[МУЗЫКА] [МУЗЫКА]

[МУЗЫКА] Водород

образует бинарные соединения практически со всеми элементами периодической системы.

Эти бинарные соединения можно разделить на три класса: молекулярные

соединения с водородом, ионные гидриды и металлоподобные гидриды.

Я уже отмечал, что водород растворяется в некоторых металлах, например,

палладии или платине, а также в их сплавах, например, сплав лантана и никеля,

состав LaNi5, поглощает три молекулы водорода, и образуется гидрид LaNi5H6.

Такой металлоподобный гидрид используется в лаборатории для получения

сверхчистого водорода.

Ионные гидриды — это соединения типа LiH, NaH,

CaH2 и другие образуют щелочные и щелочноземельные металлы.

Это чрезвычайно сильные восстановители, и чаще всего они используются в лаборатории

именно в этом качестве, но чаще всего используется соединение,

содержащее алюминий или бор, например, NaBH4или LiAlH4.

А вот молекулярные соединения разделяются на три группы: электронно-достаточные

соединения, электронно-дефицитные и электронно-избыточные соединения.

Давайте рассмотрим их подробнее.

Электронно-достаточными молекулярными соединениями водорода называются

соединения, в которых все валентные электроны центрального атома участвуют в

образовании химических связей.

Наиболее характерны эти соединения для элементов четвертой группы главной

подгруппы, и важнейшим из них является метан CH4,

это основной компонент природного газа.

Вы наверняка знаете, что Россия является одним из основных поставщиков

природного газа на мировом рынке.

Природный газ поставляется либо по трубам,

либо в сжиженном виде, так называемый сжиженный природный газ.

Он сжижается при температуре −162 °C.

Надо отметить, что метан — лишь первый представитель,

родоначальник целого огромного класса соединений углерода с водородом,

которые называются углеводороды.

Подробно эти соединения вы будете изучать в курсе органической химии.

Отмечу, что аналоги метана по группе также

существуют, это SiH4 силан или GeH4 герман.

Однако их устойчивость принципиально ниже, так SiH4 легко сгорает на воздухе.

Электронно-дефицитные молекулярные соединения характерны для элементов

третьей группы главной подгруппы.

Здесь нужно отметить важнейшего представителя — B2H6, это диборан.

Почему же такие соединения называются электронно-дефицитными?

Давайте подсчитаем количество валентных электронов.

У бора их три, учитываем, что таких атомов в составе молекул два, шесть электронов.

Также шесть электронов дает водород, итого 12.

Однако химических связей восемь, и для образования всех химических

связей двух электронных нам потребуется 16 электронов.

Электронов не хватает,

поэтому это соединение и называется электронно-дефицитным.

Что такое электронно-избыточные соединения?

Это, напротив, соединения, в которых есть свободные электронные пары.

Такие соединения характерны для элементов пятой,

шестой и седьмой групп периодической системы главных подгрупп.

Например, NH3, H2O, HF.

Во всех этих соединениях на центральном атоме азота, кислорода или

фтора имеются неподеленные электронные пары, а также имеется атом водорода,

ковалентно связанный с центральным атомом, поэтому для этих соединений

чрезвычайно важным является способность образовывать водородные связи.

К чему же приводит образование водородных связей в таких молекулярных соединениях?

К тому, что физические и химические свойства принципиально отличаются от

физических и химических свойств аналогов этих соединений по группам.

Давайте посмотрим на график зависимости температуры кипения различных бинарных

соединений водорода с элементами V, VI и VII групп периодической системы.

Вы видите, что первые представители этого ряда: NH3,

H2O и HF принципиально выбиваются из общей тенденции

увеличения температуры кипения по мере увеличения молекулярной массы.

Высокие температуры кипения аммиака,

воды и HF связаны с образованием водородных связей в этих веществах.

Отдельно акцентируем внимание на так называемом атомарном водороде.

Что это такое?

Это, по сути, атомы водорода, и их реакционная

способность чрезвычайно высокая, гораздо выше, чем у молекулярного водорода,

поскольку уже не требуется разрывать связь H-H с высокой энергией 432 кДж/моль.

Как можно получить атомарный водород?

Самым элементарным способом является действие электрического

газового разряда на молекулярный водород.

Однако не очень удобно использовать этот способ в лаборатории.

Более продуктивным подходом является получение атомарного

водорода в момент выделения молекулярного.

В этот момент водород выделяется в атомарном виде,

это легко продемонстрировать с помощью опыта.

Так, молекулярный водород не восстанавливает даже такие сильные

окислители, как перманганат калия.

А водород в момент выделения, по сути,

атомарный водород легко восстанавливает перманганат калия.

Посмотрим этот опыт в лаборатории.

Молекулярный водород получают в лаборатории в аппаратах Киппа.

Такой аппарат состоит из трех сосудов.

Верхний и нижний сосуд соединяются друг с другом за счет внутренней трубки.

В верхний сосуд мы заливаем соляную кислоту, в нашем случае она немножечко

подкрашена медным купоросом для более легкого, плавного протекания реакции.

В центральном сосуде находится гранулированный цинк.

При поступлении соляной кислоты по центральной трубке она проливается в

нижний сосуд, выталкивает находящийся там газ в средний сосуд,

и начинает взаимодействовать с цинком с выделением водорода.

Давайте откроем кран и посмотрим, как это происходит.

Вы видите, что происходит заполнение нижнего сосуда,

и соляная кислота поступает в центральной сосуд.

Начинается химическая реакция, водород, выделяющийся в этом сосуде,

через газоотводную трубку поступает туда, куда нам нужно.

Если мы закроем кран у аппарата Киппа, то выделяющийся водород за счет внутреннего

давления вытеснит лишнюю часть кислоты, и реакция автоматически останавливается.

Именно это удобство и приводит тому, что аппарат Киппа очень часто используют в

лаборатории для получения таких газов, как, например, водород или углекислый газ.

Давайте соберем выделяющийся водород методом вытеснения воды.

Для этого мы открываем кран, заполняем пробирку водой и через воду заполняем

эту пробирку газообразным водородом.

Итак, вся

пробирка заполнена газообразным водородом.

Мы можем проверить этот водород на чистоту, поднеся к пламени спиртовки.

Если мы услышим лающий звук, такой водород является нечистым,

и с ним работать нельзя.

Если же будет легкий хлопок, значит, такой водород чистый.

Мы услышали легкий хлопок, это означает,

что выделяющийся водород достаточной степени чистоты.

Давайте смоделируем ситуацию, когда у нас водород не очень чистый.

Для этого я лишь половину пробирки заполню водой,

вторую часть пробирки заполним газообразным водородом.

[БЕЗ_ЗВУКА] Теперь в пробирке находится смесь водорода и воздуха.

Поднесем к пламени спиртовки, вы услышали четкий лающий звук,

отвечающий образованию гремучей смеси в этой пробирке.

Давайте проверим,

насколько сильным восстановителем является молекулярный водород.

Для этого опустим газоотводную трубку с выделяющимся водородом в подкисленный

раствор перманганата калия.

Вы видите, что реакция не происходит, раствор не обесцвечивается,

несмотря на то, что перманганат калия — достаточно сильный окислитель.

Если же мы будем получать водород непосредственно в данном

демонстрационном цилиндре за счет реакции цинка с серной кислотой,

которую мы использовали для подкисления этого раствора,

то такой водород будет выделяться в атомарном виде.

Этот водород является гораздо более сильным восстановителем.

Давайте попробуем добавить немножко порошкообразного цинка в эту пробирку,

в этот демонстрационный цилиндр.

Перемешаем.

Происходит химическая реакция,

раствор становится мутным за счет пузырьков выделяющегося водорода,

а цвет перманганата калия постепенно пропадает.

Данный опыт свидетельствует о том, что атомарный водород является гораздо

более сильным восстановителем, чем молекулярный водород.

В конечном итоге мы получаем прозрачный бесцветный раствор,

отвечающий соединению марганца 2.

И последнее, протоны так же, как и электроны, обладают спином,

и поэтому для водорода H2 возможны два изомера: ортоводород и параводород.

В ортоводороде спины направлены одинаково,

тогда как в параводороде они разнонаправленны.

При комнатной температуре, примерно 75 % находится в

виде ортоводорода, а 25 % в виде параводорода.

При понижении температуры это соотношение смещается в сторону параводорода.

Связано с тем, что параводород является термодинамически более устойчивым,

и это очень важное обстоятельство пришлось учитывать разработчикам системы

энергии Буран, которая заправлялась жидким водородом.

При сжижении водород превращается в параводород.

Выделяющаяся энергия столь высока, что водород при этом вскипает.

Советские ученые разработали катализаторы на основе активированного угля,

которые превращают ортоводород в параводород.

А сегодня параводород находит широкое применение в научных исследованиях для

того, чтобы изучать механизмы реакций с участием молекулярного водорода.

Подведем итог рассмотрения химии водорода и его соединений.

Я предлагаю это делать в виде простой схемы.

По горизонтали будем откладывать формы водорода в

водном растворе в зависимости от pH среды.

По вертикали будем откладывать различные степени окисления +1, 0, −1.

Основным соединением водорода является, конечно же, вода.

Вода в кислой среде превращается в частички OH+, в щелочной среде в OH−.

При взаимодействии кислот с металлами выделяется молекулярный водород.

Также молекулярный водород можно получить и при электролизе или фотолизе воды.

Выделяется водород и при взаимодействии таких металлов,

как цинк или алюминий, с растворами щелочей.

Молекулярный водород может вступать в реакции с такими сильными

восстановителями, как щелочные металлы, при этом образуются гидриды, NaH или CaH2.

Эта простая схема обобщает все свойства и все формы водорода

при различных pH и степенях окисления и для водорода выглядит крайне просто,

но будет нам очень полезна при рассмотрении химии элементов,

проявляющих огромное количество разнообразных степеней окисления.

Например, галогенов.

3.3. Бинарные соединения водорода

Неорганическая химия

Meet the Instructors