Как составить водородные соединения в химии

Само
название «водородные соединения» говорит о том, что в состав данных
соединений входит водород. К таким соединениям относятся гидриды и
летучие водородные соединения. Давайте разберемся, в чем их отличие.

Гидриды
– это бинарные соединения металлов I
и
II A
групп
с водородом. Например: CaH₂,
NaH, BaH₂,
LiH. Все эти гидриды твердые,
нелетучие, тугоплавкие вещества с ионным типом связи.

Летучие
водородные соединения – это бинарные соединения неметаллов с
водородом. Эти соединения могут быть как жидкостями (например, Н₂О),
так и газами (HCl,
NH₃).

Рассмотрим
свойства хлороводорода – HCl.
Это бесцветный газ, тяжелее воздуха, хорошо растворим в воде. В 1 объёме
воды растворяется 500 объёмов хлороводорода.  Хлороводород «дымит» на
воздухе, т.е. он поглощает пары воды из воздуха, образуя при этом туманное
облако.

Раствор
хлороводорода в воде называют соляной кислотой. Это бесцветная
жидкость, «дымит» на воздухе, тяжелее воды. Соляная кислота содержится в
желудочном соке человека и некоторых животных.

Еще
одни важным летучим водородным соединением является метан – СН₄.
Метан – бесцветный газ, плохо растворим в воде, легче воздуха, не имеет
запаха. Его еще называют болотным газом, т.к. он образуется на дне болот
и водоемов при разложении растительных остатков без доступа кислорода. Кроме
того,  метан содержится в природном и попутном нефтяном газе.

Известным
и распространенным водородным соединением является аммиак – NH₃.
Аммиак является бесцветным газом, имеет резкий запах, в 1 объёме воды растворяется
700 объёмов аммиака, он почти в 2 раза легче воздуха. Раствор аммиака в воде
называют нашатырным спиртом, который широко используют в медицине.

Сероводород
– H₂S
– тоже известное летучее водородное соединение. Он является бесцветным газом,
имеет запах тухлых яиц, ядовит, в 1 объеме воды растворяется 3 объёма
сероводорода, он тяжелее воздуха.

Оксиды

Оксиды
–
это сложные вещества, состоящие из двух элементов, одним из которых является
кислород в степени окисления -2.

В
названии оксидов сначала указывают слово оксид в
именительном падеже (от лат. названия кислорода – «оксигениум»), а затем
название элемента в родительном падеже.

Например:
CaO – оксид
кальция, K₂O
– оксид калия, Al₂O₃
– оксид алюминия. А если элемент имеет несколько степеней
окисления или переменную валентность, то после названия оксида в скобках
римскими цифрами указывают численное значение степени окисления. Например: Fe₂O₃
– оксид железа (III)
(читается:
«оксид железа три»), CuO
– оксид меди (II)
(читается: «оксид меди два»), CrO₃
– оксид хрома (VI)
(читается: «оксид хрома шесть»).

По
агрегатному состоянию оксиды делят на твёрдые: к ним
относятся такие оксиды, как Al₂O₃,
SiO₂,
Fe₂O₃  и
др., жидкие оксиды – это H₂O,
SO₃,
газообразными являются такие оксиды, как СО₂, NO₂,
SO₂ и
др.

Познакомимся
с вами с наиболее важными оксидами.

Вода
– Н₂О – самое распространенное и самое
необходимое вещество на планете. Почти ¾ поверхности земного шара
занято водой. Однако, это вода морей и океанов, которая является солёной.
Она непригодна для питья, для сельского хозяйства, для промышленности. Кроме
того, тело человека на 2/3 состоит из воды. Вода составляет до 80%
массы клетки и выполняет важные функции: защитную, транспортную и др. У
некоторых медуз вода занимает почти 99% от массы тела. Содержание воды в
огурцах и арбузах превышает 90%. Большинство реакций и процессов в различных
отраслях промышленности тоже протекают в растворах. Однако запасы пресной воды
малы, всего 3% от общего объёма, поэтому нужно беречь и экономить воду.
Без воды невозможно представить жизнь человека, который потребляет ее для
бытовых нужд.

В
природе постоянно происходит круговорот воды. Под влиянием солнечного
тепла часть воды испаряется в атмосферу. При охлаждении воздуха образуются
водяные капельки, из которых состоят облака. Эти мелкие капельки сливаются в
более крупные и выпадают на землю в виде осадков: снега, дождя, града.

Круговорот
воды в природе

Еще
одним известным оксидом является диоксид углерода, углекислый газ, или оксид
углерода (IV)
– CO₂.
Это бесцветный газ, не имеет запаха, в 1,5 раза тяжелее воздуха. В 1
объёме воды растворяется 1 объем углекислого газа.  В воздухе содержится
0,03% (по объему) диоксида углерода.

Большое
количество углекислого газа вызывает удушье. Например, в «Собачьей
пещере» вблизи Неаполя, известной еще из древности, заходившие сюда собаки
постоянно погибали из-за скопившегося газа, который стелется по дну пещеры
слоем до полуметра. Углекислый газ образуется при дыхании, сгорании топлива,
тлении и гниении различных организмов. Большое содержание углекислого газа
в минеральной воде «Нарзан», находящейся в Кисловодске. Углекислый газ
используют для получения газированных вод, а твердый диоксид углерода, или
«сухой лед» используют для хранения продуктов питания, в частности
мороженого. Т.к. углекислый газ не поддерживает горение, его используют
для тушения пожаров. В медицине углекислый газ используют для углекислотных
ванн.

Негашеная
известь, или СаО, является белым, тугоплавким веществом,
которое энергично реагирует с водой, при этом образуется гашеная известь.
Негашеная известь применяется для получения вяжущих строительных материалов.

Основная
часть литосферы – это оксид кремния (IV)
– SiO₂.
Он входит в состав минералов и горных пород. Этот оксид образует кварц,
кварцевый песок, кремнезем, горный хрусталь и др. соединения.

Еще
одно соединение, которое является основой литосферы – это оксид алюминия – Al₂O₃.
Он также входит в состав минералов и горных пород. Этот оксид образует
корунд, рубин, сапфир, каолин и др. соединения.

Водородные соединения – это сложные вещества, состоящие из двух элементов, один из которых водород. Водородные соединения разделяют на солеобразные гидриды и летучие водородные соединения.

Солеобразные гидриды ЭН – это соединения металлов IA, IIA групп и алюминия с водородом. Степень окисления водорода равна -1.

Летучие водородные соединения НЭ – это соединения неметаллов с водородом. Степень окисления водорода равна +1.

Летучие водородные соединения НЭ – это соединения неметаллов с водородом	Солеобразные гидриды ЭН – это соединения металлов IA, IIA групп и алюминия с водородом
Степень окисления водорода равна +1. Проявляют основные, кислотные или амфотерные свойства. Как правило, сильные восстановители.	Степень окисления водорода равна -1. Для солеобразных гидридов характерны некоторые свойства солей: гидролиз, обменные реакции и т.д.
Элементы IVА гр.: ЭН4 (SiH4 – силан, CH4 – метан) Элементы VА гр.: ЭН3 (NH3 — аммиак, PH3 — фосфин, AsH3 – арсин, SbH3 – стибин) Элементы VIА гр.: Н2Э (Н2S – сероводород, H2Se – селеноводород, Н2Те – теллуроводород и т.д.) Элементы VIIА гр.: НЭ (НF – фтороводород, хлороводород и т.д.)	NaH – гидрид натрия, CaH2 – гидрид кальция и т.д.

Стибин SbH₃ (сурьмянистый водород) — неорганическое бинарное химическое соединение сурьмы с водородом, имеющее чесночный запах.

Арсин AsH₃ (мышьяковистый водород, гидрид мышьяка) — гидрид мышьяка, химическое соединение мышьяка и водорода. При нормальных условиях — ядовитый бесцветный газ. Абсолютно чистый химически арсин запаха не имеет, но ввиду неустойчивости продукты его окисления придают арсину чесночный запах. Сильный восстановитель.

Водород: химия водорода и его соединений

Водород

Положение в периодической системе химических элементов

Водород расположен в главной подгруппе I группы и в первом периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение водорода

Электронная конфигурация водорода в основном состоянии :

+1H 1s 1 1s

Атом водорода содержит на внешнем энергетическом уровне один неспаренный электрон в основном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома водорода — от -1 до +1. Характерные степени окисления -1, 0, +1.

Физические свойства

Водород – легкий газ без цвета, без запаха. Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью:

Н–Н

Соединения водорода

Основные степени окисления водорода +1, 0, -1.

Типичные соединения водорода:

Степень окисления	Типичные соединения
+1	кислоты H2SO4, H2S, HCl и др. вода H2O и др. летучие водородные соединения (HCl, HBr) кислые соли (NaHCO3 и др.) основания NaOH, Cu(OH)2 основные соли (CuOH)2CO3
-1	гидриды металлов NaH, CaH2 и др.

Способы получения

Еще один важный промышленный способ получения водорода — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:

Также возможна паровая конверсия угля:

C 0 + H₂ + O → C +2 O + H₂ 0

Химические свойства

1. Водород проявляет свойства окислителя и свойства восстановителя. Поэтому водород реагирует с металлами и неметаллами.

1.1. С активными металлами водород реагирует с образованием гидридов :

2Na + H₂ → 2NaH

1.2. В специальных условиях водород реагирует с серой с образованием бинарного соединения сероводорода:

1.3. Водород не реагирует с кремнием .

1.4. С азотом водород реагирует при нагревании под давлением в присутствии катализатора с образованием аммиака:

1.5. В специальных условиях водород реагирует с углеродом .

1.6. Водород горит , взаимодействует с кислородом со взрывом:

2. Водород взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Восстанавливает металлы из основных и амфотерных оксидов . Восстановить из оксида водородом можно металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений после алюминия. При этом образуются металл и вода.

Например , водород взаимодействует с оксидом цинка с образованием цинка и воды:

ZnO + H₂ → Zn + H₂O

Также водород восстанавливает медь из оксида меди:

СuO + H₂ → Cu + H₂O

Водород восстанавливает оксиды некоторых неметаллов .

Например , водород взаимодействует с оксидом азота (I):

2.2. С органическими веществами водород вступает в реакции присоединения (реакции гидрирования).

Применение водорода

Применение водорода основано на его физических и химических свойствах:

• как легкий газ, он используется для наполнения аэростатов (в смеси с гелием);
• кислородно-водородное пламя применяется для получения высоких температур при сварке металлов;
• как восстановитель используется для получения металлов (молибдена, вольфрама и др.) из их оксидов;
• водород используется для получения аммиака и искусственного жидкого топлива;
• получение твердых жиров (гидрогенизация).

Водородные соединения металлов

Соединения металлов с водородом — солеобразные гидриды МеН_х. Это твердые вещества белого цвета с ионным строением. Устойчивые гидриды образуют активные металлы (щелочные, щелочноземельные и др.).

Способы получения

Гидриды металлов можно получить непосредственным взаимодействием активных металлов и водорода.

Например , при взаимодействии натрия с водородом образуется гидрид натрия:

2Na + H₂ → 2NaH

Гидрид кальция можно получить из кальция и водорода:

Химические свойства

1. Солеобразные гидриды легко разлагаются водой .

Например , гидрид натрия в водной среде разлагается на гидроксид натрия и водород:

NaH + H₂O → NaOH + H₂

2. При взаимодействии с кислотами гидриды металлов образуют соль и водород.

Например , гидрид натрия реагирует с соляной кислотой с образованием хлорида натрия и водорода:

NaH + HCl → NaCl + H₂

3. Солеобразные гидриды проявляют сильные восстановительные свойства и взаимодействуют с окислителями (кислород, галогены и др.)

Например , гидрид натрия окисляется кислородом:

2NaH + O₂ = 2NaOH

Гидрид натрия также окисляется хлором :

NaH + Cl₂ = NaCl + HCl

Летучие водородные соединения

Соединения водорода с неметаллами — летучие водородные соединения.

Строение и физические свойства

Все летучие водородные соединения — газы (кроме воды).

CH4 — метан	NH3 — аммиак	H2O — вода	HF –фтороводород
SiH4 — силан	PH3 — фосфин	H2S — сероводород	HCl –хлороводород
AsH3 — арсин	H2Se — селеноводород	HBr –бромоводород
H2Te — теллуроводород	HI –иодоводород

Способы получения силана

Силан образуется при взаимодействии соляной кислоты с силицидом магния:

Видеоопыт получения силана из силицида магния можно посмотреть здесь.

Способы получения аммиака

В лаборатории аммиак получают при взаимодействии солей аммония с щелочами. Поск ольку аммиак очень хорошо растворим в воде, для получения чистого аммиака используют твердые вещества.

Например , аммиак можно получить нагреванием смеси хлорида аммония и гидроксида кальция. При нагревании смеси происходит образование соли, аммиака и воды:

Тщательно растирают ступкой смесь соли и основания и нагревают смесь. Выделяющийся газ собирают в пробирку (аммиак — легкий газ и пробирку нужно перевернуть вверх дном). Влажная лакмусовая бумажка синеет в присутствии аммиака.

Видеоопыт получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция можно посмотреть здесь.

Еще один лабораторный способ получения аммиака – гидролиз нитридов.

Например , гидролиз нитрида кальция:

В промышленности аммиак получают с помощью процесса Габера: прямым синтезом из водорода и азота.

Процесс проводят при температуре 500-550 о С и в присутствии катализатора. Для синтеза аммиака применяют давления 15-30 МПа. В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непрореагировавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Более подробно про технологию производства аммиака можно прочитать здесь.

Способы получения фосфина

В лаборатории фосфин получают водным или кислотным гидролизом фосфидов – бинарных соединений фосфора и металлов.

Например , фосфин образуется при водном гидролизе фосфида кальция:

Или при кислотном гидролизе, например , фосфида магния в соляной кислоте:

Еще один лабораторный способ получения фосфина – диспропорционирование фосфора в щелочах.

Например , фосфор реагирует с гидроксидом калия с образованием гипофосфита калия и фосфина:

Способы получения сероводорода

1. В лаборатории сероводород получают действием минеральных кислот на сульфиды металлов, расположенных в ряду напряжений левее железа.

Например , при действии соляной кислоты на сульфид железа (II):

FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑

Еще один способ получения сероводорода – прямой синтез из водорода и серы:

Еще один лабораторный способ получения сероводорода – нагревание парафина с серой.

Видеоопыт получения и обнаружения сероводорода можно посмотреть здесь.

2. Также сероводород образуется при взаимодействии растворимых солей хрома (III) и алюминия с растворимыми сульфидами. Сульфиды хрома (III) и алюминия необратимо гидролизуются в водном растворе.

Например: х лорид хрома (III) реагирует с сульфидом натрия с образованием гидроксида хрома (III), сероводорода и хлорида натрия:

Химические свойства силана

1. Силан — неустойчивое водородное соединение (самовоспламеняется на воздухе). При сгорании силана на воздухе образуется оксид кремния (IV) и вода:

Видеоопыт сгорания силана можно посмотреть здесь.

2. Силан разлагается водой с выделением водорода:

3. Силан разлагается (окисляется) щелочами :

4. Силан при нагревании разлагается :

Химические свойства фосфина

1. В водном растворе фосфин проявляет очень слабые основные свойства (за счет неподеленной электронной пары). Принимая протон (ион H + ), он превращается в ион фосфония. Основные свойства фосфина гораздо слабее основных свойств аммиака. Проявляются при взаимодействии с безводными кислотами .

Например , фосфин реагирует с йодоводородной кислотой:

Соли фосфония неустойчивые, легко гидролизуются.

2. Фосфин PH₃ – сильный восстановитель за счет фосфора в степени окисления -3. На воздухе самопроизвольно самовоспламеняется:

3. Как сильный восстановитель, фосфин легко окисляется под действием окислителей.

Например , азотная кислота окисляет фосфин. При этом фосфор переходит в степень окисления +5 и образует фосфорную кислоту.

Серная кислота также окисляет фосфин:

С фосфином также реагируют другие соединения фосфора, с более высокими степенями окисления фосфора.

Например , хлорид фосфора (III) окисляет фосфин:

2PH₃ + 2PCl₃ → 4P + 6HCl

Химические свойства сероводорода

1. В водном растворе сероводород проявляет слабые кислотные свойства. Взаимодействует с сильными основаниями, образуя сульфиды и гидросульфиды:

Например , сероводород реагирует с гидроксидом натрия:

H₂S + 2NaOH → Na₂S + 2H₂O
H₂S + NaOH → NaНS + H₂O

2. Сероводород H₂S – очень сильный восстановитель за счет серы в степени окисления -2. При недостатке кислорода и в растворе H₂S окисляется до свободной серы (раствор мутнеет):

В избытке кислорода:

3. Как сильный восстановитель, сероводород легко окисляется под действием окислителей.

Например, бром и хлор окисляют сероводород до молекулярной серы:

H₂S + Br₂ → 2HBr + S↓

H₂S + Cl₂ → 2HCl + S↓

Под действием избытка хлора в водном растворе сероводород окисляется до серной кислоты:

Например , азотная кислота окисляет сероводород до молекулярной серы:

При кипячении сера окисляется до серной кислоты:

Прочие окислители окисляют сероводород, как правило, до молекулярной серы.

Например , оксид серы (IV) окисляет сероводород:

Соединения железа (III) также окисляют сероводород:

H₂S + 2FeCl₃ → 2FeCl₂ + S + 2HCl

Бихроматы, хроматы и прочие окислители также окисляют сероводород до молекулярной серы:

Серная кислота окисляет сероводород либо до молекулярной серы:

Либо до оксида серы (IV):

4. Сероводород в растворе реагирует с растворимыми солями тяжелых металлов : меди, серебра, свинца, ртути, образуя черные сульфиды, нерастворимые ни в воде, ни в минеральных кислотах.

Например , сероводород реагирует в растворе с нитратом свинца (II). при этом образуется темно-коричневый (почти черный) осадок, нерастворимый ни в воде, ни в минеральных кислотах:

Взаимодействие с нитратом свинца в растворе – это качественная реакция на сероводород и сульфид-ионы.

Видеоопыт взаимодействия сероводорода с нитратом свинца можно посмотреть здесь.

Химические свойства прочих водородных соединений

Кислоты образуют в водном растворе: водородные соединения VIA (кроме воды) и VIIA подгрупп.

Прочитать про химические свойства галогеноводородов вы можете здесь.

Физические свойства

Молекулы воды связаны водородными связями: nH₂O = (Н₂O)_n, поэтому вода жидкая в отличие от ее газообразных аналогов H₂S, H₂Se и Н₂Те.

Химические свойства

1. Вода реагирует с металлами и неметаллами .

1.1. С активными металлами вода реагирует при комнатной температуре с образованием щелочей и водорода :

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

• с магнием реагирует при кипячении:

• алюминий не реагирует с водой, так как покрыт оксидной плёнкой. Алюминий, очищенный от оксидной плёнки, взаимодействует с водой, образуя гидроксид:

• металлы, расположенные в ряду активности от Al до Н , реагируют с водяным паром при высокой температуре, образуя оксиды и водород:

• металлы, расположенные в ряду активности от после Н , не реагируют с водой:

Ag + Н₂O ≠

2. Вода реагирует с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов , образуя щелочи (с оксидом магния – при кипячении):

3. Вода взаимодействует с кислотными оксидами (кроме SiO₂):

4. Некоторые соли реагируют с с водой. Как правило, в таблице растворимости такие соли отмечены прочерком :

Например , сульфид алюминия разлагается водой:

5. Бинарные соединения металлов и неметаллов , которые не являются кислотами и основаниями, разлагаются водой.

Например , фосфид кальция разлагается водой:

6. Бинарные соединения неметаллов также гидролизуются водой.

Например , фосфид хлора (V) разлагается водой:

6. Некоторые органические вещества гидролизуются водой или вступают в реакции присоединения с водой (алкены, алкины, алкадиены, сложные эфиры и др.).

Водород (H) и его химические реакции

Водород – простое вещество H₂ (диводород, дипротий, легкий водород).

Краткая характеристика водорода:

• Неметалл.
• Бесцветный газ, трудно поддающийся сжижению.
• Плохо растворяется в воде.
• Лучше растворяется в органических растворителях.
• Хемосорбируется металлами: железом, никелем, платиной, палладием.
• Сильный восстановитель.
• Взаимодействует (при высоких температурах) с неметаллами, металлами, оксидами металлов.
• Наибольшей восстановительной способностью обладает атомный водород H 0 , получаемый при термическом разложении H₂.
• Изотопы водорода:
  • 1 H – протий
  • 2 H – дейтерий (D)
  • 3 H – тритий (Т)
• Относительная молекулярная масса = 2,016
• Относительная плотность твердого водорода (t=-260°C) = 0,08667
• Относительная плотность жидкого водорода (t=-253°C) = 0,07108
• Избыточное давление (н.у.) = 0,08988 г/л
• t_{плавления} = -259,19°C
• t_{кипения} = -252,87°C
• Объемный коэффициент растворимости водорода:
  • (t=0°C) = 2,15;
  • (t=20°C) = 1,82;
  • (t=60°C) = 1,60;

1. Термическое разложение водорода (t=2000-3500°C):
H₂ ↔ 2H 0

2. Взаимодействие водорода с неметаллами:

3. Взаимодействие водорода со сложными веществами:

4. Участие водорода в окислительно-восстановительных реакциях:

Водородные соединения

D₂ – дидейтерий:

• Тяжелый водород.
• Бесцветный газ, трудно поддаваемый сжижению.
• Дидейтерия содержится в природной водороде 0,012-0,016% (по массе).
• В газовой смеси дидейтерия и протия изотопный обмен протекает при высоких температурах.
• Плохорастворим в обычной и тяжелой воде.
• С обычной водой изотопный обмен незначителен.
• Химические свойства аналогичны легкому водороду, но дидейтерий обладает меньшей реакционной способностью.
• Относительная молекулярная масса = 4,028
• Относительная плотность жидкого дидейтерия (t=-253°C) = 0,17
• t_{плавления} = -254,5°C
• t_{кипения} = -249,49°C

T₂ – дитритий:

• Сверхтяжелый водород.
• Бесцветный радиоактивный газ.
• Период полураспада 12,34 года.
• Химические свойства аналогичны H₂.
• В природе дитритий образуется в результате бомбардировки нейтронами космического излучения ядер 14 N, следы дитрития обнаружены в природных водах.
• Получают дитритий в ядерном реакторе бомбардировкой лития медленными нейтронами.
• Относительная молекулярная масса = 6,032
• t_{плавления} = -252,52°C
• t_{кипения} = -248,12°C

HD – дейтериоводород:

• Бесцветный газ.
• Не растворяется в воде.
• Химические свойства аналогичны H₂.
• Относительная молекулярная масса = 3,022
• Относительная плотность твердого дейтериоводорода (t=-257°C) = 0,146
• Избыточное давление (н.у.) = 0,135 г/л
• t_{плавления} = -256,5°C
• t_{кипения} = -251,02°C

Оксиды водорода

H₂O – вода:

• Бесцветная жидкость.
• По изотопному составу кислорода вода состоит из H₂ 16 O с примесями H₂ 18 O и H₂ 17 O
• По изотопному составу водорода вода состоит из 1 H₂O с примесью HDO.
• Жидкая вода подвергается протолизу (H₃O + и OH – ):
  • H₃O + (катион оксония) является самой сильной кислотой в водном растворе;
  • OH – (гидроксид-ион) является самым сильным основанием в водном растворе;
  • Вода – самый слабый сопряженный протолит.
• Со многими веществами вода образует кристаллогидраты.
• Вода является химически активным веществом.
• Вода является универсальным жидким растворителем неорганических соединений.
• Относительная молекулярная масса воды = 18,02
• Относительная плотность твердой воды (льда) (t=0°C) = 0,917
• Относительная плотность жидкой воды:
  • (t=0°C) = 0,999841
  • (t=20°C) = 0,998203
  • (t=25°C) = 0,997044
  • (t=50°C) = 0,97180
  • (t=100°C) = 0,95835
• плотность (н.у.) = 0,8652 г/л
• t_{плавления} = 0°C
• t_{кипения} = 100°C
• Ионное произведение воды (25°C) = 1,008·10 -14

1. Термическое разложение воды:
2H₂O ↔ 2H₂+O₂ (выше 1000°C)

D₂O – оксид дейтерия:

• Тяжелая вода.
• Бесцветная гигроскопичная жидкость.
• Вязкость выше, чем у воды.
• Смешивается с обычной водой в неограниченных количествах.
• При изотопном обмене образуется полутяжелая вода HDO.
• Растворяющая способность ниже, чем у обычной воды.
• Химические свойства оксида дейтерия аналогичны химическим свойствам воды, но все реакции протекают медленнее.
• Тяжелая вода присутствует в природной воде (массовое отношение к обычной воде 1:5500).
• Оксид дейтерия получают многократным электролизом природной воды, при котором тяжелая вода накапливается в остатке электролита.
• Относительная молекулярная масса тяжелой воды = 20,03
• Относительная плотность жидкой тяжелой воды (t=11,6°C) = 1,1071
• Относительная плотность жидкой тяжелой воды (t=25°C) = 1,1042
• t_{плавления} = 3,813°C
• t_{кипения} = 101,43°C

T₂O – оксид трития:

• Сверхтяжелая вода.
• Бесцветная жидкость.
• Вязкость выше, а растворяющая способность ниже, чем у обычной и тяжелой воды.
• Смешивается с обычной и тяжелой водой в неограниченных количествах.
• Изотопный обмен с обычной и тяжелой водой приводит к образованию HTO, DTO.
• Химические свойства сверхтяжелой воды аналогичны химическим свойствам воды, но все реакции протекают еще медленнее, чем в тяжелой воде.
• Следы оксида трития находят в природной воде и атмосфере.
• Получают сверхтяжелую воду пропусканием трития над раскаленным оксидом меди CuO.
• Относительная молекулярная масса сверхтяжелой воды = 22,03
• t_{плавления} = 4,5°C

Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе

Урок 22. Химические свойства водорода

В уроке 22 «Химические свойства водорода» из курса «Химия для чайников» узнаем с какими веществами реагирует водород; выясним, какими химическими свойствами обладает водород.

Водород вступает в химические реакции с простыми и сложными веществами. Однако при обычных условиях водород малоактивен. Для его взаимодействия с другими веществами необходимо создать условия: повысить температуру, применить катализатор и др.

Реакции водорода с простыми веществами

При нагревании водород вступает в реакции соединения с простыми веществами — кислородом, хлором, азотом, серой.

Если поджечь на воздухе чистый водород, выходящий из газоотводной трубки, он горит ровным, еле заметным пламенем. Теперь поместим трубку с горящим водородом в банку с кислородом (рис. 95).

Горение водорода продолжается, при этом на стенках банки видны капли воды, образующейся в результате реакции:

При горении водорода выделяется много теплоты. Температура кислородно-водородного пламени достигает больше 2000 °С.

Химическая реакция водорода с кислородом относится к реакциям соединения. В результате реакции образуется оксид водорода (вода). Это значит, что произошло окисление водорода кислородом, т. е. эту реакцию мы можем назвать и реакцией окисления.

Если же в пробирку, опрокинутую вверх дном, собрать немного водорода методом вытеснения воздуха, а затем поднести к ее отверстию горящую спичку, то раздастся громкий «лающий» звук небольшого взрыва смеси водорода с воздухом. Такую смесь называют «гремучей».

На заметку: Способность водорода в смеси с воздухом образовывать «гремучий газ» часто являлась причиной катастроф на воздушных шарах, заполненных водородом. Нарушение герметичности оболочки шара приводило к пожару и даже взрыву. В наше время воздушные шары заполняют гелием или постоянно нагнетаемым горячим воздухом.

В атмосфере хлора водород сгорает с образованием сложного вещества — хлороводорода. При этом протекает реакция:

Реакция водорода с азотом происходит при повышенной температуре и давлении в присутствии катализатора. В результате реакции образуется аммиак NH₃:

Если струю водорода направить на расплавленную в пробирке серу, то у ее отверстия ощутится запах тухлых яиц. Так пахнет газ сероводород H₂S — продукт реакции водорода с серой:

На заметку: Водород способен не только растворяться в некоторых металлах, но и реагировать с ними. При этом образуются химические соединения, называемые гидридами (NaH — гидрид натрия). Гидриды некоторых металлов используют как горючее в ракетных двигателях на твердом топливе, а также при получении термоядерной энергии.

Реакции водорода со сложными веществами

Водород реагирует при повышенной температуре не только с простыми, но и со сложными веществами. Рассмотрим в качестве примера его реакцию с оксидом меди(II) CuO (рис. 96).

Пропустим водород над нагретым порошком оксида меди(II) CuO. По мере протекания реакции цвет порошка изменяется с черного на коричнево красный. Это цвет простого вещества меди Cu. В ходе реакции на холодных частях пробирки появляются капельки жидкости. Это еще один продукт реакции — вода H₂O. Отметим, что в отличие от простого вещества меди вода — сложное вещество.

Уравнение реакции оксида меди(II) с водородом:

Водород в реакции с оксидом меди(II) проявляет способность отнимать у оксида металла кислород, тем самым восстанавливать металл из этого оксида. В результате происходит восстановление меди из сложного вещества CuO до металлической меди (Cu).

Реакции восстановления — это реакции, в ходе которых сложные вещества отдают атомы кислорода другим веществам.

Вещество, отнимающее атомы кислорода, называют восстановителем. В реакции с оксидом меди(II) восстановитель — водород. Так же реагирует водород и с оксидами некоторых других металлов, например PbO, HgO, MoO₃, WO₃ и др. Окисление и восстановление всегда взаимосвязаны между собой. Если одно вещество (Н₂) окисляется, то другое (CuO) — восстанавливается, и наоборот.

Краткие выводы урока:

1. При нагревании водород реагирует с кислородом, хлором, азотом, серой.
2. Восстановление — это отдача атомов кислорода сложными веществами другим веществам.
3. Процессы окисления и восстановления взаимосвязаны между собой.

Надеюсь урок 22 «Химические свойства водорода» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

[spoiler title=”источники:”]

http://prosto-o-slognom.ru/chimia_spravochnik/1_vodorod_H.html

[/spoiler]

Типы и классификация

Вещества, созданные водородом с металлами и неметаллами многобразны. В зависимости от характера полученного соединения, выделяют:

• Простые гидриды — бинарные, в них только 2 элемента, они встречаются чаще всего.
• Со многими переходными металлами (элементы р-подгруппы) водород образует ко́мплексные соединения. Ко́мплексные гидриды металлов (к примеру, боро- или алюмогидриды) вместо атома водорода, имеют алюмогруппу (AlH4) или борогруппу (BH4). Из них натрийборогидрид Na (BH4) и литийалюмогидрид Li (AlH4), будучи сильными восстановителями, нашли применение в лабораторной практике. Кроме этого, Na (BH4) используют для отбеливания бумаги.
• И также есть гидриды интерметаллидов (пример: TiAl или Ti3Al, алюминид титана), в кристаллических решётках которых водород просто растворяется, аккумулируется.

У разных химических элементов строение атомов и молекул отличается. Соответственно, связи в образованных гидридах тоже неодинаковы. Классификация по виду связи определяет полученные вещества, как:

• металлоподобные;
• ионные (солеобразные);
• ковалентные.

Бинарные соединения самые распространённые, есть у всех элементов. Исключения здесь металлы платиновой группы (платиноиды), Au, Ag, Hg, Ti, Cd, In, а также благородные газы. Между этими веществами нет чётко выраженных границ, деление по характеру связи для них немного условно.

К металлическим принадлежат соединения водорода с переходными металлами и редкоземельными элементами. Это, скорее, раствор неметалла в металле, с внедрением атомов в кристаллическую решётку. Характерно для них следующее:

• В основном такие гидриды являются бертоллидами, состав их зависит от способа получения, непостоянен, законам постоянных и кратных отношений не подчиняется.
• В формулах для них указывают предельное содержание водорода.
• В отличие от прочих, они сохраняют исходную металлическую решётку.
• Их вид и физические свойства соответствуют металлам, с которыми они образованы.
• Имеют характе́рный металлический блеск, взаимодействуют с H2O (в жидком или газообразном состоянии), кислородом, при нормальных условиях, но медленно.
• Как и металлы, обладают значительной теплопроводностью и проводимостью.
• При нагревании распадаются на водород и исходный металл.

Образуются в процессе адсорбции водорода на металлической поверхности, диссоциации H2 и диффузного проникновения атомов в металлическую решётку. Поглощение обратимо, но химические связи весьма крепкие.

От металлоподобных, через гидриды меди (CuH, водородистая медь), цинка, ZnH2, водородистый цинк и им подобных, осуществляется переход к полимерам.

Это химические вещества со сложной структурой, в которой присутствуют цепи и полиэдры. Твёрдые, устойчивые, с кристаллическим строением (полимерные гидриды лёгких металлов стабильнее всего), данные соединения распадаются при нагреве на составляющие элементы.

От них, через гидриды бора и галлия — к водородным соединениям с неметаллами. В них водород имеет степень окисления +1.

Соединения с ионным типом связи

Их образует водород с металлами 1А и 2А групп, кроме Mg, а также с Al. Они отчасти показывают свойства соответствующих галогенидов, откуда и появилось второе наименование — солеобразные.

Это химические соединения, такие как гидрид натрия (NaH), кальция (CaH2), лития, с формулой LiH, другие. Для них характерно:

• Получают при высокой температуре и под давлением.
• В этих соединениях, проявляющих, как правило, щелочные свойства, у водорода степень окисления -1. С металлами 1А и 2А групп, такими, как Na, Li, Be, K, Rb, Sr он выступает окислителем, подобно галогенам. Например, гидрид натрия, с химической формулой NaH — в этом соединении ион водорода имеет отрицательный заряд.
• Это кристаллические вещества белого цвета, с ионной решёткой, структура подобна строению соответствующего галогенида.
• При нормальных условиях устойчивы.
• Распад на металл и водород при нагреве, минуя этап плавления (исключением является LiH, его температура плавления 688 градусов Цельсия).
• В расплаве — хорошие проводники, при этом на аноде будет выделяться H2.
• Вспыхивают при растирании на воздухе.
• Все являются сильными восстановителями. Применяются для получения чистых металлов из солей и оксидов, для удаления окалины, коррозии.
• Реагируют с оксидом углерода, формируют соли муравьиной кислоты (формиаты).
• Как и соли, могут участвовать в обменных реакциях, гидролизе.

Солеобразными бывают не только бинарные (простые) соединения водорода. Дигидриды, образуемые добавлением групп бора (BH4) или алюминия (AlH4) к металлу, также имеют ионный тип связи.

Окислительная активность водорода небольшая по сравнению с галогенами. Дополнительный электрон он отдаёт с трудом, при нагреве (реакция проходит с поглощением тепла). Это и обусловливает различие между свойствами ионных гидридов и галогенидов.

По химической природе такие соединения ведут себя как основные. Ионные гидриды обладают высокой химической активностью. Они бурно реагируют с кислородом и H2O в парообразном состоянии.

Но выраженный ионный характер — свойство, проявляемое соединениями кальция, натрия, щелочных и щёлочноземельных элементов. На них проще всего и нагляднее можно показать химию взаимодействий этих веществ:

• С водой: 2NaH + H2O = 2NaOH + H2O.
• С кислородом: NaH + O2 = NaO + H2O.
• Реакция разложения: CaH2 = Ca + H2.
• С оксидами углерода: NaH + CO2 = NaCOOH.
• Кремния: 4NaH + 3SiO2 = 2Na2SiO3 + Si + 2H2.
• Металлов: 4NaH + Fe3O4 = 4NaOH + 3Fe.
• Восстановление: 2NaH + 2SO2 = Na2SO4 + H2S.
• С аммиаком: NaH + NH3 = NaNH2 + H2.
• С кислотами: 2NaH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2.
• Со спиртами: KH + HO-R = KOR + H2.

По свойствам и природе связи промежуточное положение между ионными и ковалентными занимает гидрид магния, с формулой MgH2.

Соли и оксиды калия, кальция, меди и других щелочных и щёлочноземельных металлов образуют с гидридом кислорода (водой) ещё один вид соединений — дигидраты. Это соли серной кислоты (сульфаты), галогениды, оксиды плюс 2 присоединённых молекулы H2O. Формула алебастра — Ca5O4 плюс 2H2O, гипс — CaSO4 плюс 2H2O, в природе они не редкость.

Гидросульфид натрия, NaHS, образует не только дигидрат, NaHS плюс 2H2O, но и тригидрат, с присоединением 3H2O.

Когда связь ковалентна

Это соединения, в которых степень окисления водорода +1, как правило, газы, летучие жидкости. Их водород даёт с неметаллами, а также с германием, алюминием, бериллием, оловом, мышьяком, сурьмой — элементами 4, 5, 6 и 7 групп периодической системы. И также ковалентную связь имеют соединения водорода и бора.

Это могут быть вещества простые, бинарные, такие как метан (CH4), силан (формула SiH4). Сложные тоже имеются, с длинными цепями, многоатомные молекулы — они образуются водородом с кремнием, бором, германием.

Многие из них неустойчивы, так гидрид олова (SnH4) распадается уже при комнатной температуре, а гидрид свинца недолго существует и при отрицательных температурах. Самый простой гидрид бора не существует в природных условиях вообще.

Отличительные свойства:

• Все сильные восстановители, степень окисления водорода +1.
• Проявляют кислотные, а также амфотерные свойства.
• Агрегатное состояние — газ или летучая жидкость, исключения тут гидрид кислорода (вода), азота, фтороводород (плавиковая кислота), те, в которых молекулы полярны и возникает водородная связь. Последние существуют, как нелетучая жидкость или в твёрдом состоянии.
• Электронодефицитные виды, получаемые с элементами главной подгруппы 3 группы, например, гидрид алюминия AlH3 или бериллия, химическая формула BeH2, очень активны и образуют многоатомные, длинные полимерные цепи, с больши́м весом. Такие полимеры — твёрдые вещества.
• При нагреве легко и практически необратимо, разлагаются на элемент и водород H2. Требуется температура от 100 до 300 градусов по Цельсию (для гидрида серы H2S — порядка 400 градусов).
• Чаще всего они имеют высокую токсичность.
• Характерна высокая химическая активность, реакционная способность.
• Получить можно непосредственным взаимодействием элементов, разложением металлических соединений водой, кислотой, восстановлением галогенидов гидридами бора, алюминия, щелочных металлов.
• Высшие гидриды германия, кремния, с общей химической формулой EnH2n+2 — это полимеры, их стабильность тем ниже, чем больше атомный вес и количество атомов элемента.
• Принадлежащие к s-подгруппе хорошо растворяются в воде и проявляют кислотные свойства. Прочие — в незначительной мере, свойства у них основные. Все хорошо растворимы в неполярных органических растворителях.
• При взаимодействии с водой (H2O), выделяется чистый водород (H2) и оксид, с общей химической формулой EO2.

Тяжёлые элементы дают соединения с небольшой устойчивостью.

За счёт водородных связей и способности к донорно-акцепторному взаимодействию, вода (H2O), плавиковая кислота (HF), аммиака (NH3), а частично HCl и H2S, хорошие растворители.

Химические вещества, образованные двумя или более металлов, такие как FeTi, Ca2Ru, Mg2Ni — это интерметаллические соединения. Они хорошо поглощают водород и соединяясь с ним дают гидриды-интерметаллиды.

Содержат атомы железа, магния, меди, кальция, титана, алюминия, редкоземельные элементы. Их легко получить даже с H2 нехимическим (для технических нужд, до 2% примесей). Применяют для хранения водорода и аккумуляторных батарей.

У гидридов много областей применения. Особенно широко используют NaH. С его помощью удаляют термическую окалину с металлов, производят добавки, повышающие октановое число бензина, катализаторы полимеризации. Он необходим при производстве красителей, моющих средств, в качестве мощного восстановителя применяется в металлургии.

В органической химии комплексные водородные соединения применяют уже более 50 лет, для получения особо чистых химических элементов. В химии алкалоидов также широко используют комплексные гидриды металлов. Без них не обходится производство металлокерамики, дегазаторов, многих фармакологических средств.

Азот с водородом образует аммиак, кислород — воду, сера даёт сероводород, в природе постоянно идёт синтез подобных веществ. С миром химии человек пересекается постоянно. Поэтому знания о наиболее распространёных веществах принесут пользу каждому.

H2 – это элемент IА-группы, порядковый № 1. Заряд атомного ядра +1, потому что в ядре 1 протон. Вокруг ядра вращается всего 1 электрон. До завершения уровня атому не хватает 1 электрона. Завершать энергетический уровень атом водорода может различными способами: образовывать летучие водородные соединения и гидриды.

Оглавление:

• Способы завершения энергетического уровня
• Типы гидридов
• Особенности водородных соединений

H2 – это элемент IА-группы, порядковый № 1. Заряд атомного ядра +1, потому что в ядре 1 протон. Вокруг ядра вращается всего 1 электрон. До завершения уровня атому не хватает 1 электрона. Завершать энергетический уровень атом водорода может различными способами: образовывать летучие водородные соединения и гидриды.

Способы завершения энергетического уровня

Водород — один из немногих химических элементов, который может иметь как положительную, так и отрицательную степень окисления в соединениях. Как, например, бром ( NaBr ^-1, Br ⁺¹ 2O ) и хлор ( NaCl ^-1, HClO3⁺⁵):

1. Может принимать на внешний уровень один недостающий электрон – атом водорода превращается в ион, заряженный отрицательно. Такая реакция происходит при взаимодействии с металлами, которые в соединениях проявляют только положительную степень окисления. Степень окисления водорода будет равна -1, так как заряд отрицательный. Металлы с H2 создают соединения, которые называются гидридами. Способствует их образованию H2 с самыми активными металлами: щелочными и щелочноземельными. Например: NaH (гидрид натрия), CaH2 (гидрид кальция), LiH (гидрид лития), CuH (гидрид меди).
2. Может отдавать один электрон со своего внешнего энергетического уровня — остается только ядро атома водорода, состоящее из протона. Таким образом, H2 образует химические соединения с неметаллами, которые при этом будут проявлять только отрицательную степень окисления. В соединениях с водородом степень окисления неметалла будет низшая. В этом случае водород становится частицей с положительным зарядом иона или степенью окисления +1. Соединения H2 с неметаллами называют летучие водородные соединения. Например: HCl (соляная кислота/хлороводород), NH3 (водородное соединение азота — аммиак), NH4OH (нашатырный спирт), NaHS (гидросульфид натрия).

Помимо способов завершения энергетического уровня, существует классификация гидридов, в соответствии с их характером связи. Они подразделяются на 3 большие группы.

Типы гидридов

Стоит рассмотреть основные группы, поскольку побочные группы (полимерные, интерметаллические и комплексные) являются подвидами основных, а также имеют схожие с ними физические и химические свойства.

Ионные гидриды

Ионные (солеобразные) — соединения H2 с металлами IA и IIA (кроме магния), а также с алюминием. Их главное отличие от двух других видов в том, что они активно реагируют с H2O с образованием щёлочи и выделением H2 в виде газа. Самым ярким представителем ионных гидридов является гидрид натрия.

Физические свойства: белые твёр­дые ве­ще­ст­ва с кри­стал­лической ре­шёт­кой, со­дер­жа­щей ка­ти­он (плюс) ме­тал­ла и гид­рид-ани­он (минус) Н–. Проводят электрический ток. Устойчивы при нормальных условиях (н.у.).

Как и любое вещество (химический элемент, простое вещество или химическое соединение), ионные гидриды обладают свойствами. Они проявляются в процессе реакции и влияют на неё. Химические свойства:

1. Разлагаются при нагревании еще до достижения своей температуры плавления: CaH2 = Ca + H2↑.
2. При растирании на воздухе воспламеняются: CaH2 + O2 = CaO + H2O.
3. Реагирует с водой с образованием щелочи и выделением водорода: 2NaH + H2O = 2NaOH + H2↑.
4. Являются сильными восстановителями (при t 700-800°С восстанавливают оксиды до металлов), но их использование в лаборатории осложнено, поскольку они с легкостью реагируют с кислородом и влагой воздуха.

Применение: для по­лу­че­ния ме­тал­лов из их ок­си­дов, уда­ле­ния ока­ли­ны с по­верх­но­сти металлических из­де­лий, как ра­кет­ное то­п­ли­во.

Получение: при взаимодействии металлов с водородом при t 200-600°С:

• H2 + 2Na = (300°C) 2NaH;
• H2 + Ca = (600°C) CaH2.

Ковалентные соединения

Ковалентные — гидриды, образованные неметаллами IV, V, VI и VII групп, а также бором. Например, гидрид углерода/метан CH4, силан SiH4, гидрид серы/сероводород H2S.

Физические свойства: газообразные, легко воспламеняются на воздухе.

Ковалентные гидриды во многом отличаются от ионных и металлических. Если последние обладают химическими свойствами, схожими с металлами, то свойства ковалентных следует рассмотреть подробнее. Химические свойства:

1. При высоких температурах разлагаются практически необратимо: H2S = (около 400°С) S + H2.
2. Сильные восстановители.
3. Высокая токсичность.
4. B2H6 и SiH4 разлагаются водой с выделением водорода: B2H6 + 6H2O → 2H3BO3 + 6H2.
5. Гидриды элементов V-VII групп не разлагаются водой.

Применение: для получения полупроводниковых пленочных покрытий, защитных покрытий на поверхности металлов.

Получение: термическое разложение, восстановление галогенидов.

Существуют многочисленные производные ковалентных гидридов, в которых часть атомов H2 замещена атомами галогенов или металлов.

Магний по своим свойствам и химической связи располагается между ионными и ковалентными гидридами. С водой и водными растворами MgH2 реагирует с выделением H2, но не так энергично, как ионные гидриды.

Соединения железа с водородом крайней неустойчивы и в чистом виде не обнаружены. Формула неустойчивого гидрида железа выглядит так: C5H5Fe.

Металлические соединения

Металлические — соединения переходных металлов. Фактически они являются твёрдым раствором H2 в металле, атомы водорода помещаются в кристаллическую решётку металла. Их образованию всегда способствует адсорбция водорода на поверхности металла.

Физические свойства: пред­став­ля­ют со­бой кри­стал­лические ве­ще­ст­ва с металлическим бле­ском. Обладают интенсивной окраской, проявляют металлические или полупроводниковые свойства. Устойчивы на воздухе. С кислородом и водой реагируют медленно. Магнитными, механическими, тепло- и электропроводными свойствами схожи с металлами.

Химическая связь очень прочная.

Применение: применяются в качестве источников водорода особой чистоты (который используется в топливных элементах), также для удаления водорода из газовых смесей.

Получение: реакция металла с водородом при обычной температуре или при нагревании: Ti + H2 = (150-200°С) TiH2.

При взаи­мо­дей­ст­вии H2 с ин­тер­ме­тал­лическими со­еди­не­ния­ми, такими как TiFe, LaNi5, мож­но по­лу­чить гидриды ин­тер­ме­тал­ли­дов TiFeH2, LaNi5H6, ко­то­рые с вы­со­кой ско­ро­стью об­ра­ти­мо по­гло­ща­ют во­до­род при ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии.

В прикрепленных таблицах указано содержание водорода, температура разложения, плотность и пр., что поможет в более глубоком понимании физических свойств водорода разных типов гидридов.

Особенности водородных соединений

Как и в любом разделе химии, водородные соединения имеют свои исключения. В их числе He, Ne, Ar, Kr, Pm, Os, Ir, Rn, Fr и Ra. Они не образуют бинарные соединения с водородом.

Информация, изложенная выше доказывает то, что химия интереснейший и увлекательный предмет, который стоит потраченного внимания и времени.