Лекция № 1. Водород

Водород расположен в первом периоде периодической системы химических элементов (элемент № 1). Атом водорода содержит на внешнем энергетическом уровне один электрон (1s¹) и является электронным аналогом щелочных металлов. В то же время, до завершения валентного уровня атому водорода недостает одного электрона, что роднит его с галогенами. По этой причине водород часто помещают как в первую, так и в седьмую группу периодической системы.

Водород представлен в природе тремя изотопами: протий ¹H, дейтерий ²H (D), тритий ³H (T). Протий и дейтерий стабильные изотопы (содержание дейтерия в природном водороде составляет 0,015%). Тритий радиоактивен (период полураспада 12,26 года), образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей и содержится в природном водороде в исчезающе малом количестве. Водород, наряду с гелием, самый распространенный элемент Вселенной, он составляет до половины массы звезд и основную массу межзвездной материи. Содержание водорода в земной коре (кларк) составляет 3 мол.%. Водород - элемент-органоген и входит в состав органических соединений.

Простое вещество водород - H₂ - бесцветный газ, не имеющий вкуса и запаха, не обладающий физиологическим действием, т.пл. -259,2 С (14 К), т.кип. -252,8 С (20 К). Водород - самый легкий из газов (в 14,5 раз легче воздуха), с высокой скоростью диффузии, легко проникающий через разнообразные перегородки. Плохо растворим в воде, но хорошо растворим в некоторых металлах (Ni, Pt, Pd).

Получение водорода. В промышленности водород получают конверсией метана или угля водяным паром, а также неполным окислением метана:

t t

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂; C + H₂O = CO + H₂;

t

2CH₄ + O₂ = 2CO + 4H₂

Лабораторные методы получения водорода:

1. Действие кислот на металлы (обычно действуют на цинк соляной кислотой в аппарате Киппа).

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂

2. Действие щелочей на алюминий.

2Al + 6KOH + 6H₂O = 2K₃[Al(OH)₆] + 3H₂

3. Электролиз водных растворов щелочей на никелевых электродах.

эл.ток

2H₂O = 2H₂ + O₂

4. Взаимодействие гидрида кальция с водой.

CaH₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + 2H₂

Химические свойства. Особенности строения электронной оболочки атома водорода обуславливают его способность к присоединению одного электрона. Поэтому водород может выступать как окислитель, образуя соединения в степени окисления -1. В то же время невысокая электроотрицательность водорода (2,2 по Л. Полингу) способствует потере одного электрона и образованию соединений в степени окисления +1.

+e^- -e^-

H^-  H  H⁺

Довольно высокая энергия диссоциации молекулы Н₂ (435 кДж/моль) обуславливает инертность водорода в обычных условиях. При комнатной температуре водород реагирует только со фтором:

H₂ + F₂ = 2HF

При нагревании водород реагирует со многими неметаллами (Cl₂, Br₂, O₂, N₂, S, C), проявляя при этом свойства восстановителя. Взаимодействие с хлором и кислородом инициируется ультрафиолетовым облучением и протекает по радикальному механизму. При этом реакция с хлором протекает по неразветвленному цепному механизму и включает ряд стадий:

1. Инициация цепи

(фотохимическая диссоциация): Cl₂ + h  2Cl·

2. Рост (развитие) цепи: Cl· + H₂  HCl + ·H;

H· + Cl₂  HCl + ·Cl

3. Обрыв цепи: H· + ·Cl  HCl

Реакция водорода с кислородом идет по механизму цепной разветвленной реакции, включая следующие стадии:

1. Инициация цепи: H₂ + O₂  ·OH + HO·

2. Рост цепи: HO· + H₂  H₂O + H·

3. Разветвление цепи: H· + O₂  ·OH + ·O·;

·O· + H₂  ·OH + ·H

4. Обрыв цепи: HO· + ·H  H₂O

При нагревании водород реагирует со щелочными и щелочноземельными металлами, образуя соответствующие гидриды - бинарные соединения водорода в степени окисления -1.

t

2Na + H₂ = 2NaH^-1

гидрид натрия

При повышенных температурах водород восстанавливает металлы из их оксидов и галогенидов:

t t

CuO + H₂ = Cu + H₂O; CuCl₂ + H₂ = Cu + 2HCl

Восстановительные свойства водород способен проявлять также и по отношению к оксидам неметаллов и органическим соединениям, например:

t

N₂O + H₂ = N₂ + H₂O

нитробензол анилин

Большое значение для синтеза органических соединений имеет реакция каталитического присоединения водорода по кратным связям углерод - углерод (гидрогенизация или гидрирование):

t

C₂H₄ + H₂  C₂H₆

Pd