Фізичні властивості водню. Властивості та застосування водню

Атом водню проти атомами інших елементів має найпростішу структуру: він з одного протона.

утворює атомне ядро, та одного електрона, розташованого на ls-орбіталі. Унікальність атома водню у тому, що його єдиний валентний електрон перебуває у полі дії ядра атома, оскільки він екранується іншими електронами. Це забезпечує йому специфічні властивості. Він може в хімічних реакціях віддавати свій електрон, утворюючи катіон Н+ (подібно до атомів лужних металів), або приєднувати електрон від партнера з утворенням аніону Н- (подібно до атомів галогенів). Тому водень в періодичній системі поміщають частіше в IA групі, іноді VIIA групі, але зустрічаються варіанти таблиць, де водень не належить до жодної з груп періодичної таблиці.

Молекула водню двоатомна – Н2. Водень - найлегший із усіх газів. Внаслідок неполярності та великої міцності молекули Н2 (Є св= 436 кДж/моль) за нормальних умов водень активно взаємодіє лише з фтором, а при освітленні також з хлором та бромом. При нагріванні реагує з багатьма неметалами, хлором, бромом, киснем, сіркою, проявляючи відновлювальні властивості, а вступаючи у взаємодію з лужними та лужноземельними металами, є окислювачем і утворює гідриди цих металів:

Серед усіх органогенів водню найменша відносна електронегативність (0Е0 = 2,1), тому в природних сполуках водень завжди виявляє ступінь окислення +1. З позиції хімічної термодинаміки водень у живих системах, що містять воду, не може утворювати молекулярний водень (Н 2), ні гідрид-іон (Н~). Молекулярний водень за звичайних умов хімічно малоактивний і навіть сильно леткий, через що не може утримуватися організмом і брати участь у обміні речовин. Гідрид-іон хімічно надзвичайно активний і одночасно взаємодіє навіть з дуже малою кількістю води з утворенням молекулярного водню. Тому водень в організмі знаходиться у вигляді сполук з іншими органогенами, або у вигляді катіону Н + .

Водень з елементами-органогенами утворює лише ковалентні зв'язки. За рівнем полярності ці зв'язки розташовуються в наступний ряд:

Цей ряд дуже важливий для хімії природних сполук, так як полярність цих зв'язків та їх поляризація визначають кислотні властивості сполук, тобто дисоціацію з утворенням протона.

Кислотні властивості.Залежно від природи елемента, що утворює зв'язок Х-Н, виділяють 4 типи кислот:

ВІН-кислоти (карбонові кислоти, феноли, спирти);

SH-кислоти (тіоли);

NH-кислоти (аміди, іміди, аміни);

СН-кислоти (вуглеводні та їх похідні).

З урахуванням високої поляризованості зв'язку S-Н можна скласти наступний ряд кислот за здатністю до дисоціації:

Концентрація катіонів водню у водному середовищі визначає її кислотність, що виражається за допомогою водневого показника рН = -lg (розд. 7.5). Більшість фізіологічних середовищ організму мають реакцію, близьку до нейтральної (рН = 5,0-7,5), тільки у шлункового соку рН = 1,0-2,0. Це забезпечує, з одного боку, протимікробну дію, вбиваючи багато мікроорганізмів, занесених до шлунка з їжею; з іншого боку, кисле середовище має каталітичну дію при гідролізі білків, полісахаридів та інших біосубстратів, сприяючи отриманню необхідних метаболітів.

Окисно-відновні властивості.Внаслідок великої щільності позитивного заряду катіон водню є досить сильним окислювачем (ф° = 0 В), окислюючи активні та середньої активності метали при взаємодії з кислотами та водою:

У живих системах таких сильних відновників немає, а окислювальна здатність катіонів водню в нейтральному середовищі (рН = 7) значно знижена (ф ° = -0,42). Тому в організмі катіон водню не виявляє окисних властивостей, але бере активну участь в окисно-відновних реакціях, сприяючи перетворенню вихідних речовин на продукти реакції:

У всіх наведених прикладах атоми водню свого ступеня окиснення +1 не змінили.

Відновлювальні властивості характерні для молекулярного і особливо атомарного водню, тобто водню в момент ниділення безпосередньо в реакційному середовищі, а також для гідрид-іона:

Однак у живих системах таких відновників (Н2 чи Н-) немає, і тому немає подібних реакцій. Зустрічається у літературі, зокрема й у підручниках, думка, що водень є носієм відновлювальних властивостей органічних сполук, відповідає дійсності; так, у живих системах відновником біосубстратів виступає відновлена форма коферменту дегідрогенази, в якій донором електронів є атоми вуглецю, а не атоми водню (розд. 9.3.3).

Комплексоутворюючі властивості.Внаслідок наявності у катіону водню вільної атомної орбіталі та високої поляризуючої дії самого катіону Н+ він є активним іоном-комплексоутворювачем. Так, у водному середовищі катіон водню утворює іон гідроксонію Н3О + , а за наявності аміаку -іон амонію NH4:

Схильність до освіти асоціатів.Атоми водню сильнополярних зв'язків О-Ні N-Н утворюють водневі зв'язки (розд. 3.1). Міцність водневого зв'язку (від 10 до 100 кДж/моль) залежить від величини локалізованих зарядів та довжини водневого зв'язку, тобто від відстані між атомами електронегативних елементів, що беруть участь у її утворенні. Для амінокислот, вуглеводів, білків, нуклеїнових кислот характерні такі довжини водневих зв'язків, пм:

Завдяки водневим зв'язкам виникають оборотні міжмолекулярні взаємодії між субстратом і ферментом між окремими групами в природних полімерах, що визначають їх вторинну, третинну і четвертинну структуру (розд. 21.4, 23.4). Провідну роль водневий зв'язок грає у властивостях води як розчинника та реагенту.

Вода та її властивості.Вода - найважливіша сполука водню. Усе хімічні реакціїв організмі протікають лише у водному середовищі, життя без води неможливе. Вода як розчинник розглядалася в розд. 6.1.

Кислотно-основні властивості. Вода як реагент із позиції кислотно-основних властивостей є справжнім амфолітом (розд. 8.1). Це проявляється і при гідролізі солей (розд. 8.3.1), і при дисоціації кислот та основ у водному середовищі (розд. 8.3.2).

Кількісною характеристикою кислотності водних середовищ є водневий показник рН.

Вода як кислотно-основний реагент бере участь у реакціях гідролізу біосубстратів. Наприклад, гідроліз аденозинтрифосфату є джерелом запасеної енергії для організму, ферментативний гідроліз непотрібних білків служить для отримання амінокислот, що є вихідним матеріалом для синтезу необхідних білків. При цьому катіони Н + або аніони ОН є кислотно-основними каталізаторами реакцій гідролізу біосубстратів (розд. 21.4, 23.4).

Окисно-відновні властивості. У молекулі води і водень, і кисень перебувають у стійких ступенях окиснення. Тому вода не виявляє яскраво виражених окисно-відновних властивостей. Окисно-відновні реакції можливі при взаємодії води тільки з дуже активними відновниками або дуже активними окислювачами або в умовах сильної активації реагентів.

Вода може бути окислювачем за рахунок катіонів водню при взаємодії з сильними відновниками, наприклад лужними та лужноземельними металами або їх гідридами:

При високих температурах можлива взаємодія води з менш активними відновниками:

У живих системах їх компонент вода ніколи не виступає як окислювач, оскільки це призвело б до знищення цих систем через утворення та незворотне видалення молекулярного водню з організмів.

Вода може виступати в ролі відновника за рахунок атомів кисню, наприклад, при взаємодії з таким сильним окислювачем, як фтор:

Під дією світла та за участю хлорофілу в рослинах протікає процес фотосинтезу з утворенням О2 з води (розд. 9.3.6):

Крім безпосередньої участі в окислювально-відновних перетвореннях вода та продукти її дисоціації Н+ та ОН- беруть участь як середовище, яке сприяє перебігу багатьох окислювально-відновних реакцій внаслідок її високої полярності ( = 79) та участі утворених нею іонів у перетвореннях вихідних речовин на кінцеві (Розд. 9.1).

Комплексоутворюючі властивості. Молекула води через наявність у атома кисню двох неподілених електронних пар є досить активним монодентатним лігандом, який з катіоном водню утворює комплексний іон оксонію Н 3 0 + , а з катіонами металів у водних розчинах -досить стійкі аквакомплекси, наприклад [Са(Н 0) 6] 2+, [Fe(H 2 0) 6] 3+, 2+. У цих комплексних іонах молекули ноди ковалентно пов'язані з комплексоутворювачами досить міцно. Катіони лужних металів аквакомплексів не утворюють, а за рахунок електростатичних сил утворюють гідратовані катіони. Час осілого життя молекул води в гідратних оболонках цих катіонів вбирається у 0,1 з, які склад по числу молекул води може легко змінюватися.

Схильність до освіти асоціатів. Внаслідок великої полярності, що сприяє електростатичній взаємодії та утворенню водневих зв'язків, молекули води навіть у чистій воді (розд. 6.1) утворюють міжмолекулярні асоціати, що різняться за структурою, числом молекул і часом їхнього осілого життя в асоціатах, а також часу життя самих асоціатів. Таким чином, чиста водає відкритою складною динамічною системою. Під дією зовнішніх факторів: радіоактивне, ультрафіолетове та лазерне випромінювання, пружні хвилі, температура, тиск, електричні, магнітні та електромагнітні полявід штучних та природних джерел (космос, Сонце, Земля, живі об'єкти) – вода змінює свої структурно-інформаційні властивості, а отже, змінюються її біологічні та фізіологічні функції.

Крім самоасоціації молекули води гідратують іони, полярні молекули та макромолекули, утворюючи навколо них гідратні оболонки, тим самим стабілізують їх у розчині та сприяють їх розчиненню (розд. 6.1). Речовини, молекули яких неполярні і мають відносно невеликі розміри, здатні лише трохи розчинятися у воді, заповнюючи порожнечі її асоціатів з певною структурою. При цьому в результаті гідрофобної взаємодії неполярні молекули структурують навколишню гідратну оболонку, перетворюючи її на структурований асоціат, зазвичай з льодоподібною структурою, всередині якого розташована дана неполярна молекула.

У живих організмах можна назвати дві категорії води - " пов'язану " і " вільну " , остання, очевидно, є лише міжклітинної рідини (розд. 6.1). Пов'язана вода, у свою чергу, підрозділяється на "структуровану" (міцно пов'язану) та "деструктуровану" (слабозв'язану або пухку) воду. Ймовірно, всі перелічені вище зовнішні фактори впливають на стан води в організмі, змінюючи співвідношення: "структурована"/"деструктурована" та "пов'язана"/"вільна" вода, а також її структурно-динамічні параметри. Це проявляється у змінах фізіологічного стану організму. Ймовірно, що внутрішньоклітинна вода безперервно зазнає регульовані, переважно білками, пульсаційні переходи з " структурованого " в " деструктурований " стан. Ці переходи взаємопов'язані з виштовхуванням з клітини метаболітів (шлаків), що відслужили, і всмоктуванням необхідних речовин. З сучасного погляду вода бере участь у формуванні єдиної внутрішньоклітинної структури, завдяки якій досягається упорядкованість процесів життєдіяльності. Тому, за образним висловом А. Сент-Дьордьї, вода в організмі є "матрицею життя".

Вода у природі. Вода - найважливіша та поширена речовина на Землі. Поверхня земної кулі на 75% покрита водою. Обсяг Світового океану становить 1,4 млрд км 3 . Стільки води знаходиться в мінералах у вигляді кристалізаційної води. Атмосфера містить 13 тис. км3 води. Водночас запаси прісної води, придатної для пиття та побутових потреб, досить обмежені (обсяг усіх прісноводних водойм становить 200 тис. км 3 ). Прісна вода, що вживається в побуті, містить різні домішки від 0,05 до 1 г/л, найчастіше це солі: гідрокарбонати, хлориди, сульфати, - у тому числі розчинні солі кальцію та магнію, присутність яких робить воду жорсткою (розд. 14.3). В даний час охорона водних ресурсівта очищення стічних водє найактуальнішими екологічними проблемами.

У звичайній воді є близько 0,02 % важкої води D2O (D - дейтерій). Вона накопичується при випаровуванні чи електролізі звичайної води. Тяжка вода токсична. Тяжку воду застосовують для вивчення руху води в живих організмах. З її допомогою встановлено, що швидкість руху води в тканинах деяких рослин досягає 14 м/год, а вода, випита людиною, за 2 години повністю розподіляється по її органах і тканинах і лише через два тижні повністю виводиться з організму. Живі організми містять від 50 до 93% води, яка є неодмінним учасником всіх процесів життєдіяльності. Без води життя неможливе. При тривалості життя 70 років людина з їжею та питтям споживає близько 70 т води.

У науковій та медичній практиці широко використовується дистильована вода- безбарвна прозора рідина без запаху та смаку, рН = 5,2-6,8. Це фармакопейний препарат для приготування багатьох лікарських форм.

Вода для ін'єкцій(апірогенна вода) – також фармакопейний препарат. Ця вода не містить пірогенних речовин. Пирогени – речовини бактеріального походження – метаболіти або продукти життєдіяльності бактерій, які, потрапляючи до організму, викликають озноб, підвищення температури тіла, головний біль, порушення серцево-судинної діяльності. Готують апірогенну воду подвійною перегонкою ноди (бідистилят) з дотриманням асептичних умов і використовують протягом 24 год.

Закінчуючи розділ, необхідно наголосити на особливості водню як біогенного елемента. У живих системах водень завжди виявляє ступінь окислення +1 і зустрічається або пов'язаним з полярною ковалентним зв'язкомз іншими біогенними елементами, або у вигляді катіону Н+. Катіон водню є носієм кислотних властивостей та активним комплексоутворювачем, що взаємодіє з вільними електронними парами атомів інших органогенів. З позиції окислювально-відновних властивостей пов'язаний водень в умовах організму не виявляє властивостей ні окислювача, ні відновника, проте катіон водню бере активну участь у багатьох окислювально-відновних реакціях, не змінюючи при цьому свого ступеня окислення, але сприяючи перетворенню біосубстратів на продукти реакції. Водень, пов'язаний з електронегативними елементами, утворює водневі зв'язки.

Водень був відкритий у другій половині 18 століття англійським ученим у галузі фізики та хімії Г. Кавендішем. Він зумів виділити речовину у чистому стані, зайнявся її вивченням та описав властивості.

Такою є історія відкриття водню. У ході експериментів дослідник визначив, що це горючий газзгоряння якого в повітрі дає воду. Це спричинило визначення якісного складу води.

Що таке водень

Про водень, як про просту речовину, вперше заявив французький хімік А. Лавуазьє в 1784, оскільки визначив, що до його молекули входять атоми одного виду.

Назва хімічного елемента латиною звучить як hydrogenium (читається «гідрогеніум»), що означає «що народжує воду». Назва відсилає до реакції горіння, у результаті якої утворюється вода.

Характеристика водню

Позначення водню Н. Менделєєв привласнив цьому хімічному елементу перший порядковий номер, розмістивши його в головній підгрупі першої групи та першому періоді та умовно в головній підгрупі сьомої групи.

Атомарна вага (атомна маса) водню становить 1,00797. Молекулярна маса H 2 дорівнює 2 а. е. Молярна маса чисельно дорівнює їй.

Представлений трьома ізотопами, що мають спеціальну назву: найпоширеніший протий (H), важкий дейтерій (D), радіоактивний тритій (Т).

Це перший елемент, який можна повністю розділити на ізотопи простим способом. Ґрунтується він на високій різниці мас ізотопів. Вперше процес було здійснено у 1933 році. Пояснюється це тим, що лише 1932 року було виявлено ізотоп із масою 2.

Фізичні властивості

У нормальних умовахпроста речовина водень у вигляді двоатомних молекул є газом, без кольору, у якого відсутній смак та запах. Мало розчинний у воді та інших розчинниках.

Температура кристалізації - 259,2 ° C, температура кипіння - 252,8 ° C.Діаметр молекул водню настільки малий, що вони мають здатність до повільної дифузії через ряд матеріалів (гума, скло, метали). Ця властивість знаходить застосування, коли потрібно очистити водень від газоподібних домішок. За н. у. водень має густину, рівну 0,09 кг/м3.

Чи можливе перетворення водню на метал за аналогією з елементами, розташованими в першій групі? Вченими встановлено, що водень за умов, коли тиск наближається до 2 млн. атмосфер, починає поглинати інфрачервоні промені, що свідчить про поляризацію молекул речовини. Можливо, за ще більш високих тисків водень стане металом.

Це цікаво:є припущення, що на планетах-гігантах, Юпітері та Сатурні водень знаходиться у вигляді металу. Передбачається, що у складі земного ядра теж є металевий твердий водень, завдяки надвисокому тиску, створюваному земною мантією.

Хімічні властивості

У хімічну взаємодію з воднем вступають як прості, і складні речовини. Але малу активність водню потрібно збільшити створенням відповідних умов – підвищенням температури, застосуванням каталізаторів та інших.

При нагріванні реакцію з воднем вступають такі прості речовини, як кисень (O 2), хлор(Cl 2), азот (N 2), сірка(S).

Якщо підпалити чистий водень на кінці газовідвідної трубки в повітрі, він горітиме рівно, але ледве помітно. Якщо помістити газовідвідну трубку в атмосферу чистого кисню, то горіння продовжиться з утворенням на стінках судини крапель води, як результат реакції:

Горіння води супроводжується виділенням великої кількості теплоти. Це екзотермічна реакція сполуки, у процесі якої водень окислюється киснем з утворенням оксиду H 2 O. Це також і окислювально-відновна реакція, в якій водень окислюється, а кисень відновлюється.

Аналогічно відбувається реакція з Cl 2 з утворенням хлороводню.

Для здійснення взаємодії азоту з воднем потрібна висока температура та підвищений тиск, а також присутність каталізатора. Результатом є аміак.

В результаті реакції із сіркою утворюється сірководень, розпізнавання якого полегшує характерний запах тухлих яєць.

Ступінь окислення водню цих реакціях +1, а гідридах, описаних нижче, – 1.

При реакції з деякими металами утворюються гідриди, наприклад гідрид натрію - NaH. Деякі з цих складних сполук використовуються як паливо для ракет, а також термоядерної енергетиці.

Водень реагує і з речовинами категорії складних. Наприклад, з оксидом міді (II) формула CuO. Для здійснення реакції водень міді пропускається над нагрітим порошкоподібним оксидом міді (II). У процесі взаємодії реагент змінює свій колір і стає червоно-коричневим, але в холодних стінках пробірки осідають крапельки води.

Водень у ході реакції окислюється, утворюючи воду, а мідь відновлюється з оксиду простої речовини (Cu).

Області застосування

Водень має велике значеннядля людини і знаходить застосування в різних сферах:

У хімічному виробництві – це сировину, інших галузях – паливо. Не обходяться без водню та підприємства нафтохімії та нафтопереробки.
В електроенергетиці ця проста речовина виконує функцію охолоджуючого агента.
У чорній та кольоровій металургії водню відводиться роль відновника.
Цією допомогою виробляють інертне середовище при упаковці продуктів.
Фармацевтична промисловість користується воднем як реагентом у виробництві перекису водню.
Цим легким газом заповнюють метеорологічні зонди.
Відомий цей елемент і як відновник палива для ракетних двигунів.

Вчені одностайно пророкують водневому паливу пальму першості в енергетиці.

Отримання у промисловості

У промисловості водень отримують шляхом електролізу, якому піддають хлориди чи гідроксиди лужних металів, розчинені у воді. Також можна отримувати водень у такий спосіб безпосередньо з води.

Використовується з цією метою конверсія коксу або метану з водяною парою. Розкладання метану за підвищеної температури також дає водень. Зрідження коксового газу фракційним методом також застосовується для промислового одержання водню.

Отримання у лабораторії

У лабораторії для одержання водню використовують апарат Кіппа.

Як реагенти виступають соляна або сірчана кислота і цинк. Внаслідок реакції утворюється водень.

Знаходження водню у природі

Водень частіше за інші елементи зустрічається у Всесвіті. Більшість зірок, зокрема Сонця, та інших космічних тілскладає водень.

У земної корийого лише 0,15%. Він присутній у багатьох мінералах, у всіх органічних речовин, а також у воді, що покриває на 3/4 поверхню нашої планети.

У верхніх шарах атмосфери можна знайти сліди водню в чистому вигляді. Знаходять його й у низці горючих природних газів.

Газоподібний водень є найнещілішим, а рідкий – найщільнішою речовиною на нашій планеті. За допомогою водню можна змінити тембр голосу, якщо вдихнути його, а на видиху заговорити.

В основі дії найпотужнішої водневої бомбилежить розщеплення найлегшого атома.

Розглянемо, що є водень. Хімічні властивостіта 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 властивості водню, 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 речовиноюлегше 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. У цій двоатомній молекулі ковалентний неполярний хімічний зв'язок. Утворення атомарного водню можливе за умови 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;
одержання 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 суттєве застосування у промисловості, інтерес представляє його взаємодію Космосу 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 хімічної промисловості. Серед умов протікання цієї хімічної взаємодії відзначимо тиск та температуру.

Висновок

Саме водень є малоактивним хімічною речовиноюза 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.

У періодичної системі має певне місце становища, яке відбиває проявляемые їм властивості і свідчить про його електронному будову. 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.

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.
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 донорно-акцепторного механізму.
Водень – це сильний відновник. Тому основним місцем його вважається перша група головної підгрупи, де він очолює найактивніші метали – лужні.
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.
Завдяки зовсім невеликій атомній масі, водень вважається найлегшим елементом. Крім того, його щільність також дуже мала, тому він є еталоном легкості.

Таким чином, 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.

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

Лабораторні способи одержання водню:

Гідроліз гідридів металів.
Дія розведених кислот на активні метали та середню активність.
Взаємодія лужних та лужноземельних металівз 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 в великих кількостяхпри змішуванні із 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.

Хімічні синтези. З гідрування отримують мила, маргарини, пластмаси. За участю водню синтезується метанол та аміак, а також інші сполуки.
У харчової промисловості- Як добавка Е949.
Авіаційна промисловість (ракетобудування, літакобудування).
Електроенергетика
Метеорологія.
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.

Галогеноводні. Загальна формула – HHal. Особливе значення у тому числі має хлорид водню. Це газ, який розчиняється у воді з утворенням розчину соляної кислоти. Дана 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.
Практично всі вони достатньо отруйні гази. Наприклад, сірководень, метан, силан, фосфін та інші. При цьому дуже горючі.
Гідриди – з'єднання з металами. Належать до класу солей.
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.
Гідроксид водню. Це з'єднання більше відоме як вода. Інша назва оксид водню. Емпірична формула виглядає так - Н2О.
Перекис водню. Це найсильніший окислювач, формула якого має вигляд Н2О2.
Численні органічні сполуки: вуглеводні, білки, жири, ліпіди, вітаміни, гормони, ефірні маслата 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.

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

Водень - особливий елемент, що займає відразу два осередки в періодичній системі Менделєєва. Він розташовується у двох групах елементів, що мають протилежні властивості, і ця особливість робить його унікальним. Водень є простою речовиною та складовою багатьох складних сполук, це органогенний та біогенний елемент. Варто докладно ознайомитися з основними його особливостями та властивостями.

Водень у періодичній системі Менделєєва

Головні особливості водню, зазначені в:

порядковий номер елемента – 1 (протонів та електронів стільки ж);
атомна маса становить 1,00795;
водень має три ізотопи, кожен з яких має особливі властивості;
завдяки вмісту тільки одного електрона, водень здатний виявляти відновлювальні та окисні властивостіа після віддачі електрона водень має вільну орбіталь, що бере участь у складанні хімічних зв'язків за донорно-акцепторним механізмом;
водень – легкий елемент із невеликою щільністю;
водень є сильним відновником, він відкриває групу лужних металів у першій групі головної підгрупи;
коли водень вступає у реакцію з металами та іншими сильними відновниками, він приймає їхній електрон і стає окислювачем. Такі сполуки називаються гідридами. За вказаною ознакою водень умовно відноситься до групи галогенів (у таблиці він наводиться над фтором у дужках), з якими має подібність.

Водень як проста речовина

Водень - це газ, молекула якого складається з двох. Ця речовина була відкрита у 1766 році британським ученим Генрі Кавендішем. Він довів, що водень є газом, який вибухає при взаємодії із киснем. Після вивчення водню хіміки встановили, що ця речовина є найлегшою з усіх відомих людині.

Інший вчений, Лавуазьє, привласнив елементу ім'я «гідрогеніум», що в перекладі з латині означає «що породжує воду». У 1781 році Генрі Кавендіш довів, що вода є поєднанням кисню та водню. Іншими словами, вода – це продукт реакції водню з киснем. Займисті властивості водню були відомі ще давнім вченим: відповідні записи залишив Парацельс, який жив у XVI столітті.

Молекулярний водень - це утворюється природним шляхомпоширена в природі газоподібна сполука, яка складається з двох атомів і при піднесенні палаючої лучинки. Молекула водню може розпадатися на атоми, що перетворюються на ядра гелію, оскільки вони здатні брати участь у ядерних реакціях. Такі процеси регулярно протікають у космосі та на Сонці.

Водень та його фізичні властивості

Водень має такі фізичні параметри:

кипить за температури -252,76 °C;
плавиться за температури -259,14 °C; *у зазначених температурних межах водень - це безбарвна рідина, що не має запаху;
у воді водень слабо розчиняється;
водень теоретично може перейти у металевий стан при забезпеченні особливих умов(низьких температур та високого тиску);
чистий водень - вибухонебезпечна та палива речовина;
водень здатний дифундувати крізь товщу металів, тому добре розчиняється в них;
водень легший за повітря в 14,5 разів;
за високого тиску можна отримати снігоподібні кристали твердого водню.

Хімічні властивості водню

Лабораторні методи:

взаємодія розведених кислот з активними металами та металами середньої активності;
гідроліз гідридів металів;
реакція з водою лужних та лужноземельних металів.

Сполуки водню:

Галогенводні; леткі водневі сполуки неметалів; гідриди; гідроксиди; гідроксид водню (вода); перекис водню; органічні сполуки (білки, жири, вуглеводні, вітаміни, ліпіди, ефірні олії, гормони). Натисніть , щоб побачити безпечні експерименти для вивчення властивостей білків, жирів та вуглеводів.

Щоб зібрати водень, що утворюється, потрібно тримати пробірку перевернутої вгору дном. Водень не можна зібрати, як вуглекислий газ, адже він набагато легший за повітря. Водень швидко випаровується, а при змішуванні з повітрям (або при великому скупченні) вибухає. Тому необхідно перевертати пробірку. Відразу після заповнення пробірка закривається гумовою пробкою.

Щоб перевірити чистоту водню, потрібно піднести запалений сірник до шийки пробірки. Якщо станеться глуха і тиха бавовна – газ чистий, а домішки повітря мінімальні. Якщо бавовна гучна і свистяча - газ у пробірці брудний, у ньому присутня велика частка сторонніх компонентів.

Увага! Не намагайтеся повторити ці досліди самостійно!