Хімія органіка. Водень. Фізичні та хімічні властивості, одержання Рівняння реакції водню з киснем

Загальна і неорганічна хімія

Лекція 6. Водень і кисень. Вода. Перекис водню.

водень

Атом водню - найпростіший об'єкт хімії. Строго кажучи, його іон - протон - ще простіше. Вперше описаний в 1766 р Кавендишем. Назва від грец. "Hydro genes" - породжує воду.

Радіус атома водню приблизно 0,5 * 10-10 м, а його іона (протона) - 1,2 * 10-15 м. Або ж від 50 пм до 1,2 * 10-3 пм або від 50 метрів (діагональ СХА ) до 1 мм.

Наступний 1s елемент - літій змінюється тільки від 155 пм до 68 пм у Li +. Така різниця в розмірах атома і його катіона (5 порядків) унікальна.

Завдяки малому розміру протона здійснюється обмінна воднева зв'язок, Перш за все між атомами кисню, азоту та фтору. Міцність водневих зв'язків становить 10-40 кДж / моль, що значно менше енергії розриву більшості звичайних зв'язків (100-150 кДж / моль в органічних молекулах), але більше середньої кінетичної енергії теплового руху при 370 С (4 кДж / моль). В результаті в живому організмі водневі зв'язку оборотно розриваються, забезпечуючи протікання процесів життєдіяльності.

Водень плавиться при 14 К, кипить при 20,3 К (тиск 1 атм), щільність рідкого водню всього 71 г / л (в 14 разів легші за воду).

У розрідженому міжзоряному середовищі виявлені збуджені атоми водню з переходами аж до n 733 → 732 з довжиною хвилі 18 м, що відповідає Боровському радіусу (r \u003d n2 * 0,5 * 10-10 м) близько 0,1 мм (!).

Найпоширеніший елемент у космосі (88,6% атомів, 11,3% атомів припадає на гелій, і тільки 0,1% - атоми всіх інших елементів).

4 H → 4 He + 26,7 МеВ 1 еВ \u003d 96,48 кДж / моль

Оскільки протони мають спін 1/2, існують три варіанти молекул водню:

ортоводорода о-Н2 з паралельними ядерними спинами, параводорода п-Н2 з антипаралельнимиспинами і нормальний н-Н2 - суміш 75% орто-водню і 25% пара-водню. При перетворенні о-Н2 → п-Н2 виділяється 1418 Дж / моль.

Властивості орто- і параводорода

Так як атомна маса водню - мінімально можлива, його ізотопи - дейтерій D (2 H) і тритій T (3 H) істотно відрізняються від протію 1 Н по фізичних і хімічних властивостях. Наприклад, заміна одного з відрядив в органічному поєднанні на дейтерій помітно позначається на його коливальному (інфрачервоному) діапазоні, що дозволяє встановлювати структуру складних молекул. Такі заміни ( "метод мічених атомів") використовують також для встановлення механізмів складних

хімічних і біохімічних процесів. Особливо чутливий метод мічених атомів при використанні замість протію радіоактивного тритію (β розпад, період напіврозпаду 12,5 років).

Властивості протію і дейтерію

		Щільно., Г / л (20 К)



основний метод отримання воднюв промисловості - конверсія метану
або гідратація вугілля при 800-11000 С (каталізатор):
CH4 + H2 O \u003d CO + 3 H2	вище 10000 С
«Водяний газ»: C + H2 O \u003d CO + H2	вище 10000 С
Потім конверсія CO: CO + H2 O \u003d CO2 + H2			4000 C, оксиди кобальту

Сумарно: C + 2 H2 O \u003d CO2 + 2 H2

Інші джерела водню.

Коксовий газ: близько 55% водню, 25% метану, до 2% важких вуглеводнів, 4-6% СО, 2% СО2, 10-12% азоту.

Водень, як продукт горіння:

Si + Ca (OH) 2 + 2 NaOH \u003d Na2 SiO3 + CaO + 2 H2

На 1 кг піротехнічної суміші виділяється до 370 л водню.

Водень у вигляді простого речовини застосовують для виробництва аміаку і гідрування (затвердіння) рослинних жирів, для відновлення з оксидів деяких металів (молібден, вольфрам), для отримання гідридів (LiH, CaH2,

LiAlH4).

Ентальпія реакції: H. + H. \u003d H2 становить -436 кДж / моль, тому атомарний водень використовується для отримання високотемпературного відновного «полум'я» ( «пальник Ленгмюра»). Струмінь водню в електричній дузі атомизируется при 35000 С на 30%, потім при рекомбінації атомів вдається досягти 50000 С.

Зріджений водень використовується як паливо в ракетах (див. Кисень). Перспективний екологічно чисте паливо для наземного транспорту; йдуть експерименти по використанню металгідридних акумуляторів водню. Наприклад, сплав LaNi5 може поглинути в 1,5-2 рази більше водню, ніж його міститься в такому ж обсязі (як обсяг сплаву) рідкого водню.

кисень

Відповідно до загальноприйнятих зараз даними, кисень відкритий в 1774 р Дж. Прістлі і незалежно К. Шеєле. Історія відкриття кисню - хороший приклад впливу парадигм на розвиток науки (див. Додаток 1).

Мабуть, насправді кисень був відкритий набагато раніше офіційної дати. У 1620 р будь-який бажаючий міг покататися по Темзі (в Темзі) на підводному човні конструкції Корнеліуса ван Дреббеля. Човен рухалася під водою завдяки зусиллям дюжини веслярів. За свідченнями численних очевидців, винахідник підводного човна успішно вирішив проблему дихання, "освіжаючи" повітря в ній хімічним способом. Роберт Бойль писав 1661 р: "... Крім механічної конструкції човна, у винахідника був хімічний розчин (liquor), який він

вважав головним секретом підводного плавання. І коли час від часу він переконувався в тому, що придатна для дихання частина повітря вже витрачена і ускладнювала дихання знаходяться в човні людей, він міг, розкупорили наповнений цим розчином посудину, швидко заповнити повітря таким змістом життєвих частин, які зробили б його знову придатним для дихання на досить тривалий час ".

Здорова людина в спокійному стані за добу прокачує через свої легені близько 7200 л повітря, забираючи безповоротно 720 л кисню. У закритому приміщенні об'ємом 6 м3 людина може протриматися без вентиляції до 12 годин, а при фізичній роботі 3-4 години. Основна причина утруднення дихання - не недолік кисню, а накопичення вуглекислого газуз 0,3 до 2,5%.

Довгий час основним методом отримання кисню був "барієвий" цикл (отримання кисню за методом Бріна):

BaSO4 -t- → BaO + SO3;

5000 C -\u003e

BaO + 0,5 O2 \u003d\u003d\u003d\u003d\u003d\u003d BaO2<- 7000 C

Секретний розчин Дреббеля міг бути розчином пероксиду водню: BaO2 + H2 SO4 \u003d BaSO4 ↓ + H2 O2

Отримання кисню при горінні піросмесі: NaClO3 \u003d NaCl + 1,5 O2 + 50,5 кДж

В суміші до 80% NaClO3, до 10% залізного порошку, 4% перекису барію і скловата.

Молекула кисню Парамагнітна (практично - бірадікал), тому висока її активність. Органічні речовини на повітрі окислюються через стадію утворення пероксидів.

Кисень плавиться при 54,8 К, кипить при 90,2 К.

Алотропна модифікація елемента кисню - речовина озон O3. Надзвичайно важлива біологічна озонова захист Землі. На висоті 20-25 км встановлюється рівновага:

УФ<280 нм		УФ 280-320нм
O2 ----\u003e 2 O *	O * + O2 + M -\u003e O3	O3 -------	\u003e O2 + O
	(M - N2, Ar)

У 1974 р виявлено, що атомарний хлор, який утворюється з фреонів на висоті більше 25 км, каталізує розпад озону, як би замінюючи "озоновий" ультрафіолет. Цей УФ здатний викликати рак шкіри (в США в рік до 600 тис. Випадків). Заборона на фреони в аерозольних балонах діє в США з 1978 р

З 1990 р в список заборонених речовин (в 92 країнах) включені CH3 CCl3, CCl4, хлорбромуглеводороди - їх виробництво згортається до 2000 г.

Горіння водню в кисні

Реакція дуже складна (схема в лекції 3), тому до початку практичного застосування потрібно тривалий вивчення.

21 липня 1969 року перший землянин - Н.Армстронг пройшовся по Місяцю. Ракетаносітель "Сатурн-5" (конструктор - Вернер фон Браун) складається з трьох ступенів. У першій гас і кисень, у другій і третій - рідкі водень і кисень. Всього 468 т рідких O2 і H2. Вироблено 13 успішних запусків.

З квітня 1981 в США здійснює польоти "Спейс шаттл": 713 т рідких O2 і H2, а також два твердопаливних прискорювача по 590 т (сумарна маса твердого палива 987 т). Перші 40 км підйом на ТТУ, від 40 до 113 км працюють двигуни на водні та кисні.

15 травня 1987 року перший старт "Енергії", 15 листопада 1988 року перший і єдиний політ "Бурана". Стартова маса 2400 т., Маса палива (гасу в

бічних відсіках, рідких O2 і H2) 2000 т. Потужність двигунів 125000 МВт, корисний вантаж 105 т.

Не завжди горіння було керованим і вдалим.

У 1936 р був побудований найбільший в світі водневий дирижабль LZ-129 "Гінденбург". Обсяг 200000 м3, довжина близько 250 м, діаметр 41,2 м. Швидкість 135 км / год завдяки 4 двигунів по 1100 к.с., корисне навантаження 88 т. Дирижабль здійснив 37 рейсів через Атлантику і перевіз понад 3 тис. Пасажирів.

6 травня 1937 р при причалювання в США дирижабль вибухнув і згорів. Одна з можливих причин - диверсія.

28 січня 1986 року на 74-й секунді польоту вибухнув "Челленджер" з сімома астронавтами - 25-й рейс системи "Шаттл". Причина - дефект твердопаливного прискорювача.

демонстрація:

вибух гримучого газу (суміші водню з киснем)

паливні елементи

Технічно важливий варіант цієї реакції горіння - поділ процесу на два:

електроокислення водню (анод): 2 H2 + 4 OH- - 4 e- \u003d 4 H2 O

електровідновлення кисню (катод): O2 + 2 H2 O + 4 e- \u003d 4 OH-

Система, в якій здійснюється таке "горіння" - паливний елемент. ККД набагато вище, ніж у теплових електростанцій, оскільки відсутній

спеціальна стадія генерації теплоти. Максимальний ККД \u003d Δ G / Δ H; для горіння водню виходить 94%.

Ефект відомий з 1839 р, але перші практично працюють ТЕ реалізовані

в кінці XX століття в космосі ( "Джеміні", "Аполлон", "Шаттл" - США, "Буран" - СРСР).

Перспективи паливних елементів [17]

Представник фірми Ballard Power Systems, виступаючи на науковій конференції у Вашингтоні, підкреслив, що комерційно виправданим двигун на паливних елементах стане, коли він буде відповідати чотирьом основним критеріям: зниження вартості виробленої енергії, підвищення довговічності, зменшення розмірів установки і можливості швидкого запуску в холодну погоду . Вартість одного кіловата енергії, виробленого установкою на паливних елементах, повинна знизитися до 30 доларів США. Для порівняння, в 2004 році аналогічний показник становив 103 доларів, а в 2005 очікується на рівні 80 доларів. Для досягнення даної ціни необхідно випускати не менше 500 тисяч двигунів на рік. Європейські вчені більш обережні в прогнозах і вважають, що комерційне використання паливних водневих елементів в автопромисловості почнеться не раніше 2020 року.

10.1.Водород

Назва "водень" відноситься і до хімічного елементу, і до простого речовини. елемент водень складається з атомів водню. проста речовина воденьскладається з молекул водню.

а) Хімічний елемент водень

У природному ряду елементів порядковий номер водню - 1. В системі елементів водень знаходиться в першому періоді в IA або VIIA групі.

Водень - один з найпоширеніших елементів на Землі. Молярна частка атомів водню в атмосфері, гідросфері і літосфері Землі (всі разом це називається земною корою) дорівнює 0,17. Він входить до складу води, багатьох мінералів, нафти, природного газу, рослин і тварин. У тілі людини в середньому міститься близько 7 кілограмів водню.

Існують три ізотопи водню:
а) легкий водень - протий,
б) важкий водень - дейтерій (D),
в) надважкий водень - тритій (Т).

Тритій нестійкий (радіоактивний) ізотоп, тому в природі він практично не зустрічається. Дейтерій стійкий, але його дуже мало: w D \u003d 0,015% (від маси всієї земної водню). Тому атомна маса водню дуже мало відрізняється від 1 Дн (1,00794 Дн).

б) Атом водню

З попередніх розділів курсу хімії вам вже відомі такі характеристики атома водню:

Валентні можливості атома водню визначаються наявністю одного електрона на єдиною валентної орбіталі. Велика енергія іонізації робить атом водню несхильним до віддачі електрона, а не занадто висока спорідненість до електрона приводить до незначної схильності його приймати. Отже, в хімічних системах освіту катіона Н неможливо, а з'єднання з аніоном Н не надто стійкі. Таким чином, для атома водню найбільш характерно освіту з іншими атомами ковалентного зв'язку за рахунок свого одного неспареного електрона. І в разі утворення аніону, і в разі утворення ковалентного зв'язку атом водню одновалентен.
У простому речовині ступінь окислення атомів водню дорівнює нулю, в більшості з'єднань водень виявляє ступінь окислення + I, і тільки в гидридах найменш електронегативних елементів у водню ступінь окислення -I.
Відомості про валентні можливості атома водню наведені в таблиці 28. валентність стан атома водню, пов'язаного однією ковалентним зв'язком з будь-яким атомом, в таблиці позначено символом "H-".

Таблиця 28.Валентні можливості атома водню

валентний стан		Приклади хімічних речовин
	I 0 -I	HCl, H 2 O, H 2 S, NH 3, CH 4, C 2 H 6, NH 4 Cl, H 2 SO 4, NaHCO 3, KOH H 2 B 2 H 6, SiH 4, GeH 4
		NaH, KH, CaH 2, BaH 2

в) Молекула водню

Двохатомна молекула водню Н 2 утворюється при зв'язуванні атомів водню єдиною можливою для них ковалентним зв'язком. Зв'язок утворюється за обмінним механізмом. За способом перекривання електронних хмар це s-зв'язок (рис. 10.1 а). Так як атоми однакові, зв'язок неполярная.

Міжатомна відстань (точніше рівноважний міжатомна відстань, адже атоми-то коливаються) в молекулі водню r(H-H) \u003d 0,74 A (рис.10.1 в), Що значно менше суми орбітальних радіусів (1,06 A). Отже, електронні хмари пов'язують атомів перекриваються глибоко (рис. 10.1 б), І зв'язок в молекулі водню міцна. Про це ж говорить і досить велике значення енергії зв'язку (454 кДж / моль).
Якщо охарактеризувати форму молекули граничної поверхнею (аналогічної граничної поверхні електронного хмари), то можна сказати, що молекула водню має форму злегка деформованого (витягнутого) кулі (рис. 10.1 г).

г) Водень (речовина)

При звичайних умовах водень - газ без кольору і запаху. У невеликих кількостях він нетоксичний. Твердий водень плавиться при 14 К (-259 ° С), а рідкий водень кипить при 20 К (-253 ° С). Низькі температури плавлення і кипіння, дуже маленький температурний інтервал існування рідкого водню (всього 6 ° С), а також невеликі значення молярних теплот плавлення (0,117 кДж / моль) і пароутворення (0,903 кДж / моль) говорять про те, що міжмолекулярні зв'язки в водні дуже слабкі.
Щільність водню r (Н 2) \u003d (2 г / моль) :( 22,4 л / моль) \u003d 0,0893 г / л. Для порівняння: середня щільність повітря дорівнює 1,29 г / л. Тобто водень в 14,5 рази "легше" повітря. У воді він практично не розчиняється.
При кімнатній температурі водень малоактивний, але при нагріванні реагує з багатьма речовинами. У цих реакціях атоми водню можуть як підвищувати, так і знижувати свій ступінь окислення: Н 2 + 2 е - \u003d 2Н -I, Н 2 - 2 е - \u003d 2Н + I.
У першому випадку водень є окислювачем, наприклад, в реакціях з натрієм або з кальцієм: 2Na + H 2 \u003d 2NaH, ( t) Ca + H 2 \u003d CaH 2. ( t)
Але більш характерні для водню відновні властивості: O 2 + 2H 2 \u003d 2H 2 O, ( t)
CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O. ( t)
При нагріванні водень окислюється не тільки киснем, а й деякими іншими неметалами, наприклад, фтором, хлором, сіркою і навіть азотом.
У лабораторії водень отримують в результаті реакції

Zn + H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2.

Замість цинку можна використовувати залізо, алюміній і деякі інші метали, а замість сірчаної кислоти - деякі інші розбавлені кислоти. Утворений водень збирають в пробірку методом витіснення води (див. Рис. 10.2 б) Або просто в перевернуту колбу (рис. 10.2 а).

У промисловості в великих кількостях водень отримують з природного газу (в основному це метан) при взаємодії його з парами води при 800 ° С в присутності нікелевого каталізатора:

CH 4 + 2H 2 O \u003d 4H 2 + CO 2 ( t, Ni)

або обробляють при високій температурі парами води вугілля:

2H 2 O + С \u003d 2H 2 + CO 2. ( t)

Чистий водень отримують з води, розкладаючи її електричним струмом (піддаючи електролізу):

2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2 (електроліз).

д) З'єднання водню

Гідриди (бінарні сполуки, що містять водень) діляться на два основних типи:
а) леткі (Молекулярні) гідриди,
б) солеобразние (іонні) гідриди.
Елементи IVА - VIIA груп і бор утворюють молекулярні гідриди. З них стійкі тільки гідриди елементів, що утворюють неметали:

B 2 H 6; CH 4; NH 3; H 2 O; HF
SiH 4; PH 3; H 2 S; HCl
AsH 3; H 2 Se; HBr
H 2 Te; HI
За винятком води, всі ці сполуки при кімнатній температурі - газоподібні речовини, звідси їх назва - "летючі гідриди".
Деякі з елементів, що утворюють неметали, входять до складу і більш складних гідридів. Наприклад, вуглець утворює сполуки з загальними формулами C n H 2 n+2, C n H 2 n , C n H 2 n-2 і інші, де n може бути дуже велике (ці сполуки вивчає органічна хімія).
До іонним гідриду відносяться гідриди лужних, лужноземельних елементів і магнію. Кристали цих гідридів складаються з аніонів Н і катіонів металу в вищого ступеня окислення Ме або Ме 2 (в залежності від групи системи елементів).

LiH
NaH	MgH 2
KH	CaH 2
RbH	SrH 2
CsH	BaH 2

І іонні, і майже всі молекулярні гідриди (крім Н 2 О і НF) є відновниками, але іонні гідриди виявляють відновні властивості значно сильніше, ніж молекулярні.
Крім гідридів, водень входить до складу гідроксидів і деяких солей. З властивостями цих, більш складних, сполук водню ви познайомитеся в наступних розділах.
Головними споживачами одержуваного в промисловості водню є заводи з виробництва аміаку і азотних добрив, де аміак отримують безпосередньо з азоту і водню:

N 2 + 3H 2 2NH 3 ( Р, t, Pt - каталізатор).

У великих кількостях водень використовують для отримання метилового спирту (метанолу) по реакції 2Н 2 + СО \u003d СН 3 ОН ( t, ZnO - каталізатор), а також у виробництві хлороводню, який отримують безпосередньо з хлору і водню:

H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl.

Іноді водень використовують в металургії як відновник при отриманні чистих металів, наприклад: Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O.

1.Из яких частинок складаються ядра а) протію, б) дейтерію, в) тритію?
2.Сравніте енергію іонізації атома водню з енергією іонізації атомів інших елементів. До якого елементу по цій характеристиці водень найближче?
3.Проделайте той же для енергії спорідненості до електрону
4.Сравніте напрямок поляризації ковалентного зв'язку і ступінь окислення водню в сполуках: а) BeH 2, CH 4, NH 3, H 2 O, HF; б) CH 4, SiH 4, GeH 4.
5.Запішіте найпростішу, молекулярну, структурну і просторову формулу водню. Яка з них найчастіше використовується?
6.Часто кажуть: "Водень легше повітря". Що під цим мається на увазі? У яких випадках цей вислів можна розуміти буквально, а в яких-ні?
7.Составьте структурні формули гідридів калію і кальцію, а також аміаку, сірководню та бромоводорода.
8.Зная молярні теплоти плавлення і пароутворення водню, визначте значення відповідних питомих величин.
9.Для кожної з чотирьох реакцій, що ілюструють основні хімічні властивості водню, складіть електронний баланс. Відзначте окислювачі і відновники.
10.Определіть масу цинку, необхідного для отримання 4,48 л водню лабораторним способом.
11.Определіте масу і об'єм водню, який можна отримати з 30 м3 суміші метану і парів води, взятих в об'ємному відношенні 1: 2, при виході 80%.
12.Составьте рівняння реакцій, протекающіхпрі взаємодії водню а) зі фтором, б) з сіркою.
13.Пріведенние нижче схеми реакцій ілюструють основні хімічні властивості іонних гідридів:

а) MH + O 2 MOH ( t); б) MH + Cl 2 MCl + HCl ( t);
в) MH + H 2 O MOH + H 2; г) MH + HCl (p) MCl + H 2
Тут М - це літій, натрій, калій, рубідій або цезій. Складіть рівняння відповідних реакцій у разі, якщо М - натрій. Проілюструйте рівняннями реакцій хімічні властивості гідриду кальцію.
14.Іспользуя метод електронного балансу, складіть рівняння наступних реакцій, що ілюструють відновні властивості деяких молекулярних гідридів:
а) HI + Cl 2 HCl + I 2 ( t); б) NH 3 + O 2 H 2 O + N 2 ( t); в) CH 4 + O 2 H 2 O + CO 2 ( t).

10.2 Кисень

Як і в випадку водню, слово "кисень" є назвою і хімічного елемента, і простого речовини. Крім простого речовини " кисень "(Дікіслород) хімічний елемент кіслородобразует ще одне просте речовина, зване " озон "(Трікіслород). Це аллотропние модифікації кисню. Речовина кисень складається з молекул кисню O 2, а речовина озон складається з молекул озону O 3.

а) Хімічний елемент кисень

У природному ряду елементів порядковий номер кисню - 8. У системі елементів кисень знаходиться в другому періоді в VIA групі.
Кисень - найпоширеніший елемент на Землі. У земній корі кожен другий атом - атом кисню, тобто молярна частка кисню в атмосфері, гідросфері і літосфереЗемлі - близько 50%. Кисень (речовина) - складова частина повітря. Об'ємна частка кисню в повітрі -21%. Кисень (елемент) входить до складу води, багатьох мінералів, а також рослин і тварин. У тілі людини міститься в середньому 43 кг кисню.
Природний кисень складається з трьох ізотопів (16 О, 17 О і 18 О), з яких найбільш поширений найлегший ізотоп 16 О. Тому атомна маса кисню близька до 16 Дн (15,9994 Дн).

б) Атом кисню

Вам відомі такі характеристики атома кисню.

Таблиця 29. Валентні можливості атома кисню

валентний стан		Приклади хімічних речовин
		Al 2 O 3, Fe 2 O 3, Cr 2 O 3 *

	-II -I 0 + I + II	H 2 O, SO 2, SO 3, CO 2, SiO 2, H 2 SO 4, HNO 2, HClO 4, COCl 2, H 2 O 2 O 2 ** O 2 F 2 OF 2
		NaOH, KOH, Ca (OH) 2, Ba (OH) 2 Na 2 O 2, K 2 O 2, CaO 2, BaO 2
		Li 2 O, Na 2 O, MgO, CaO, BaO, FeO, La 2 O 3

* Ці оксиди можна розглядати і як іонні сполуки.
** Атоми кисню в молекулі не перебувають в даному валентних станів; це лише приклад речовини зі ступенем окислення атомів кисню, що дорівнює нулю
Велика енергія іонізації (як у водню) виключає утворення з атома кисню простого катіона. Спорідненість до електрона досить велика (майже в два рази більше, ніж у водню), що забезпечує більшу схильність атома кисню до приєднання електронів і здатність утворювати аніони Про 2A. Але спорідненість до електрона у атома кисню все ж менше, ніж у атомів галогенів і навіть інших елементів VIA групи. Тому аніони кисню ( оксид-іони) Існують тільки в з'єднаннях кисню з елементами, атоми яких дуже легко віддають електрони.
Обобществляя два неспарених електрона, атом кисню може утворити дві ковалентні зв'язку. Дві неподіленого пари електронів через неможливість порушення можуть вступати тільки в донорно-акцепторна взаємодія. Таким чином, без урахування кратності зв'язку та гібридизації атом кисню може перебувати в одному з п'яти валентних станів (табл. 29).
Найбільш характерно для атома кисню валентний стан з W к \u003d 2, тобто утворення двох ковалентних зв'язків за рахунок двох неспарених електронів.
Дуже висока електронегативність атома кисню (вище - лише у фтору) призводить до того, що в більшості своїх з'єднань кисень має ступінь окислення -II. Існують речовини, в яких кисень проявляє також інші значення ступеня окислення, деякі з них наведені в таблиці 29 в якості прикладів, а порівняльна стійкість показана на рис. 10.3.

в) Молекула кисню

Експериментально встановлено, що двухатомная молекула кисню О2 містить два неспарених електрона. Використовуючи метод валентних зв'язків, таке електронна будова цієї молекули пояснити неможливо. Проте, зв'язок в молекулі кисню близька за властивостями до ковалентного. Молекула кисню неполярна. Міжатомна відстань ( r o-o \u003d 1,21 A \u003d 121 нм) менше, ніж відстань між атомами, пов'язаними простий зв'язком. Молярна енергія зв'язку досить велика і становить 498 кДж / моль.

г) Кисень (речовина)

При звичайних умовах кисень - газ без кольору і запаху. Твердий кисень плавиться при 55 К (-218 ° С), а рідкий кисень кипить при 90 К (-183 ° С).
Міжмолекулярні зв'язки в твердому і рідкому кисні кілька міцніші, ніж у водні, про що свідчить більший температурний інтервал існування рідкого кисню (36 ° С) і великі, ніж у водню, молярні теплоти плавлення (0,446 кДж / моль) і пароутворення (6, 83 кДж / моль).
Кисень незначно розчинний у воді: при 0 ° С в 100 об'ємах води (рідкої!) Розчиняється всього 5 обсягів кисню (газу!).
Висока схильність атомів кисню до приєднання електронів і висока електронегативність призводять до того, що кисень проявляє тільки окисні властивості. Ці властивості особливо яскраво проявляються при високій температурі.
Кисень реагує з багатьма металами: 2Ca + O 2 \u003d 2CaO, 3Fe + 2O 2 \u003d Fe 3 O 4 ( t);
неметаллами: C + O 2 \u003d CO 2, P 4 + 5O 2 \u003d P 4 O 10,
і складними речовинами: CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O, 2H 2 S + 3O 2 \u003d 2H 2 O + 2SO 2.

Найчастіше в результаті таких реакцій виходять різні оксиди (див. Гл. II § 5), але активні лужні метали, наприклад натрій, згораючи, перетворюються в пероксиди:

2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2.

Структурна формула отриманого пероксиду натрію (Na) 2 (O-O).
Тліюча лучинка, вміщена в кисень, спалахує. Це зручний і простий спосіб виявлення чистого кисню.
У промисловості кисень одержують з повітря шляхом ректифікації (складної розгону), а в лабораторії - піддаючи термічного розкладання деякі кисень з'єднання, наприклад:
2KMnO 4 \u003d K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200 ° С);
2KClO 3 \u003d 2KCl + 3O 2 (150 ° С, MnO 2 - каталізатор);
2KNO 3 \u003d 2KNO 2 + 3O 2 (400 ° С)
і, крім того, шляхом каталітичного розкладання пероксиду водню при кімнатній температурі: 2H 2 O 2 \u003d 2H 2 O + O 2 (MnO 2 -каталізатори).
Чистий кисень використовують в промисловості для інтенсифікації тих процесів, в яких відбувається окислення, і для створення високотемпературного полум'я. У ракетній техніці в якості окислювача використовується рідкий кисень.
Величезне значення має кисень для підтримки життєдіяльності рослин, тварин і людини. У звичайних умовах людині досить для дихання кисню повітря. Але в умовах, коли повітря не вистачає, або він взагалі відсутній (в літаках, при водолазних роботах, в космічних кораблях і т. П.), Для дихання готують спеціальні газові суміші, Що містять кисень. Застосовують кисень і в медицині при захворюваннях, що викликають утруднення дихання.

д) Озон і його молекули

Озон O 3 - друга аллотропная модифікація кисню.
Трьохатомна молекула озону має кутикової структуру, середню між двома структурами, відображеними наступними формулами:

Озон - темно-синій газ з різким запахом. Через свою сильної окисної активності він отруйний. Озон в півтора рази "важче" кисню і дещо більше, ніж кисень, розчинний у воді.
Озон утворюється в атмосфері з кисню при грозових електричних розрядах:

3О 2 \u003d 2О 3 ().

При звичайній температурі озон повільно перетворюється в кисень, а при нагріванні цей процес протікає з вибухом.
Озон міститься в так званому "озоновому шарі" земної атмосфери, оберігаючи все живе на Землі від шкідливого впливу сонячного випромінювання.
У деяких містах озон використовується замість хлору для дезінфекції (знезараження) питної води.

Зобразіть структурні формули наступних речовин: OF 2, H 2 O, H 2 O 2, H 3 PO 4, (H 3 O) 2 SO 4, BaO, BaO 2, Ba (OH) 2. Назвіть ці речовини. Опишіть валентні стану атомів кисню в цих з'єднаннях.
Визначте валентність і ступінь окиснення кожного з атомів кисню.
2.Складіть рівняння реакцій згоряння в кисні літію, магнію, алюмінію, кремнію, червоного фосфору і селену (атоми селену окислюються до ступеня окислення + IV, атоми інших елементів - до вищого ступеня окислення). До яких класів оксидів належать продукти цих реакцій?
3.Сколько літрів озону можна отримати (при нормальних умовах) а) з 9 л кисню, б) з 8 г кисню?

Вода - найпоширеніше в земній корі речовина. Маса земної води оцінюється в 10 18 тонн. Вода - основа гідросфери нашої планети, крім того, вона міститься в атмосфері, у вигляді льоду утворює полярні шапки Землі і високогірні льодовики, а також входить до складу різних гірських порід. Масова частка води в людському організмі становить близько 70%.
Вода - єдина речовина, у якого в усіх трьох агрегатних станах є свої особливі назви.

Електронна будова молекули води (рис. 10.4 а) Нами було детально вивчено раніше (див. § 7.10).
Через полярності зв'язків О-Н і уголковой форми молекула води являє собою електричний диполь.

Для характеристики полярності електричного диполя використовується фізична величина, яка називається " електричний момент електричного диполя "або просто " дипольний момент ".

У хімії дипольний момент вимірюють в Деба: 1 Д \u003d 3,34. 10 -30 Кл. м

У молекулі води - дві полярні ковалентні зв'язки, тобто два електричні диполі, кожен з яких має свій дипольниммоментом (і). Загальний дипольний момент молекули дорівнює векторній сумі цих двох моментів (рис. 10.5):

(Н 2 О) \u003d ,

де q 1 і q 2 - часткові заряди (+) на атомах водню, а й - міжатомні відстані О - Н в молекулі. Так як q 1 = q 2 = q, А, то

Експериментально визначені дипольні моменти молекули води і деяких інших молекул наведені в таблиці.

Таблиця 30.Дипольні моменти деяких полярних молекул

молекула	молекула	молекула

З огляду на дипольний характер молекули води, її часто схематично зображують наступним чином:
Чиста вода - безбарвна рідина без смаку і запаху. Деякі основні фізичні характеристики води наведені в таблиці.

Таблиця 31.Деякі фізичні характеристики води

Великі значення молярних теплот плавлення і пароутворення (на порядок більше, ніж у водню і кисню) свідчать про те, що молекули води, як в твердому, так і в рідкому речовині, досить міцно пов'язані між собою. Ці зв'язки називають " водневими зв'язками ".

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ДИПОЛЬ, дипольниммоментом, ПОЛЯРНІСТЬ ЗВ'ЯЗКУ, ПОЛЯРНІСТЬ МОЛЕКУЛИ.
Скільки валентних електронів атома кисню бере участь в утворенні зв'язків в молекулі води?
2. При перекривання яких орбіталей утворюються зв'язку між воднем і киснем в молекулі води?
3.Составьте схему утворення зв'язків в молекулі пероксиду водню H 2 O 2. Що ви можете сказати про просторовому будову цієї молекули?
4.Межатомние відстані в молекулах HF, HCl і HBr рівні, відповідно, 0,92; 1,28 і 1,41. Використовуючи таблицю дипольних моментів, розрахуйте і порівняйте між собою часткові заряди на атомах водню в цих молекулах.
5.Межатомние відстані S - H в молекулі сірководню рівні 1,34, а кут між зв'язками 92 °. Визначте значення часткових зарядів на атомах сірки і водню. Що ви можете сказати про гібридизації валентних орбіталей атома сірки?

10.4. воднева зв'язок

Як ви вже знаєте, через суттєву різницю в електронегативності водню і кисню (2,10 і 3,50) у атома водню в молекулі води виникає великий позитивний частковий заряд ( q ч \u003d 0,33 е), А у атома кисню - ще більший негативний частковий заряд ( q ч \u003d -0,66 е). Згадаймо також, що у атома кисню є дві неподіленого пари електронів на sp 3 -гібрідних АТ. Атом водню однієї молекули води притягається до атому кисню іншої молекули, і, крім того, напівпорожня 1s-АТ атома водню частково акцептує пару електронів атома кисню. В результаті цих взаємодій між молекулами виникає особливий вид міжмолекулярних зв'язків -водородная зв'язок.
У разі води освіту водневої зв'язку може бути схематично представлене в такий спосіб:

В останній структурній формулі трьома крапками (пунктирний штрих, а не електрони!) Показана воднева зв'язок.

Воднева зв'язок існує не тільки між молекулами води. Вона утворюється, якщо дотримуються дві умови:
1) в молекулі є сильно полярна зв'язок Н-Е (Е - символ атома досить електронегативного елемента),
2) в молекулі є атом Е з великим негативним частковим зарядом і неподіленої парою електронів.
В якості елемента Е може бути фтор, кисень і азот. Значно слабше водневі зв'язку, якщо Е - хлор або сірка.
Приклади речовин з водневим зв'язком між молекулами: фтороводород, твердий або рідкий аміак, етиловий спирт і багато інших.

У рідкому фтороводорода його молекули зв'язані водневими зв'язками в досить довгі ланцюги, а в рідкому і твердому аміаку утворюються тривимірні сітки.
По міцності воднева зв'язок - проміжна між хімічним зв'язком і іншими видами міжмолекулярних зв'язків. Молярна енергія водневого зв'язку зазвичай лежить в межах від 5 до 50 кДж / моль.
У твердій воді (тобто в кристалах льоду) всі атоми водню зв'язані водневими зв'язками з атомами кисню, при цьому кожен атом кисню утворює по дві водневі зв'язку (використовуючи обидві неподіленого пари електронів). Така структура робить лід більш "рихлим" в порівнянні з рідкою водою, де частина водневих зв'язків виявляється розірваної, і молекули отримують можливість кілька щільніше "упакуватися". Ця особливість структури льоду пояснює, чому, на відміну від більшості інших речовин, вода в твердому стані має меншу щільність, ніж в рідкому. Максимальної щільності вода досягає при 4 ° С -при цій температурі рветься досить багато водневих зв'язків, а теплове розширення ще не дуже сильно позначається на щільності.
Водневі зв'язки мають дуже велике значення в нашому житті. Уявімо собі на хвилину, що водневі зв'язки перестали утворюватися. Ось деякі наслідки:

вода при кімнатній температурі стала б газоподібної, так як її температура кипіння знизилася б до приблизно -80 ° С;
всі водойми стали б промерзати з дна, так як щільність льоду була б більше щільності рідкої води;
перестала б існувати подвійна спіраль ДНК і багато іншого.

Наведених прикладів досить, щоб зрозуміти, що в цьому випадку природа на нашій планеті стала б зовсім іншою.

ВОДОРОДНАЯ ЗВ'ЯЗОК, УМОВИ ЇЇ ОСВІТИ.
Формула етилового спирту СН 3-СН 2 -О-Н. Між якими атомами різних молекул цієї речовини утворюються водневі зв'язки? Складіть структурні формули, що ілюструють їх утворення.
2.Водородние зв'язку існують не тільки в індивідуальних речовинах, але і в розчинах. Покажіть за допомогою структурних формул, як утворюються водневі зв'язки у водному розчині а) аміаку, б) фтороводорода, в) етанолу (етилового спирту). \u003d 2Н 2 О.
Обидві ці реакції протікають у воді постійно і з рівною швидкістю, отже, в воді існує рівновага: 2Н 2 Про AН 3 О + ОН.
Ця рівновага називається рівновагою автопротолізаводи.

Пряма реакція цього оборотного процесу ендотермічна, тому при нагріванні автопротоліз посилюється, при кімнатній температурі ж рівновагу зрушено вліво, тобто концентрація іонів Н 3 О і ОН незначні. Чому ж вони рівні?
Згідно із законом діючих мас

Але через те, що число прореагировавших молекул води в порівнянні із загальним числом молекул води трохи, можна вважати, що концентрація води при автопротолізе практично не змінюється, і 2 \u003d const Така низька концентрація разноименно заряджених іонів в чистій воді пояснює, чому ця рідина, хоч і погано, але все ж проводить електричний струм.

АВТОПРОТОЛІЗ ВОДИ, Константа АВТОПРОТОЛІЗА (іонний добуток) ВОДИ.
Іонний добуток рідкого аміаку (температура кипіння -33 ° С) дорівнює 2 · 10 -28. Складіть рівняння автопротоліза аміаку. Визначте концентрацію іонів амонію в чистому рідкому аміаку. Електропровідність якого з речовин більше, води або рідкого аміаку?

1. Отримання водню і його горіння (відновні властивості).
2. Отримання кисню і горіння речовин в ньому (окисні властивості).

Мета заняття. На цьому занятті ви дізнаєтеся про, мабуть, найважливіших хімічних елементах для життя на землі - водні та кисні, дізнаєтеся про їх хімічних властивостях, а також про фізичні властивості простих речовин, ними утворених, дізнаєтеся більше про роль кисню і водню в природі і житті людини.

водень - найпоширеніший елемент у Всесвіті. кисень - найпоширеніший елемент на Землі. Разом вони утворюють воду - речовина, що становить більше половини маси людського тіла. Кисень - газ, необхідний нам для дихання, а без води ми не змогли б прожити і декількох днів, так що без сумніву можна вважати кисень і водень найважливішими хімічними елементами, необхідними для життя.

Будова атомів водню і кисню

Таким чином, водень проявляє неметалічні властивості. У природі водень зустрічається у вигляді трьох ізотопів, протію, дейтерію і тритію, ізотопи водню дуже сильно відрізняються один від одного за фізичними властивостями, тому їм навіть присвоєні індивідуальні символи.

Якщо ви не пам'ятаєте або не знаєте, що таке ізотопи, попрацюйте з матеріалами електронного освітнього ресурсу «Ізотопи як різновиду атомів одного хімічного елемента». У ньому ви дізнаєтеся, чим відрізняються один від одного ізотопи одного елемента, до чого призводить наявність декількох ізотопів у одного елемента, а також познайомитеся з ізотопами декількох елементів.

Таким чином, можливі ступені окислення кисню обмежені значеннями від -2 до +2. Якщо кисень приймає два електрона (стаючи аніоном) або утворює дві ковалентні зв'язку з менш електронегативними елементами, він переходить в ступінь окислення -2. Якщо кисень утворює одну зв'язок з іншим атомом кисню, а другу - з атомом менш електронегативного елемента, він переходить в ступінь окислення -1. Утворюючи дві ковалентні зв'язку зі фтором (єдиним елементом з більш високим значенням електронегативності), кисень переходить в ступінь окислення +2. Утворюючи одну зв'язок з іншим атомом кисню, а другу - з атомом фтору - +1. І нарешті, якщо кисень утворює одну зв'язок з менш електронегативний атомом, а другу - з фтором, він буде перебувати в ступені окислення 0.

Фізичні властивості водню і кисню, аллотропия кисню

водень - безбарвний газ без смаку і запаху. Дуже легкий (в 14,5 разів легший за повітря). Температура скраплення водню - -252,8 ° C - майже найнижча серед всіх газів (поступається тільки гелію). Рідкий і твердий водень - дуже легкі безбарвні речовини.

кисень - безбарвний газ без смаку і запаху, трохи важчий за повітря. При температурі -182,9 ° C перетворюється у важку рідину блакитного кольору, при -218 ° C твердне з утворенням кристалів синього кольору. Молекули кисню парамагнітни, тобто кисень притягується магнітом. Кисень погано розчинний у воді.

На відміну від водню, що утворює молекули тільки одного типу,, кисень проявляє алотропія і утворює молекули двох типів, тобто елемент кисень утворює два простих речовини: кисень і озон.

Хімічні властивості і отримання простих речовин

Водень.

Зв'язок в молекулі водню - одинарна, проте це одна з найміцніших одинарних зв'язків в природі, і щоб розірвати її необхідно затратити багато енергії, з цієї причини водень досить малоактивний при кімнатній температурі, проте при підвищенні температури (або в присутності каталізатора) водень легко взаємодіє з багатьма простими і складними речовинами.

Водень з хімічної точки зору є типовим неметаллом. Тобто він здатний взаємодіяти з активними металами з утворенням гідридів, в яких він проявляє ступінь окислення -1. З деякими металами (літій, кальцій) взаємодія протікає навіть при кімнатній температурі, проте досить повільно, тому при синтезі гідридів використовують нагрівання:

Освіта гідридів прямим взаємодією простих речовин можливо тільки для активних металів. Уже алюміній не взаємодіє з воднем безпосередньо, його гідрид отримують обмінними реакціями.

З неметалами водень також реагує тільки при нагріванні. Винятками є галогени хлор і бром, реакція з якими може бути індукована світлом:

Реакція з фтором також не вимагає нагрівання, вона протікає з вибухом навіть при сильному охолодженні і в абсолютній темряві.

Реакція з киснем протікає по розгалужена ланцюговому механізму, тому швидкість реакції стрімко зростає, і в суміші кисню з воднем в співвідношенні 1: 2 реакція протікає з вибухом (така суміш називається «гримучий газ»):

Реакція з сірої протікає набагато спокійніше, практично без виділення тепла:

Реакції з азотом і йодом протікають оборотно:

Ця обставина сильно ускладнює отримання аміаку в промисловості: процес вимагає використання підвищеного тиску для змішування рівноваги в бік утворення аміаку. Йодоводород прямим синтезом не отримують, оскільки є кілька набагато більш зручних способів його синтезу.

З малоактивними неметаллами () водень безпосередньо не реагує, хоча його з'єднання з ними відомі.

У реакціях зі складними речовинами водень в більшості випадків виступає в ролі відновника. У розчинах водень може відновлювати малоактивні метали (розташовані після водню в ряду напруг) з їх солей:

При нагріванні водень може відновлювати багато метали з їх оксидів. При цьому чим активніше метал, тим складніше його відновити і тим вища для цього потрібна температура:

Метали більш активні, ніж цинк, практично неможливо відновити воднем.

Водень в лабораторії отримують взаємодією металів з сильними кислотами. Найчастіше використовують цинк і соляну кислоту:

Рідше використовується електроліз води в присутності сильних електролітів:

У промисловості водень отримують як побічний продукт при отриманні їдкого натру електролізом розчину хлориду натрію:

Крім того, водень отримують при переробці нафти.

Отримання водню фотоліз води - один з найбільш перспективних способів в майбутньому, однак на сьогоднішній момент промислове застосування цього методу важко.

Попрацюйте з матеріалами електронних освітніх ресурсів Лабораторна робота «Отримання і властивості водню» і Лабораторна робота «відновні властивості водню». Вивчіть принцип дії апарату Киппа і апарату Кирюшкина. Подумайте, в яких випадках зручніше використовувати апарат кіп, а в яких - Кирюшкина. Які властивості проявляє водень в реакціях?

Кисень.

Зв'язок в молекулі кисню подвійна і вельми міцна. Тому кисень досить малоактивний при кімнатній температурі. При нагріванні він, однак, починає проявляти сильні окислювальні властивості.

Кисень без нагрівання реагує з активними металами (лужними, лужноземельними і деякими лантаноїдами):

При нагріванні кисень взаємодіє з більшістю металів з утворенням оксидів:

Срібло і менш активні метали не окислюються киснем.

Кисень також реагує з більшістю неметалів з утворенням оксидів:

Взаємодія з азотом відбувається тільки при дуже високих температурах, близько 2000 ° C.

З хлором, бромом і йодом кисень не реагує, хоча багато їх оксиди можна отримати непрямим шляхом.

Взаємодія кисню з фтором можна провести при пропущенні електричного розряду через суміш газів:

Фторид кисню (II) - нестійке з'єднання, легко розкладається і є дуже сильним окислювачем.

У розчинах кисень є сильним, хоча і повільним, окислювачем. Як правило, кисень сприяє переходу металів в більш високі ступені окислення:

Присутність кисню часто дозволяє розчиняти в кислотах метали, розташовані відразу за воднем в ряді напруг:

При нагріванні кисень може окислювати нижчі оксиди металів:

Кисень в промисловості не отримують хімічними способами, його отримують з повітря перегонкою.

У лабораторії використовують реакції розкладання багатих киснем сполук - нітратів, хлоратов, перманганатів при нагріванні:

Також можна отримати кисень при каталітичному розкладанні перекису водню:

Крім того, для отримання кисню може використовуватися наведена вище реакція електролізу води.

Попрацюйте з матеріалами електронного освітнього ресурсу Лабораторна робота «Отримання кисню і його властивості».

Як називається використовуваний в лабораторній роботі метод збирання кисню? Які ще способи збирання газів існують і які з них підходять для збирання кисню?

Завдання 1. Подивіться відеофрагмент «Розкладання перманганату калію при нагріванні».

Дайте відповідь на питання:

1. Який з твердих продуктів реакції розчинний у воді?
2. Який колір має розчин перманганату калію?
3. Який колір має розчин манганата калію?

Напишіть рівняння протікають реакцій. Зрівняйте їх, використовуючи метод електронного балансу.

Обговоріть виконання завдання з учителем на або в відеокомнате.

Озон.

Молекула озону трьохатомної і зв'язку в ній менш міцні, ніж в молекулі кисню, що призводить до більшої хімічної активності озону: озон легко окисляє багато речовин в розчинах або в сухому вигляді без нагрівання:

Озон здатний легко окислити оксид азоту (IV) до оксиду азоту (V), а оксид сірки (IV) до оксиду сірки (VI) без каталізатора:

Озон поступово розкладається з утворенням кисню:

Для отримання озону використовуються спеціальні прилади - озонатори, в яких через кисень пропускають тліючий розряд.

У лабораторії для отримання незначних кількостей озону іноді використовують реакції розкладання пероксосоедіненій і деяких вищих оксидів при нагріванні:

Попрацюйте з матеріалами електронного освітнього ресурсу Лабораторна робота «Отримання озону і дослідження його властивостей».

Поясніть, чому знебарвлюється розчин індиго. Напишіть рівняння реакцій, що протікають при змішуванні розчинів нітрату свинцю і сульфіду натрію і при пропущенні через отриману суспензію озонованого повітря. Для реакції іонного обміну складіть іонні рівняння. Для окисно-відновної реакції складіть електронний баланс.

Обговоріть виконання завдання з учителем на або в відеокомнате.

Хімічні властивості води

Для кращого ознайомлення з фізичними властивостями води і її значимістю попрацюйте з матеріалами електронних освітніх ресурсів «Аномальні властивості води» і «Вода - найважливіша рідина на Землі».

Вода володіє величезною важливістю для будь-яких живих організмів - по суті багато живі організми складаються з води більш ніж наполовину. Вода є одним з найбільш універсальних розчинників (при високих температурах і тисках її можливості як розчинника істотно зростають). З хімічної точки зору вода є оксидом водню, при цьому в водному розчині вона дисоціює (хоча і в дуже малому ступені) на катіони водню і гідроксид-аніони:

Вода взаємодіє з багатьма металами. З активними (лужними, лужноземельними і деякими лантаноїдами) вода реагує без нагрівання:

З менш активними взаємодія відбувається при нагріванні.

10.1.Водород

а) Хімічний елемент водень

б) Атом водню

З попередніх розділів курсу хімії вам вже відомі такі характеристики атома водню:

Таблиця 28.Валентні можливості атома водню

валентний стан		Приклади хімічних речовин
	I 0 -I	HCl, H 2 O, H 2 S, NH 3, CH 4, C 2 H 6, NH 4 Cl, H 2 SO 4, NaHCO 3, KOH H 2 B 2 H 6, SiH 4, GeH 4
		NaH, KH, CaH 2, BaH 2

в) Молекула водню

г) Водень (речовина)

Zn + H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2.

CH 4 + 2H 2 O \u003d 4H 2 + CO 2 ( t, Ni)

або обробляють при високій температурі парами води вугілля:

2H 2 O + С \u003d 2H 2 + CO 2. ( t)

Чистий водень отримують з води, розкладаючи її електричним струмом (піддаючи електролізу):

2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2 (електроліз).

д) З'єднання водню

LiH
NaH	MgH 2
KH	CaH 2
RbH	SrH 2
CsH	BaH 2

N 2 + 3H 2 2NH 3 ( Р, t, Pt - каталізатор).

H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl.

10.2 Кисень

а) Хімічний елемент кисень

б) Атом кисню

Вам відомі такі характеристики атома кисню.

Таблиця 29. Валентні можливості атома кисню

валентний стан		Приклади хімічних речовин
		Al 2 O 3, Fe 2 O 3, Cr 2 O 3 *

	-II -I 0 + I + II	H 2 O, SO 2, SO 3, CO 2, SiO 2, H 2 SO 4, HNO 2, HClO 4, COCl 2, H 2 O 2 O 2 ** O 2 F 2 OF 2
		NaOH, KOH, Ca (OH) 2, Ba (OH) 2 Na 2 O 2, K 2 O 2, CaO 2, BaO 2
		Li 2 O, Na 2 O, MgO, CaO, BaO, FeO, La 2 O 3

в) Молекула кисню

г) Кисень (речовина)

2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2.

Структурна формула отриманого пероксиду натрію (Na) 2 (O-O).
Тліюча лучинка, вміщена в кисень, спалахує. Це зручний і простий спосіб виявлення чистого кисню.
У промисловості кисень одержують з повітря шляхом ректифікації (складної розгону), а в лабораторії - піддаючи термічного розкладання деякі кисень з'єднання, наприклад:
2KMnO 4 \u003d K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200 ° С);
2KClO 3 \u003d 2KCl + 3O 2 (150 ° С, MnO 2 - каталізатор);
2KNO 3 \u003d 2KNO 2 + 3O 2 (400 ° С)
і, крім того, шляхом каталітичного розкладання пероксиду водню при кімнатній температурі: 2H 2 O 2 \u003d 2H 2 O + O 2 (MnO 2 -каталізатори).
Чистий кисень використовують в промисловості для інтенсифікації тих процесів, в яких відбувається окислення, і для створення високотемпературного полум'я. У ракетній техніці в якості окислювача використовується рідкий кисень.
Величезне значення має кисень для підтримки життєдіяльності рослин, тварин і людини. У звичайних умовах людині досить для дихання кисню повітря. Але в умовах, коли повітря не вистачає, або він взагалі відсутній (в літаках, при водолазних роботах, в космічних кораблях і т. П.), Для дихання готують спеціальні газові суміші, що містять кисень. Застосовують кисень і в медицині при захворюваннях, що викликають утруднення дихання.

д) Озон і його молекули

3О 2 \u003d 2О 3 ().

У хімії дипольний момент вимірюють в Деба: 1 Д \u003d 3,34. 10 -30 Кл. м

(Н 2 О) \u003d ,

де q 1 і q 2 - часткові заряди (+) на атомах водню, а й - міжатомні відстані О - Н в молекулі. Так як q 1 = q 2 = q, А, то

Експериментально визначені дипольні моменти молекули води і деяких інших молекул наведені в таблиці.

Таблиця 30.Дипольні моменти деяких полярних молекул

молекула	молекула	молекула

Таблиця 31.Деякі фізичні характеристики води

10.4. воднева зв'язок

В останній структурній формулі трьома крапками (пунктирний штрих, а не електрони!) Показана воднева зв'язок.

вода при кімнатній температурі стала б газоподібної, так як її температура кипіння знизилася б до приблизно -80 ° С;
всі водойми стали б промерзати з дна, так як щільність льоду була б більше щільності рідкої води;
перестала б існувати подвійна спіраль ДНК і багато іншого.

Наведених прикладів досить, щоб зрозуміти, що в цьому випадку природа на нашій планеті стала б зовсім іншою.

В нашій повсякденному житті є речі, які настільки поширені, що майже кожна людина знає про них. Наприклад, всім відомо, що вода - рідина, вона легко доступна і не горить, отже, вона може гасити вогонь. Але ви коли-небудь замислювалися чому це так?

Джерело зображення: pixabay.com

Вода складається з атомів водню і кисню. Обидва ці елементи підтримують горіння. Отже, виходячи із загальної логіки (не науковою) з цього випливає, що вода теж повинна горіти, вірно? Проте цього не відбувається.

Коли відбувається горіння?

Горіння це хімічний процес, в якому молекули й атоми об'єднуються, при цьому виділяється енергія у вигляді тепла і світла. Щоб що-небудь спалити вам буде потрібно дві речі - паливо як джерело горіння (наприклад, аркуш паперу, шматок дерева і т. Д.) І окислювач (що міститься в земній атмосфері кисень є основним окислювачем). Також нам потрібно тепло необхідне для досягнення температури займання речовини, щоб почався процес горіння.

Джерело зображення auclip.ru

Наприклад, розглянемо процес спалювання паперу з використанням сірників. Папір в цьому випадку буде паливом, газоподібний кисень, що міститься в повітрі буде виступати в якості окислювача, а температура займання буде досягатися завдяки палаючої сірнику.

Структура хімічного складу води

Джерело зображення: water-service.com.ua

Вода складається з двох атомів водню і одного атома кисню. Її хімічна формула Н2О. Тепер цікаво відзначити, що два складових елементи води дійсно легко займисті речовини.

Чому водень є горючою речовиною?

Атоми водню мають тільки один електрон і тому легко з'єднується з іншими елементами. Як правило в природі водень зустрічається у вигляді газу, молекули якого складаються з двох атомів. Цей газ дуже реактивний і швидко окислюється у присутності окислювача, що робить його легковоспламеняємим.

Джерело зображення: myshared.ru

При згорянні водню відбувається виділення великої кількості енергії, тому його часто використовують в зрідженому вигляді для запуску в космос космічних апаратів.

Кисень підтримує горіння

Як згадувалося раніше, для будь-якого горіння необхідний окислювач. Є багато хімічних окислювачів, в їх числі кисень, озон, перекис водню, фтор і т.д. В якості основного окислювача, який в надлишку міститься в атмосфері Землі є кисень. Він як правило є основним окислювачем в більшості пожеж. Саме тому для підтримки вогню необхідний постійний приплив кисню.

Вода гасить вогонь

Вода може гасити вогонь по ряду причин, однією з яких є те, що це негорюча рідина, незважаючи на те, що складається з двох елементів, які можуть окремо створити вогняне пекло.

Вода - найпоширеніший засіб гасіння пожеж. Джерело зображення: pixabay.com

Як ми вже говорили раніше, водень легко запалюється, все що для цього потрібно це окислювач і температура займання для початку реакції. Так як кисень є найпоширенішим окислювачем на Землі він швидко з'єднується з атомами водню з виділенням великої кількості світла і тепла, при цьому утворюються молекули води. Ось як це відбувається:

Зверніть увагу на те, що суміш водню з невеликим об'ємом кисню або повітря вибухонебезпечна і називається гримучим газом, вона згорає надзвичайно швидко з гучним бавовною, що сприймається як вибух. Катастрофа дирижабля "Гінденбург" в 1937 р в Нью-Джерсі забрала десятки життів в результаті загоряння водню, яким була наповнена оболонка дирижабля. Легка займистість водню і його вибухонебезпечність в поєднанні з киснем - це головна причина того, що ми не отримуємо воду хімічним шляхом в лабораторіях.