С какими веществами реагирует водород при повышенной температуре

1. Положение водорода в периодической системе химических элементов
2. Электронное строение водорода
3. Физические свойства
4. Способы получения 
5. Химические свойства 
5.1. Взаимодействие с простыми веществами 
5.1.1. Взаимодействие с активными металлами
5.1.2. Взаимодействие с серой 
5.1.3. Взаимодействие с кремнием
5.1.4. Взаимодействие с азотом
5.1.5. Взаимодействие с углеродом
5.2. Взаимодействие со сложными веществами
5.2.1. Взаимодействие с оксидами металлов
5.2.2. Взаимодействие с органическими веществами
6. Применение водорода

Водородные соединения металлов 
1. Способы получения 
2. Химические свойства
2.1. Взаимодействие с водой
2.2. Взаимодействие с кислотами
2.3. Взаимодействие с окислителями

Летучие водородные соединения 
1. Строение молекулы и физические свойства 
2. Способы получения силана
3. Способы получения аммиака
4. Способы получения фосфина
5. Способы получения сероводорода
6. Химические свойства силана

Карбонаты и гидрокарбонаты 

Водород

Положение в периодической системе химических элементов

Водород расположен в главной подгруппе I группы  и в первом периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение водорода

Электронная конфигурация  водорода в основном состоянии:

+1H 1s1     1s

Атом водорода содержит на внешнем энергетическом уровне один неспаренный электрон в основном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома водорода — от -1 до +1. Характерные степени окисления -1, 0, +1.

Физические свойства 

Водород – легкий газ без цвета, без запаха. Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью:

Н–Н

Соединения водорода

Основные степени окисления водорода +1, 0, -1.

Типичные соединения водорода:

Способы получения

Еще один важный промышленный способ получения водорода — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:

СН4 + Н2O → СО + 3Н2

Также возможна паровая конверсия угля:

C0 + H2+O → C+2O + H20

Химические свойства

1. Водород проявляет свойства окислителя и свойства восстановителя. Поэтому водород реагирует с металлами и  неметаллами.

1.1. С активными металлами водород реагирует с образованием гидридов:

2Na  +  H2  → 2NaH

Ca  +  H2  → CaH2

1.2. В специальных условиях водород реагирует с серой с образованием бинарного соединения сероводорода:

H2   +   S   →  H2S

1.3. Водород не реагирует с кремнием.

1.4. С азотом водород реагирует при нагревании под давлением в присутствии катализатора с образованием аммиака:

3Н2  + N2  →  2NH3

1.5. В специальных условиях водород реагирует с углеродом.

C   +   2H2 →  CH4

1.6. Водород горит, взаимодействует с кислородом со взрывом:

2H2  +   O2  →  2H2O

2. Водород взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Восстанавливает металлы из основных и амфотерных оксидов. Восстановить из оксида водородом можно металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений после алюминия. При этом образуются металл и вода.

Например, водород взаимодействует с оксидом цинка с образованием цинка и угарного газа:

ZnO + H2 → Zn + H2O

Также водород восстанавливает медь из оксида меди:

СuO + H2 → Cu + H2O

Водород восстанавливает оксиды некоторых неметаллов.

Например, водород взаимодействует с оксидом кремния:

SiO2  +  H2  =  Si  +  H2O

2.2. С органическими веществами водород вступает в реакции присоединения (реакции гидрирования).

Применение водорода

Применение водорода основано на его физических и химических свойствах:

• как легкий газ, он используется для наполнения аэростатов (в смеси с гелием);
• кислородно-водородное пламя применяется для получения высоких температур при сварке металлов;
• как восстановитель используется для получения металлов (молибдена, вольфрама и др.) из их оксидов;
• водород используется для получения аммиака и искусственного жидкого топлива;
• получение твердых жиров (гидрогенизация).

Водородные соединения металлов

Соединения металлов с водородом — солеобразные гидриды МеНх. Это твердые вещества белого цвета с ионным строением. Устойчивые гидриды образуют активные металлы (щелочные, щелочноземельные и др.).

Способы получения

Гидриды металлов можно получить непосредственным взаимодействием активных металлов и водорода.

Например, при взаимодействии натрия с водородом образуется гидрид натрия:

2Na + H2 →   2NaH

Гидрид кальция можно получить из кальция и водорода:

Ca + H2 →   CaH2

Химические свойства

1. Солеобразные гидриды легко разлагаются водой.

Например, гидрид натрия в водной среде разлагается на гидроксид натрия и водород:

NaH + H2O → NaOH + H2

2. При взаимодействии с кислотами гидриды металлов образуют соль и водород.

Например, гидрид натрия реагирует с соляной кислотой с образованием хлорида натрия и водорода:

NaH + HCl → NaCl + H2

3.  Солеобразные гидриды проявляют сильные восстановительные свойства и взаимодействуют с окислителями (кислород, галогены и др.)

Например, гидрид натрия окисляется кислородом:

2NaH + O2 = 2NaOH

Гидрид натрия также окисляется хлором:

NaH + Cl2 = NaCl + HCl

Летучие водородные соединения

Соединения водорода с неметаллами — летучие водородные соединения.

Строение  и физические свойства

Все летучие водородные соединения — газы (кроме воды).

Способы получения силана

Силан образуется при взаимодействии соляной кислоты с силицидом магния:

Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4

Видеоопыт получения силана из силицида магния можно посмотреть здесь.

Способы получения аммиака

В лаборатории аммиак получают при взаимодействии солей аммония с щелочами. Поскольку аммиак очень хорошо растворим в воде, для получения чистого аммиака используют твердые вещества.

Например, аммиак можно получить нагреванием смеси хлорида аммония и гидроксида кальция. При нагревании смеси происходит образование соли, аммиака и воды:

2NH4Cl    +  Са(OH)2   →  CaCl2  + 2NH3  +   2Н2O

Тщательно растирают ступкой смесь соли и основания и нагревают смесь. Выделяющийся газ собирают в пробирку (аммиак — легкий газ и пробирку нужно перевернуть вверх дном). Влажная лакмусовая бумажка синеет в присутствии аммиака.

Видеоопыт получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция можно посмотреть здесь.

Еще один лабораторный способ получения аммиака – гидролиз нитридов.

Например, гидролиз нитрида кальция:

Ca3N2    +   6H2O  →  ЗСа(OH)2    +    2NH3

В промышленности аммиак получают с помощью процесса Габера: прямым синтезом из водорода и азота.

N2    +   3Н2    ⇄    2NH3

Процесс проводят при температуре 500-550оС и в присутствии катализатора.  Для синтеза аммиака применяют давления 15-30 МПа. В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непрореагировавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Более подробно про технологию производства аммиака можно прочитать здесь.

Способы получения фосфина

В лаборатории фосфин получают водным или кислотным гидролизом фосфидов – бинарных соединений фосфора и металлов.

Например, фосфин образуется при водном гидролизе фосфида кальция:

Ca3P2    +   6H2O  →   3Са(ОН)2    +   2PH3

Или при кислотном гидролизе, например, фосфида магния в соляной кислоте:

Mg3P2      +   6HCl →   3MgCl2    +   2PH3↑

Еще один лабораторный способ получения фосфина – диспропорционирование фосфора в щелочах.

Например, фосфор реагирует с гидроксидом калия с образованием гипофосфита калия и фосфина:

4P    +   3KOH   +   3H2O   →   3KH2PO2   +   PH3↑

Способы получения сероводорода

1. В лаборатории сероводород получают действием минеральных кислот на сульфиды металлов, расположенных в ряду напряжений левее железа.

Например, при действии соляной кислоты на сульфид железа (II):

FeS   +   2HCl   →   FeCl2   +   H2S↑

Еще один способ получения сероводорода – прямой синтез из водорода и серы:

S  +  H2  →  H2S

Еще один лабораторный способ получения сероводорода – нагревание парафина с серой.

Видеоопыт получения и обнаружения сероводорода можно посмотреть здесь.

2. Также сероводород образуется при взаимодействии растворимых солей хрома (III) и алюминия с растворимыми  сульфидами. Сульфиды хрома (III) и алюминия необратимо гидролизуются в водном растворе.

Например: хлорид хрома (III) реагирует с сульфидом натрия с образованием гидроксида хрома (III), сероводорода и хлорида натрия:

2CrCl3  +  3Na2S  +  6H2O  →   2Cr(OH)3  +  3H2S↑  +  6NaCl

Химические свойства силана

1. Силан — неустойчивое водородное соединение (самовоспламеняется на воздухе). При сгорании силана на воздухе образуется оксид кремния (IV) и вода:

SiН4 + 2О2 = SiO2 + 2Н2О

Видеоопыт сгорания силана можно посмотреть здесь.

2. Силан разлагается водой с выделением водорода:

SiH4    +   2H2O   →  SiO2   +  4H2

3. Силан разлагается (окисляется) щелочами:

SiH4    +   2NaOH   +   H2O   →   Na2SiO3   +   4H2

4. Силан при нагревании разлагается:

SiH4 → Si + 2H2

Химические свойства фосфина

1. В водном растворе фосфин проявляет очень слабые основные свойства (за счет неподеленной электронной пары). Принимая протон (ион H+), он превращается в ион фосфония. Основные свойства фосфина гораздо слабее основных свойств аммиака. Проявляются при взаимодействии с безводными кислотами.

Например, фосфин реагирует с йодоводородной кислотой:

PH3   +   HI   →  PH4I

Соли фосфония неустойчивые, легко гидролизуются.

2. Фосфин PH3 – сильный восстановитель за счет фосфора в степени окисления -3. На воздухе самопроизвольно самовоспламеняется:

2PH3    +   4O2  →   P2O5   +   3H2O

PH3    +   2O2  →   H3PO4

3. Как сильный восстановитель, фосфин легко окисляется под действием окислителей.

Например, азотная кислота окисляет фосфин. При этом фосфор переходит в степень окисления +5 и образует фосфорную кислоту.

PH3    +   8HNO3  →   H3PO4   +    8NO2    +  4H2O

Серная кислота также окисляет фосфин:

PH3    +  3H2SO4      →    H3PO4   +    3SO2    +  3H2O

С фосфином также реагируют другие соединения фосфора, с более высокими степенями окисления фосфора.

Например, хлорид фосфора (III) окисляет фосфин:

2PH3    +   2PCl3    →   4P     +   6HCl 

Химические свойства сероводорода

1. В водном растворе сероводород проявляет слабые кислотные свойства. Взаимодействует с сильными основаниями, образуя сульфиды и гидросульфиды:

Например, сероводород реагирует с гидроксидом натрия:

H2S  +  2NaOH  →   Na2S   +  2H2O
H2S  +  NaOH → NaНS   +  H2O

2. Сероводород H2S – очень сильный восстановитель за счет серы в степени окисления -2. При недостатке кислорода и в растворе H2S окисляется до свободной серы (раствор мутнеет):

2H2S   +   O2    →   2S    +   2H2O

В избытке кислорода:

2H2S   +   3O2  →   2SO2  +   2H2O           

3. Как сильный восстановитель, сероводород легко окисляется под действием окислителей.

Например, бром и хлор окисляют сероводород до молекулярной серы:

H2S  +  Br2   →  2HBr  +   S↓

H2S  +  Cl2   →  2HCl  +   S↓

Под действием избытка хлора в водном растворе сероводород окисляется до серной кислоты:

H2S   +  4Cl2   +   4H2O →  H2SO4  +  8HCl

Например, азотная кислота окисляет сероводород до молекулярной серы:

H2S  +  2HNO3(конц.)  →  S  +  2NO2  +  2H2O

При кипячении сера окисляется до серной кислоты:

H2S   +  8HNO3(конц.)  →  H2SO4  +  8NO2   +   4H2O

Прочие окислители окисляют сероводород, как правило, до молекулярной серы.

Например, оксид серы (IV) окисляет сероводород:

2H2S  +  SO2  →  3S   +  2H2O

Соединения железа (III) также окисляют сероводород:

H2S  +  2FeCl3  →  2FeCl2  +  S  +  2HCl

Бихроматы, хроматы и прочие окислители также  окисляют сероводород до молекулярной серы:

3H2S   +   K2Cr2O7   +    4H2SO4    →   3S    +   Cr2(SO4)3   +   K2SO4   +   7H2O

2H2S   +   4Ag  +  O2  →  2Ag2S  +  2H2O

Серная кислота окисляет сероводород либо до молекулярной серы:

H2S   +   H2SO4(конц.)  →  S   +   SO2   +   2H2O

Либо до оксида серы (IV):

H2S   +   3H2SO4(конц.)  →  4SO2   +  4H2O

4. Сероводород в растворе реагирует с растворимыми солями тяжелых металлов: меди, серебра, свинца, ртути, образуя черные сульфиды, нерастворимые ни в воде, ни в минеральных кислотах.

Например, сероводород реагирует в растворе с нитратом свинца (II). при этом образуется темно-коричневый (почти черный) осадок, нерастворимый ни в воде, ни в минеральных кислотах:

H2S   +   Pb(NO3)2   →  PbS   +   2HNO3

Взаимодействие с нитратом свинца в растворе – это качественная реакция на сероводород и сульфид-ионы.

Видеоопыт взаимодействия сероводорода с нитратом свинца можно посмотреть здесь.

Химические свойства прочих водородных соединений

Кислоты образуют в водном растворе: водородные соединения VIA (кроме воды) и VIIA подгрупп.

Прочитать про химические свойства галогеноводородов вы можете здесь.

Вода

Физические свойства

Молекулы воды связаны водородными связями: nH2O = (Н2O)n, поэтому вода жидкая в отличие от ее газообразных аналогов H2S, H2Se и Н2Те. 

Химические свойства

1. Вода реагирует с металлами и  неметаллами.

1.1. С активными металлами вода реагирует при комнатной температуре с образованием щелочей и водорода:

2Na  +  2H2O → 2NaOH +  H2

• с магнием реагирует при кипячении:

Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2

• алюминий не реагирует с водой, так как покрыт оксидной плёнкой. Алюминий, очищенный от оксидной плёнки, взаимодействует с водой, образуя гидроксид:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 +3H2

•  металлы, расположенные в ряду активности от Al до Н, реагируют с водяным паром при высокой температуре, образуя оксиды и водород:

Fe + 4Н2O → Fe3O4 + 4Н2

• металлы, расположенные в ряду активности от после Н, не реагируют с водой:

Ag + Н2O ≠

2. Вода реагирует с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов, образуя щелочи (с оксидом магния – при кипячении):

Н2O + СаО = Са(OH)2

3. Вода взаимодействует с кислотными оксидами (кроме SiO2):

P2O5 + 3H2O = 2H3PO4

4. Некоторые соли реагируют с с водой. Как правило, в таблице растворимости такие соли отмечены прочерком:

Например, сульфид алюминия разлагается водой:

Al2S3 + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2S

5. Бинарные соединения металлов и неметаллов, которые не являются кислотами и основаниями, разлагаются водой.

Например, сульфид алюминия разлагается водой:

Са3Р2 + 6Н2О →  3Са(ОН)2 + 2РН3↑

6. Бинарные соединения неметаллов также гидролизуются водой.

Например, фосфид хлора (V) разлагается водой:

PCl5 + 4H2O → H3PO4 + 5HCl

6. Некоторые органические вещества гидролизуются водой или вступают в реакции присоединения с водой (алкены, алкины, алкадиены, сложные эфиры и др.).