Получение водорода
В лаборатории Н2 получают:
1) взаимодействием металлов с растворами сильных кислот (НСl, H2SO4):
2HCl + Zn = ZnCl2 + H2 ↑
Fe + H2SO4 раст. = FeSO4 + H2 ↑
2) электролизом воды: (в присутствии сильных электролитов NаОН, Na2SO4 и др.):
2H2O
2H2↑ + O2
↑
3) действием растворов щелочей на цинк или алюминий:
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
Zn + 2KOH + 2H2O = K2[Zn(OH)4] + H2↑
Можно получить H2 в лаборатории взаимодействием с H2O гидридов металлов
LiH + H2O = LiOH + H2↑
Выделяется водород и при взаимодействии с водой щелочных и щелочноземельных металлов.
Правда, в последнем случае реакция протекает очень бурно и с выделением большого количества теплоты. Вследствие этого образующийся H2 трудно собрать, он легко воспламеняется на воздухе и поэтому практическое применение находит лишь реакция кальция с H2O:
Ca + 2H2O = Ca(OH)2 ↓ + H2 ↑
т.к. в этом случае образующийся Са(ОН)2 оседает на поверхности металла и уменьшает скорость его взаимодействия с Н2О.
В промышленности Н2 получают действием водяных паров на раскаленный углерод:
H2O + C CO ↑ + H2 ↑
CO + H2O
CO2 +
H2 ↑
суммарное
C + 2H2O
CO2
+ 2H2
,
уравнение
или конверсией метана с водяным паром
CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 ↑
В небольших количествах H2 получают взаимодействием раскаленного железа с парами H2O (железопаровой способ):
3 Fe + 4 H2O = Fe3O4 + 4 H2
Образуется H2 при электролизе Н2О и как побочный продукт при электролизе растворов KCl, NaCl:
2KCl + 2H2O = H2 ↑ + Cl2 ↑ + 2KOH
Водород получают также при коксовании угля и термическом разложении метана: CH4 C + 2H2↑
Химические свойства водорода
В таблице Менделеева элемент Н имеет порядковый номер 1. Он находится в первом периоде. По мнению одних ученых его следует располагать в IА группе, по мнению других – в VIIА группе. Это связано с тем, что Н обладает свойствами, схожими как со щелочными металлами, так и с галогенами. Однако при рассмотрении химических свойств неметаллов водород, как правило, рассматривают отдельно и не включают ни в какую группу элементов.
Заряд ядра у атома Н равен +1. Вокруг ядра вращается один электрон. Графическая электронная формула выглядит следующим образом:
Так как на внешнем слое атома водорода находится только одна электронная орбиталь, то он во всех своих соединениях всегда одновалентен.
Водород может проявлять как положительную, так и отрицательную степень окисления.
Положительную степень окисления водород проявляет при взаимодействии с атомами более электроотрицательных элементов, чем сам (F, O, N, Cl, S, C, P). В этом случае он выступает в роли восстановителя и отдает с внешнего слоя свой единственный электрон. Величина степени окисления при этом равна +1.
Отрицательную степень окисления водород проявляет при взаимодействии с менее электроотрицательными элементами, чем сам (металлами). При этом он выступает в роли окислителя и забирает от других атомов недостающий до завершения своего внешнего слоя один электрон. Величина степени окисления при этом равна -1.
Так, при взаимодействии с F2, Cl2 и другими галогенами водород образует газообразные соединения.
Реакция с F2 очень бурно протекает уже при обычных условиях и даже в темноте
F2 + H2 = 2HF (фтороводород)
Реакция с Cl2 идет при нагревании или освещении
Cl2 + H2
2HCl (хлороводород)
Эти две реакции являются цепными и осуществляются по радикальному механизму. Покажем его на примере образования HCl.
Молекула Cl2 поглощает квант света hv и распадается на атомы (неорганические радикалы Cl˙). Это служит началом реакции (первоначальное возбуждение реакции). Затем она продолжается сама собой.
Каждый из атомов – радикалов Cl˙ реагирует с молекулой водорода. При этом образуется Н˙ и HCl. В свою очередь, атом водорода Н˙ реагирует с молекулой Cl2, образуя HCl и Cl˙. В результате этого последовательность вышеперечисленных процессов снова повторяется.
Один поглощенный квант света может привести к образованию сотен тысяч молекул хлороводорода. Наглядно это можно изобразить схемой:
C
l2
Cl˙ + Cl˙
инициирование цепи
C
развитие цепи
Н˙ + Cl2 = HCl + Cl˙
и т.д.
Обрыв этой цепи происходит в результате взаимодействия двух радикалов между собой:
Н˙ + Cl˙ = HCl
С бромом и йодом H2 реагирует при нагревании до 400-500оС и обратимо:
H2 + Br2 2HBr
H2 + I2 2HI
При нагревании с О2 водород образует воду:
2H2 + O2 = 2H2O
Смесь двух объемов Н2 и одного объема О2 называется гремучим газом, так как она взаимодействует между собой очень быстро, со взрывом.
С серой Н2 реагирует при нагревании и обратимо, образуя сероводород:
H2 + S H2S – ядовитый газ с запахом тухлых яиц.
Аналогично протекает реакция и с N2:
N2
+ 3H2
2NH3 – аммиак.
Она широко используется в промышленности. Из-за малой реакционной способности азота ее ведут при сильном нагревании и в присутствии катализаторов. Высокое давление используют для увеличения выхода NH3.
С углеродом при нагревании в присутствии катализаторов Н2 образует метан:
C + 2H2 CH4
Фосфор и кремний с Н2 могут реагировать только при высоких температурах, но с чрезвычайно малым выходом, т.к. в таких условиях образующиеся соединения PH3 и SiH4 тут же разлагаются. Поэтому их обычно получают косвенным путем из силицидов и фосфидов:
Ca3P2 + 6H2O = 3Ca(OH)2 + 2PH3↑
кальций-фосфид фосфин
Ca2Si + 4H2O = 2Ca(OH)2 + SiH4 ↑
кальций-силицид силан
При нагревании с наиболее активными металлами (щелочными, щелочноземельными) Н2 образует гидриды: твердые соединения, по своему ионному характеру связи, напоминающие типичные соли галогенов:
2Li + H2 2LiH литий-гидрид
Ca + H2 = CaH2 кальций-гидрид
Гидриды металлов неустойчивы и легко разрушаются водными растворами кислот и Н2О:
LiH + H2O = LiOH + H2 ↑
CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2 ↑
LiH + HCl = LiCl + H2 ↑
CaH2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2 ↑
При сжигании гидриды окисляются О2 с образованием гидроксидов:
CaH2 + О2 Ca(OH)2
2NaH + O2 2NaOH
Водород взаимодействует и со сложными веществами. Он может при нагревании восстанавливать многие металлы из их оксидов:
CuO + H2 = Cu + H2O
ZnO + H2 = Zn + H2O
Однако нельзя использовать водород для получения из оксидов тех металлов, которые удерживают кислород лучше чем он. К таким металлам в первую очередь относятся Be, Al, Mg, щелочные и щелочноземельные металлы.
Водород может присоединяться по месту разрыва кратной связи в молекулах органических соединений:
СН2 = СН2 + Н2 → СН3−СH3
этилен этан
СН ≡
СН + Н2 → СH2═СН2
CH3-CH3
ацетилен
+ 3Н2
бензол циклогексан
+ Н2
альдегид спирт
В качестве катализаторов в таких реакциях используют металлы Pt, Ni, Pd, которые способны хорошо растворять в себе водород. При этом молекулы Н2 частично распадаются на атомы: Н2 → 2Н. Атомарный водород гораздо более активен, чем молекулярный, и с его участием реакции протекают интенсивнее.
В органическом синтезе при проведении реакций гидрирования водород часто получают непосредственно в реакционной среде, при этом образующиеся атомы Н не успевают объединиться в молекулы и реагируют в момент выделения. Именно таким образом, например, восстанавливают нитробензол до анилина. В реакционном сосуде одновременно протекает реакция образования атомарного водорода (за счет взаимодействия Zn или Fe с кислотой) и реакция восстановления нитробензола:
+
6Н
+ 2 Н2О
нитробензол анилин