Материал: Лидин Р. А., Молочко В. А. Химия для абитуриентов. От средней школы к вузу

/

+ |4 Н20,Н+(Н3-0+), ОН ,НС1,Н2$, МаН$,МН3,ЫН4С1,Ма0Н,Н2$04, А1(ОН)3,Ма3Р04, МаНС03,А1$04(0Н),МдС1(0Н)

0 - Н2,Н° 1 - ИаН, СаН2, А1Н3 ,$|Н4

Рис. Г2. Шкала степеней окисления водорода

По той же причине свободный катион водорода не существует в водном растворе, он соединяется, с одной молекулой воды и образует катион оксония НэО +, где все

практически не растворяется в воде.

По химическим свойствам водород Н2 может проявлять в одних условиях восстановительные свойства (чаще), в дру­ гих-окислительные свойства (реже):

При соответствующих условиях он активно реагирует со многими металлами, неметаллами, оксидами и др., напри­ мер:

При этом образуются либо"легколетучие (а часто при обыч­ ных условиях-газообразные) ковалентные соединения водо­ рода (Н20 , Н28, а также НС1, >Ш3, 81Н4 и др.), либо-твер­ дые ионные гидриды (СаН2).

В промышленности водород получают электролизом во­ ды (точнее-водных растворов инертных электролитов-кис­ лот, щелочей и солей):

электролиз 2Н20 ------------- ►2Н2 (катод) + 0 2 (анод),

электролизом хлорида натрия (см. разд. 12) и восстанов­ лением водяного пара раскаленным коксом:

ПгП(Г) + С (кокс) ч—<- Н2(г) + СО(г).

110

В лаборатории водород долучают взаимодействием бо- _ лее активных; чем он сам, восстановителей с кислотаминеокислителями или с водой (в щелочной среде), например: >

В этих реакциях водород вначале появляется в атомар­ ном виде Н° (водород т х(аШ пазсепсИ, л ат -в момент возникновения), а затем уже соединяется в молекулы (2Н° = = Н2|). Атомарный водород Н°-рчень сильный восста­ новитель; так, если в подкисленный раствор КМ п04 внести гранулы цинка, то 2п восстанавливает водород до состояния Н°, а последний-перманганат калия (й почти все другие окислители):

10Н° + ЗН2804 (разб.) + 2КМпО^ = 2Мп804 + 8Н20 + К2804.

Водород обладает способностью проникать во многие металлы (особенно хорошо в палладий, платину и никель); в них водород находится также в атомном состоянии.

Водород широко применяют при получении аммиака, хлороводорода, металлов* метанола, твердых жиров и дру­ гих технически важных продуктов.

На Земле водород-девятый по распространенности элемент, он встречается главным образом в связанном виде (вода, живые орга­ низмы, нефть, уголь, минералы), массовая доля водорода равна 0,9%. Водород-наиболее распространенный элемент космоса, в со­ став космической материи входит 63% Н, 36% Не и 1% остальных элементов. _ ‘ ,

Вода. В природе наиболее распространенным соедине­ нием водорода является вода Н20 . При обычных условиях полярные молекулы воды образуют между собой водород­ ные связи, при 20°С возникают ассоциаты (Н20)4 . Это обусловливает аномалию температур плавления и кипения воды (ош/значительно выше, чем у ее химических аналогов­ ы е , Н28е и Н2Те).

Чистая вода не имеет цвета, вкуса и запаха, толстые слои воды (более 5 м) имеют голубую окраску. Вода кипит при 100йС, а затвердевает в лед при 0°С, что сопровождается увеличением объема на 9%, т.е. лед легче "жидкой воды , (вторая аномалия воды). Наибольшую плотность (р =

111

НэО + + ОН “ ); электропроводность чистой (дистилли­ рованной) воды весьма мала.

По химическим свойствам вода-достаточно активное вещество; в подходящих условиях она реагирует со многими металлами и неметаллами, основными и кислотными ок­ сидами, например:

Благодаря полярности молекул воды в ней растворяются и диссоциируют многие ионные и ковалентные вещества типа оснований, кислот и солей, большинство солей всту­ пают с водой в реакции обратимого гидролиза. Вода как растворитель способствует протеканию огромного числа обменных и окислительно-восстановительных реакций меж­ ду веществами. Со многими безводными солями вода обра­ зует кристаллогидраты; один из методов обнаружения воды основан на переходе во влажной атмосфере белого сульфата меди(П) Си8<Э4 в голубой медный купорос Си804• 5Н20 . ^

Известна изотопная разновидность воща- тяжелая вода И20 ; в природных водах массовое-отношение 0 20 :Н 20 = = 1:6000. Константы 0 20 отличаются от таковых для обыч­ ной воды: 1^ = 3,8°С, гкип = 101,4°С, р = 1,105 г/мл. Раство­ римость большинства веществ в тяжелой воде значительно меньше, чем в обычной воде. Тяжелая вода ядовита, так как замедляет биологические процессы в живых организмах.

Тяжелая вода накапливается в остатке электролита при многоразовом электролизе воды. Используется как тепло­ носитель и. замедлитель нейтронов в ядерных реакторах.

Упражнения

1 1 .1 . Объясните с точки зрения теории химической связи, почему существует молекула Н2, но не образуется: а) молекула Н3;. б) молекула Не2. Существуют ли частицы Н2 и Н2+ ?

11.2. Расположите соединения в рядах: а) НВг, НР, Н1, НС1; б) Н28е, Н28, Н20, Н2Те; в) Н20, СН4, НР, 1ЧН3 в порядке увеличения полярности связи.

112

11.3.Приведите примеры сходства химических свойств водо­ рода со щелочными металлами и галогенами.

11.4.Приведите состав ядер протия, дейтерия, трития. Составь­ те электронные формулы молекул 0 2 и Т2.

11.5. Составьте электронные формулы молекул И20 и . Укажите степени окисления элементов и геометрическую форму молекул. Составьте формулы веществ: хлорид дейтерия, сульфат дейтерия, дейтерид лития, оксид трития.

'11.6. Из приведенных формул выберите те, которые отвечают гидридам (Н-Т): СН4, 8пН4, ИН3, ИаН, НВг, В2Н6, А1Н3, Н28, Н1М3, Н20 2, ТШ2, Н20, НР. Сделанный выбор мотивируйте.

11.7.Какие химические функции может выполнять: а) молекула Н2; б) ион Н+; в) ион Н“. Ответ подтвердите примерами.

11.8.Подберите коэффициенты^ уравнениях реакций:

11.9. Составьте уравнения реакций получения водорода:

11.10.Определите (устно) относительную плотность (по во­ дороду) смеси Н2 4- Не, содержащей 50% (по объему) гелия. Ответ: 1,5.

11.11.Закончите уравнения реакций и подберите коэффициенты

методом электронного баланса:

11.12. Установите (устно), в каком случае выделяется больше водорода-при взаимодействии 12,3т, цинка с хлороводородной кислотой или с водой в щелочной среде?

11.13. При электролизе-воды на аноде получено 8,4 л 0 2 (при н. у.). Определите (устно) объем выделившегося на катоде водорода. Ответ: 16,8 л.

11.14. Водород на Земле встречается в химически связанном виде. Перечислите 4-5 примеров распространенных в природе вод<5- родсодержащих веществ.

^ 11.15. Определите (устно), у какого иона (Н+ или ОН- ) в чистой воде больше: а) молярная концентрация; б) массовая доля.

113

12. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГАЛОГЕНОВ. ХЛОР

Галогены-элементы УНА-группы Периодической системы. Об­ щая электронная формула, характерные степени окисления и элект­ роотрицательность элементов. Простые вещества, их окислительная способность. Получение галогенов в свободном виде. Применение

. галогенов.

Водородные соединения галогенов. Химические свойства и по­ лучение галогеноводородов. Ионные и ковалентные галогениды, их гидролиз.

Кйслородные соединения галогенов. Их свойства и получение. Фторид кислорода.

Хлор. Простое вещество, строение молекулы. Окислительные \ свойства. Взаимодействие хлора с водородом, металлами, неме­ таллами, водой, щелочами в водном растворе. Получение хлора

в промышленности и в лаборатории. Применение и распространение

*в природе.

в состоянии *Р-1. Остальные галогены-хлор и его более' тяжелые аналоги проявляют в соединениях степени окис­ ления от (—1) до (+УП).

Все галогены в свободном виде построены из двухатом­ ных молекул (Р2, С12, Вг2, 12) и являются типичными неметаллическими простыми веществами. Из них Р2 и С12газы, Вг2 -жидкость, 12 (и А12)- твердые вещества. Окисли­ тельная способность простых веществ уменьшается от фтора *■ к иоду; Р2-один из самых сильных окислителей, например, он окисляет даже О”11:.

2Р2 + 2КОН (разб.) = ОР2 + 2КР Ч Н20.

^Соединение ОР2-это не оксид, а фторид: 0 +пР г1-дифторид кислорода.

По той же причине получение Р2 из фторйдов (т.е.

114