[МУЗЫКА] [МУЗЫКА]

[МУЗЫКА] Перейдём

к рассмотрению химических свойств водорода и его соединений.

Начнём с простого вещества H2.

Энергия связи H−H равна 432 кДж/моль.

Это одна из самых прочных одинарных ковалентных связей.

Именно эта энергия обуславливает многие особенности химических свойств водорода.

Среди них следует отметить низкую реакционную способность H2.

Для протекания реакций с водородом требуются повышенные температуры.

Чаще всего водород в своих реакциях выступает восстановителем.

Очень важным является то, что водород способен к хемосорбции на поверхности

некоторых металлов, таких как палладий или платина.

В этом процессе молекула водорода сначала адсорбируется

на поверхности этого металла, а потом диссоциирует на атомы.

И именно поэтому палладий и платина часто выступают в роли катализаторов

в реакциях с участием молекулярного водорода.

Рассмотрим окислительно-восстановительные свойства молекулярного водорода.

Как я уже отмечал, для степени окисления 0 в водороде возможно проявление

окислительно-восстановительной двойственности.

Однако наиболее характерными, безусловно,

являются восстановительные свойства водорода.

Но только при повышенной температуре или в условиях ультрафиолетового облучения.

Так, например, водород восстанавливает многие оксиды металлов,

оксид меди до меди и воды.

Эта реакция протекает при нагревании.

Также водород реагирует с хлором, но в условиях ультрафиолетового облучения.

Наиболее важной в практическом отношении является реакция водорода с кислородом,

протекание которой мы наблюдали в прошлой лекции.

Очень подробно исследовал эту реакцию наш соотечественник

Николай Николаевич Семёнов,

за что был удостоен Нобелевской премии по химии в 1956 году.

Он открыл радикальный характер этой реакции, смог описать все её стадии.

Оказывается, смесь водорода с кислородом взрывается не так-то просто.

Вы можете совершенно спокойно смешать водород и кислород при

комнатной температуре,

а взорвётся эта смесь лишь только при повышении температуры до 400–500 градусов.

Окислительные свойства для водорода менее характерны.

Он готов проявлять эти свойства лишь только в реакциях с сильными

восстановителями, такими как щелочные металлы.

Реакция натрия с водородом протекает при повышенной температуре,

и образуется гидрид натрия, NaH.

Это ионное соединение, по своему строению напоминающее обычную соль NaCl.

Каковы окислительно-восстановительные свойства водорода в степенях

окисления +1 и −1?

+1 — это наивысшая степень окисления для водорода,

поэтому он может быть только окислителем.

Он может принять 2 электрона и образовать молекулу H2.

Эта реакция — 2H+ + 2 электрона = H2 хорошо вам известна по курсу

физической химии.

Это так называемый стандартный водородный электрон.

Его потенциал равен 0.

Именно от него отсчитываются потенциалы многих других

окислительно-восстановительных процессов.

Именно эту реакцию мы проводим в аппарате Киппа, когда действуем соляной кислотой на

цинк, получаем ZnCl2 и молекулярный газообразный водород.

В степени окисления −1 водород образует анион H−.

Это минимально возможная для водорода степень окисления, поэтому в этой степени

окисления водород проявляет только восстановительные свойства.

Причём сильные.

Так, в реакции NaH с водой образуется NaOH, и снова выделяется водород.

Для частиц H+ и H− характерны не только окислительно-восстановительные,

но также и донорно-акцепторные свойства.

H+, не имея электронов, но имея вакантную орбиталь,

проявляет свойства акцептора электронной пары и может образовывать химические связи

с донорами электронной пары, важнейшим из которых, конечно же, является вода.

H2O + H+ получается катион гидроксония H3O+.

Очень важна и другая реакция.

Аммиак + H+ получается NH4+, катион аммония.

H−, имея, напротив, электронную пару, является её донором и может вступать

в реакции с кислотами Льюиса, то есть с частицами, имеющими вакантную орбиталь.

Наиболее популярные из таких частиц — это BH3,

в результате этой реакции образуется анион BH4−.

Тетрагидроборат анион.

Или AlH3.

В результате реакции с H− образуется AlH4−.

Тетрагидроалюминат анион.

Эти анионы входят в состав удобных в лабораторной практике восстановителей.

Тетрагидробората натрия, NaBH4, и тетрагидроалюминала лития, LiAlH4.

Их гораздо удобнее хранить и дозировать, чем гидриды щелочных металлов.

Поэтому они нашли широкое применение в лаборатории в качестве восстановителей как

в неорганической, так и в органической химии.

Чуть подробнее рассмотрим катион гидроксония.

Ионизация водорода H с образованием H+ и электрона,

очень невыгодна в газовой фазе, требует колоссальных затрат энергии.

Но эта энергия сполна компенсируется при образовании катиона гидроксония.

Однако в воде за счёт образования водородных связей образуются и более

сложно устроенные катионы состава H5O2+,

H7O3+, даже H9O4+.

В недавних работах было показано, что в воде возможно образование катионов

гидроксония с количеством молекул воды до 20 на 1 протон H+.

Что же такое водородная связь?

Водородная связь — это форма ассоциации между электроотрицательным атомом,

имеющим неподелённую электронную пару, и атомом водорода,

ковалентно связанным с другим электроотрицательным атомом.

Такие электроотрицательные атомы могут быть фтор, кислород и азот.

То есть только элементы второго периода способные образовывать сильные

водородные связи.

Наличие водородных связей в веществах принципиальным образом влияет на

их физические и химические свойства.

Так именно из-за того, что в воде присутствуют водородные связи,

температуры кипения и плавления воды столь высоки по сравнению с

другими водородными соединениями этой же группы.

Какова же энергия водородной связи?

Давайте посмотрим на жидкий аммиак.

В жидком аммиаке энергия водородной связи всего лишь 17 кДж/моль.

Тогда как энергия ковалентной связи N—H 386 кДж/моль.

В жидкой воде энергия водородной связи 22 кДж/моль,

тогда как энергия ковалентной связи O—H 464 кДж/моль.

Вот такая вот незначительная добавка в энергии способна привести к заметному

изменению как физических, так и химических свойств.

Самая же сильная водородная связь реализуется в ионе HF2−, который может

образовываться в растворах плавиковой кислоты, куда добавляется щёлочь.

Энергия ковалентной связи в этом соединении 165 кДж/моль.

И это уже сравнимо с энергией ковалентной связи.

К слову, энергия ковалентной связи F—H в молекуле HF 565 кДж/моль.

Ну а дальше мы рассмотрим с вами соединения водорода и их

химические свойства.

3.2. Свойства водорода

Неорганическая химия

Rencontrer les enseignants