Хімія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА

9.1. Гідроген

Гідроген — перший елемент періодичної таблиці, заряд ядра — +1, його відносять до неметалічних s-елементів. Хімічний символ — Н, відносна атомна маса — 1. Електронна формула — 1s¹. Валентність — І.

Природний Гідроген має два стабільні ізотопи: Протій— ¹Н — і Дейтерій— ²D (²Н). Природного радіоактивного Тритію ³Т (³Н) на Землі всього близько 2 кг (він має космічне походження: унаслідок бомбардування атомів Нітрогену атмосфери швидкими нейтронами утворюється Карбон-12 і Тритій).

Молекула водню містить два атоми Гідрогену, які сполучені міцним ковалентним неполярним зв’язком. Він утворюється перекриванням двох 1s орбіталей обох атомів:

Гідроген за електронною будовою і здатністю утворювати катіони подібний до лужних металічних елементів. Унаслідок віддачі одного валентного електрона атом Гідрогену легко утворює позитивно заряджений йон, який називають протоном:

Н⁰ - 1е^- → Н⁺

Атом Гідрогену, як і атоми галогенів, може приєднувати один електрон, завершуючи свій електронний шар. Утворюється негативно заряджений гідрид-іон:

Н⁰ + 1е^- → Н^-

Отже, Гідроген виявляє ступінь окиснення +1, 0 і рідше -1:

Ступінь окиснення	-1	0	+1
Приклади сполук	КН, СаН2	Н2	Н2О, КОН, Н2СО3, С2Н6

Поширеність Гідрогену в природі

Це найпоширеніший елемент Всесвіту — близько 92 % усіх атомів. На Землі Гідроген в основному трапляється у зв’язаному стані: входить до складу води (найважливіша природна сполука), нафти, вугілля, мінералів, гірських порід і всіх живих організмів. Кількість атомів Гідрогену в живих організмах становить близько 50 %. У вільному стані (проста речовина — водень) Гідроген трапляється у складі повітря, інших природних та вулканічних газів, газів нафтових свердловин і в незначній кількості — в атмосфері (5 · 10^-5 % загального об’єму).

9.1.1. Водень

Фізичні властивості

Водень Н₂ — газ без кольору і запаху, погано розчинний у воді, однак добре розчинний у деяких металах (платині, паладії: один об’єм паладію розчиняє 900 об’ємів водню). Неотруйний. Вибухонебезпечний. Зріджується за температури -253 °С, а за температури -259 °С твердне. Твердий водень має молекулярну кристалічну ґратку. Це найлегший з усіх відомих газів. Відносна молекулярна маса — 2. Молярна маса — 2 г/моль.

Отримання водню

Лабораторні способи:

1. Взаємодія металів (Zn, Fe, Mg, Al) з хлоридною кислотою або із сульфатною розведеною кислотою:

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑

2Аl + 6НСl = 2АlСl₃ + 3Н₂↑

2. Електроліз води:

3. Взаємодія активних металів з водою:

Са + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + H₂↑

4. Взаємодія металів, яким відповідають амфотерні оксиди і гідроксиди, з лугами:

2Аl + 6NaOH + 6Н₂О = 2Na₃[Al(OH)₆] +3H₂↑

Zn + 2NaOH +2Н₂О = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑

5. Електроліз розчинів хлоридів лужних металічних елементів:

2NaCl + 2Н₂О = Н₂↑ + Cl₂↑ + 2NaOH

Збирають водень у посудину двома способами:

• витісненням повітря (пробірку розміщують дном догори);
• витісненням води (погано розчиняється у воді).

Промислові способи:

1. Каталітичне окиснення:

2СН₄ + О₂ → 2СО + 4Н₂

2. Конверсія (перетворення) метану з водяною парою:

3. Крекінг вуглеводнів (метану):

4. Унаслідок взаємодії водяних парів з вугіллям (утворюється суміш карбон(ІІ) оксиду і водню, яку називають водяним газом):

5. Залізо-паровий спосіб:

Перспективним є метод електролізу води:

Хімічні властивості водню

За нормальних умов водень доволі малоактивний (реагує лише із фтором). Його реакційна здатність підвищується за наявності платини чи нікеля. Це пов’язано з тим, що водень розчиняється в цих металах і при цьому його молекули розпадаються на атоми. Атомарний Гідроген значно активніший за молекулярний водень. У хімічних реакціях водень зазвичай виступає як відновник, хоча може бути і окисником. Водень реагує:

1) з простими речовинами:

• виявляючи відновні властивості в реакціях з неметалічними елементами:

Суміш двох об’ємів водню й одного об’єму кисню надзвичайно вибухонебезпечна, її називають гримучим газом, або гримучою сумішшю:

• виявляючи окисні властивості в реакціях з лужними та лужноземельними металами (утворює гідриди):

Са + Н₂ = СаН₂ (кальцій гідрид)

2К + Н₂ = 2КН (калій гідрид)

Гідриди — бінарні солеподібні йонні сполуки, які розкладаються водою і кислотами, а також окиснюються киснем:

СаН₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + 2Н₂↑

2КН + H₂SO₄ = K₂SO₄ + 2H₂↑

СаН₂ + О₂ = Са(ОН)₂

2) з оксидами металічних і неметалічних елементів за високої температури, відновлюючи їх:

3) із чадним газом, утворюючи метанол (каталізатор — CuO, ZnO):

4) за стандартних умов з деякими солями малоактивних металічних елементів (Hg, Ag, Pd, Au), відновлюючи їх:

5) з органічними речовинами: алкенами, алкінами, аренами, алкадієнами, альдегідами, деякими жирами (реакції приєднання):

Застосування водню

Водень використовують для синтезу амоніаку, гідроген хлориду, органічних речовин; як відновник у металургії; у харчовій промисловості для гідрогенізації рослинних жирів; рідкий водень є ракетним паливом; киснево-водневим полум’ям ріжуть і зварюють метали.

Актуальним є вирішення в майбутньому проблеми застосування водню як екологічно чистого пального для автомобілів. Перспективним є також використання Дейтерію і Тритію для керованого термоядерного синтезу (КТС).

Найцікавішими бінарними сполуками Гідрогену є вода і гідроген пероксид.

9.1.2. Вода

Світовий океан вкриває близько 71 % земної поверхні. Маса гідросфери — 1,39 · 10¹⁸ т — становить 0,05 % маси планети (але це удесятеро менше, ніж міститься у мантії Землі). Багато води — 1,4 · 10¹³ т — міститься і в атмосфері нашої планети¹. Маса льодовиків Арктики, Антарктиди і високогірних районів інших материків — 2,4 · 10¹⁶ т (85 % прісної води); приблизно стільки ж води міститься під землею (далеко не вся вона придатна для пиття). Кількість прісної води рік, озер, боліт, водосховищ, придатної для використання людиною, становить усього 2 · 10¹⁴ т.

¹ Повітря завжди містить водяну пару: за температури 0 °С 1 м³ повітря може вмістити максимум 5 г води, а за температури +10 °С — уже 10 г.

Багато води у космосі — друге місце за поширенням після водню. Входить до складу багатьох космічних тіл: це основа (більше 50 %) ядер комет¹, багато її на супутниках Юпітера — Калісто (до 55 % маси), Ганімеді (до 50 % маси) та Європі (яка також вкрита шаром води, завтовшки імовірно 110-130 км), Сатурна — Енцеладі, Тефії. Згідно останніх досліджень² багато водяного льоду є й на Місяці.

¹ Молекули води комет містять удвічі більше Дейтерію, ніж на Землі.

² За допомогою космічного апарату НАСА LCROSS 09.10.2009.

Це єдина у світі речовина, яка в природних умовах одночасно може існувати в трьох агрегатних станах — твердому (лід), рідкому (власне вода) і газоподібному (водяна пара).

Аномальні властивості води

Значну кількість аномальних властивостей води (а їх відомо близько 70) вчені пояснюють тим, що рідка вода (основний тип існування цієї речовини на Землі) здатна до утворення кластерів — скупчень, згустків приблизно по 100 молекул, структура яких нагадує структуру льоду. Ці згустки «плавають» у воді, структура якої менш впорядкована.

Температури кипіння та плавлення води аномально відрізняються від температур кипіння і плавлення сполук Гідрогену з халькогенами (елементами головної підгрупи VI групи). Так, температура кипіння Н₂Те становить -4 °С, H₂Se — -42 °С, H₂S — -60 °С. У цьому ряду температури кипіння послідовно знижуються, а у води вона становить +100 °С.

Теплоємність рідкої води (4,2 кДж/кг х град) перевищує теплоємність усіх інших речовин (за винятком газоподібного водню).

Аномально змінюється густина води унаслідок охолодження: за переходу з рідкого стану у твердий вона зменшується, а для більшості неорганічних речовин, навпаки, густина зростає³. Найбільшу густину має вода за температури +4 °С, вона становить 1 г/см³.

³ Крім води, таку властивість мають вісмут, галій, деякі сполуки та суміші.

Вода має винятково великий поверхневий натяг (другий показник після ртуті, завдяки чому на межі води й повітря (по обидва боки) живе значна кількість водяних тварин, можливий підйом води по стовбурах дерев на десятки метрів), велику питому теплоту випаровування, плавлення⁴, високу діелектричну проникність.

⁴ Так, питома теплота плавлення льоду становить 330 кДж/кг, а заліза — 270 кДж/кг.

Гаряча вода в морозильнику за однакових умов замерзає швидше за холодну (ефект Мпемба). Учені сьогодні не можуть пояснити цього феномена.

Надохолоджена вода. Хімічно чиста вода за відсутності ядер кристалізації (якими могли би бути різні домішки) іноді не замерзає навіть за температури, значно нижчої за 0 °С. За температури -38 °С будь-яка вода перетворюється на лід. Аналогічно існує й перегріта вода, яка не перетворюється на пару за температури, вищої 100 °С.

Учені розрізняють щонайменше 5 форм рідкої води, 15 кристалічних (льоду) та 3 модифікації аморфної твердої води. Наприклад, за -120 °С лід стає тягучим, як мед, а за -135 °С і нижче перетворюється на скляну воду — тверду некристалічну речовину. Навіть за від’ємних температур лід льодовиків (кристалічна речовина), виявляючи пластичність, повільно «стікає» з гір униз, як річка.

Вода має пам’ять. З багатьма речовинами вона утворює кристалогідрати, колоїди. Вода — універсальний розчинник і каталізатор (наприклад, «сухий» бензин не горить; для цього він обов’язково повинен містити якусь кількість води)...

Ще більше змінюються її властивості внаслідок впливу на неї магнітного поля (наприклад, закипає швидше, а замерзає повільніше, ніж звичайна) або всередині капілярів. Усередині нанотрубок вода не втрачає текучості й за температур, які близькі до абсолютного нуля.

Цікаво поводиться вода всередині живих організмів. Більшість її молекул перебуває у колоїдному (гелеподібному) стані. А на поверхні білків 2-3 шари води лежать на 10 % щільніше і рухаються у 2-3 рази повільніше за інші. Ферменту (білковому каталізатору) для «вмикання» необхідна водяна оболонка, яка покриває 60-70 % його поверхні. ДНК для збереження своєї подвійної спіралі повинна містити воду (близько третини маси молекули ДНК).

Хімічні властивості води

1. Вода взаємодіє з простими речовинами:

• з металами:

а) з найактивнішими реагує за нормальних умов:

Са + 2НОН = Са(ОН)₂ + Н₂↑

б) з іншими металами, які розміщені в ряду активності металів зліва від водню, вода взаємодіє унаслідок нагрівання, тобто у вигляді водяної пари:

• з неметалами:

2. Вода взаємодіє з основними та кислотними оксидами:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

3. Із багатьма солями вода утворює кристалогідрати:

CuSO₄ + 5Н₂О = CuSO₄ · 5Н₂О (мідний купорос, купрум(II) сульфат пентагідрат)

4. Вода розкладає бінарні солеподібні сполуки, а також деякі солі (відбувається гідроліз):

КН + НОН = КОН + H₂↑

P₂S₅ + 8НОН = 5H₂S + 2Н₃РО₄

К₃Р + 3Н₂О = 3КОН + РН₃↑

АlСl₃ + 2НОН = Аl(ОН)₂Сl + 2НСl

5. З деякими речовинами вода утворює гідрати:

NH₃ + Н₂О = NH₃ · Н₂О (⇄ NH₄OH)

H₂SO₄ + H₂O = H₂SO₄ · Н₂О

6. Вода бере участь у фотосинтезі, який відбувається в рослинах на світлі:

7. Вода взаємодіє з деякими органічними сполуками: алкенами, алкінами, естерами, галогеноалканами:

Значення води

Фізико-хімічна унікальність цієї природної сполуки, надзвичайне біологічне значення води для життя людства і взагалі всього живого знайшли своє відображення у виникненні багатогалузевої науки гідрології.

Без води неможливе існування живих організмів. У будь-якому організмі вона є середовищем, у якому відбуваються хімічні процеси, що забезпечують його життєдіяльність, і сама вода бере участь у багатьох біохімічних реакціях. Масова частка води в організмі людини становить близько 70 %.

Чимало води потрібно для ефективного сільського господарства. Зазвичай сільськогосподарські культури за вегетаційний період споживають до 4-5 т води на гектар. На вирощування 1 т картоплі необхідно 100 т, а 1 т зерна — 1000 т води. Сільськогосподарські території за умов недостатності опадів (зони ризикованого рільництва) потребують поливу.

Ще більше води витрачають у промисловості, транспорті, будівництві. Воду використовують для механічного видалення домішок, як розчинник, як сировину. Особливо багато води потребують хімічна промисловість, металургійні підприємства, текстильні фабрики, цукрові й крохмале-патокові заводи. Вода — незамінний компонент практично всіх технологічних процесів. Наприклад, на виробництво 1 т сталі витрачається 300 т води; 1 т паперу — 900 т, 1 т хімічного волокна — понад 2000 т.

Велике значення вода має у побуті. Кожна доросла людина щоденно споживає з їжею близько 2 л води. Значно більше вона витрачає на побутові потреби. У великих містах витрати води становлять близько 100 л на людину щодоби. Не дивно, що загальний об’єм водопостачання в Україні з урахуванням втрат досягає 30 км³ на рік, що становить 60 % усього стоку наших річок.

9.1.3. Очищення води

За даними ООН сьогодні із 7 млрд людей нашої планети більше 1,2 млрд живуть в умовах постійного дефіциту прісної води, і ще близько 2 млрд — страждають від нього регулярно. Отже, перед людством повстала глобальна проблема забезпечення водою, і передусім, питною. Ця проблема ще більше загострюється через постійне зростання забруднення води. Внаслідок діяльності людини річки й озера, моря й океани забруднюються нерозчинними, твердими відходами і розчинними хімічними речовинами — добривами, пестицидами, синтетичними мийними засобами тощо. За даними ВООЗ вода може містити до 13 тис. потенційно небезпечних сполук, і їх число постійно зростає. Промислові й побутові стічні води піддають поетапному очищенню. Для цього використовують механічні, хімічні, фізико-хімічні та біохімічні методи очищення.

Механічні методи (завдяки ним видаляється до 70 % мінеральних забруднень, передусім грубодисперсних):

• використання решіток і сит;
• фільтрування (піском);
• седиментація (відстоювання і центрифугування).

Біологічний метод полягає у розкладі речовин унаслідок дії мікроорганізмів т. зв. активного мулу (бактерій, найпростіших), унаслідок якого складні органічні сполуки розкладаються до простих (води, вуглекислого газу), мінералізуються сполуки Нітрогену, Фосфору, Сульфуру.

Фізико-хімічні методи (завдяки яким видаляються тонкодисперсні та розчинені у воді речовини):

• коагуляція (флокуляція) — об’єднання колоїдних частинок у великі асоціати, які потім видаляють за допомогою спеціальних речовин коагулянтів (алюміній сульфату Al₂(SO₄)₃ і натрій метаалюмінату NaAlO₂);
• електрофлотація — метод основано на проведенні електролізу води і флотаційному ефекті. У процесі електрофлотації нерозчинні забруднювальні речовини піднімаються на поверхню стічних вод;
• аерація — пропускання повітря (кисню) крізь воду, унаслідок чого окиснюються сполуки Феруму, видаляються розчинені у воді гази (вуглекислий газ, сірководень);
• сорбція — поглинання забруднювальних речовин твердим тілом або рідиною;
• екстрагування;
• дистиляція;
• виморожування тощо.

На жаль, не всі забруднення можна знешкодити. Так, мінеральні добрива, внесені у ґрунт, не миттєво засвоюються рослинами і в значних кількостях змиваються з полів (наприклад, унаслідок дощів). Вони потрапляють:

- у ґрунтові та підземні води, отруюють джерела і колодязі;

- у водойми, руйнують водні біоценози, спричиняючи замори риби та інших водяних мешканців.

Аналогічна ситуація і зі сміттєзвалищами.

Водопровідну воду, яка потрапляє у крани через комунальні системи водозабезпечення, зазвичай беруть з річок і озер (рідше з артезіанських свердловин). Вона не повинна містити нерозчинних домішок і хвороботворних мікроорганізмів. Їй дають відстоятися у спеціальних резервуарах, а потім фільтрують крізь шар піску. Очищену від нерозчинних речовин воду піддають хімічній дезінфекції:

• хлором (хлорування). Унаслідок пропускання газоподібного хлору крізь воду більшість мікроорганізмів гине. Основна вада методу полягає в тому, що при цьому утворюються токсичні хлоропохідні органічних речовин, що робить воду непридатною для пиття;
• озоном (озонування). Унаслідок пропускання озону крізь воду не лише гинуть мікроорганізми, а й знешкоджується низка токсичних речовин, або обробляють ультрафіолетовим випромінюванням (за допомогою т. зв. бактерицидних ламп), яке вбиває мікроорганізми.

Водопровідна вода за своїм вмістом і властивостями може відрізнятись від води питної.

Питна вода — це вода, в якій бактеріологічні, органолептичні показники та показники токсичних хімічних речовин перебувають у межах норм питного водопостачання. Склад і властивості питної води в системах водопостачання повинні відповідати вимогам Державного стандарту «Вода питна», а саме:

• відсутність кольору, неприємного запаху, смаку (основна вимога до органолептичних властивостей води);
• мінералізація води за стандартом не повинна перевищувати 1 г/л (але для посушливих районів вода може вважатися доброю за мінералізації до 1 г/л, задовільною — 1-2 г/л, допустимою для пиття — 2-2,5 г/л, допустимою для пиття в крайньому разі — 2,5-3,0 г/л);
• жорсткість води (вміст йонів Кальцію та Магнію) не повинна перевищувати 7 ммоль/л;
• значення pH повинні бути в межах 6,5-9,5;
• концентрація нітрат-іонів не повинна перевищувати 45-50 мг/л (у перерахунку на азот — ≈ 10 мг/л);
• важливе значення має характеристика мікробіологічного стану: колі-індекс — не більше 3, колі-титр — не менше 300.

9.1.4. Гідроген пероксид

Склад та будова молекули

Формула гідроген пероксиду — Н₂О₂. Це ковалентна дуже полярна молекула:

З водою змішується в будь-яких відношеннях. Розчин з масовою часткою Н₂О₂ 30 % називають пергідролем. Концентровані розчини гідроген пероксиду на повітрі вибухають.

Це нестійка (у розчинах) речовина, легко розкладається на світлі на кисень та воду, розкладається також Унаслідок тривалого зберігання, особливо за наявності слідів іонів деяких металічних елементів. Виявляє слабкі кислотні властивості.

Поширеність гідроген пероксиду в природі

Гідроген пероксид утворюється унаслідок окиснення багатьох речовин киснем повітря, його сліди є в атмосферних опадах. Утворюється в живих організмах (тваринних та рослинних), але концентрації його дуже малі — під впливом ферментів він розкладається (з виділенням атомарного Оксигену) і окиснює органічні речовини.

Отримання гідроген пероксиду

Гідроген пероксид можна витісняти з пероксидів сильнішими кислотами, зокрема навіть карбонатною:

ВаО₂ + H₂SO₄ (розведена й охолоджена) = BaSO₄ + Н₂О₂

ВаО₂ + СО₂ + Н₂О = ВаСО₃ + Н₂О₂

Na₂O₂ + 2Н₂О = 2NaOH + Н₂О₂

Хімічні властивості гідроген пероксиду

1. Гідроген пероксид у реакціях може виявляти як окисні (більш характерні, а), так і слабкі відновні властивості (б):

Наприклад:

2. Унаслідок тривалого зберігання Н₂О₂ повільно розкладається

2Н₂О₂ = 2Н₂О + О₂↑

Реакція пришвидшується наявністю слідів металів Сu, Mn, Fe, Pt та катіонів відповідних металів, МnО₂, вуглецю, електричним розрядом. Цю реакцію зараховують до реакцій диспропорціонування (самоокиснення — самовідновлення), тому що атоми Оксигену змінюють проміжний ступінь окиснення -1 (у молекулі Н₂О₂) на -2 (Н₂О) і 0 (О₂).

3. Гідроген пероксид реагує з деякими основами:

Н₂О₂ + Ва(ОН)₂ = ВаО₂ + 2Н₂О

Застосування гідроген пероксиду

Гідроген пероксид використовують:

• для первинної обробки ран у медицині як кровоспинний засіб і антисептик (під впливом ферменту каталази Н₂О₂ розкладається з виділенням атомарного Оксигену), у розчині з масовою часткою Н₂О₂ 3 %;
• для дезінфекції;
• в харчовій промисловості;
• як м’який відбілювач для паперу, пір’я, пуху, волосся;
• для виробництва відбілювачів, які вводять у синтетичні мийні засоби;
• як піноутворювач у виробництві деяких пластмас;
• для реставрації картин, написаних свинцевими фарбами;
• в органічному синтезі (отримання метанолу та інших речовин);
• як окиснювач у ракетному паливі.