§ 29. Вадарод

Вадарод як хімічны элемент

Электраадмоўнасць вадароду роўная 2,2. Гэта вышэй, чым у металаў, крэмнію, фосфару, але менш за электраадмоўнасць кіслароду і іншых халькагенаў, галагенаў. Таму для вадароду характэрныя ступені акіслення –1, 0 і +1, напрыклад (гідрыд літыю), (сілан), (метан), (аксід вадароду, вада).

Як вы ўжо ведаеце, прыродны вадарод складаецца з двух стабільных ізатопаў — (протый — 99,98 % ад агульнага ліку атамаў), (дэйтэрый D — 0,015 %) і радыеактыўнага (трытый Т — следавыя колькасці) (§ 7, мал. 12).

Вадарод з’яўляецца самым распаўсюджаным элементам у Сусвеце. На Зямлі на долю вадароду па масе, лічачы ваду і паветра, прыпадае каля 1 %, а пры пераліку ад агульнага ліку атамаў — каля 17 %. Вадарод пераважна знаходзіцца ў звязаным стане. Ён уваходзіць у састаў вады, нафты, прыроднага газу, жывых арганізмаў. У выглядзе простага рэчыва вадарод амаль не сустракаецца. Следавыя колькасці яго выяўлены ў верхніх слаях атмасферы, вулканічных газах і прадуктах раскладання бактэрыямі арганічных рэчываў ва ўмовах недахопу паветра.

Вадарод як простае рэчыва

Вадарод як простае рэчыва складаецца з двухатамных малекул Н₂, у якіх атамы звязаны кавалентнай адзінарнай σ-сувяззю, што ўтвараецца пры перакрыванні 1s-арбіталей:

Электронная і графічная формулы малекулы маюць выгляд: Н:Н і Н—Н.

Фізічныя ўласцівасці. Вадарод пры нармальных умовах — гэта газ без колеру, паху і смаку, шчыльнасцю 0,089 г/дм³. Мае вельмі нізкія тэмпературы кіпення (–252,6 °С) і плаўлення (–259,2 °С). Растваральнасць вадароду ў вадзе як палярным растваральніку малая, таму яго можна збіраць у посуд метадам выцяснення вады. Вадарод добра раствараецца ў многіх металах (Ni, Pt, Pd і інш.).

Хімічныя ўласцівасці. Хімічная актыўнасць вадароду пры пакаёвай тэмпературы невялікая, бо высокая трываласць кавалентнай сувязі ў малекуле. У хімічных рэакцыях вадарод можа быць як адноўнікам (што больш характэрна), так і акісляльнікам.

1. Рэакцыі з простымі рэчывамі:

а) рэагуе як адноўнік з неметаламі, атамы якіх маюць у параўнанні з вадародам больш высокую электраадмоўнасць — галагенамі, азотам, серай, кіслародам:

Варта адзначыць, што вадарод не ўзаемадзейнічае з фосфарам і крэмніем;

б) рэагуе як акісляльнік са шчолачнымі і шчолачназямельнымі металамі, утвараючы гідрыды:

Гідрыды лёгка раскладаюцца вадой з вылучэннем вадароду:

2. Рэакцыі са складанымі рэчывамі:

а) узаемадзейнічае з некаторымі аксідамі металаў B-груп як адноўнік:

б) рэагуе з арганічнымі рэчывамі, якія ўтрымліваюць кратныя сувязі (рэакцыя гідрыравання) — алкенамі, алкінамі, дыенамі, арэнамі, а таксама альдэгідамі. Напрыклад:

Атрыманне. Для атрымання вадароду ў лабараторыі ўжываюць металы сярэдняй актыўнасці (цынк, алюміній, жалеза) і кіслоты (хлоравадародную або серную):

Zn + 2НCl = ZnCl₂ + Н₂↑.

Пры гэтым часта выкарыстоўваюць апарат Кіпа — прыладу, якая дазваляе атрымліваць газападобныя рэчывы і рэгуляваць іх ток (мал. 63).

Прымяненне. Адна з найважнейшых фізічных уласцівасцей вадароду — малая шчыльнасць, таму яго выкарыстоўваюць для напаўнення зондаў, якія даследуюць верхнія слаі атмасферы.

У хімічнай прамысловасці вадарод выкарыстоўваюць для атрымання аміяку NH₃, хлоравадароду НСl, метанолу (СО + 2Н₂ = СН₃ОН), многіх металаў з іх аксідаў, напрыклад тугаплаўкіх малібдэну і вальфраму. Ужо цяпер працуюць заводы, на якіх для аднаўлення аксідаў жалеза да металу замест вугляроду (коксу) выкарыстоўваюць вадарод. Вадарод знаходзіць прымяненне ў вытворчасці маргарыну з раслінных алеяў.

Рэакцыя гарэння вадароду ў кіслародзе (2Н_2(г) + О_2(г) = 2Н₂О_(г) + 484 кДж) выкарыстоўваецца ў ракетных рухавіках, што выводзяць у космас лятальныя апараты (мал. 64). Напрыклад, магутная касмічная ракета «Энергія» спажывала больш за 2000 тон паліва, большую частку якога складалі вадкія вадарод і кісларод. У цяперашні час пачата вытворчасць аўтамабіляў, палівам у якіх служыць вадарод (мал. 65).

Гэтую ж рэакцыю ўжываюць і для зварачных работ (мал. 66). Пры выкарыстанні спецыяльных гарэлак дасягаюць тэмпературы полымя каля 4000 °C, што дазваляе праводзіць зварачныя работы з самымі тугаплаўкімі матэрыяламі.

Вучоныя розных краін вядуць пошукі шляхоў замены на вадарод нафты, газу і вугалю як паліва. Пры згаранні апошніх утвараюцца рэчывы, якія забруджваюць і разбураюць навакольнае асяроддзе (СО₂, СО, SO₂ і інш.), у той час як прадуктам згарання вадароду з’яўляецца экалагічна чыстае рэчыва — вада.

Лятучыя вадародныя злучэнні

Лятучыя вадародныя злучэнні — рэчывы малекулярнай будовы, якія пры нармальных умовах уяўляюць сабой газы (НСl, NH₃, H₂S) або вадкасці (Н₂O, НF) (мал. 67).

Кіслотна-асноўныя ўласцівасці водных раствораў лятучых вадародных злучэнняў змяняюцца ў залежнасці ад становішча элемента ў перыядычнай сістэме. Вядома, што СН₄ не раствараецца ў вадзе, NH₃ утварае слабую аснову NH₃ ∙ Н₂O, раствор НF — слабая, а раствор HCl — моцная кіслата:

Значыць, кіслотныя ўласцівасці вадародных злучэнняў неметалаў у перыядзе і ў групе ўзмацняюцца.

Пытанні, заданні, задачы

1. Назавіце:

• а) ізатопы вадароду;
• б) магчымыя ступені акіслення атама вадароду;
• в) групы рэчываў, з якімі можа рэагаваць вадарод;
• г) рэагенты для атрымання вадароду ў лабараторыі.

2. З прапанаванага пераліку ўраўненняў рэакцый выпішыце тыя, якія характарызуюць:

• а) уласцівасці вадароду;
• б) спосабы атрымання вадароду:

3. Запоўніце табліцу «Прымяненне вадароду».

Уласцівасці вадароду	Сферы прымянення	Ураўненне рэакцыі
Рэакцыя з кіслародам
Узаемадзеянне з азотам
Узаемадзеянне з хлорам
Узаемадзеянне з аксідамі тугаплаўкіх металаў
Гідрыраванне бензолу

4. Складзіце ўраўненні рэакцый утварэння вадароду (металы волава Sn і нікель Ni акісляюцца да ступені акіслення +2):

• а) Мg + Н₂SO₄ →; Sn + HCl →; НCl + Zn →;
• б) Аl + Н₂SO₄ →; Ni + HCl →.

5. Вызначце максімальны аб’ём вадароду (н. у.), які можа быць атрыманы ў апараце Кіпа пры загрузцы цынку масай 0,39 кг.

6. Параўнайце:

• а) састаў ядраў протыю, дэйтэрыю, трытыю;
• б) кіслотна-асноўныя ўласцівасці водных раствораў серавадароду і хлоравадароду.

7. Складзіце ўраўненні рэакцый паводле схемы:

• а) ;
• б) .

8. Вызначце колькасць цеплаты, якая вылучылася пры згаранні вадароду аб’ёмам 1 м³ (н. у.), калі тэрмахімічнае ўраўненне рэакцыі мае выгляд: 2Н_2(г) + О_2(г) = 2Н₂О_(г) + 484 кДж.

9. Да гідрыду невядомага двухвалентнага металу масай 1,05 г дадалі ваду ў лішку. Пры гэтым вылучыўся вадарод аб’ёмам 1,12 дм³ (н. у.). Вызначце метал.

10. У сістэме ўсталявалася раўнавага: . Вядома, што да гэтага моманту прарэагавала 35 % вадароду і ўтварылася 7 моль аміяку. Вызначце зыходную масу вадароду.

^*Падрыхтуйце паведамленне «Вадарод — паліва будучыні».

*Самакантроль

1. Для атрымання вадароду ў лабараторыі выкарыстоўваюць металы:

• а) Сu;
• б) Ca;
• в) Fe;
• г) Zn.

2. Для збірання вадароду без значных страт можна выкарыстоўваць пасудзіны:

3. Вадарод з’яўляецца акісляльнікам у рэакцыях з:

• а) Вa i Na;
• б) Ca i K;
• в) Fe₃O₄ i WO₃;
• г) Li i CН₂=CН₂.

4. Неспрыяльныя наступствы для акаляючага асяроддзя стварае пападанне ў атмасферу:

• а) СО₂;
• б) Н₂О;
• в) SO₂;
• г) Н₂S.

5. Сума каэфіцыентаў ва ўраўненні рэакцыі поўнага аднаўлення вадародам аксіду жалеза(II,III):

• а) 4;
• б) 8;
• в) 10;
• г) 12.