Дәріс 29
Сутегі. Су
Дәріс мазмұны:
Су. Химиялық және физикалық қасиеттері
Сутегі мен судың табиғаттағы рөлі
Сутегі химиялық элемент ретінде
Сутегі жалғыз элемент мерзімді кестеМенделеевтің орналасқан жері түсініксіз. Оның химиялық таңбасы периодтық жүйеде екі рет жазылған: IA және VIIA топтарында. Бұл сутектің оны сілтілі металдармен де, галогендермен де біріктіретін бірқатар қасиеттерге ие болуымен түсіндіріледі (14-кесте).
14-кесте
Сутектің қасиеттерін сілтілік металдар мен галогендердің қасиеттерімен салыстыру
| Сілтілік металдармен ұқсастықтары | Галогендерге ұқсастығы |
| Сыртқы энергетикалық деңгейде сутегі атомдары бір электроннан тұрады. Сутегі - s элементі | Сыртқы және жалғыз деңгей аяқталғанға дейін сутегі атомдары, галоген атомдары сияқты, бір электрон жетіспейді. |
| Сутегі төмендететін қасиет көрсетеді. Тотығу нәтижесінде сутегі +1 қосылыстарында жиі кездесетін тотығу дәрежесін алады | Сутегі галогендер сияқты сілтілі және сілтілі жер металдарымен қосылыстарда -1 тотығу дәрежесіне ие, бұл оның тотықтырғыш қасиеттері. |
| Кеңістікте металдық кристалдық торы бар қатты сутегі бар деп жорамалданады. | Фтор мен хлор сияқты сутегі қалыпты жағдайда газ болып табылады. Оның молекулалары, галоген молекулалары сияқты, екі атомды және ковалентті полярлы емес байланыс арқылы түзіледі. |
Табиғатта сутегі массалық сандары 1, 2 және 3 болатын үш изотоптар түрінде болады: протий 1 1 Н, дейтерий 2 1 D және тритий 3 1 Т. Алғашқы екеуі тұрақты изотоптар, ал үшіншісі радиоактивті. Изотоптардың табиғи қоспасында протий басым. H: D: T изотоптары арасындағы сандық қатынас 1: 1,46 10 -5: 4,00 10 -15.
Сутегі изотоптарының қосылыстары бір-бірінен қасиеттері бойынша ерекшеленеді. Мысалы, жеңіл протий суының қайнау және қату нүктелері (H 2 O) сәйкесінше – 100 o C және 0 o C, дейтерий суы (D 2 O) – 101,4 o C және 3,8 o C. Реакция жылдамдығы жеңіл су ауыр судан жоғары.
Әлемде сутегі ең көп таралған элемент болып табылады - ол Әлемнің массасының шамамен 75% немесе оның барлық атомдарының 90% -дан астамын құрайды. Сутегі жердің ең маңызды геологиялық қабығы – гидросферадағы судың бір бөлігі болып табылады.
Сутегі көміртекпен бірге барлық органикалық заттарды түзеді, яғни ол Жердің тірі қабығы – биосфераның бөлігі болып табылады. IN жер қыртысы- литосфера - сутегінің массалық мөлшері небәрі 0,88%, яғни ол барлық элементтер арасында 9-шы орында. Жердің ауа қабығы - атмосферада жалпы көлемнің миллионнан аз бөлігі бар, бұл молекулалық сутегінің үлесі. Ол атмосфераның жоғарғы қабатында ғана кездеседі.
Сутегінің алынуы және қолданылуы
Сутекті алғаш рет 16 ғасырда ортағасырлық дәрігер және алхимик Парацельс темір пластинаны суға батыру арқылы алған. күкірт қышқылы, ал 1766 жылы ағылшын химигі Генри Кавендиш сутегі тек темірдің күкірт қышқылымен ғана емес, басқа металдардың басқа қышқылдармен әрекеттесуі нәтижесінде түзілетінін дәлелдеді. Кавендиш сонымен бірге сутегінің қасиеттерін алғаш рет сипаттады.
IN зертхана жағдайда сутегі алынады:
1. Металдардың қышқылмен әрекеттесуі:
Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2
2. Сілтілік және сілтілік жер металдардың сумен әрекеттесуі
2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2
Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
IN өнеркәсіп Сутегі келесі жолдармен алынады:
1. Тұздардың, қышқылдардың және сілтілердің сулы ерітінділерінің электролизі.Ең жиі қолданылатын шешім ас тұзы:
2NaCl + 2H 2 O →el. ток H 2 + Cl 2 + NaOH
2. Су буының ыстық кокспен тотықсыздануы:
C + H 2 O → t CO + H 2
Алынған көміртегі тотығы мен сутегі қоспасы деп аталады су газы (синтез газы),және әртүрлі химиялық өнімдерді (аммиак, метанол және т.б.) синтездеу үшін кеңінен қолданылады. Сутекті су газынан бөлу үшін су буымен қыздырғанда көміртегі тотығы көмірқышқыл газына айналады:
CO + H 2 → t CO 2 + H 2
3. Метанды қыздырусу буы мен оттегінің қатысуымен. Бұл әдіс қазіргі уақытта негізгі болып табылады:
2CH 4 + O 2 + 2H 2 O → t 2CO 2 + 6H 2
Сутегі кеңінен қолданылады:
1. аммиак пен хлорсутектің өнеркәсіптік синтезі;
2. синтез газының құрамында метанол мен синтетикалық сұйық отынды алу (сутегінің 2 көлемі және СО 1 көлемі);
3. мұнай фракцияларын гидротазалау және гидрокрекингтеу;
4. сұйық майларды гидрогенизациялау;
5. металдарды кесу және дәнекерлеу;
6. олардың оксидтерінен вольфрам, молибден және рений алу;
7. ғарыш қозғалтқыштары отын ретінде.
8. термо ядролық реакторларОтын ретінде сутегі изотоптары қолданылады.
Физикалық және химиялық қасиеттерісутегі
Сутегі – түссіз, дәмсіз және иіссіз газ. Тығыздығы №. 0,09 г/л (ауадан 14 есе жеңіл). Сутегі суда нашар ериді (100 көлемдегі суға 2 ғана газ көлемі), бірақ d-металдар – никель, платина, палладий жақсы сіңіреді (палладийдің бір көлемінде 900 көлемге дейін сутегі еріген).
Химиялық реакцияларда сутегі тотықсыздандырғыш және тотықтырғыш қасиет көрсетеді. Көбінесе сутегі тотықсыздандырғыш ретінде әрекет етеді.
1. Бейметалдармен әрекеттесу. Сутегі бейметалдармен ұшқыш сутекті қосылыстар түзеді (25-дәрісті қараңыз).
Галогендерменреакция жылдамдығы мен шарттары фтордан йодқа дейін өзгереді: фтормен сутегі тіпті қараңғыда да жарылғыш әрекеттеседі, хлормен реакция жарықпен аз сәулеленумен өте тыныш жүреді, бром мен йодпен реакциялар қайтымды және тек қыздырғанда ғана жүреді:
H 2 + F 2 → 2HF
H 2 + Cl 2 → hν 2HCl
H 2 + I 2 → t 2HI
Оттегіменжәне күкірт сутегі аздап қыздырғанда әрекеттеседі. Оттегі мен сутегінің 1:2 қатынасындағы қоспасы деп аталады жарылғыш газ:
H 2 + O 2 → t H 2 O
H 2 + S → t H 2 S
Азотпен, фосформен және көміртегіменреакция жылу, жоғары қысым және катализатордың қатысуымен жүреді. Реакциялар қайтымды:
3H 2 + N 2 → cat., p, t2NH 3
2H 2 + 3P → cat., p, t3PH 3
H 2 + C → cat., p, t CH 4
2. Күрделі заттармен әрекеттесу.Жоғары температурада сутегі металдарды оксидтерінен төмендетеді:
CuO + H 2 → t Cu + H 2 O
3. Сағат сілтілік және сілтілік жер металдарымен әрекеттесуСутегі тотықтырғыш қасиет көрсетеді:
2Na + H 2 → 2NaH
Ca + H 2 → CaH 2
4. Органикалық заттармен әрекеттесу.Сутегі көптеген органикалық заттармен белсенді әрекеттеседі, мұндай реакцияларды гидрлеу реакциялары деп атайды. Мұндай реакциялар «Органикалық химия» жинағының III бөлімінде толығырақ қарастырылады.
s-элементтердің сипаттамасы
s-элементтер блогына 13 элемент кіреді, оларға ортақ s-деңгейлі атомдарындағы сыртқы энергетикалық деңгейдің құрылысы болып табылады.
Сутегі мен гелий s-элементтерге жатқызылғанымен, олардың қасиеттерінің ерекшелігіне байланысты оларды бөлек қарастыру керек. Сутегі, натрий, калий, магний, кальций өмірлік маңызды элементтер болып табылады.
s-элементтерінің қосылыстары көрсетіледі жалпы үлгілерұқсастығымен түсіндірілетін қасиеттерде электрондық құрылымолардың атомдары. Барлық сыртқы электрондар валенттік электрондар болып табылады және түзілуге қатысады химиялық байланыстар. Сондықтан қосылыстардағы бұл элементтердің максималды тотығу дәрежесі тең саныэлектрондар сыртқы қабатта болады және тиісінше элемент орналасқан топтың санына тең. s-элементтік металдардың тотығу дәрежесі әрқашан оң болады. Тағы бір ерекшелігі, сыртқы қабаттың электрондары бөлінгеннен кейін асыл газды қабықшасы бар ион қалады. Элементтің реттік санын көбейткенде, атом радиусы, иондану энергиясы төмендейді (5,39 эВ y Li-ден 3,83 эВ у Fr дейін), ал элементтердің тотықсыздану белсенділігі артады.
s-элементтерінің қосылыстарының басым көпшілігі түссіз (d-элементтердің қосылыстарынан айырмашылығы), өйткені d-электрондардың төмен энергиялық деңгейден түс тудыратын жоғары энергетикалық деңгейлерге өтуі жоққа шығарылады.
IA - IIA топтарының элементтерінің қосылыстары судағы ерітіндіде олар толық дерлік иондарға диссоциацияланады және катиондық гидролизге ұшырамайды (Be 2+ және Mg 2+ тұздарынан басқа).
сутегі гидриді иондық ковалент
Комплекстену s-элемент иондарына тән емес. H 2 O-кристалды гидраттардың лигандтары бар s - элементтерінің кристалдық комплекстері ерте заманнан белгілі, мысалы: Na 2 B 4 O 7 10H 2 O-борак, KAl (SO 4) 2 12H 2 O-алюминий. Кристалдық гидраттардағы су молекулалары катионның айналасында топтастырылған, бірақ кейде анионды толығымен қоршайды. Кіші иондық заряд пен үлкен ион радиусына байланысты сілтілі металдар комплекстерді, соның ішінде аквакомплекстерді түзуге ең аз бейім. Кешен түзуші агенттер ретінде күрделі қосылыстарЛитий, бериллий және магний иондарының тұрақтылығы төмен.
Сутегі. Сутектің химиялық қасиеттері
Сутегі ең жеңіл s-элемент. Оның электрондық конфигурациянегізгі күйде 1S 1. Сутегі атомы бір протон мен бір электроннан тұрады. Сутектің ерекшелігі оның валенттік электронының тікелей әсер ету сферасында орналасуында атом ядросы. Сутектің аралық электронды қабаты жоқ, сондықтан сутекті сілтілік металдардың электронды аналогы деп санауға болмайды.
Сілтілік металдар сияқты сутегі де тотықсыздандырғыш болып табылады және сутегінің спектрлері сілтілі металдардың спектрлеріне ұқсас. Сутекті сілтілік металдарға ұқсас ететін нәрсе оның ерітінділерде гидратталған, оң зарядталған H + ионын шығару қабілеті.
Галоген сияқты сутегі атомында бір электрон жетіспейді. Бұл Н – гидрид ионының болуын анықтайды.
Сонымен қатар, галоген атомдары сияқты сутегі атомдары да жоғары иондану энергиясымен (1312 кДж/моль) сипатталады. Осылайша, сутегі элементтердің периодтық жүйесінде ерекше орын алады.
Сутегі - ғаламдағы ең көп таралған элемент, ол күн мен жұлдыздардың көпшілігінің массасының жартысына дейін құрайды.
Күнде және басқа планеталарда сутегі атомдық күйде, жұлдызаралық ортада жартылай иондалған екі атомды молекулалар түрінде болады.
Сутектің үш изотопы бар; протий 1 Н, дейтерий 2 D және тритий 3 Т, ал тритий радиоактивті изотоп болып табылады.
Сутегі молекулалары жоғары беріктігімен және төмен поляризациялануымен, шағын өлшемдерімен және массасы аздығымен ерекшеленеді және жоғары қозғалғыштығымен ерекшеленеді. Сондықтан сутектің балқу температурасы (-259,2oС) және қайнау температурасы (-252,8oС) өте төмен. Диссоциациялану энергиясы жоғары болғандықтан (436 кДж/моль) молекулалардың атомдарға ыдырауы 2000oС жоғары температурада жүреді.Сутегі түссіз, иіссіз және дәмсіз газ. Тығыздығы төмен – 8,99·10 -5 г/см Өте жоғары қысымда сутегі металдық күйге айналады. Бұл алыс планеталарда деп саналады күн жүйесі- Юпитер мен Сатурнда сутегі металдық күйде. Жер ядросының құрамына металл сутегі де кіреді деген болжам бар, ол жер мантиясы жасаған ультра жоғары қысымда кездеседі.
Химиялық қасиеттері. Сағат бөлме температурасымолекулалық сутек тек фтормен, жарықпен сәулелендіргенде – хлор және броммен, O 2, S, Se, N 2, C, I 2 қыздырғанда әрекеттеседі.
Сутектің оттегімен және галогендермен реакциялары радикалды механизммен жүреді.
Хлормен әрекеттесу жарықпен сәулеленгенде (фотохимиялық активтену) немесе қыздырғанда (термиялық активтену) тармақталмаған реакцияның мысалы болып табылады.
Сl+ H2 = HCl + H (тізбектің дамуы)
H+ Cl 2 = HCl + Cl
Жарылғыш газдың - сутегі-оттегі қоспасының жарылуы - тізбекті бастау бір емес, бірнеше кезеңді қамтитын тармақталған тізбекті процестің мысалы:
H 2 + O 2 = 2OH
H+ O 2 = OH+O
O+ H 2 = OH+ H
OH + H 2 = H 2 O + H
Таза сутегімен жұмыс жасасаңыз, жарылыс процесін болдырмауға болады.
Сутегі оң (+1) және теріс (-1) тотығу дәрежесімен сипатталатындықтан, сутегі тотықсыздандырғыш және тотықтырғыш қасиет көрсете алады.
Сутектің тотықсыздандырғыш қасиеттері бейметалдармен әрекеттесу кезінде көрінеді:
H 2 (г) + Cl 2 (г) = 2HCl (г),
2H 2 (г) + O 2 (г) = 2H 2 O (г),
Бұл реакциялар көп мөлшерде жылу бөлінуімен жүреді, бұл H-Cl, H-O байланыстарының жоғары энергиясын (беріктілігін) көрсетеді. Сондықтан сутегі көптеген оксидтер мен галогенидтерге қатысты қалпына келтіретін қасиет көрсетеді, мысалы:
Бұл алу үшін тотықсыздандырғыш ретінде сутекті пайдаланудың негізі болып табылады қарапайым заттаргалогендік оксидтерден.
Одан да күшті тотықсыздандырғыш атомдық сутегі болып табылады. Ол төмен қысым жағдайында молекулалық электрон разрядынан түзіледі.
Металдың қышқылмен әрекеттесуі кезінде сутегінің бөліну сәтінде тотықсыздандырғыш белсенділігі жоғары болады. Бұл сутегі CrCl 3-ті CrCl 2-ге дейін төмендетеді:
2CrCl 3 + 2HCl + 2Zn = 2CrCl 2 + 2ZnCl 2 +H 2 ^
Сутектің азот оксидімен (II) әрекеттесуі маңызды:
2NO + 2H2 = N2 + H2O
Азот қышқылын алу үшін тазарту жүйелерінде қолданылады.
Тотықтырғыш ретінде сутегі белсенді металдармен әрекеттеседі:
Бұл жағдайда сутегі галоген сияқты әрекет етеді, галогенидтерге ұқсас болады гидридтер.
I топтың s-элементтерінің гидридтері NaCl типті иондық құрылымға ие. Химиялық жағынан иондық гидридтер негізгі қосылыстар сияқты әрекет етеді.
Коваленттік гидридтерге сутегінің өзіне қарағанда электртерістігі аз металл емес элементтердің гидридтері жатады, мысалы, SiH 4, BH 3, CH 4 құрамды гидридтер. Авторы химиялық табиғатыМеталл емес гидридтер қышқыл қосылыстарға жатады.
Гидридтердің гидролизіне тән қасиет сутегінің бөлінуі болып табылады, реакция тотығу-тотықсыздану механизмі арқылы жүреді.
Негізгі гидрид
Қышқыл гидриді
Сутегінің бөлінуіне байланысты гидролиз толығымен және қайтымсыз жүреді (?H<0, ?S>0). Бұл жағдайда негіздік гидридтер сілті, ал қышқыл гидридтер қышқыл түзеді.
Жүйенің стандартты потенциалы B. Сондықтан Н ионы күшті тотықсыздандырғыш болып табылады.
Зертханада сутегі цинкті 20% күкірт қышқылымен Кипп аппаратында әрекеттестіру арқылы алынады.
Техникалық мырыштың құрамында көбінесе мышьяк пен сурьманың ұсақ қоспалары болады, олар улы газдарға бөліну кезінде сутегімен тотықсызданады: арсин SbH 3 және стабин SbH Бұл сутегі сізді улануы мүмкін. Химиялық таза мырышпен реакция шамадан тыс кернеуге байланысты баяу жүреді және жақсы сутегі тогын алу мүмкін емес. Бұл реакцияның жылдамдығы мыс сульфатының кристалдарын қосу арқылы жоғарылайды, реакция Cu-Zn гальваникалық жұптың пайда болуымен жеделдетіледі.
Қыздырған кезде кремнийге немесе алюминийге сілтінің әсерінен таза сутегі түзіледі:
Өнеркәсіпте таза сутегі құрамында электролиттер (Na 2 SO 4, Ba (OH) 2) бар суды электролиздеу арқылы алынады.
Катод пен анодтық кеңістіктерді бөлетін диафрагмасы бар натрий хлоридінің сулы ерітіндісінің электролизі кезінде жанама өнім ретінде сутегінің көп мөлшері түзіледі,
Сутектің ең көп мөлшері қатты отынды (антрацит) қатты қыздырылған су буымен газдандыру арқылы алынады:
Немесе конверсия арқылы табиғи газ(метан) өте қызған су буымен:
Алынған қоспа (синтез газы) көптеген органикалық қосылыстарды өндіруде қолданылады. СО-ны СО 2-ге айналдыратын синтез газын катализатордың үстінен өткізу арқылы сутегінің шығымын арттыруға болады.
Қолданба.Аммиак синтезіне сутегінің көп мөлшері жұмсалады. Хлорсутек алу үшін және тұз қышқылы, өсімдік майларын гидрлеуге, оксидтерден металдарды (Mo, W, Fe) алу үшін. Сутегі-оттекті жалын металдарды пісіру, кесу және балқыту үшін қолданылады.
Сұйық сутегі зымыран отыны ретінде пайдаланылады. Сутегі отыны болып табылады экологиялық тазажәне бензинге қарағанда энергияны көп қажет етеді, сондықтан болашақта ол мұнай өнімдерін алмастыра алады. Қазірдің өзінде әлемде бірнеше жүздеген автокөліктер сутегімен жұмыс істейді. Сутегі энергиясының мәселелері сутекті сақтау және тасымалдаумен байланысты. Сутегі жер асты танкерлерінде 100 атм қысыммен сұйық күйде сақталады. Көп мөлшердегі сұйық сутекті тасымалдау үлкен қауіп төндіреді.
Сутегі (Н) өте жеңіл химиялық элемент, оның мөлшері жер қыртысында салмағы бойынша 0,9%, суда 11,19%.
Сутегінің сипаттамасы
Ол жеңілдігі бойынша газдар арасында бірінші болып табылады. Сағат қалыпты жағдайлардәмсіз, түссіз және мүлдем иіссіз. Ол термосфераға түскенде салмағы аз болғандықтан ғарышқа ұшып кетеді.
Бүкіл ғаламда бұл ең көп химиялық элемент (заттардың жалпы массасының 75%). Ғарыш кеңістігіндегі көптеген жұлдыздар толығымен одан жасалған. Мысалы, Күн. Оның негізгі компоненті - сутегі. Ал жылу мен жарық материалдың ядролары қосылған кезде энергияның бөлінуінің нәтижесі болып табылады. Сондай-ақ ғарышта оның молекулаларының әртүрлі өлшемдегі, тығыздықтағы және температурадағы тұтас бұлттары бар.
Физикалық қасиеттері
Жоғары температура мен қысым оның сапасын айтарлықтай өзгертеді, бірақ қалыпты жағдайда ол:
Басқа газдармен салыстырғанда оның жылу өткізгіштігі жоғары,
Уытты емес және суда нашар ериді,
Тығыздығы 0,0899 г/л 0°C және 1 атм.,
-252,8°С температурада сұйықтыққа айналады
-259,1°C температурада қатты болады,
Меншікті жану жылуы 120,9,106 Дж/кг.
Сұйықтыққа айналу үшін немесе қатты күйқажет жоғары қан қысымыжәне өте төмен температуралар. Сұйытылған күйде ол сұйық және жеңіл.
Химиялық қасиеттері
Қысым астында және салқындату кезінде (-252,87 градус С) сутегі сұйық күйге ие болады, оның салмағы кез келген аналогқа қарағанда жеңіл. Ол газ тәріздес түрге қарағанда оның ішінде аз орын алады.
Бұл әдеттегі металл емес. Зертханаларда металдарды (мысалы, мырыш немесе темір) сұйылтылған қышқылдармен әрекеттесу арқылы өндіріледі. Қалыпты жағдайда ол белсенді емес және тек белсенді бейметалдармен әрекеттеседі. Сутегі оттегін оксидтерден ажыратады, ал металдарды қосылыстардан тотықсыздандырады. Ол және оның қоспалары белгілі бір элементтермен сутектік байланыс түзеді.
Газ этанолда және көптеген металдарда, әсіресе палладийде жақсы ериді. Күміс оны ерітпейді. Сутегі оттегіде немесе ауада жану кезінде және галогендермен әрекеттескенде тотығуы мүмкін.
Ол оттегімен қосылса, су пайда болады. Температура қалыпты болса, онда реакция баяу жүреді, егер ол 550 ° C-тан жоғары болса, ол жарылады (жарылғыш газға айналады);
Табиғатта сутекті табу
Біздің планетада сутегі көп болса да, таза пішінтабу оңай емес. Жанартау атқылауы кезінде, мұнай өндіру кезінде және органикалық заттардың ыдырауы кезінде аздап табуға болады.
Жалпы мөлшердің жартысынан көбі сумен бірге композицияда. Ол сондай-ақ мұнайдың, әртүрлі саздардың, жанғыш газдардың, жануарлар мен өсімдіктердің құрылымына кіреді (әрбір тірі жасушада атомдар саны бойынша 50% болуы).
Табиғаттағы сутегі айналымы
Жыл сайын су қоймалары мен топырақта өсімдік қалдықтарының орасан зор мөлшері (миллиарддаған тонна) ыдырайды және бұл ыдырау атмосфераға сутегінің орасан зор массасын бөледі. Ол сондай-ақ бактериялардан туындаған кез келген ашыту, жану кезінде шығарылады және оттегімен бірге су айналымына қатысады.
Сутегі қолданбалары
Элементті адамзат өз қызметінде белсенді пайдаланады, сондықтан біз оны өнеркәсіптік ауқымда алуды үйрендік:
Метеорология, химиялық өндіріс;
маргарин өндіру;
Зымыран отыны ретінде (сұйық сутегі);
Электр генераторларын салқындату үшін электр энергетикасы;
Металдарды пісіру және кесу.
Сутегінің көп мөлшері синтетикалық бензин (сапасыз отынның сапасын жақсарту үшін), аммиак, хлорсутек, спирттер және басқа материалдар өндірісінде қолданылады. Ядролық энергияоның изотоптарын белсенді пайдаланады.
«Сутегі асқын тотығы» препараты металлургияда, электроника өнеркәсібінде, целлюлоза-қағаз өндірісінде, зығыр және мақта маталарын ағарту үшін, шаш бояғыштары мен косметика, полимерлер және жараларды емдеу үшін медицинада кеңінен қолданылады.
Бұл газдың «жарылғыш» табиғаты өлімге әкелетін қаруға айналуы мүмкін - сутегі бомбасы. Оның жарылуы орасан зор көлемді шығарумен бірге жүреді радиоактивті заттаржәне барлық тіршілік иелері үшін жойқын.
Сұйық сутегі мен арасындағы байланыс теріқатты және ауыр аязға қауіп төндіреді.
Әлемдегі ең көп таралған элемент - сутегі. Жұлдыздар мәселесінде ол ядролар - протондар түрінде болады және термоядролық процестер үшін материал болып табылады. Күн массасының жартысына жуығы да H 2 молекулаларынан тұрады. Оның жер қыртысындағы мөлшері 0,15% жетеді, атомдар мұнайда, табиғи газда, суда болады. Оттегімен, азотпен және көміртегімен бірге ол жердегі барлық тірі ағзалардың құрамына кіретін органогендік элемент болып табылады. Мақаламызда сутектің физикалық және химиялық қасиеттерін зерттеп, оның өнеркәсіпте қолданылуының негізгі бағыттарын және табиғаттағы маңызын анықтаймыз.
Менделеевтің химиялық элементтердің периодтық жүйесіндегі орны
Периодтық жүйені ашқан бірінші элемент - сутегі. Оның атомдық массасы 1,0079. Оның екі тұрақты изотопы (протий және дейтерий) және бір радиоактивті изотопы (тритий) бар. Физикалық қасиеттерібейметалдың кестедегі орнымен анықталады химиялық элементтер. Қалыпты жағдайда сутегі (оның формуласы H2) ауадан 15 есе дерлік жеңіл газ болып табылады. Элемент атомының құрылымы ерекше: ол тек ядро мен бір электроннан тұрады. Заттың молекуласы екі атомды болып табылады, ондағы бөлшектер ковалентті полярлы емес байланыс арқылы байланысады. Оның энергия сыйымдылығы айтарлықтай жоғары – 431 кДж. Бұл қалыпты жағдайда қосылыстың төмен химиялық белсенділігін түсіндіреді. Сутектің электрондық формуласы: H:H.
Заттың басқа бейметалдар арасында аналогы жоқ бірқатар қасиеттері де бар. Олардың кейбіреулерін қарастырайық.
Ерігіштік және жылу өткізгіштік
Металдар жылуды жақсы өткізеді, бірақ жылу өткізгіштігі бойынша сутегі оларға жақын. Бұл құбылыстың түсіндірмесі заттың жеңіл молекулаларының жылулық қозғалысының өте жоғары жылдамдығында жатыр, сондықтан сутегі атмосферасында қыздырылған зат ауаға қарағанда 6 есе тез суытады. Қосылыс металдарда жақсы ериді, мысалы, палладийдің бір көлемі 900-ге жуық сутегін сіңіре алады; Металдар Н2-мен қосыла алады химиялық реакциялар, онда сутегінің тотықтырғыш қасиеттері көрінеді. Бұл жағдайда гидридтер түзіледі:
2Na + H 2 =2 NaH.
Бұл реакцияда элемент атомдары металл бөлшектерінен электрондарды қабылдап, бір теріс зарядты аниондарға айналады. Қарапайым зат Н2 бұл жағдайда тотықтырғыш болып табылады, ол әдетте оған тән емес.
Сутегі тотықсыздандырғыш ретінде
Металдар мен сутекті біріктіретін нәрсе - олардың жоғары жылу өткізгіштігі ғана емес, сонымен қатар олардың атомдарының химиялық процестерөз электрондарынан бас тартады, яғни тотықтырады. Мысалы, негіздік оксидтерсутегімен әрекеттеседі. Тотығу-тотықсыздану реакциясы таза металдың бөлінуімен және су молекулаларының түзілуімен аяқталады:
CuO + H 2 = Cu + H 2 O.
Заттың қыздырылған кезде оттегімен әрекеттесуі де су молекулаларының түзілуіне әкеледі. Процесс экзотермиялық және көп мөлшерде жылу энергиясының бөлінуімен бірге жүреді. Егер H 2 және O 2 газ қоспасы 2:1 қатынасында әрекеттессе, онда ол жанған кезде жарылып кететіндіктен аталады:
2H 2 + O 2 = 2H 2 O.
Су Жердің гидросферасының, климатының және ауа райының қалыптасуында маңызды рөл атқарады және маңызды рөл атқарады. Ол табиғаттағы элементтердің айналымын қамтамасыз етеді және біздің планетамызды мекендейтін ағзалардың барлық өмірлік процестерін қолдайды.
Бейметалдармен әрекеттесу
Сутектің ең маңызды химиялық қасиеттері оның металл емес элементтермен әрекеттесуі. Қалыпты жағдайда олар жеткілікті химиялық инертті, сондықтан зат тек галогендермен әрекеттесе алады, мысалы, барлық бейметалдар арасында ең белсенді болып табылатын фтормен немесе хлормен. Осылайша, фтор мен сутегі қоспасы қараңғыда немесе суықта, ал хлормен - қыздырылғанда немесе жарықта жарылады. Реакция өнімдері сулы ерітінділері фторид және хлорид қышқылдары ретінде белгілі галогенсутек болады. С 450-500 градус температурада, 30-100 мПа қысымда және катализатордың қатысуымен әрекеттеседі:
N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH₃.
Сутегінің қарастырылатын химиялық қасиеттерінің өнеркәсіп үшін маңызы зор. Мысалы, бағалы химиялық өнім – аммиак алуға болады. Ол нитрат қышқылын және азотты тыңайтқыштарды: несепнәр, аммоний селитрасын алудың негізгі шикізаты болып табылады.
Органикалық зат
Көміртек пен сутегінің арасында қарапайым көмірсутек – метан түзіледі:
C + 2H 2 = CH 4.
Зат - ең маңыздысы ажырамас бөлігітабиғи және Олар органикалық синтез өнеркәсібі үшін отынның және шикізаттың бағалы түрі ретінде пайдаланылады.
Көміртек қосылыстарының химиясында элемент көптеген заттардың құрамына кіреді: алкандар, алкендер, көмірсулар, спирттер және т.б. Органикалық қосылыстардың H 2 молекулаларымен көптеген реакциялары белгілі. Олардың жалпы атауы бар - гидрлеу немесе гидрлеу. Осылайша, альдегидтерді сутегімен спирттерге дейін тотықсыздандыруға болады, қанықпаған көмірсутектер- алкандарға. Мысалы, этилен этанға айналады:
C 2 H 4 + H 2 = C 2 H 6.
Маңызды практикалық маңызысутектің химиялық қасиеттері бар, мысалы, сұйық майларды гидрлеу: күнбағыс, жүгері, рапс. Ол глицерин, сабын, стеарин, қатты маргарин өндірісінде қолданылатын қатты май – шошқа майын өндіруге әкеледі. Жақсарту үшін сыртқы түріжәне дәмі азық-түлік өніміОған сүт, мал майы, қант, витаминдер қосылады.
Біз өз мақаламызда сутектің қасиеттерін зерттеп, оның табиғаттағы және адам өміріндегі рөлін білдік.
МИНСК ТЕХНОЛОГИЯЛАР ЖӘНЕ ЖЕҢІЛ ӨНЕРКӘСІПДІҢ ДИЗАЙНЫ КОЛЛЕДЖІ
Аннотация
пәні: Химия
Тақырыбы: «Сутегі және оның қосылыстары»
Орындалған: 1 курс студенті 343 топ
Вискуп Елена
Тексерілді:Алябьева Н.В.
Минск 2009 ж
Периодтық жүйедегі сутегі атомының құрылымы
Тотығу күйлері
Табиғатта таралуы
Сутегі қарапайым зат ретінде
Сутегі қосылыстары
Анықтамалар
Периодтық жүйедегі сутегі атомының құрылымы
Периодтық жүйенің бірінші элементі (1 период, реттік нөмірі 1). Оның басқа химиялық элементтермен толық ұқсастығы жоқ және ешбір топқа жатпайды, сондықтан кестелерде ол шартты түрде IA тобына және/немесе VIIA тобына орналастырылған.
Сутегі атомы барлық элементтер атомдарының ішіндегі ең кішісі және ең жеңілі. Атомның электрондық формуласы 1s 1. Элементтің бос күйде болуының әдеттегі формасы екі атомды молекула болып табылады.
Тотығу күйлері
Электртеріс элементтері көбірек қосылыстардағы сутегі атомы +1 тотығу дәрежесін көрсетеді, мысалы HF, H 2 O және т.б. Ал металл гидридтері бар қосылыстарда сутегі атомының тотығу дәрежесі -1, мысалы NaH, CaH. 2 және т.б. Ол типтік металдар мен бейметалдар арасындағы аралық электртерістілік мәніне ие. сияқты органикалық еріткіштерде каталитикалық тотықсыздануға қабілетті сірке қышқылынемесе спирт, көптеген органикалық қосылыстар: қанықпаған қосылыстар қаныққанға, кейбір натрий қосылыстары аммиакқа немесе аминдерге.
Табиғатта таралуы
Табиғи сутегі екі тұрақты изотоптан тұрады - протий 1 H, дейтерий 2 H және тритий 3 H. Дейтерий D, ал тритий T деп белгіленеді. Әртүрлі комбинациялар мүмкін, мысалы, NT, HD, TD, H 2, D 2 , T2. Сутегі табиғатта күкіртпен (H 2 S), оттегімен (су түрінде), көміртегімен, азотпен және хлормен әртүрлі қосылыстар түрінде көбірек кездеседі. Фосфор, йод, бром және басқа элементтермен қосылыстар түрінде сирек кездеседі. Ол барлық өсімдік және жануарлар организмдерінің, мұнайдың, қазбалы көмірлердің, табиғи газдың, бірқатар минералдар мен тау жыныстарының құрамына кіреді. Еркін күйде ол өте сирек аз мөлшерде – жанартаулық газдарда және органикалық қалдықтардың ыдырау өнімдерінде кездеседі. Сутегі - Әлемдегі ең көп таралған элемент (шамамен 75%). Ол Күннің және көптеген жұлдыздардың, сондай-ақ негізінен сутектен тұратын Юпитер мен Сатурн планеталарының құрамдас бөлігі болып табылады. Кейбір планеталарда сутегі қатты күйде болуы мүмкін.
Сутегі қарапайым зат ретінде
Сутегі молекуласы ковалентті полярлы емес байланыс арқылы қосылған екі атомнан тұрады. Физикалық қасиеттері- түсі мен иісі жоқ газ. Ол кеңістіктегі басқа газдарға қарағанда тезірек таралады, кішігірім кеуектерден өтеді және жоғары температурада болат пен басқа материалдарға салыстырмалы түрде оңай енеді. Жоғары жылу өткізгіштікке ие.
Химиялық қасиеттері. Төмен температурада қалыпты күйінде ол қыздырусыз (жарық болған кезде) фтормен және хлормен әрекеттеседі;
H 2 + F 2 2HF H 2 +Cl 2 hv 2HClОл металдарға қарағанда бейметалдармен белсенді әрекеттеседі.
Өзара әрекеттесу кезінде әртүрлі заттартотықтырғыш және тотықсыздандырғыш қасиеттерін көрсете алады.
Сутегі қосылыстары
Сутегі қосылыстарының бірі галогендер. Олар сутегі VIIA топ элементтерімен қосылса түзіледі. HF, HCl, HBr және HI түссіз газдар, суда жақсы ериді.
Cl 2 + H 2 OHClO + HCl; HClO-хлорлы суHBr және HI типтік тотықсыздандырғыштар болғандықтан, оларды HCl сияқты алмасу реакциясы арқылы алу мүмкін емес.
CaF 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + 2HF
Су табиғатта ең көп таралған сутегі қосылысы.
2H 2 + O 2 = 2H 2 O
Оның түсі де, дәмі де, иісі де жоқ. Өте әлсіз электролит, бірақ көптеген металдармен және бейметалдармен, негіздік және қышқылдық оксидтермен белсенді әрекеттеседі.
2H 2 O + 2Na = 2NaOH + H 2
H 2 O + BaO = Ba(OH) 2
3H 2 O + P 2 O 5 = 2H 3 PO 4
Ауыр су (D 2 O) – судың изотоптық алуан түрі. Ауыр судағы заттардың ерігіштігі қарапайым суға қарағанда әлдеқайда аз. Ауыр су улы болып табылады, өйткені ол тірі организмдердегі биологиялық процестерді баяулатады. Судың қайталанған электролизі кезінде электролиз қалдығында жиналады. Ядролық реакторларда салқындатқыш және нейтронды модератор ретінде қолданылады.
Гидридтер – сутегінің металдармен (жоғары температурада) немесе сутегіге қарағанда электртерістігі аз бейметалдармен әрекеттесуі.
Si + 2H 2 = SiH 4
Сутегінің өзі 16 ғасырдың бірінші жартысында ашылды. Парацельс. 1776 жылы Г.Кавендиш оның қасиеттерін алғаш рет 1783-1787 жылдары зерттесе, А.Лавуазье сутегінің судың бір бөлігі екенін көрсетіп, оны химиялық элементтер қатарына қосып, «сутек» атауын ұсынды.
Анықтамалар
1. М.Б. Волович, О.Ф. Кабардин, Р.А. Лидин, Л.Ю. Аликберова, В.С. Рохлов, В.Б. Пятунин, Ю.А. Симагин, С.В.Симонович/Мектеп оқушыларының анықтамалығы/Мәскеу «AST-PRESS BOOK» 2003 ж.
2. I.L. Кнуняц / Химиялық энциклопедия / Мәскеу «Советский энциклопедия» 1988 ж.
3. I.E. Шиманұлы / Химия 11 / Минск «Халық асветасы» 2008 ж.
4. Ф.Коттон, Дж.Уилкинсон/Модерн бейорганикалық химия/ Мәскеу «Бейбітшілік» 1969 ж