РАЗДЕЛ II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

9. Неметаллические элементы и их соединения. Неметаллы

Атомы неметаллических элементов имеют на внешнем энергетическом уровне (кроме энергетических элементов) значительное количество электронов (от четырех до семи) и способны присоединять определенное число электронов, а именно столько, сколько их не хватает до октета.

Рассмотрим электронное строение атома Кислорода: ₈O 1s²2s²2p⁴.

До завершения внешнего энергетического уровня не хватает двух электронов, поэтому что их во внешнем электронном слое имеется шесть. Следовательно, атом Кислорода способен присоединить два электрона и превратиться в отрицательно заряженный ион (анион) Кислорода О^2-. Ядро атома Кислорода содержит 8 протонов определяет заряд ядра (+8). их количество в ионе не изменилась, а вот количество электронов в ионе увеличилось до 10. Общий заряд электронов - -10. Таким образом, суммарный заряд аниона Кислорода - -2:

Рассмотрим еще один пример: установим, йон может образовать атом Хлора.

Электронная формула Хлора - ₁₇Сl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵.

Во внешнем электронном слое в атоме есть семь электронов и до его завершения не хватает одного электрона. Чтобы завершить внешний энергетический уровень, атом может присоединить один электрон и превратиться в ион Сl^-, электронное строение которого будет идентична атома инертного элемента Аргона.

Радиусы атомов и соответствующих анионов почти одинаковые, потому что количество энергетических уровней при образовании отрицательно заряженного иона остается неизменной:

Итак, атомы неметаллических элементов способны присоединять электроны и превращаться в отрицательно заряженные ионы - анионы.

9.1. Водород

Водород - 1-й элемент периодической таблицы (заряд ядра - +1, относится к неметаллических s-элементов. Химический символ - Н, относительная атомная масса - 1. Электронная формула - 1s¹.Валентность - И.

Природный Водород имеет два стабильных изотопа: Протий - ¹Н - и Дейтерий - ²D (²Н). Природного радиоактивного Трития ³Т (³Н) на Земле всего около 2 кг (он имеет космическое происхождение: при бомбардировке атомов Азота атмосферы быстрыми нейтронами образуется Карбон-12 и Тритий).

Молекула водорода содержит два атома Водорода, соединенные крепким ковалентным неполярным связью. Он образуется перекрыванием двух 1s¹ орбиталей обоих атомов:

Водород по электронному строению и способностью образовывать катионы подобный щелочных металлических элементов. В результате отдачи одного валентного электрона атом Водорода легко образует положительно заряженный ион, который называют протоном:

Атом Водорода, как и атомы галогенов, может присоединять один электрон, завершая при этом свой электронный слой. Образуется отрицательно заряженный гидрид-ион:

Следовательно, Водород проявляет степень окисления +1, 0 и реже -1:

Распространенность Водорода в природе

Это самый распространенный элемент Вселенной - около 92 % всех атомов. На Земле Водород в основном случается в связанном виде входит в состав воды (важнейшее природное соединение), нефти, угля, минералов, горных пород и всех живых организмов. Количество атомов Водорода в живых организмах составляет около 50 %. В свободном виде (простое вещество - водород) Водород встречается в составе; воздуха, других природных и вулканических газов, газов нефтяных скважин и в незначительном количестве - в атмосфере (5 · 10^-5 % общего объема).

9.1.1. Водород

Физические свойства

Водород Н₂ - газ без цвета и запаха, плохо растворим в воде, однако хорошо растворим в некоторых металлах (платине, палладии: один объем палладия растворяет 900 объемов водорода). Не ядовитый. Взрывоопасный. Сжижается при температуре -253 °С, а при температуре -259 °С затвердевает. Твердый водород имеет молекулярные кристаллические решетки. Это самый легкий из всех известных газов. Относительная молекулярная масса - 2. Молярная масса 2 г/моль.

Добыча водорода

Лабораторные способы:

1. Взаимодействие металлов (Zn, Fe, Mg, Al) с хлоридной кислотой или с разбавленной сульфатной кислотой:

2. Электролиз воды:

3. Взаимодействие активных металлов с водой:

4. Взаимодействие металлов, которым соответствуют амфотерные оксиды и гидроксиды, с щелочами:

5. Электролиз растворов хлоридов щелочных металлических элементов:

Собирают водород в сосуд двумя способами:

• вытеснением воздуха (пробирку помещают вверх дном);

• вытеснением воды (плохо растворяется в воде).

Промышленные способы:

1. Каталитическое окисление:

2. Конверсия (преобразование) метана с водяным паром:

3. Крекинг углеводородов (метана):

4. При взаимодействии водяных паров с углем (образуется смесь карбон(II) оксида и водорода, которую называют водяным газом):

5. Залізопаровий образом:

Перспективным является метод электролиза воды:

Химические свойства водорода

При нормальных условиях водород довольно малоактивный (реагирует только с фтором). Его реакционная способность повышается при наличии платины или никеля. Это связано с тем, что водород растворяется в этих металлах и при этом его молекулы распадаются на атомы. Атомарный Водород значительно активнее молекулярный водород. В химических реакциях водород обычно выступает как восстановитель, хотя может быть и окисником. Водород реагирует:

1) с простыми веществами:

• проявляя восстановительные свойства в реакциях с неметаллическими элементами:

Смесь двух объемов водорода и одного объема кислорода чрезвычайно взрывоопасная, ее называют гремучим газом, или гремучей смесью:

• проявляя окислительные свойства в реакциях со щелочными и лужноземельними металлами (образует гидриды):

Гидриды - бинарные солеподібні йонни соединения, которые разлагаются водой и кислотами, а также окисляются кислородом:

2) с оксидами металлических и неметаллических элементов при высокой температуре, восстанавливая их:

3) с угарным газом, образуя метанол (катализатор - CuO, ZnO):

4) при стандартных условиях с некоторыми солями менее активных металлических элементов (Hg, Ag, Pd, Au), восстанавливая их:

5) с органическими веществами: алкенами, алкінами, аренами, алкадієнами, альдегидами, некоторыми жирами (реакции присоединения):

Применение водорода

Водород используют для синтеза аммиака, хлороводорода, органических веществ; как восстановитель в металлургии; в пищевой промышленности для гидрогенизации растительных жиров; жидкий водород является ракетным топливом; кислородно-водородным пламенем режут и сваривают металлы.

Актуальным является решение в будущем проблемы применения водорода как экологически чистого топлива для автомобилей. Перспективным является также использование Дейтерия и Трития для управляемого термоядерного синтеза (УТС).

Наиболее интересными бинарными соединениями Водорода является вода и гидроген пероксид.