I. Характеристика водорода, исходя из его положения в периодической системе.

ЛЕКЦИЯ №21

Водород. Вода. Элементы IА-группы периодической системы Д.И. Менделеева.

План

1. Водород. Вода.

2. Щелочные металлы:

1) положение в периодической системе

2) нахождение в природе

3) получение

4) физические свойства

5) химические свойства

6) важнейшие соединения и применение.

ВОДОРОД И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ.

I. Характеристика водорода, исходя из его положения в периодической системе.

+1 Н ) 1s ^I

1е^-

1 ₁p = 1 + ₀n = 0

H = --------------------

1 ē = 1

Степени окисления: + 1; 0; -1.

II. Физические свойства:

Водород открыт в 1776 году английским химиком Кэвендишем.

Это газ, легче воздуха, молекула двухатомная, без цвета, без запаха. Малорастворим в воде. При - 252,8°С переходит в жидкое состояние. Жидкий водород бесцветен.

Существует три изотопа водорода:

1. Протий Ar = I;

2. Дейтерий Ar = 2;

3. Тритий Ar =3.

III. Распространение в природе:

В земной коре - 0,150 % от массы, с учетом гидросферы – 1%, в атомных процентах 15,6 %. По распространенности водород занимает третье место после кислорода и кремния.

IV. Получение:

а) В лаборатории:

1. Zn + 2НСl ® ZnCl₂ + Н₂ ­ в аппарате

Fe + Н₂SO₄ ® Fe SO₄ + Н₂ ­ Киппа

2. Электролизом воды:

2Н₂О + NaOH ^{эл. ток} O₂­ + 2Н₂ ­ + NaOH

(катод) (анод) (р-р)

3. 2Na +2 Н₂О ® 2 NaOH + Н₂ ­

Ca +2 Н₂О ® Ca(OH)₂+ Н₂ ­

б) В промышленности:

Электролиз водных растворов KCl, NaCl, как рабочий продукт.

1. 2 KCl + 2 Н₂О ^{эл. ток} Н₂ ­ + Сl₂ ­ + 2KOH

(катод) (анод) (р-р)

2. Конверсионный способ (конверсия превращения), получают этим способом 50% водорода. Получают сначала водяной газ, а затем водород

а) C + Н₂О t ^{I000 ° C} CO ­ + Н₂ ­;

пар водяной газ

t°, k= Fe₂O₃

б) CO + Н₂ + Н₂О ^{400 - 450°С} СО₂ ­ + 2 Н₂ ­

водян.газ. пар

3. Конверсия метана с водяным паром:

_{Nit 1300°C}

CH₄ + 2Н₂О СО₂ ­ + 4Н₂ ­

пар

4. Разложение метана:

CH₄ ^{t=350°C, K=Fe, Na} C + 2Н₂­

5. Глубоким охлаждением коксового газа (-196°С): Все газы при такой температур конденсируются, кроме Н_2.

V. Химические свойства:

1. Водород может образовывать газообразные соединения состава RH₄, RH₃, RH₂,

RH.

При высокой температуре водород соединяется со щелочными и щелочно-земельными металлами, образуя гидриды металлов (LiH, NaH, KH, CaН_2.)

Ca + Н₂ ^t CaН₂ ;

Гидриды металлов – белые кристаллические вещества.

Гидриды металлов разлагаются водой с образованием щелочи и водорода:

Ca Н₂ +2 Н₂О ® Са (ОН) ₂ + 2H₂ ­

2. Взаимодействие с кислородом:

2Н₂ + О₂ ^t 2Н₂О

3. Водород восстанавливает металлы из их оксидов:

CuO + H₂ ^t H₂O + Cu¯

VI. Важнейшие соединения:

Важнейшим соединением водорода является ВОДА (H₂O).

Вода прозрачна, без запаха, без вкуса, плотность равна 1г/см³(при t- 4^oC), может быть в трех агрегатных состояниях:

1. Твердое вещество, жидкая вода переходит в твердое состояние при t = 0^oC

2. Жидкость

3. Газообразное состояние (пар)

Вода плохо проводит тепло и электрический ток, хороший растворитель. Молекула воды имеет угловую форму, атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол = 104,5^o. Вода – диполь.

В жидкой воде вместе с обычными молекулами существуют ассоциированные молекулы, связанные между собой водородными связями: (H₂O)×n

Вода бывает гигроскопическая. Это вода, содержащаяся в порах и смачивающая многие вещества с поверхности.

Вещества с повышенной способностью притягивать воду (влагу) называются гигроскопическими.

Минеральная вода - вода, содержащая в I л более 1г растворенных минеральных веществ.

Способы очистки воды:

1. Фильтрование– освобождение воды от механических примесей при пропускании через мелкопористый материал. В качестве фильтра используют: вату, фильтровальную бумагу, ткани, активированный уголь, смесь песка и гравия.

2. Дистилляция (перегонка). Этот вид очистки воды проводят в дистилляторах. В них воду превращают в пар, затем конденсируют в холодильнике и в приемнике собирается чистая вода. Примеси остаются в перегонной колбе.

Хлорирование – это обеззараживание воды.

Жесткость воды:

Общая жесткость воды обусловлена присутствием в ней катионов Mg²⁺ и Са²⁺, анионов НСО₃^- и SO₄^2- .

В жесткой воде мыло не пенится, плохо развариваются овощи, ухудшается качество тканей, в котлах много накипи…

Жесткость бывает:

1. Временная (гидрокарбонатная) – этот вид жесткости устраняется, как правило кипячением. Обусловлена эта жесткость присутствием катионов Mg²⁺ ,Са²⁺ и анионом НСО₃^-

Ca(HCO₃)₂ ^t Ca CO₃¯ + СО₂ ­+ H₂O

Мg(HCO₃)₂ ^t Мg CO₃¯ + СО₂­ + H₂O

Ее можно устранить также химическим путем:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(ОН) ₂ ® 2 Ca CO₃¯ + 2 H₂O

Известковая

Вода

2. Постоянная жесткость - жесткость, обусловленная

присутствием ионов Mg²⁺ , Ca²⁺ и SO₄^2- и её нельзя устранить при кипячении.

Ее можно устранить химическим путем:

CaSO₄ + Na₂ CO₃ ® Ca CO₃¯ + Na₂ SO₄

Устранить жесткость воды можно также при помощи катионитов и анионитов. Катиониты и аниониты называют по-другому иониты. Катиониты - это иониты (ионно-обменные смолы), которые могут обменивать свои катионы на катионы среды.

Аниониты – это иониты, которые могут обменивать свои анионы на анионы среды.

Если пропустить воду через слои катионита, то катионы (чаще всего это соединения содержащие катионы натрия) будут обмениваться на ионы Ca²⁺ и Mg²⁺, содержащиеся в воде. Жесткость при этом устраняется.

Na₂R + Ca²⁺ ® 2 Na⁺ + Ca R

Катионит

Na₂R + Mg²⁺ ® 2 Na⁺ + Mg R

В качестве катионов можно использовать ионно-обменные смолы и алюмосиликаты:

1. пермутит NaAlSiO₄

2NaAlSiO₄ + CaSO₄® Ca(AlSiO₄) ₂ + Na₂SO₄

2. ионно-обменная смола : Na₂[ Al₂Si₂O₈•H₂O]

Если катиониты, содержащие катионы Ca²⁺, Mg²⁺ (MgR,Ca R) выдержат в растворе NaCl, то катионы Na⁺ замещают катионы Ca²⁺ и Mg²⁺ и регенированный катионит можно снова использовать для смягчения воды.

CaR + 2Na⁺ ® Na₂R + Ca²⁺

MgR +2Na⁺ ® Na₂R + Mg²⁺

По значению жесткости природную воду различают:

1. очень мягкая

2. мягкая

3. средней жесткости

4. жесткая

5. очень жесткая

Химические свойства воды:

Вода взаимодействует:

1. с металлами

Ca + 2H₂O ® Ca(OH) ₂ + Н₂ ­

2Li + 2H₂O ® 2LiOH + Н₂ ­

2. с неметаллами:

H₂O + CI₂ ® HCIO + HCI

3. с оксидами:

а) с основными оксидами:

Na₂O + H₂ O ® 2NaOH

б) с кислотными оксидами:

1. CO₂ + H₂O Û H₂ CO₃

2. SO₂ + H₂ O Û H₂ SO₃

3. SO₃ + H₂ O ® H₂ SO₄

4. с основаниями:

NaOH + H₂ O ® NaOH·H₂ O + Q

5. с кислотами:

H₂ SO₄+ 2H₂O® H₂ SO₄·2H₂O+ Q

конц.

6. с солями, образуя кристаллогидраты:

а) 10 H₂ O + Na₂ СO₃ ® Na₂ СO₃·10 H₂ O

б) 5 H₂ O + СuSO₄ ® СuSO₄·5 H₂ O

Кристаллизационная вода – вода, входящая в состав кристаллов.

Кристаллогидраты – это вещества, содержащие кристаллизационную воду.

7. гидролиз солей:

Na₂CO₃ + H₂O « NaOH + NaHCO₃

Тяжелая вода – это вода, содержащая в своем составе изотопы: дейтерий и тритий.

С тяжелой водой реакции протекают медленнее, ее применяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакциях.

VII. Применение водорода и его соединений:

1. Для наполнения аэростатов и дирижаблей в смеси с гелием.

2. Водородно-кислородным пламенем режут и сваривают металлы.

3. Используют для получения редких металлов, как восстановитель.

MoO₃ + 3H₂ ^t Mo + 3H₂O

4. Используют для получения аммиака, из которого в свою очередь получают НNO₃ и азотные удобрения.

5. В органическом синтезе водород используют в реакциях гидрирования. Гидрирование это присоединение водорода.

6. Дейтерий и тритий применяют в атомной энергетике, как термоядерное горючее.

7. Водород используется для синтеза соляной кислоты:

H₂ + CI₂ ® 2HCI

8. Вода используется как растворитель

Без H₂O не возможна жизнь. В живых организмах воды » 63% по весу. Медузы и водоросли содержат до 90 % воды. Без воды человек может обойтись не более 3-4 суток.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: