Водород и его характеристики
Общая характеристика водорода
Водород является одним из наиболее распространенных химических элементов – его доля составляет около 1% от массы всех трех оболочек земной коры (атмосферы, гидросферы и литосферы), что при пересчете на атомные проценты дает цифру 17,0.
Основное количество этого элемента находится в связанном состоянии. Так, вода содержит около 11 вес. %, глина – около 1,5% и т.д. В виде соединений с углеродом водород входит в состав нефти, горючих природных газов и всех организмов.
Водород представляет собой газ без цвета и запаха (схема строения атома представлена на рис. 1). Его температуры плавления и кипения лежат весьма низко (-259oС и -253oС соответственно). При температуре (-240oС) и под давлением водород способен сжижаться, а при быстром испарении полученной жидкости переходить в твердое состояние (прозрачные кристаллы). В воде он растворим незначительно – 2:100 по объему. Характерна для водорода растворимость в некоторых металлах, например, в железе.
Рис. 1. Строение атома водорода.
Атомная и молекулярная масса водорода
Относительная атомная масса безразмерна и обозначается Ar (индекс «r» — начальная буква английского слова relative, что в переводе означает «относительный»). Относительная атомная масса атомарного водорода равна 1,008 а.е.м.
Массы молекул, также как массы атомов выражаются в атомных единицах массы.
Известно, что молекула водорода двухатомна – H2. Относительная молекулярная масса молекулы водорода будет равна:
Mr(H2) = 1,008 × 2 = 2,016.
Изотопы водорода
Водород имеет три изотопа: протий 1H, дейтерий 2Н или D и тритий 3Н или Т. Их массовые числа равны 1, 2 и 3. Протий и дейтерий стабильны, тритий – радиоактивен (период полураспада 12,5 лет). В природных соединениях дейтерий и протий в среднем содержатся в отношении 1:6800 (по числу атомов). Тритий находится в природе в ничтожно малых количествах.
Ядро атома водорода 1H содержит один протон. Ядра дейтерия и трития включают кроме протона один и два нейтрона.
Ионы водорода
Атом водорода может либо отдавать свой единственный электрон с образованием положительного иона (представляющего собой «голый» протон), либо присоединять один электрон, переходя в отрицательный ион, имеющий гелийную электронную конфигурацию.
Полный отрыв электрона от атома водорода требует затраты очень большой энергии ионизации:
Н + 315 ккал = Н+ + е.
Вследствие этого при взаимодействии водорода с металлоидаими возникают не ионные, а лишь полярные связи.
Тенденция того или иного нейтрального атома к присоединению избыточного электрона характеризуется значением его сродства к электрону. У водорода оно выражено довольно слабо (однако это не говорит о невозможности существования такого иона водорода):
Н + е = Н— + 19 ккал.
Молекула и атом водорода
Молекула водорода состоит из двух атомов – Н2. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу водорода:
|
Энергия ионизации атома, эВ |
13,60 |
|
Сродство атома к электрону, эВ |
0,75 |
|
Относительная электроотрицательность |
2,1 |
|
Радиус атома, нм |
0,046 |
|
Межъядерное расстояние в молекуле, нм |
0,0741 |
|
Стандартная энтальпия диссоциации молекул при 25oС, кДж/моль |
436,1 |
Примеры решения задач
| Задание | Докажите, что существуют гидриды общей формулы ЭНх, содержащие 12,5% водорода. | ||||||||||||||||||
| Решение | Рассчитаем массы водорода и неизвестного элемента, приняв массу образца за 100 г:
m(H) = m (ЭНх) ×w (H); m(H) = 100 × 0,125 = 12,5 г. m(Э) = m (ЭНх) — m(H); m(Э) = 100 – 12,5 = 87,5 г. Найдем количество вещества водорода и неизвестного элемента, обозначив за «х» молярную массу последнего (молярная масса водорода равна 1 г/моль): n = m / M; n (Н) = m (Н) / M (Н); n (Н) = 12,5 / 1 = 12,5 моль. n (Э) = [12,5 ×х] моль. Найдем молярную массу неизвестного элемента: M = m / n; M (Э) = [87,5 × х] / 12,5 = 7х г/моль, где х принимает целочисленные значения 1, 2, 3, … Меняя значения х, подбираем молярную массу элемента:
Условию задачи удовлетворяют соединения LiH и SiH4. |
||||||||||||||||||
| Ответ | LiH и SiH4 |
