H^‒ (принимая электрон) подобно тому, как это делают элементы VIIА-группы. У галогенов на внешнем электронном слое семь валентных электронов, до «идеала» недостает всего одного, поэтому они хорошие окислители (стремятся притянуть чужие электроны).

Внешний уровень водорода является еще и первым (ближайшим к ядру), на котором максимально помещается два электрона. До завершения этого уровня атому водорода требуется принять всего один электрон, это роднит его с галогенами. Этим и обосновано расположение водорода в ПС в VIIА-группе. Получая один электрон, водород приобретает конфигурацию благородного газа (гелия).

Таким образом, водород можно рассматривать как элемент первой группы, так как его электронная конфигурация может быть выражена как ns¹ (это совпадает с электронной конфигурацией внешнего уровня всех щелочных металлов) и как элемент седьмой группы, так как до завершения внешнего электронного уровня не хватает всего одного электрона.

Задание в формате ЕГЭ с ответом:

Пояснение: Водород приобретает конфигурацию благородного газа, превращаясь в гидрид-ион. Гидриды образуются при взаимодействии водорода с активными металлами (металлами IА-группы и кальцием, стронцием, барием).

Химические свойства водорода

Водород проявляет восстановительные свойства при взаимодействии с неметаллами.

Молекулярный водород состоит из двух атомов, между которых образуется одна, но очень прочная σ-связь, что обеспечивает устойчивость молекулы. Поэтому при нормальных условиях водород малоактивен. Но при нагревании, облучении или использовании катализаторов водород реагирует с большинством неметаллов, а также со щелочными и щелочноземельными металлами.

В качестве катализатора используется платина или никель. Водород, растворяясь в этих металлах переходит из молекулярного в более активное атомарное состояние.

1. Взаимодействие водорода с галогенами (с элементами VIIА-подгруппы).

При комнатной температуре водород реагирует только со фтором:

H₂ + F₂ = 2HF

Полученный фтороводород – прозрачный газ с резким запахом, при растворении в воде образует слабую плавиковую кислоту.

При облучении реагирует с бромом и хлором:

H₂ + Br₂ = 2HBr

H₂ + Cl₂ = 2HCl

Образовавшийся бромоводород и хлороводород – газы, образующие при растворении сильные кислоты.

При нагревании водород реагирует с йодом:

H₂ + I₂ = 2HI

Образовавшийся йодоводород – газ, при растворении которого в воде образуется очень сильная кислота.

Кислотные свойства водородных соединений увеличивается в ПС (Периодической системе) слева-направо и сверху-вниз. Поэтому плавиковая кислота слабая, а йодоводородная – сильная.

Пример задания из КИМ ЕГЭ:

2. Взаимодействие водорода с халькогенами (элементами VIА-подгруппы).

Реакция с чистым кислородом происходит при 400º, с кислородом на воздухе – при 600º, но если использовать платиновый катализатор, то реакция между водородом и кислородом происходит при комнатной температуре:

2H₂ + O₂ = 2H₂O

Данная реакция сопровождается выделением большого количества теплоты, поэтому может быть использована в целях получения энергии в двигателях.

Смесь двух объёмов водорода и одного объёма кислорода называется гремучим газом, она крайне взрывоопасна.

С бором, кремнием и фосфором водород непосредственно не реагирует.

3. Взаимодействие водорода с металлами.

Водород проявляет окислительные свойства в реакция со щелочными и щелочноземельными металлами. Принимает от металла один электрон и превращается в гидрид-ион:

2K + H₂ = 2KH

Ca + H₂ = CaH₂

Задание по образцу ФИПИ:

Попробуйте решить задание ЕГЭ:

4. Взаимодействие со сложными веществами

Водород используют для восстановления металлов из их оксидов. Таким образом получают средние и малоактивные металлы (в основном металлы побочных подгрупп):

CuO + H₂ = Cu + H₂O

FeO + H₂ = Fe + H₂O

Bi₂O₃ + H₂ = Bi + H₂O

Если металл в оксиде может иметь более низкую промежуточную степень окисления, то восстановление происходит не полностью:

Fe₂O₃ + H₂ = 2FeO + H₂O

Так как в условиях недостатка водорода восстанавливается не весь оксид железа III, в продукте может образоваться не оксид железа II, а смесь оксида железа II и III (закись-окись железа).

3Fe₂O₃ + H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O

Также неполно восстанавливается и оксид свинца IV.

PbO₂ + H₂ = PbO + H₂O

Для полного восстановления требуется большой избыток водорода.

Железная окалина имеет в своем составе два оксида – FeO и Fe₂O₃, которые в сумме записывают как Fe₃O₄ (закись-окись железа). Входящий в состав оксид железа III – более сильный окислитель, за счет него окалина реагирует с водородом.

Fe₃O₄ + H₂ = FeO

Закись-окись марганца, входящая в состав минерала гаусманита, является двойным оксидом (MnO·Mn₂O₃) с общей формулой Mn₃O₄ восстанавливается аналогично:

Mn₃O₄ + H₂ = MnO

Подобным образом восстанавливаются галогениды:

FeCl₂ + H₂ = Fe + 2HCl

2FeCl₃ + H₂ = 2FeCl₂ + 2HCl

С оксидами и галогенидами активных металлов водород не реагирует.

При 1000ºС водород может восстановить сульфат до сульфида:

BaSO₄ + 4H₂ = BaS + 4H₂O

Водород восстанавливает не только металлы, но и некоторые неметаллы из их оксидов:

2NO + 2H₂ = N₂ + 2H₂O

Восстановление также может происходить не полностью:

CO₂ + H₂ = CO + H₂O

Физические свойства

Водород является газом без цвета и запаха, не имеет вкуса. Это самый легкий газ, его не может удержать земная атмосфера и свободный водород выходит в космос. В земной атмосфере водород остаётся в связанном виде, то есть в составе более тяжелых молекул.

Водород плохо растворяется в воде и во многих других растворителях, но может медленно диффундировать в металлах.

Получение водорода

1. Лабораторные методы:

Водород получают взаимодействием 20%-ной серной кислоты с цинком в аппарате Киппа:

H₂SO₄ + Zn = ZnSO₄ + H₂↑

Из-за использования загрязненного цинка (цинковые руды загрязнены мышьяком и сурьмой), выход продукта уменьшается, вместе с водородом образуются ядовитые AsH₃ и SbH₃.

Для получения более чистого водорода используют реакции растворения кремния или алюминия в щелочах:

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑

Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂↑

Водород можно получить при реакции железа нагретого до температуры красного каления (900-1000º) с перегретым водяным паром:

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂↑

Взаимодействием щелочных металлов с водой:

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑

Реакция является экзотермической – происходит с выделением большого количества тепла. Активные металлы горят и даже взрываются при взаимодействии с водой.

Водород получают гидролизом гидридов или взаимодействием гидрида с кислотой:

KH + HOH = KOH + H₂↑

KH + HCl = KCl + H₂↑

2. Промышленные способы получения водорода:

В промышленности используют электролиз воды и растворов солей активных металлов.

2NaCl + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑

Катодный процесс: 2HOH + 2ē → H₂ + 2OH^‒

Анодный процесс: 2Cl^‒ ‒ 2ē → Cl₂↑

Водород можно получить при разложении метана при 350ºС на железном или никелевом катализаторе:

CH₄ = C + 2H₂↑

Наибольшее количество водорода получают воздействием на антрацит (ископаемый уголь с наибольшей массовой долей углерода) перегретым водяным паром (1000ºC):

C + H₂O = CO + H₂

Или конверсией метана перегретым водяным паром (1100ºС):

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂

Смесь угарного газа и водорода, получаемая в этих реакциях, называется синтез-газом. Он используется в органическом синтезе, главным образом для получения метанола и в синтезе Фишера-Тропша для получения алканов:

CO + 2H₂ = CH₃OH

5CO + 11H₂ = C₅H₁₂ + 5H₂O

Также водород получают глубоким охлаждением коксового газа до ‒196ºС, при такой температуре только водород остаётся газообразным.

Многие описанные методы приводят к получению не чистого водорода, а его смеси с другими газами. Одним из методов отделения водорода от примесей является пропускание газовой смеси через прибор, содержащий трубку из сплава палладия и серебра. Смесь пропускают через прибор под большим давлением. Из-за давления и способности водорода диффундировать в металлах, он попадает в трубку из сплава Pd/Ag, другие газы в эту трубку попасть не могут.

Применение водорода

Наибольшее количество водорода используется в производстве аммиака, хлороводорода и соляной кислоты, восстановление металлов, гидрирование органических соединений, получении метанола.

Жидкий водород используется в качестве ракетного топлива.

Водород используется для очистки нефти от серы.

Использованная литература:

Репетитор по химии / под ред. А. С. Егорова. – Изд. 29-е. – Ростов н/Д : Феникс, 2010. – 762.

Хомченко Г. П. Пособие по химии для поступающих в вузы. – 4-е изд., испр. и доп. – М.: ООО «Издательство Новая Волна»: Издатель Умеренков, 2002.

Шрайвер Д., Эткинс П. Неорганическая химия. В 2-х т. Т.1/Пер. с англ. М. Г. Розовой, С. Я. Истомина, М. Е. Тамм. – М.: Мир, 2004.