Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

Как сдать ЕГЭ по химии?

Подписаться Бесплатная «Серебряная» новостная рассылка . Подписчиков 68 RSS
←   Апрель 2011   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://mihail-barmin2010.narod.ru/
Открыта: 20-05-2010
Адрес автора: job.education.khimia4ege-owner@subscribe.ru

Автор
mik2005

Статистика

68 подписчиков
0 за неделю
←   Все выпуски   →

Как сдать ЕГЭ по химии? Неорганическая химия (начало)


Лекция 15

2.2.1.  ВОДОРОД

 

2.2.1. Общая характеристика элемента

Элемент водород — химический знак Н, атомный номер 1, относительная атомная масса 1,0079 (в химических расчетах округ­ляется до единицы), электронная конфигу­рация атома 1s1. Таким образом, в ядре ато­ма водорода находится один протон, а в электронной оболочке — всего один электрон, располо­женный на Is энергетическом подуровне. Атом водорода — самый простой по строению, самый легкий и после гелия — самый маленький из всех атомов элементов периодичес­кой системы.Некоторые атомные характеристики элемента водорода суммированы в табл. 2.1.В природе элемент водород существует в виде трех изо­топов с массовыми числами 1, 2 и 3*. Легкий нуклид водорода \ Н называется протий; его ядро не содержит ней­тронов; ядро тяжелого водорода, дейтерия,  12Н (D), вклю­чает 1 нейтрон, а сверхтяжелого, трития, 13Н (Т), — уже 2 нейтрона. Протий и дейтерий являются стабильными нук­лидами, а тритий радиоактивен (период полураспада Т1/2 = 12,26 года). В естественной смеси изотопов преобладает протий, количественные соотношения между изотопами H:D:T составляют 1:1,4610-5:4,0010-15. Это означает, напри­мер, что на 1 атом дейтерия в природном водороде прихо­дится примерно 6 800 атомов протия. Содержание трития сравнительно мало и, согласно последним данным, в биосфере он распределяется следующим

 

Атомные характеристики водорода                                    

Таблица 2.2.1.

 

Массовые

Орбиталь-

Первая

Сродство

Относи-

Степень

числа

Ный

энергия

к

Тельная

Окисления

природных

Радиус

ионизации,

электрону,

электро-

в соедине-

изотопов1

атома, нм

кДж/моль

кДж/моль

отрица­тельность2

ниях с

другими

элементами

1(99,9849)

 

 

 

 

 

2 (0,0139)

0,050

1312,1

72,76

2,1

-1,+1

3 (0,0012)

 

 

 

 

 

1   В скобках указана массовая доля изотопов в их природной смеси.

2   Здесь и далее значения относительных элсктроотрицательностей ато­мов (ОЭО) элементов приведены по шкале Олреда и Рохова.

 

образом: в мировом океане — 250 кг, в континентальных водах — 45 кг, в атмо­сфере — 3 кг. Поэтому можно утверждать, что свойства природного водорода обусловлены в основном свойствами протия.

В периодической системе элемент водород обычно поме­щают одновременно в первую группу (подгруппу щелоч­ных металлов) и в седьмую группу (подгруппу галогенов). Это объясняется наличием у элемента водорода свойств, род­нящих его как со щелочными металлами, так и с галогена­ми.

Сходство свойств водорода со свойствами галогенов и щелочных металлов наблюдается и для простых веществ.

Подобно первым представителям галогенов (фтор, хлор) простое вещество водород при стандартных условиях нахо­дится в газообразном агрегатном состоянии, молекулы во­дорода также двухатомны. Как и галогены, водород в твер­дом состоянии не проводит электрический ток (диэлектрик).

В то же время для водорода в химических реакциях, как и для щелочных металлов, характерны восстановительные

 

Сопоставление некоторых атомных характеристик водорода, щелочных металлов и галогенов                                                                          Таблица 2.2.2.

 

Сходство водорода с галогенами

Сходство водорода со щелочными металлами

1. Возможность проявления отрицательной степени окисления (КН-1, CaH-12 )

1. Также относится

к семейству s-элементов

2. До завершения внешнего энергетического уровня тоже  не хватает одного электрона

2. Подобно щелочным металлам, в большинстве соединений проявляет степень окисления +1

(h+1ci.ch4+1.H2o.NH3+1)

3. Значение первой энергии ионизации для водорода ближе к таковой для галогенов (в случае фтора 1681,1 кДж/моль), чем для щелочных металлов (для натрия 495,8 кДж/моль)

3. Содержит один валентный электрон

 

Основные физико-химические свойства простого вещества водорода

                                                                           Таблица 2.2.3.

 

Агрегатное

гостояние при

стандартных

условиях'

Состав молекул

Плотность, г/л, 273 К

t , С

пл'

t   , С

кип'

Е, В, процесса2

2H+ + 2e→H20

Бесцветный газ

H2

0,08988

-258,99

-252,72

0,000

1   Стандартные условия: Т = 298 К (25С), /7 = 101,3 кПа.

2  Е — значение стандартного электродного потенциала.

 

свойства: взаимные вытеснителъные свойства водорода и в целом металлов отражаются рядом стандартных электродных потенциалов. Наконец, для водорода, подобно щелочным ме­таллам и металлам вообще, характерна высокая теплопро­водность.

По совокупности атомных характеристик и свойствам про­стых веществ водород ближе к галогенам; например, для водорода нет ионных соединений со степенью окисления во­дорода +1 (для щелочных металлов такие соединения наи­более характерны), тогда как ионные соединения со степе­нью окисления водорода -1 для водорода известны (гидри­ды щелочных и щелочноземельных металлов). Для галоге­нов степень окисления -1 в соединениях наиболее характер­на. По значениям энергии ионизации водород и галогены также более близки между собой, чем водород и щелочные металлы. На этом основании водород обычно помещают в подгруппу галогенов, а в подгруппе щелочных металлов химический символ водорода заключают в скобки.

Следует, однако, иметь в виду, что вопрос о положении водорода в периодической системе окончательно не решен, поскольку нельзя признать абсолютное сходство свойств водорода ни со щелочными металлами, ни с галогенами. Безоговорочное помещение водорода в подгруппу галоге­нов противоречит электронному строению атомов: галогены относятся к семейству р-элементов, а водород — элемент s-семейства. Нельзя забывать, что водород — уникальный элемент, в атоме которого валентный электрон не экраниро­ван от ядра другими электронами, т. е. находится непосред­ственно в сфере притяжения ядра. Это обусловливает осо­бенности свойств как самого водорода, так и его катиона Н+, проявление специфичной водородной связи. В настоя­щее время предлагается отвести водороду в периодической системе одну протяженную клетку (полосу) над всеми эле­ментами второго периода (исключая неон).

 

2.2.2. Нахождение водорода в природе

 

На Земле водород находится главным образом в связан­ном состоянии, т. е. в виде соединений с атомами других элементов (вода Н2O, метан СН4). Как химический элемент водород входит также в состав природного газа (основной компонент метан), нефти, белков, жиров, углеводов.

Свободного (молекулярного) водорода в атмосфере Зем­ли очень мало (объемная доля 5105%); как легкий газ он находится в основном в верхних слоях атмосферы. Неболь­шие количества свободного водорода содержатся в вулка­нических и природных газах.

В земной коре массовая доля водорода составляет 0,88% (девятое место среди всех элементов), однако по числу атомов (мольная доля 15,52%) водород стоит уже на третьем месте.

Если кислород — самый распространенный элемент на Земле, то водород — самый распространённый элемент во Вселенной. Водород составляет свыше 90% атомов и -при­близительно 75% массы Вселенной. Примерно половина массы Солнца приходится на водород; водород входит в состав атмосферы таких планет, как Юпитер, Сатурн, Уран. Водород — первичный элемент, из которого в недрах звезд синтезируются все другие химические элементы.

 

2.2.3. Физические свойства водорода

 

При обычных условиях водород — газ без цвета, запа­ха и вкуса; плотность его составляет примерно 0,09 г/л (са­мое легкое вещество на Земле). Легкие молекулы водорода двигаются с огромной скоростью (порядка 1800 м/с), по­этому теплопроводность водорода очень высока — в семь раз больше, чем у воздуха. Это означает, например, что на­гретый кусок металла в атмосфере водорода остывает в семь раз быстрее, чем на воздухе.

Так как молекулы водорода неполярны и содержат всего лишь два электрона, водород очень трудно сжижается (t = -252,72С), уступая в этом отношении только гелию. Жид­кий водород выглядит как вода, но плотность его настолько мала, что корковая пробка в нем тонет. Подобно всем веще­ствам, молекулы которых неполярны, в воде водород ра­створяется плохо (2 объема в 100 объемах воды в обычных условиях), однако очень хорошо поглощается некоторыми металлами (никелем, платиной, палладием).

1 объем палладия может растворить до 900 объемов водо­рода. При нагревании насыщенного водородом палладия во­дород легко выделяется обратно.

Молекулы водорода благодаря своей малой массе и раз­мерам обладают высокой скоростью диффузии и способны легко проникать через стенки сосуда, в котором содержится водород. Например, наполненный водородом и тщательно за­вязанный ниткой шарик спустя довольно короткое время «сдувается». При температуре порядка 300—600С водород способен диффундировать сквозь стенки металлического со­суда, в который он заключен. Это используется для получе­ния водорода очень высокой чистоты, так как содержащие­ся в нем в виде примесей другие газы (пары воды, кисло­род, азот) не способны проникать сквозь металл и задержи­ваются в сосуде.

 

2.2.4. Химические свойства водорода

 

2.2.4.1. Особенности химических свойств водорода

 

Простое вещество водород существует в виде двухатом­ных молекул H2, в которых атомы водорода соединены между собой связью, образованной за счет перекрывания 1 s атом­ных орбиталей

Таким образом, связь в молекуле водорода ковалентная неполярная, одинарная и о-типа.

Из-за малых размеров ls-орбитали электронная плотность в межъядерном пространстве в случае молекулы Н2 доволь­но высока. Этим объясняется высокая энергия связи Н—Н в молекуле Н2 (436 кДж/моль) и малая химическая актив­ность простого вещества водорода при обычных условиях. Активность водорода резко возрастает с ростом температу­ры и в присутствии катализаторов. Особенно высока актив­ность атомарного водорода, так как реакции с ним не требу­ют разрыва связей Н—Н. В соединениях водород однова­лентен, поскольку его атом содержит только одну валент­ную орбиталь.

Значение относительной электроотрицательности водо­рода промежуточное между ОЭО металлов и неметаллов и равно 2,1. Поэтому водород в химических реакциях может выступать как окислитель (с менее электроотрица­тельными элементами), так и восстановитель (с более элек­троотрицательными элементами). Однако окислительные свойства водорода из-за небольшого значения энергии сродства к электрону (=71 кДж/моль) выражены менее ярко, чем восстановительные. Поэтому образование гид­рид-иона Н- наблюдается только при взаимодействии во­дорода с наиболее активными металлами — щелочными и щелочноземельными.

Несмотря на то что в большинстве соединений степень окисления водорода формально равна +1, образование по­ложительного иона водорода (в отличие от гидрид-иона) практически не осуществляется. Во-первых, этому препят­ствует довольно высокое значение энергии ионизации атома водорода (см. табл. 2.1); во-вторых, ион Н+ в обычных ус­ловиях просто не может существовать, поскольку представ­ляет собой по сути «голый» протон.

Так как радиус частицы Н+ чрезвычайно мал (= 0,53- Кг* см), для нее характерны высокая плотность электрического заря­да и, как следствие, высокая поляризующая способность (т. е. способность оттягивать на себя электронную плотность). По­этому во всех соединениях водорода е неметаллами связи не ионные, а ковалентные полярные.   -

 

 
В избранное