Какие свойства проявляет водородное соединение
Важнейшей характеристикой соединений водорода с другими элементами является их кислотно-основное поведение в водном растворе, т.е. их склонность при растворении в воде отдавать протон или же, наоборот, захватывать его. Ясно, что такая особая роль воды (кислотно-основные свойства можно рассматривать и не в водных растворах, например в жидком аммиаке). Связана с тем, что мы живем на планете, где вода имеет первостепенное значение. Если протоны переходят от водородного соединения к молекулам воды, то это соединение проявляет свойства кислоты, а если оно захватывает их, свойства основания. В первом случае в растворе повышается концентрация ионов H+, а во втором OH—, т.е.
HnЭ + H2O ↔ Hn-1Э + H3O+
HnЭ + H2O ↔ Hn+1Э + OH—
Так, для HCl имеет место кислотная ионизация: взаимодействие протона с O2- сильнее, чем с Cl—, поэтому молекулы воды оттягивают протон от молекулы HCl. Наоборот, молекула NH3 может отнять протон у молекулы воды и превратиться в NH4+. Чем менее прочно удерживает молекула HnЭ частицы водорода, тем труднее ей присоединить дополнительный протон.
Степень и характер кислотно-основной ионизации в системе из двух соединений водорода зависят от их донорно-акцепторной активности. Так, в ряду HF — H2O — H3N в соответствии с уменьшением числа неподеленных электронных пар возрастает сродство к протону. Поскольку сродство к протону у аммиака (9,3 эВ) больше, чем у воды (7,9 эВ), кислоты – слабые в водных растворах, в жидком аммиака – сильные. Например, HCN в воде – очень слабая кислота, а в жидком аммиаке ионизируется почти также, как азотная кислота в воде. В жидком аммиаке кислотные свойства проявляют даже некоторые углеводороды. Вода при растворении во фтороводороде ведет себя как основание.
Присущая водороду, как неметаллическому элементу, тенденция к образованию анионных комплексов – гидрогенатов реализуется, например, в следующих реакциях:
KF + HF = K[HF2] – дифторгидрогенат калия
KNO3 + HNO3 = K[(HNO3)2] – динитратогидрогенат калия
Гидрогенат-комплексы образуются за счет водородной связи:
[F···H···F]—
[O2NO···H···ONO2]—
Они имеют линейное строение. Их образование можно объяснить следующим образом. Орбитали иона HF2— возникают за счет линейной комбинации орбитали центрального атома νs (1s орбиталь водорода) и групповых орбиталей периферических атомов ν1, ν2 (2pz орбиталей двух атомов фтора):
По условиям симметрии сочетание νs и ν1-орбиталей приводит к образованию св¤зывающей σs и разрыхляющей σs*-орбитали иона HF2—
ν(σs) = νs + ν1
ν(σs*) = νs — ν1
Для групповой орбитали ν2 подходящей по условиям симметрии орбитали центрального атома нет, поэтому в ионе HF2— орбиталь ν2 играет роль несвязывающей. 4 электрона (1 от атома водорода, 2 от двух атомов фтора и 1 за счет заряда иона) распределяются на молекулярных связывающей σ и несвязывающей σ*-орбиталях.
Энергетическая диаграмма образования орбиталей иона HF2—.
Схема образования орбиталей иона HF2—.
Нахождение электрона на молекулярной несвязывающей σ0-орбитали соответствует концентрации избыточного отрицательного заряда на концевых атомах. Следовательно, гидрогенат-ионы типа HX2— должны быть наиболее стабильными в том случае, когда X2— наиболее электроотрицательные атомы или их группировки. Так, в ионе HF2— связь почти в 3 раза прочнее межмолекулярной водородной связи.
Большинство гидрогенатов может существовать лишь в неводных или насыщенных водных растворах, а также в твердом состоянии.
Атомы водорода входят также в состав гидросолей типа NaHS, NaHCO3, NaHSO4. Группы HS—, HCO3—, HSO4— могут существовать в виде свободных ионов, называемых соответственно гидросульфид-, гидрокарбонат- и гидросульфат-ионами. Структура таких солей в твердом состоянии также обуславливается водородной связью. Ниже схематически показана структура NaHCO3:
Кислотно-основные свойства водородных соединений считаются одной из важнейших частей химических свойств элемента. Поэтому ниже рассматриваются только некоторые общие закономерности.
Водородные соединения элементов VI и VII групп являются кислотами. Галогеноводороды, за исключением фтороводорода, являются сильными кислотами и при растворении в воде необратимо передают свои протоны молекулам последней:
HX + H2O = H3O+ + X— (X = Cl, Br, I)
В молекуле HF из-за повышенной плотности перекрывания связь H-F имеет особенно высокую прочность, поэтому реакция перехода протона от его молекулы к молекуле воды обратима:
HF + H2O ↔ H3O+ + F—, K = 7,2·10-4
Плотность перекрывания а, следовательно, и прочность связи H-X при движении вниз по группе быстро падает, поэтому склонность к отдаче протона по ряду HCl – HBr – HI растет. В водной среде этот эффект незаметен, поскольку уже HCl реагирует с H2O необратимо, но в других растворителях эффект можно наблюдать экспериментально.
Та же закономерность по той же причине наблюдается у водородных соединений элементов VI группы: S, Se и Te. Поскольку протоны в их молекулах связаны сильнее, чем в галогеноводородах, они являются гораздо более слабыми кислотами.
Прочность связывания протона для водородных соединений элементов V группы еще более возрастает. Поэтому при растворении в воде аммиака перенос протонов происходит уже не к воде, а от нее:
NH3 + H2O = NH4+ + OH—
Т.е. аммиак представляет собой основание. Однако общая закономерность ослабления связывания протонов при движении вниз по группе сохраняет силу с той лишь разницей, что вместо усиления склонности к отдаче протона наблюдается резкое ослабление стремления к его присоединению. Поэтому фосфин (PH3) еще сохраняет очень слабые основные свойства, реагируя с наиболее сильными кислотами HI или HClO4, но соединения остальных элементов V группы в кислотно-основном отношении по существу инертны.
Водородные соединения элементов IV группы не могут ни отдавать протон из-за прочности связи H-X и слабой ее полярности, ни захватывать их из-за координационной насыщенности.
Гидрид-ионы, точнее атомы водорода в степени окисления -1, входящие в состав соединений непереходных элементов III группы и особенно II и I групп, ведут себя как чрезвычайно сильные основания, взаимодействуя с протонами по схеме
H— + H+ = H20
Что же касается соединений водорода с переходными металлами, то из-за преимущественно металлической связи в кислотно-основные взаимодействия они обычно не вступают.
Источник
Водородные соединения неметаллов представляют собой газообразные соединения, кроме воды. Они летучие и легкоподвижные, быстроиспаряемые.
Электроотрицательность неметаллов больше электроотрицательности водорода, поэтому в водородных соединениях неметаллы проявляют минимальную отрицательную степень окисления: углерод — минус четыре, азот — минус три, фосфор — минус три и так далее.
Водородные соединения неметаллов проявляют основные, кислотные или амфотерные свойства. Водородные соединения неметаллов являются, как правило, сильными восстановителями.
Так, углероду соответствует водородное соединение – метан, кремнию – силан, азоту – аммиак, фосфору – фосфин, мышьяку – арсин, кислороду – вода, сере – сероводород, селену – селеноводород, тэллуру – тэллуроводород, фтору – фтороводород, хлору – хлороводород, брому – бромоводород, йоду – йодоводород.
Водородные соединения неметаллов можно получить непосредственно взаимодействием неметалла с водородом. Сероводород можно получить реакцией водорода с серой, хлороводород – реакцией водорода с хлором, воду – реакцией водорода и кислорода, аммиак – реакцией водорода и азота.
В водородных соединениях присутствует ковалентная полярная связь, они имеют молекулярную кристаллическую решётку.
Как известно, электроотрицательность усиливается по периоду слева направо, поэтому полярность связи в водородных соединениях возрастает, а в группах сверху вниз электроотрицательность уменьшается, поэтому и полярность связи будет уменьшаться.
Если рассмотреть третий период, то от силена до хлороводорода будет наблюдаться усиление полярности связи из-за увеличения электроотрицательности неметаллов.
В седьмой A группе сверху вниз будет идти уменьшение полярности связи от фтороводорода к йодоводороду, потому что идёт уменьшение электрооотрицательности элемента-неметалла в водородном соединении.
Полярность связи влияет на растворимость водородного соединения в воде. Например, так как молекула воды сильно полярна, то возникает сильное межмолекулярное взаимодействие с образованием водородных связей.
Если рассмотреть водородные соединения неметаллов третьего периода, то здесь можно проследить следующую закономерность: при растворении в воде силана не наблюдается проявление кислотно-основного характера соединения, он сразу сгорает в кислороде, фосфин в воде даёт слабую основную среду, сероводород – слабую кислую среду, а хлороводород – сильнокислую среду. Это объясняется тем, что от силана до хлороводорода радиус иона неметалла уменьшается, а заряд ядра увеличивается, полярность связи в молекулах возрастает, поэтому усиливаются кислотные свойства.
В группах сверху вниз кислотные свойства водородных соединений неметаллов усиливаются, так как прочность связи водород-элемент уменьшается, из-за увеличения длины связи.
Например, водородные соединения седьмой A группы: хлороводород, бромоводород, йодоводород в воде – это сильные кислоты, которые полностью диссоциируют. Из этих кислот самой слабой является фтороводородная. Это объясняется тем, что у фтора самый маленький радиус, кроме этого, в этой молекуле присутствуют межмолекулярные водородные связи.
Таким образом, в периодах и группах главных подгруппах с увеличением заряда ядер элементов-неметаллов усиливаются кислотные свойства, а ослабевают основные свойства.
Например, водный раствор хлороводорода – проявляет кислотные свойства, поэтому реагирует со щелочами. Так, в реакции соляной кислоты с гидроксидом натрия образуется соль – хлорид натрия и вода. Водный раствор аммиака проявляет основные свойства, поэтому реагирует с кислотами. Так, в реакции аммиака с серной кислотой образуется сульфат аммония и вода.
Как было сказано, водородные соединения неметаллов проявляют восстановительные свойства, так как элемент-неметалл здесь в минимальной степени окисления. Например, в реакции сероводорода с хлором сероводород является восстановителем, потому что сера повышает свою степень окисления с минус двух до нуля.
Таким образом, все солеобразующие оксиды, образованные неметаллами, обладают кислотными свойствами, а сила кислотного оксида зависит от степени окисления неметалла и радиуса иона. В периодах слева направо кислотный характер гидроксидов, образованных оксидами неметаллов усиливается, а в группах сверху вниз кислотный характер гидроксидов ослабевает. В периодах слева направо кислотные свойства летучих водородных соединений элементов в водных растворах усиливаются. В группах сверху кислотные свойства водородных соединений увеличиваются. Водородные соединения неметаллов, обладающие в водных растворах кислотными свойствами, реагируют со щелочами. Водородные же соединения неметаллов, обладающие в водных растворах основными свойствами, реагируют с кислотами.
Домашнее задание: выполните в тетрадь один из предложенных вариантов.
Вариант № 1.
Метан и силен.
Цель: Рассмотрите строение метана и силана, особенности их свойств.
Порядок действий:
1. Строение молекулы метана.
а) определите тип химической связи, изобразите механизм образования химической связи в молекуле метана;
б) составьте электронную и структурную формулы метана;
в) охарактеризуйте пространственное строение метана;
г) исчерпаны ли валентные возможности атома углерода в молекуле метана;
д) метан (н.у.) устойчив на воздухе, а силан воспламеняется. Почему?
2. Химические свойства метана.
а) отношение к воде;
б) взаимодействие с галогенами, азотной и серной кислотами. Составьте УХР этих взаимодействий.
в) отношение к нагреванию без доступа кислорода воздуха. Составьте УХР разложения метана.
г) взаимодействие СН4 и SiH4 с кислородом. Составьте УХР горения метана и силана. Чем отличаются реакции взаимодействия с кислородом метана и силена?
Вариант № 2.
Аммиак и фосфин.
Цель: Изучить строение и свойства водородных соединений азота и фосфора.
Порядок действий:
1. Строение молекул аммиака и фосфина.
а) определите тип химической связи в молекулах NH3 и PH3. Какой тип кристаллической решетки имеют вещества?
б) опишите физические свойства этих соединений.
в) составьте электронную формулу аммиака, охарактеризуйте пространственное строение аммиака.
2. Химические свойства аммиака.
а) отношение аммиака к воде и кислотам. Составьте УХР этих взаимодействий.
б) окислительно – восстановительные свойства аммиака. Составьте УХР следующих взаимодействий:
– взаимодействие с кислородом при различных условиях;
– взаимодействие с оксидом меди (II);
– хлор и бром энергично окисляют аммиак до азота.
Чем в этих ОВР выступает аммиак?
Вывод обоснуйте.
Демонстрация: Получение аммиака и растворение его в воде.
Вариант№ 3.
Вода.
Цель: Изучить строение молекулы воды и ее свойства.
Порядок действий:
1. Строение воды
а) Составьте электронную и структурную формулы молекулы воды;
б) Каково пространственное строение молекулы воды?
в) Исчерпаны ли валентные возможности воды?
г) Физические свойства воды.
2. Химические свойства воды.
а) отношение воды к неорганическим веществам:
– металлам;
– неметаллам;
– кислотным и основным оксидам;
– солям.
Составить возможные УХР.
б) отношение к органическим веществам:
– непредельным углеводородам;
– сложным эфирам (жирам);
– углеводам;
– белкам.
Составьте возможные УХР.
в) окислительно-восстановительные свойства воды:
– взаимодействие воды с натрием, углем.
Вариант № 4.
Сероводород.
Цель: Изучить строение и свойства сероводорода.
Порядок действий:
1. Строение молекулы сероводорода:
а) Составьте электронную и структурную формулы молекулы H2S
б) Особенности пространственного строения молекулы сероводорода.
2. Физические и химические свойства сероводорода:
а) особенности физических свойств;
б) химические свойства:
– кислотно-основные (приведите примеры УХР, где сероводород проявляет кислотные свойства);
– окислительно-восстановительные свойства.
Составить УХР горения H2S в кислороде. Закончите УХР взаимодействия сероводорода с раствором перманганата калия в кислой среде (уравнять методом полуреакций).
Вариант № 5.
Галогеноводороды.
Цель: Рассмотреть строение и свойства галогеноводородов.
Порядок действий:
1. На примере хлороводорода рассмотрите электронное строение молекулы. Изобразите электронную и структурную формулы молекулы хлороводорода.
2. Как изменяется сила кислот в ряду HF-HCl-HBr-HI? Почему?
3. Химические свойства галогеноводородов на примере HCl.
– Какими свойствами обладают водные растворы галогеноводородов? Приведите примеры кислотно-основных свойств . Составьте возможные УХР.
– охарактеризуйте отношение водородных соединений галогенов к органическим веществам:
а) алкенам;
б) алкинам;
в) аминам;
г) аминокислотам.
Составьте возможные УХР взаимодействия HCl с органическими веществами.
Домашнюю работу высылать не нужно, просмотрю в школе
Источник
Химические свойства
водорода
При обычных условиях молекулярный Водород сравнительно мало активен, непосредственно соединяясь лишь с наиболее активными из неметаллов (с фтором, а на свету и с хлором). Однако при нагревании он вступает в реакции со многими элементами.
Водород вступает в реакции с простыми и сложными веществами:
– Взаимодействие водорода с металлами приводит к образованию сложных веществ – гидридов, в химических формулах которых атом металла всегда стоит на первом месте:
При высокой температуре Водород непосредственно реагирует с некоторыми металлами (щелочными, щелочноземельными и другими), образуя белые кристаллические вещества – гидриды металлов (LiН, NaН, КН, СаН2 и др.):
Н2 + 2Li = 2LiH
Гидриды металлов легко разлагаются водой с образованием соответствующей щелочи и водорода:
СаH2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2↑
– При взаимодействии водорода с неметаллами образуются летучие водородные соединения. В химической формуле летучего водородного соединения, атом водорода может стоять как на первом так и на втором месте, в зависимости от местонахождения в ПСХЭ (см. табличку в слайде):
1). С кислородом
Водород образует воду:
Видео “Горение водорода”
2Н2 + О2 = 2Н2О + Q
При обычных температурах реакция протекает крайне
медленно, выше 550°С – со взрывом (смесь
2 объемов Н2 и 1 объема О2 называется гремучим газом).
Видео “Взрыв гремучего газа”
Видео “Приготовление и взрыв гремучей смеси”
2). С галогенами
Водород образует галогеноводороды, например:
Н2 + Cl2 = 2НСl
При этом с фтором Водород взрывается (даже в темноте и
при – 252°С), с хлором и бромом реагирует лишь при освещении или нагревании, а
с йодом только при нагревании.
3). С азотом
Водород взаимодействует с образованием аммиака:
ЗН2 + N2 = 2NН3
лишь на катализаторе и при повышенных температуpax и
давлениях.
4). При нагревании Водород энергично реагирует с серой:
Н2 + S = H2S (сероводород),
значительно труднее с селеном и теллуром.
5). С чистым
углеродом Водород может реагировать без катализатора только при высоких
температуpax:
2Н2 + С (аморфный) = СН4 (метан)
– Водород вступает в реакцию замещения с оксидами металлов, при этом образуются в продуктах вода и восстанавливается металл. Водород – проявляет свойства восстановителя:
Водород используется для восстановления многих металлов, так как отнимает кислород у их
оксидов:
CuO + H2 = Cu + H2O,
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe +
4Н2О, и т. д.
Применение
водорода
Видео “Применение водорода”
В настоящее время водород получают в огромных
количествах. Очень большую часть его используют при синтезе аммиака,
гидрогенизации жиров и при гидрировании угля, масел и углеводородов. Кроме
того, водород применяют для синтеза соляной кислоты, метилового спирта,
синильной кислоты, при сварке и ковке металлов, а также при изготовлении ламп
накаливания и драгоценных камней. В продажу водород поступает в баллонах под
давлением свыше 150 атм. Они окрашены в тёмно-зелёный цвет и снабжаются красной
надписью “Водород”.
Водород используется для
превращения жидких жиров в твердые (гидрогенизация), производства жидкого
топлива гидрогенизацией углей и мазута. В металлургии водород используют как
восстановитель оксидов или хлоридов для получения металлов и неметаллов
(германия, кремния, галлия, циркония, гафния, молибдена, вольфрама и др.).
Практическое применение водорода
многообразно: им обычно заполняют шары-зонды, в химической промышленности он
служит сырьём для получения многих весьма важных продуктов (аммиака и др.), в
пищевой – для выработки из растительных масел твёрдых жиров и т. д. Высокая
температура (до 2600 °С), получающаяся при горении водорода в кислороде,
используется для плавления тугоплавких металлов, кварца и т. п. Жидкий водород
является одним из наиболее эффективных реактивных топлив. Ежегодное мировое
потребление водорода превышает 1 млн. т.
ТРЕНАЖЕРЫ
№1. Химические свойства водорода
№2. Водород
ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ
Задание №1
Составьте уравнения реакций взаимодействия водорода со следующими веществами: F2, Ca, Al2O3, оксидом ртути (II), оксидом вольфрама (VI). Назовите продукты реакции, укажите типы реакций.
Задание №2
Осуществите превращения по схеме:
H2O -> H2 -> H2S -> SO2
Задание №3.
Вычислите массу воды, которую можно получить при сжигании 8 г водорода?
Источник