Водень

Атом, молекула, ядерні властивості.

Будова атома.

У центрі атома знаходиться позитивне заряджене ядро. Навколо обертається негативно заряджений електрон.

Електронна формула: 1s1

m прот. = 1,00783 (а.е.м.)

m Нейтральні .= 1,00866 (а.е.м.)

m протона = m електрона

Ізотопи.

Ізотоп: 3Н (тритій - лат. Tritium, від грец. tritos - третя), T.

Коротка характеристика: надважкий радіоактивний ізотоп водню з масовим числом 3. Період напіврозпаду 12,35 року. Відкрито англійськими вченими Е. Резерфордом, М. Л. Оліфант і П. Хартеком в 1934. Входить до складу термоядерного заряду. Поширення в природі.

Число протонів в ядрі - 1. Число нейтронів в ядрі - 2. Число нуклонів - 3.Е зв'язку = 931,5 (1 * m пр. 2 * m Нейтральні М (Н3)) = 23,43 (МеВ) Е питома. = Е зв'язку/N нуклонів = 7,81 (МеВ/нукл.)

Альфа-розпад невозможенБета-розпад: H (Z = 1, M = 3) -> He (Z = 2, M = 3) + e (Z =- 1, M = 0) -0,47 (МеВ) позитронний розпад невозможенЕлектронний захоплення неможливий

Ізотоп: 2H (дейтерій - лат. deuterium, від грец. deuteros - друга), D.

Коротка характеристика: важкий водень, стабільний ізотоп водню з масовим числом 2. Ядро атома (Дейтрон) складається з протона і нейтрона. З киснем утворює важку воду. Відкрито Г. Юри в 1932.

Ізотоп: 1H (проти - лат. Protium від грец. protos - перший).

Коротка характеристика: стабільний і найбільш поширений (99,98%) ізотоп водню з масовим числом 1. Ядро атома протію - протон.

Хімічні властивості водню.

Атом водню має всього один електрон, тому при утворенні хімічних сполук може легко віддавати його, або утворювати одну спільну електронну пару, або приєднувати ще один електрон, утворюючи двухелектронную зовнішню оболонку, як у благородного газу гелію. Через малий заряду ядра атом водню порівняно слабо притягує електрони і може приєднувати їх тільки в тому випадку, коли інший елемент легко їх віддає. Такими елементами є лужні і лужноземельні метали, які при нагрівати в атмосфері водню утворюють солеобразние з'єднання - гідриди:

2 К + Н2 = 2 КН (гідрид калію) Са + Н2 = СаН2 (гідрид кальцію) Для водню більш характерні сполуки, в яких він проявляє позитивну ступінь окислення. Він взаємодіє з багатьма неметалами. В залежності від активності неметалів реакція може протікати з різною швидкістю. Так, із фтором водень взаємодіє завжди з вибухом: F2 + H2 = 2 НF (фтороводень) Хлор взаємодіє з воднем значно спокійніше: в темряві і без нагрівання реакція протікає досить повільно, на світлі - значно швидше, а при наявності ініціатора (іскра, нагрівання) - моментально і з вибухом. Тому суміш хлору і водню є гримучої і вимагає надзвичайної обережності у зверненні. Водень добре горить в атмосфері хлору. У всіх випадках реакція водню з хлором протікає по уравненіюН2 + Сl2 = 2 НСl (хлороводень) З бромом та йодом водень реагує дуже повільно.

З іншими неметалами водень реагує або при високій температурі, або при високих. температурі і тиску. Наприклад, із сіркою водень реагує тільки при нагріванні, а з азотом - при нагріванні та високому тиску: Н2 + S = Н2S (сірководень ) 3 H2 + N2 = 2 NН3 (аміак) Водень може віднімати кисень або галогени від багатьох металів і неметалів. У цьому випадку він виступає як відновник:

СuСl2 + Н2 = Сu + 2 НСl Ці реакції використовуються в металургії для отримання вільних металів. Вони, як правило, протікають при високих температурах. Чим активніше метал, тим вища температура потрібно для його відновлення. Водень не підтримує горіння звичайних горючих речовин (які є сполуками вуглецю). Так, запалена свічка гасне в ньому. Однак, наприклад, кисень горить в атмосфері водню. Звідси видно відносність поняття "підтримує" або "не підтримує" горіння. Зазвичай його відносять саме до горіння сполук вуглецю.

Сам водень горить і в чистому кисні, і на повітрі, причому продуктом згоряння є вода. При підпалюванні суміші обох газів ( "гримучого газу") взаємодія протікає з вибухом. Якщо замість підпалювання привести цю суміш в зіткнення з дуже малою кількістю дрібно роздробленою платини (що відіграє роль каталізатора), то реакція протікає швидко, але спокійно.

Реакція утворення води з водню і кисню сильно екзотермічна:

2 Н2 + О2 = 2 Н2О + 573 кДж Крім прямого з'єднання з киснем водень здатний віднімати його від оксидів багатьох елементів: Cu, Pb, Hg та ін У результаті з оксиду виходить вільний елемент, наприклад:

СuO + H2 = H2O + Cu + 130 кДж.

Однак ці реакції, в яких водень виступає як відновник, протікають лише при нагріванні. При високому тиску водень витісняє деякі метали також з розчинів їх солей.

Досвід показує, що хімічна активність водню іноді сильно підвищується. Це спостерігається тоді, коли реагують з ним речовини знаходяться в безпосередньому контакті з виділяється воднем. Підвищену активність такого водню "в момент виділення" ( "in statu nascendi") пояснюється тим, що реагують не молекули Н2, а атоми. Дійсно, при реакціях одержання водню (наприклад, дією цинку на кислоту) спочатку виділяються саме окремі атоми. Якщо ж у місця їх виділення є речовина, здатна з ними реагувати, то така реакція може відбуватися без попереднього утворення молекул Н2.

Це подання було побічно підтверджено, коли вдалося отримати атомарний водень в газоподібному стані і вивчити його реакційну здатність. Виявилося, що він значно активніше молекулярного. Так, атомарний водень вже при звичайних умовах з'єднується із сіркою, фосфором, миш'яком і т. д., відновлює оксиди багатьох металів, витісняє деякі метали (Cu, Pb, Ag та ін) з їх солей і вступає в інші хімічні реакції, на які за тих же умовах не здатний звичайний молекулярний водень.

При хімічних взаємодіях за участю звичайного водню молекула його повинна розпадатися на атоми. Але сама реакція такого розпаду (дисоціація на атоми) сильно ендотермічна:

Н2 + 435 кДж = Н + Н.

Очевидно, що витрачається на цю реакцію енергія (енергія дисоціації) повинна бути заповнена енергією, що виділяється при взаємодії атомів водню з введеним в реакцію речовиною. Отже, можна очікувати, що реакція водню, при яких виділяється менше 435 кДж/моль, не буде протікати мимовільно. У випадку взаємодії речовин з атомарним воднем такий витрати енергії на дисоціацію вже не потрібно. Тому тут і можливий значно ширше коло реакцій.

Атомарний водень зручно отримувати дією на звичайний водень тихого електричного розряду. При цьому частина молекул розпадається на атоми, які під зменшеним тиском з'єднуються в молекули не моментально, завдяки чому і можуть бути вивчені хімічні властивості атомарного водню. Аналогічно водню може бути отриманий в атомарному стані і кисень. Його хімічна активність при перехід в атомарному стан теж різко зростає.

Велике кількість енергії, що виділяється при утворенні молекули водню, пояснює її стійкість при звичайних умовах. Разом з тим воно ж наводить на думку про можливості термічної дисоціації (розкладання при нагріванні) молекули Н2, якщо повідомити їй достатню кількість тепла. Досвід показує, що помітна термічна дисоціація водню починається приблизно з 2000 ° С і відбувається тим більшою мірою, чим вище температура. Навпаки, при зниженні температури окремі атоми знову з'єднуються в молекули.

Термічна даними:        

Абсолютна температура, К         

2000         

2500         

3000         

3500         

4000         

5000             

дисоційованому частина,%         

0,088         

1,31         

8,34         

29,6         

63,9         

95,8     

Перехід водню в атомарному стан може викликатися також випромінюванням з довжиною хвиль менше 85 нм. Цим і обумовлено різке переважання атомарного водню над молекулярною в космічному просторі.

З'єднання атомів водню в молекули протікає значно швидше на поверхні металів, ніж у самому газі. При цьому метал сприймає ту енергію, яка виділяється при утворенні молекул і нагріванні до дуже високих температур. Останнє створює можливість технічного використання атомарного водню для атомно-водневої зварювання металів: між двома вольфрамовим стрижнями створюється електрична дуга, крізь яку за облягаючим стрижні трубках пропускається струм водню. При цьому частина молекул Н2 розпадається на атоми, які потім знову з'єднуються на металевій поверхні, вміщеній недалеко від дуги. Таким шляхом метал може бути нагрітий вище 3500 ° С. У цих умовах відбувається швидка і міцна зварювання окремих його шматків. Великим гідністю атомно-водневої зварювання є рівномірність нагріву, дозволяє зварювати навіть тонкі металеві деталі.

З'єднання атомів водню здійснюється набагато легше на твердій поверхні. При реакції за схемою Н + Н = Н2 молекула водню включає в себе і кінетичну енергію обох з'єднуються атомів, і енергію їх взаємодії. У сумі це дає запас енергії, з лишком перевищує енергію дисоціації молекули Н2 на атоми. Така дисоціація не відбувається тільки в тому випадку, якщо молекула швидко звільняється від надлишку енергії, передаючи його будь-який інший частці. У самому газі це може здійснюватися лише шляхом потрійного зіткнення за схемою Н + Н + Х = Н2 + Х, де Х - частка, що приймає надлишок енергії. Але ймовірність потрійного зіткнення незрівнянно менше ймовірності подвійного, і тому в газі рекомбінація (зворотне з'єднання) атомів Н йде порівняно повільно. Навпаки, у твердій поверхні до утворення молекули може вести кожне подвійне зіткнення атомів Н, тому що сприймає надлишок енергії частка (у вигляді атома або молекули речовини самої поверхні) завжди є.

Якщо в колбу електричної лампи ввести водень (замість аргону), то близько розпеченій вольфрамової нитки будуть відбуватися часткова дисоціація молекул Н2 на атоми. Енергія рекомбінації останніх на покритої спеціальним складом (люмінофором) внутрішньої поверхні колби викликає її інтенсивне світіння. Було показано, що від таких ламп при рівній потужності можна отримати значно більше світла, ніж від звичайних.

Знаходження водню в природі.

Водень є одним з найбільш поширених елементів - його частка становить 0,88% від маси всіх трьох оболонок земної кори (атмосфери, гідросфери та літосфери), що при перерахунку на атомні відсотки дає цифру 15,5.

Основне кількість цього елемента перебуває у зв'язаному стані. Так, вода містить його близько 11 вагу. %, Глина - близько 1,5% і т. д. У вигляді сполук з вуглецем водень входить до складу нафти, горючих природних газів і всіх організмів.

Вільний водень складається з молекул Н2. Він часто міститься у вулканічних газах. Частково він утворюється також при розкладанні деяких органічних залишків. Невеликі його кількості виділяються зеленими рослинами. Атмосфера містить близько 10-5 об'ємно. % Водню.

У природі водень утворюється головним чином при розкладанні органічних речовин, наприклад целюлози або білків, деякими видами бактерій. Великі його кількості звільняються при коксуванні вугілля; тому світильний та коксовий гази в середньому складаються на 50 об'ємні. % З вільного водню. Останнім часом коксовий газ стали технічно переробляти на водень, сжіжая його і виділяючи водень як важко конденсується газ.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://schoolchemistry.by.ru/