Алина Шоричева - От водорода до мейтнерия: неорганика на ладони. Книга первая: металлы и неметаллы главных подгрупп таблицы Менделеева

Будем знакомы

Химический элемент Н (водород) в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева (здесь и далее – ПСХЭ) занимает клеточку-«квартиру» под номером 1. Правда, размещаться она имеет право сразу в двух местах: главной подгруппе I группы (IA) и главной подгруппе VII группы (VIIA).

Строение атома водорода: ядро (1 протон, 0 нейтронов) и 1 электрон.

Строение атома водорода (слева) и распределение электронов на s-орбитали (справа)

Водород может «отдать» свой единственный электрон другому атому, проявляя свойства восстановителя. В этом отношении он близок к щелочным металлам (IA группа). А может присоединить 1 электрон, стать окислителем, как неметаллы VIIA группы.

Водород как восстановитель и как окислитель

В соединениях водород имеет валентность I.

Это интересно

Помните, водород существует в виде трех изотопов:

– протий. Самый распространенный. Строение его атома: 1 протон, 0 нейтронов, 1 электрон;

– дейтерий («тяжелый» водород). Строение атома: 1 протон, 1 нейтрон, 1 электрон;

– тритий. Еще тяжелее предыдущих за счет дополнительного нейтрона. Строение атома: 1 протон, 2 нейтрона и 1 электрон. Радиоактивен.

Какой я?

Молекулы простого вещества водорода состоят из двух атомов.

Это газ без цвета, вкуса и запаха. Легче воздуха. В воде нерастворим (обратим внимание на это свойство!). Температура кипения составляет -253 градуса. Взрывоопасен!

Получение водорода

Способы получения водорода различаются в зависимости от назначения газа. Водород получают как в лабораторном кабинете (для исследований), так и на заводе для нужд промышленности.

Получение водорода в лаборатории. Газ собирают в перевернутую вверх дном пробирку путем вытеснения воздуха (водород легче воздуха) или воды (в воде водород как раз нерастворим)

Водород активно используется в химической промышленности. Он необходим для производства аммиака, хлороводорода, метанола. С помощью водорода можно получить некоторые металлы из их оксидов. Без водорода не обойтись и при производстве твердых жиров (маргарин) из жидких. А в смеси с кислородом водород возгорается, температуры такого пламени достаточно для сварки металлов.

Основные способы получения водорода в промышленности

Химические свойства водорода

1. Реакции с металлами (щелочными и щелочно-земельными). При нагревании.

2. Реакции с неметаллами (с образованием летучих водородных соединений).

На заметку: с фосфором и кремнием непосредственно водород не реагирует! Газы фосфин и силан образуются косвенным путем

3. Реакции с оксидами металлов. Водород – в роли восстановителя. Он «забирает» себе кислород у оксида (окисляется). Так получают в промышленности некоторые металлы (медь, железо, молибден, вольфрам, цирконий).

Такой способ получения металлов называют водородотермией

4. Реакция с угарным газом как промышленный способ получения метанола.

И напоследок…

1. «Чистый» водород без примеси воздуха не взрывается, а сгорает тихо, со свистом.

2. Водород благодаря малым размерам атома при определенном давлении способен растворяться в расплавах ряда металлов. Затем при охлаждении, когда металл затвердевает, часть водорода как бы «испаряется», так получают пористые металлические структуры.

Наш следующий «химический» герой – всем известный кислород, неметалл, с которым ассоциируется не «что-нибудь», а воздух, дыхание, значит, и сама жизнь.

«Квартира» кислорода в ПСХЭ Д. И. Менделеева имеет номер 8 (второй период, VIА группа). Строение его атома (имеются в виду атомы наиболее распространенных в природе изотопов): ядро (8 протонов, 8 нейтронов) и 8 электронов.

До завершения внешнего энергетического уровня кислороду не хватает двух электронов. Он может принять их и получить степень окисления -2. Это самая распространенная степень окисления кислорода в соединениях. Вступая в реакцию с более электроотрицательным фтором, кислород наоборот «отдает» 2 своих электрона и приобретает степень окисления +2. В пероксидах степень окисления кислорода -1.

Строение атома кислорода (слева) и распределение электронов на уровнях и орбиталях (справа)

Простое вещество «кислород» состоит из двух атомов и по агрегатному состоянию является газом. Чтобы запомнить физические свойства кислорода, не будем ходить далеко, вдохнем полной грудью воздух вокруг нас (эх, хорошо бы сейчас где-нибудь на берегу моря оказаться). Есть ли вкус у газа? Нет. И запаха нет. И цвета тоже нет. Неядовитый.

Кислород мало растворим в воде, температура кипения -183 градуса. Жидкий кислород имеет голубоватый цвет.

Впервые кислород был получен английским исследователем Джозефом Пристли в 1774 году. Открытие состоялось, в общем-то, неожиданно. С помощью линзы Пристли собирал солнечные лучи и направлял их на пробирку с красным оксидом ртути. Пробирка была развернута вверх дном и помещена в сосуд с жидкой ртутью. Оксид ртути сильно нагревался и разлагался на составляющие: ртуть и кислород, который собирался в основании пробирки. Джозеф Пристли заметил, если в этот неизвестный газ внести тлеющую лучинку, она разгорится с новой силой.

Сейчас кислород по способу Джозефа Пристли не получают, ведь пары ртути и ее соединения ядовиты.

В настоящее время кислород в лабораторных условиях получают разложением некоторых веществ: перманганата калия («марганцовка»), нитратов активных металлов, перекиси водорода, хлората калия (бертолетова соль). Причем для последних двух реакций требуется присутствие катализатора – оксида марганца (IV).