Химические свойства водорода и примеры уравнений реакции

Водород химия Химия

Химия — один из самых интересных предметов в школе, специализированное изучение которого начинают с 8 класса. Эта наука основывается на рассмотрении характеристик элементов, объединенных в периодической системе Д. И. Менделеева. Изучение химических свойств водорода является ключевой темой в химии, так как вещество является одним из самых распространенных в мире.

Элемент с характеристикой «самый»

Если обратиться к периодической системе Д. И. Менделеева, можно заметить, что элемент, который имеет первый порядковый номер в ней, называется водородом. Как известно, положение в этой таблице способно полностью предсказать особенности химического поведения. Касательно водорода следует отметить его важную особенность — он не является типичным металлом или неметаллом. Этот элемент обладает промежуточным значением электроотрицательности, которое позволяет ему проявлять в реакциях с другими веществами как окислительные, так и восстановительные свойства.

Атомное строение

Водород — самый легкий самый маленький по размерам элемент. Он состоит из минимального набора протонов и электронов.

Химические свойства водорода

Всего одной положительно заряженной частицы (протон) и одной отрицательной (электрон) достаточно для формирования этого атома. Его атомная единица массы (а.е.м.) равна 1. Вокруг ядра-протона вращается всего один-единственный электрон, занимающий энергетический уровень 1s. Научное название этого элемента протий, хотя оно редко используется.

Простое атомное строение позволило Шредингеру в первой половине XX века точно решить уравнение квантовой механики для водорода, что обусловило сильный толчок для развития квантово-механических представлений о строении вещества.

Протий не является единственным водородом, хотя 99,98% всех его атомов относятся именно к этому изотопу. Существуют список некоторых других:

  1. Дейтерий H2. Он составляет 0,0184% всех водородных атомов и состоит из ядра, содержащего один протон и один нейтрон. Масса дейтерия приблизительно в 2 раза больше, чем протия, поэтому вода, образованная на его основе, называется тяжелой. Дейтерий —стабильный изотоп, который не претерпевает никаких радиоактивных распадов.
  2. Тритий H3. Это еще один водород, ядро которого содержит протон и 2 нейтрона. Он не является стабильным. В течение 12,33 лет ровно половина ядер трития испытывает бета-распад, который сопровождается излучением электронов и образованием катионов гелия.
  3. H4 и H7 — синтетически полученные сверхнестабильные изотопы водорода, содержащие больше 2 нейтронов в своих ядрах.

Распространение в природе

Водород — это самый распространенный элемент во Вселенной. По общим оценкам ученых, 75% всей массы вещества и 90% всех атомов образованы именно им. За пределами Земли в космических просторах он существует в следующих формах:

С чем реагирует водород

  1. В виде плазмы. Смесь протонов и несвязанных с ними электронов является типичным веществом, образующим звезды. Ядерные реакции между протонами приводят к образованию гелия и сопровождаются выделением огромного количества энергии в виде электромагнитного излучения в широком спектре длин волн. Эта плазма является практически идеальным проводником электричества.
  2. В атомарной форме. Атомы протия H1 являются очень активными с химической точки зрения. Тем не менее их можно встретить в чистом виде в холодном межзвездном пространстве.
  3. В молекулярной форме. Два атома H1 легко образуют молекулу H2. Эта реакция является энергетически выгодной. Образующийся при этом газ не имеет запаха и цвета. Является очень легким и взрывоопасным в присутствии кислорода. Молекул H2 в газообразной и жидкой форме присутствует в большом количестве на различных планетах. В Солнечной системе к ним относятся газовые гиганты Юпитер и Сатурн.
  4. В виде соединений. Например, с кислородом получается вода, с углеродом образуется целый ряд алканов, алкенов и алкинов. С элементами и их группами, обладающими большой электроотрицательностью, водород образует кислоты.

На планете водород в молекулярном виде очень тяжело обнаружить. Он имеется в незначительных количествах. Зато в форме соединений находится практически везде.

С чем реагирует водород

Достаточно вспомнить следующие вещества, чтобы убедиться в его распространенности и важности для протекания различных процессов, которые связаны с жизнедеятельностью:

  • вода H2O;
  • органические вещества — соединения водорода с углеродом (белки, углеводы, жиры);
  • любые кислоты (HCl, HF, H2SO4, HNO3 и др.);
  • гидриды металлов, которые могут действовать, как упрочняющие фазы в сплавах, а также как фактор, обуславливающий их охрупчивание.

Получение газообразного H2

Водород используется во многих химических реакциях главным образом для получения кислот. В последнее время его научились хранить в чистом виде и применять в качестве биологически чистого топлива, являющегося хорошей альтернативой бензину.

Получение водорода возможно благодаря использованию различных физико-химических методов. Наиболее распространенными являются:

Водород химические свойства

  1. Водяной пар с раскаленными железными опилками. В этом случае происходит набор химических превращений, сопровождаемых усиливающимся окислением железа до различных оксидов. В качестве примера можно привести реакцию: 3*H2O + 2*Fe = Fe2O3 + 3*H2. Указанный простой метод получения водорода использовал французский химик Антуан Лавуазье в конце XVIII века.
  2. Взаимодействие алюминия с водными растворами щелочей. В этом случае происходит окисление металла и восстановление катионов водорода до их молекулярного состояния: 2*Al + 6*H2O + 2*OH- = 2*Al (OH)4- + 3*H2.
  3. Электролиз воды. Это один из простых и эффективных способов получения газообразного водорода. Он заключается в пропускании электрического тока низкого напряжения через толщу воды. В результате электролиза кислород выделяется на аноде, а водород на катоде. Последний обычно изготавливают из инертного материала (платина или графит). КПД этого метода получения H2 лежит в пределах 80−94%.
  4. С использованием углеводородов. Здесь существует 2 разных метода. Первый заключается в использовании метана и водяного пара, которые смешиваются друг с другом при высокой температуре (700−1100 C): CH4 + H2O = CO + 3*H2. Второй метод — пиролиз метана: CH4 = C + 2*H2.

Химические свойства

Химические свойства водорода

Элемент может взаимодействовать с большим количеством различных веществ благодаря своей двойственной природе. Чаще всего водород проявляет восстановительные свойства с неметаллами и окислительные с металлами.

Здесь необходимо пояснить. Если атом H присоединяет к себе лишний электрон, он восстанавливается, проявляя при этом свойства окислителя другого элемента, поэтому сама реакция будет окислительной. Наоборот, если атом H отдает электрон, сам он окисляется, восстанавливая при этом элемент, с которым вступает в химическую реакцию, поэтому она будет называться восстановительной.

Реакции восстановления

Самой известной из реакций восстановления с участием водорода является его горение в присутствии кислорода: 2*H2 + O2 = 2*H2O.

Эта реакция является экзотермической, сопровождается выделением большого количества теплоты. В настоящее время разрабатывают технологии, в которых ее можно будет использовать в качестве альтернативы традиционным видам топлива в двигателях внутреннего сгорания. Кислородное окисление водорода сопровождается возникновением неконтролируемого пламени, которое быстро устремляется вверх с образованием водяного пара. По этой причине в 1937 году взорвался наполненный газом дирижабль «Гинденбург».

С чем реагирует водород

Водород охотно вступает в реакцию с галогенами, например, с хлором и фтором он образует соответствующие сильные кислоты соляную и плавиковую:

  • H2 + Cl2 = 2*HCl;
  • H2 + F2 = 2*HF.

С азотом водород образует аммиак NH3, а с углеродом целый ряд алканов, который начинается с метана CH4 (природный газ). С серой получается сероводород H2S, известный своим неприятным запахом тухлых яиц.

Окисление металлов

Атомы металлов, которые находятся в I-й и II-й группах таблицы Д. И. Менделеева на внешних энергетических уровнях содержат по одному или двум электронам, которые слабо связаны с ядрами. У атома H тоже 1 электрон на внешнем уровне, но из-за близости к атомному ядру он связан с ним сильнее, чем в атомах металлов, поэтому реакции водород-металл сопровождаются восстановлением первого и окислением последнего.

Ярким примером взаимодействия катиона водорода с металлом является реакция: Zn + 2H+ = Zn2+ + H2.

Водород реагирует с

Здесь катионы H+ могут существовать, например, в кислотах. В результате реакции происходит их восстановление до молекулярного газообразного водорода.

Поскольку атомы H и молекулы H2 имеют маленькие геометрические размеры, они способны легко проникать в кристаллические структуры любых металлов. При определенных условиях (высокие температуры, наличие катализаторов) происходит взаимодействие металла с водородом, приводящее к образованию гидридов: Fe + 2*H2 = FeH4.

Обычно гидриды являются достаточно прочными соединениями, которые внутри кристаллической структуры металла создают механическую напряженность, ухудшая при этом свойства материала (увеличивается его хрупкость).

Таким образом, H является чрезвычайно активным элементом. Окислительные и восстановительные свойства водорода проявляются в зависимости от величины электроотрицательности вещества, с которым он вступает в химическую реакцию.

Оцените статью
Na5.club
Добавить комментарий

Adblock
detector