У періодичній системі має своє певне місце становища, яке відображає виявлені ним властивості і говорить про його електронній будові. Однак є серед усіх один особливий атом, який займає одразу два осередки. Він розташовується у двох абсолютно протилежних по властивостях групах елементів. Це водень. Такі особливості роблять його унікальним.

Водень - це не просто елемент, а й проста речовина, а також складова частинабагатьох складних сполук, біогенний та органогенний елемент. Тому розглянемо його характеристики та властивості докладніше.

Водень як хімічний елемент

Водень - це елемент першої групи головної підгрупи, а також сьомої групи головної підгрупи у першому малому періоді. Цей період складається з двох атомів: гелію і аналізованого нами елемента. Опишемо основні особливості становища водню в періодичній системі.

1. Порядковий номер водню - 1, кількість електронів така ж, відповідно, протонів стільки ж. Атомна маса – 1,00795. Існує три ізотопи даного елемента з масовими числами 1, 2, 3. Однак властивості кожного з них дуже різняться, так як збільшення маси навіть на одиницю саме для водню є відразу подвійним.
2. Те, що на зовнішньому він містить лише один електрон, дозволяє успішно виявляти йому як окисні, так і відновлювальні властивості. Крім того, після віддачі електрона у нього залишається вільна орбіталь, яка бере участь в утворенні хімічних зв'язків за механізмом донорно-акцепторного.
3. Водень – це сильний відновник. Тому основним місцем його вважається перша група головної підгрупи, де він очолює найактивніші метали – лужні.
4. Однак при взаємодії з сильними відновниками, такими як, наприклад, метали, він може бути окислювачем, приймаючи електрон. Ці сполуки отримали назву гідридів. За цією ознакою він очолює підгрупу галогенів, з якими схожим.
5. Завдяки зовсім маленькій атомної маси, водень вважається найлегшим елементом Крім того, його щільність також дуже мала, тому він є еталоном легкості.

Отже, очевидно, що атом водню - це унікальний, несхожий на всі інші елемент. Отже, властивості його теж особливі, а прості і складні речовини, що утворюються, дуже важливі. Розгляньмо їх далі.

Проста речовина

Якщо говорити про цей елемент як про молекулу, треба сказати, що вона двоатомна. Тобто водень (проста речовина) – це газ. Формула його емпірична записуватиметься як Н 2 , а графічна - через одинарну сигма-зв'язок Н-Н. Механізм утворення зв'язку між атомами – ковалентний неполярний.

1. Парова конверсія метану.
2. Газифікація вугілля - процес передбачає нагрівання вугілля до 1000 0 З, у результаті утворюється водень і високовуглецеве вугілля.
3. Електроліз. Даний метод може використовуватися тільки для водних розчинів різних солей, оскільки розплави не призводять до розряджання води на катоді.

Лабораторні способи одержання водню:

1. Гідроліз гідридів металів.
2. Дія розведених кислот на активні метали та середню активність.
3. Взаємодія лужних та лужноземельних металів з водою.

Щоб зібрати водень, що утворюється, необхідно тримати пробірку перевернутої вгору дном. Адже цей газ не можна зібрати так, як, наприклад, вуглекислий газ. Це водень, він набагато легший за повітря. Швидко випаровується, а у великих кількостях при змішуванні з повітрям вибухає. Тому слід перевертати пробірку. Після заповнення її потрібно закрити гумовою пробкою.

Щоб перевірити чистоту зібраного водню, слід піднести до шийки запалений сірник. Якщо бавовна глуха і тиха - значить газ чистий, з мінімальними домішками повітря. Якщо ж гучний і свистячий – брудний, з великою часткою сторонніх компонентів.

Області використання

При згорянні водню виділяється настільки велика кількість енергії (теплоти), що цей газ вважається найвигіднішим паливом. До того ж, екологічно чистим. Однак на сьогоднішній день його застосування в цій галузі обмежене. Це пов'язано з непродуманими до кінця та не вирішеними проблемами синтезу чистого водню, який був би придатний для використання як паливо в реакторах, двигунах та портативних пристроях, а також опалювальних котлах житлових будинків.

Адже способи отримання даного газу досить дорогі, тому насамперед необхідно розробити особливий метод синтезу. Такий, який дозволить отримувати продукт у великому обсязі та з мінімальними витратами.

Можна виділити кілька основних областей, в яких знаходить застосування аналізований нами газ.

1. Хімічні синтези. З гідрування отримують мила, маргарини, пластмаси. За участю водню синтезується метанол та аміак, а також інші сполуки.
2. У харчовій промисловості – як добавка Е949.
3. Авіаційна промисловість (ракетобудування, літакобудування).
4. Електроенергетика.
5. Метеорологія.
6. Паливо екологічно чистий.

Очевидно, що водень так само важливий, як і поширений у природі. Ще більшу роль відіграють різні сполуки, що утворюються ним.

З'єднання водню

Це складні речовини, що містять атоми водню. Можна виділити кілька основних типів подібних речовин.

1. Галогеноводні. Загальна формула – HHal. Особливе значення у тому числі має хлорид водню. Це газ, що розчиняється у воді з утворенням розчину соляної кислоти. Ця кислота знаходить широке застосування практично у всіх хімічних синтезах. Причому як органічних, і неорганічних. Хлорид водню - це з'єднання, що має емпіричну формулу HCL і є одним із найбільших за обсягами виробництва в нашій країні щорічно. Також до галогеноводів відносяться йодоводород, фтороводород і бромоводень. Усі вони утворюють відповідні кислоти.
2. Практично всі вони досить отруйні гази. Наприклад, сірководень, метан, силан, фосфін та інші. При цьому дуже горючі.
3. Гідриди – з'єднання з металами. Належать до класу солей.
4. Гідроксиди: основи, кислоти та амфотерні сполуки. До їхнього складу обов'язково входять атоми водню, один або кілька. Приклад: NaOH, K 2 , H 2 SO 4 та інші.
5. Гідроксид водню. Це з'єднання більше відоме як вода. Інша назва оксид водню. Емпірична формула виглядає так - Н2О.
6. Перекис водню. Це найсильніший окислювач, формула якого має вигляд Н2О2.
7. Численні органічні сполуки: вуглеводні, білки, жири, ліпіди, вітаміни, гормони, ефірні олії та інші.

Очевидно, що розмаїття сполук елемента, що розглядається, дуже велике. Це ще раз підтверджує його високе значення для природи та людини, а також для всіх живих істот.

- це найкращий розчинник

Як згадувалося вище, простонародна назва даної речовини - вода. Складається з двох атомів водню та одного кисню, з'єднаних між собою ковалентними полярними зв'язками. Молекула води є диполем, це пояснює багато властивостей. Зокрема, те, що вона є універсальним розчинником.

Саме у водному середовищі відбуваються практично всі хімічні процеси. Внутрішні реакції пластичного та енергетичного обміну у живих організмах також здійснюються за допомогою оксиду водню.

Вода по праву вважається найважливішою речовиною планети. Відомо, що без неї не зможе жити жоден живий організм. На Землі вона здатна існувати у трьох агрегатних станах:

• рідина;
• газ (пар);
• тверде (лід).

Залежно від ізотопу водню, що входить до складу молекули, розрізняють три види води.

1. Легка чи протиєва. Ізотоп з масовим числом 1. Формула – Н 2 О. Це звична форма, яку використовують усі організми.
2. Дейтерієва чи важка, її формула - D 2 O. Містить ізотоп 2 Н.
3. Надважка чи тритієва. Формула виглядає як Т3О, ізотоп - 3Н.

Дуже важливими є запаси прісної протиєвої води на планеті. Вже зараз у багатьох країнах відчувається її нестача. Розробляються способи обробки солоної води з одержання питної.

Пероксид водню – це універсальний засіб

Дане з'єднання, як згадувалося вище, прекрасний окислювач. Однак із сильними представниками може поводитися і як відновник теж. Крім того, має виражений бактерицидний ефект.

Інша назва цієї сполуки - перекис. Саме у такому вигляді його використовують у медицині. 3% розчин кристалогідрату цієї сполуки - це медичні ліки, які застосовують для обробки невеликих ран з метою їх знезараження. Однак доведено, що при цьому загоєння поранення за часом збільшується.

Також пероксид водню використовується в ракетному паливі, в промисловості для дезінфекції та відбілювання, як піноутворювач для отримання відповідних матеріалів (пінопласту, наприклад). Крім того, перекис допомагає очищати акваріуми, знебарвлювати волосся та відбілювати зуби. Однак при цьому завдає шкоди тканинам, тому фахівцями з цією метою не рекомендується.

Хімічні властивості водню

За звичайних умов молекулярний Водень порівняно мало активний, безпосередньо з'єднуючись лише з найактивнішими з неметалів (з фтором, але в світла і з хлором). Однак при нагріванні він вступає в реакції з багатьма елементами.

Водень вступає в реакції з простими та складними речовинами:

За високої температури Водень безпосередньо реагує з деякими металами(лужними, лужноземельними та іншими), утворюючи білі кристалічні речовини- гідриди металів (Li Н, Na Н, КН, СаН 2 та ін.):

Н 2 + 2Li = 2LiH

Гідриди металів легко розкладаються водою з утворенням відповідного лугу та водню:

Са H 2 + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + 2Н 2

1). З киснемВодень утворює воду:

Відео "Горіння водню"

2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О + Q

При нормальних температурах реакція протікає вкрай повільно, вище 550 ° С - з вибухом (суміш 2 обсягів Н 2 і 1 обсягу 2 називається гримучим газом) .

Відео "Вибух гримучого газу"

Відео "Приготування та вибух гримучої суміші"

2). З галогенамиВодень утворює галогеноводи, наприклад:

Н 2 + Cl 2 = 2НСl

При цьому з фтором Водень вибухає (навіть у темряві при -252°С), з хлором і бромом реагує лише при освітленні або нагріванні, а з йодом тільки при нагріванні.

3). З азотомВодень взаємодіє з утворенням аміаку:

ДТ 2 + N 2 = 2NН 3

лише на каталізаторі і при підвищених температурах і тисках.

4). При нагріванні Водень енергійно реагує із сіркою:

Н 2 + S = H 2 S (сірководень),

значно важче з селеном та телуром.

5). З чистим вуглецемВодень може реагувати без каталізатора тільки при високих температурах:

2Н 2 + С (аморфний) = СН 4 (метан)

- Водень входить у реакцію заміщення з оксидами металів При цьому утворюються в продуктах вода і відновлюється метал. Водень - виявляє властивості відновника:

Водень використовується для відновлення багатьох металів, оскільки забирає кисень у їх оксидів:

Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4Н 2 О, і т.д.

Застосування водню

Відео "Застосування водню"

Нині водень отримують у величезних кількостях. Дуже більшу частину його використовують при синтезі аміаку, гідрогенізації жирів та при гідруванні вугілля, олій та вуглеводнів. Крім того, водень застосовують для синтезу соляної кислоти, метилового спирту, синильної кислоти, при зварюванні та куванні металів, а також при виготовленні ламп розжарювання та дорогоцінного каміння. У продаж водень надходить у балонах під тиском понад 150 атм. Вони пофарбовані в темно-зелений колір і мають червоний напис "Водень".

Водень використовується для перетворення рідких жирів у тверді (гідрогенізація), виробництва рідкого палива гідрогенізацією вугілля та мазуту. У металургії водень використовують як відновник оксидів або хлоридів для одержання металів та неметалів (германію, кремнію, галію, цирконію, гафнію, молібдену, вольфраму та ін.).

Практичне застосування водню різноманітне: їм зазвичай заповнюють кулі-зонди, в хімічній промисловості він служить сировиною для отримання багатьох вельми важливих продуктів (аміаку та ін), в харчовій - для вироблення з олії твердих жирів і т. д. Висока температура (до 2600 °С), що виходить при горінні водню в кисні, використовується для плавлення тугоплавких металів, кварцу і т. п. Рідкий водень є одним з найефективніших реактивних палив. Щорічне світове споживання водню перевищує 1 млн т.

ТРЕНАЖИРИ

№2. Водень

ЗАВДАННЯ ДЛЯ ЗАКРІПЛЕННЯ

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 властивостіводню, 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, зауважимо, 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. В цій двоатомної молекуликовалентний неполярний хімічний зв'язок. Утворення атомарного водню можливе за 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;
• отримання 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 на деяких хімічних взаємодіях елемента, який очолює періодичну систему хімічних елементівМенделєєва.

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 істотне застосування в промисловості, інтерес представляє його взаємодію 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.

В уроці 22 « Хімічні властивості водню» з курсу « Хімія для чайників» Дізнаємося з якими речовинами реагує водень; з'ясуємо, які хімічні властивості має водень.

Водень входить у хімічні реакціїз простими та складними речовинами. Однак за звичайних умов водень малоактивний. Для його взаємодії з іншими речовинами необхідно створити умови: підвищити температуру, застосувати каталізатор та ін.

Реакції водню із простими речовинами

При нагріванні водень входить у реакції сполуки із простими речовинами - киснем, хлором, азотом, сіркою.

Якщо підпалити на повітрі чистий водень, що виходить із газовідвідної трубки, він горить рівним, ледве помітним полум'ям. Тепер помістимо трубку з воднем, що горить, у банку з киснем (рис. 95).

Горіння водню триває, причому на стінках банки видно краплі води, що утворюється в результаті реакції:

При горінні водню виділяється багато теплоти. Температура киснево-водневого полум'я досягає понад 2000 °С.

Хімічна реакція водню з киснем відноситься до реакцій сполуки. Внаслідок реакції утворюється оксид водню (вода). Це означає, що сталося окиснення водню киснем, т. е. цю реакцію ми можемо назвати і реакцією окиснення.

Якщо ж у пробірку, перекинуту вгору дном, зібрати трохи водню методом витіснення повітря, а потім піднести до її отвору сірник, що горить, то пролунає гучний «гавкаючий» звук невеликого вибуху суміші водню з повітрям. Таку суміш називають «гримучою».

На замітку: Здатність водню у суміші з повітрям утворювати «гримучий газ» часто була причиною катастроф на повітряних кулях, заповнених воднем. Порушення герметичності оболонки кулі призводило до пожежі та навіть вибуху. В наш час повітряні кулізаповнюють гелієм або гарячим повітрям, що постійно нагнітається.

В атмосфері хлору водень згоряє з утворенням складної речовини. хлороводню. При цьому протікає реакція:

Реакція водню з азотом відбувається при підвищеній температурі та тиску в присутності каталізатора. В результаті реакції утворюється аміак NH 3:

Якщо струмінь водню направити на розплавлену в пробірці сірку, то її отвори відчується запах тухлих яєць. Так пахне газ сірководень H 2 S - продукт реакції водню із сіркою:

На замітку: Водень здатний не тільки розчинятися в деяких металах, але і реагувати з ними. При цьому утворюються хімічні сполуки, які називаються гідридами (NaH - гідрид натрію). Гіриди деяких металів використовують як пальне в ракетних двигунах на твердому паливі, а також при отриманні термоядерної енергії.

Реакції водню зі складними речовинами

Водень реагує при підвищеній температурі не тільки з простими, але і складними речовинами. Розглянемо як приклад його реакцію з оксидом міді(II) CuO (рис. 96).

Пропустимо водень над нагрітим порошком оксиду міді(ІІ) CuO. У міру протікання реакції колір порошку змінюється з чорного на коричнево-червоний. Це колір простої речовини міді Cu. У результаті реакції на холодних частинах пробірки з'являються крапельки рідини. Це ще один продукт реакції – вода H 2 O. Зазначимо, що на відміну від простої речовини міді вода – складна речовина.

Рівняння реакції оксиду міді(II) з воднем:

Водень у реакції з оксидом міді(II) виявляє здатність віднімати у оксиду металу кисень, тим самим відновлювати метал із цього оксиду. В результаті відбувається відновлення мідііз складної речовини CuO до металевої міді (Cu).

Реакції відновлення- Це реакції, в ході яких складні речовини віддають атоми кисню іншим речовинам.

Речовину, яка забирає атоми кисню, називають відновником. У реакції з оксидом міді(ІІ) відновник - водень. Також реагує водень і з оксидами деяких інших металів, наприклад PbO, HgO, MoO 3 , WO 3 та ін. Окислення і відновлення завжди взаємопов'язані між собою. Якщо одна речовина (Н2) окислюється, то інша (CuO) – відновлюється, і навпаки.

Короткі висновки уроку:

1. При нагріванні водень реагує із киснем, хлором, азотом, сіркою.
2. Відновлення – це віддача атомів кисню складними речовинами іншим речовинам.
3. Процеси окислення та відновлення взаємопов'язані між собою.

Сподіваюся урок 22 Хімічні властивості водню» був зрозумілим та пізнавальним. Якщо у вас виникли запитання, пишіть їх у коментарі.

Водень - це газ, саме він знаходиться на першому місці в Періодичною системою. Назва цього широко поширеного в природі елемента в перекладі з латини означає «що породжує воду». Тож які фізичні та хімічні властивості водню нам відомі?

Водень: загальна інформація

За звичайних умов водень немає ні смаку, ні запаху, ні кольору.

Мал. 1. Формула водню.

Оскільки атом має один енергетичний електронний рівень, на якому можуть знаходитися максимум два електрони, то для стійкого стану атом може прийняти як один електрон (ступінь окислення -1), так і 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 із лужними металами, але й у VIIA групу (головну підгрупу VII групи) разом з галогенами. Атомам галогенів теж не вистачає одного електрона до заповнення зовнішнього рівня, і вони, як водень, є неметалами. Водень виявляє позитивний ступінь окиснення в сполуках, де він пов'язаний з електронегативними елементами-неметалами, а негативний ступінь окиснення – у сполуках з металами.

Мал. 2. Розташування водню у періодичній системі.

Водень має три ізотопи, кожен з яких має власну назву: протий, дейтерій, тритій. Кількість останнього Землі мізерна.

Хімічні властивості водню

У простою речовиною H 2 зв'язок між атомами міцний (енергія зв'язку 436 кДж/моль), тому активність молекулярного водню невелика. За звичайних умов він взаємодіє лише з дуже активними металами, а єдиним неметалом, з яким водень входить у реакцію, є фтор:

F 2 +H 2 =2HF (фторівник)

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

Водень горить у кисні з виділенням значної кількості теплоти:

2H 2 +O 2 =2H 2 O

Суміш водню з киснем (2 об'єму водню та 1 об'єм кисню) при підпалюванні сильно вибухає і тому зветься гримучого газу. При роботі з воднем слід дотримуватись правил техніки безпеки.

Мал. 3. Гримучий газ.

У присутності каталізаторів газ може реагувати з азотом:

3H 2 +N 2 =2NH 3

– за цією реакцією при підвищених температурах та тиску в промисловості одержують аміак.

В умовах високої температуриводень здатний реагувати із сіркою, селеном, телуром. а при взаємодії з лужними та лужноземельними металамивідбувається утворення гідридів:

– у разі водень грає роль окислювача.

Водень має особливість у разі підвищення температури відновлювати оксиди багатьох металів, у результаті утворюється вода. Наприклад:

CuO+H 2 =H 2 O+Cu

- У цьому процесі водень є відновником4.3. Усього отримано оцінок: 70.