Водород и кислород

Водород

Содержание 

1. Водород как химический элемент 
2. Физические свойства водорода 
3. Химические свойства водорода 
4. Способы получения водорода 
5. Применение водорода 
6. Вода
7. Кристаллогидраты
8. Пероксид водорода

1. Водород как химический элемент

Водород — химический элемент с порядковым номером 1 — самый легкий из всех элементов периодической таблицы. В состав атома входят один протон и один электрон, такое строение является причиной уникальных свойств водорода.

Водород в периодической системе занимает особое место. С одной стороны, он может быть помещен в главную подгруппу первой группы, т.к. водород, как и щелочные металлы, способен отдавать один электрон. С другой стороны, подобно галогенам, водород способен присоединять один электрон, поэтому он может быть помещен в главную подгруппу седьмой группы. 

В соединениях водород всегда одновалентен. Для него характерны две степени окисления: +1 и -1

характеристика	водород
Химический знак	H
Электронная конфигурация	1S1
Степени окисления	+1, 0, -1

степень окисления	-1	0	+1
соединения	KH, MgH2	H2	H2O, HF, NH3

Существуют три изотопа водорода: протий H, дейтерий D и тритий T. 

	H	D	T
электроны	1	1	1
протоны	1	2	3

2. Физические свойства водорода

• Температура кипения: -252,76 °С
• Температура плавления: -259,14 °С
• Слабо растворяется в воде 
• Легче воздуха в 14,5 раз
• Взрывоопасное вещество

3. Химические свойства водорода

1. Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами (проявление восстановительных свойств, повышение степени окисления)

реагент	реакция	Условия/особенности
кислород	2H2 + O2 = 2H2O	Нагревание, смесь H2 и O2 взрывоопасна
Хлор (возможно с другими галогенами)	H2 + Cl2 = 2HCl	Ультрафиолетовый свет или нагревание
Сера	H2 + S = H2S	Пропускание водорода над нагретой серой, H2S имеет запах тухлых яиц
Азот	N2 + 3H2 = 2NH3	Присутствие катализатора, повышенное давление и температура

2. Взаимодействие с простыми веществами — металлами (проявление окислительных свойств, понижение степени окисления)

реагент	реакция	условия/особенности
ЩМ, ЩЗМ	2Na + H2 = 2NaH Ca + H2 = CaH2	Нагревание, происходит образование гидридов

3. Взаимодействие со сложными веществами

реагент	реакция	Примечания
Оксиды металлов	CuO + H2 = Cu + H2O Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O	Получение металлов из их оксидов в металлургии Не реагируют оксиды активных металлов (левее марганца в ряду активности)
Оксиды неметаллов	CO + 2H2 = CH3OH	Присутствие катализатора  Смесь CO и H2 — “синтез-газ”
	2NO + 2H2 = N2 + 2H2O	Реакция используется в очистительных системах при производстве HNO3

4. Основные способы получения водорода 

а) В лаборатории: 

водород получают действием кислот (соляной или разбавленной серной) на металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода (чаще цинк или железо): 

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂ 

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂ 

Реакцию обычно проводят в аппарате Киппа, а для получения малых количеств водорода — в приборе Кирюшкина. Водород собирают методом вытеснения воздуха, держа пробирку донышком вверх, или методом вытеснения воды.

Рис. 1. Получение водорода в аппарате Киппа

Рис. 2. Прибор Кирюшкина

б) В промышленности:

Способ получения	Уравнение реакции
Газопаровая конверсия угля	C + H2O = CO + H2
Взаимодействие метана с водяным паром	CH4 + H2O = CO + 3H2
Разложение метана	CH4 = C + 2H2
Электролиз воды	2H2O = 2H2 + O2

5. Применение водорода

1. Получение многих веществ
   • аммиака
   • хлороводорода
   • метилового спирта и других органических веществ из синтез-газа
   • маргарина
   • металлов (например, вольфрама) из оксидов
2. Жидкий водород используется как ракетное горючее

6. Вода

Физические свойства:

Чистая вода — прозрачная жидкость, без цвета, вкуса и запаха

• температура кипения: 100 °С при 1 атм
• температура плавления 0°С
• плотность 1 кг/л

Химические свойства:

• С металлами (в ряду напряжений до водорода)

H₂O + K = KOH + H₂

• С основными и кислотными оксидами:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄

• Гидролиз солей

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S

• С гидридами активных металлов 

LiH + H₂O = LiOH + H₂↑ 

• Реакции с C, CO, CH₄ 

C + H₂O = CO + H₂↑ 

H₂O + CO = (кат.) CO₂ + H₂↑ 

H₂O + CH₄ = (кат.) CO + H₂↑ 

• С галогенами 

Cl₂ + H₂O = HCl + HClO (соляная и хлорноватистая кислоты — без нагревания)

Cl₂ + H₂O = HCl + HClO₃ (соляная и хлорноватая кислоты — при нагревании)

7. Кристаллогидраты 

Кристаллогидраты — это сложные вещества, содержащие в кристаллической решетке молекулы воды

медный купорос CuSO4*5H2O — пентагидрат сульфата меди (II)	кристаллическая содаNa2CO3*10H2O — декагидрат карбоната натрия	цинковый купорос ZnSO4*7H2O — гептагидрат сульфата цинка

8. Пероксид водорода H₂O₂

Физические свойства:

бесцветная прозрачная жидкость со слабым своеобразным запахом, “металлическим” вкусом, слегка вязкая

Получение

Используют пероксиды и супероксиды металлов

K₂O₂ + H₂O = KOH + H₂O₂ 

BaO₂ + H₂SO₄ = BaSO₄+ H₂O₂ 

Химические свойства

• разложение в разбавленных растворах

H₂O₂ = H₂O₂+ O₂ 

• проявление окислительных свойств

KCl + H₂O₂ + H₂SO₄ = Cl₂ + K₂SO₄ + H₂O 

Кислород

Содержание

1. Кислород как химический элемент 
2. Физические свойства кислорода, аллотропия 
3. Химические свойства кислорода 
4. Способы получения кислорода 
5. Применение кислорода

1. Кислород как химический элемент

Кислород – элемент с порядковым номером 8, входит в 6 группу периодической таблицы Менделеева, обозначается буквой O.  Кислород существует в виде трёх стабильных изотопов: ¹⁶O, ¹⁷O ¹⁸O, наиболее распространен ¹⁶O.

характеристика	водород
Химический знак	O
Электронная конфигурация	1S22s22P4
Наиболее частые степени окисления	0, -1, -2

Степень окисления	Соединение
0	O2
-1	H2O2, Na2O2
-2	оксиды металлов и неметаллов,  кислоты и основания амфотерные оксиды и гидроксиды соли кислородсодержащих кислот

Электронная конфигурация кислорода: +8O 1s²2s²2p⁴

1s   2s 2p 

2. Физические свойства 

• Кислород – это бесцветный, без запаха, безвкусный газ.  
• Температура кипения:  -182,96 ° C  
• Температура плавления: -218,4 ° C 
• Цвет: слегка голубоватый оттенок  
• Аллотропные формы кислорода: кислород и озон. Кислород (O₂) содержит 2 атома в молекуле, а озон (O₃) — 3. 

3. Химические свойства

 1. Взаимодействие с неметаллами

реагент	реакция	примечание
сера	S + O2 = SO2	Необходимо нагревание, в процессе реакции можно наблюдать синее пламя
фосфор	4P + 5O2 = 2P2O5	Необходимо нагревание, в процессе реакции образуется белый дым
фосфор	4P + 3O2 =   2P2O3	Реакция идет при недостатке кислорода
Углерод, кремний, водород	С + O2 = СO2  Si + O2 = SiO2  2H2 + O2 = 2H2O	Необходимо нагревание, реакции протекают с выделением тепла (экзотермические)
азот	N2 + O2 = 2NO	Необходима высокая температура (3000 °C), реакция

2. Взаимодействие с металлами

реагент	реакция	примечание
ЩЗМ, литий, алюминий	2Ca   +   O2 → 2CaO 4Li + O2 = 2Li2O 4Al + 3O2 = 2Al2O3	Активные металлы взаимодействуют с O2 при комнатной температуре Образуются оксиды
натрий	2Na + O2→  Na2O2	Горение натрия в кислороде Образуется пероксид
Калий, рубидий, цезий	K + O2→  KO2	Образуется смесь продуктов, преимущественно — надпероксид
железо	2Fe + O2→  2FeO 4Fe + 3O2→  2Fe2O3 3Fe + 2O2→  Fe3O4	в зависимости от количества кислорода, образуется либо оксид железа (II), либо оксид железа (III), либо железная окалина
Менее активные металлы	Cu + O2 = 2CuO	Необходимо нагревание

3. Взаимодействие со сложными веществами: 

Многие сложные органические и неорганические вещества горят в кислороде с образованием оксидов элементов, входящих в состав этих веществ: 

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O 

2H₂S + 3O₂ = 2SO₂ + 2H₂O 2CO + O₂ = 2CO₂

4. Способы получения кислорода 

Лабораторные способы получения кислорода:

1. Разложение перманганата калия:

2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂

2. Разложение пероксида водорода в присутствии оксида марганца (IV):

2H₂O₂ →  2H₂O + O₂  

3. Электролиз воды: 

2H₂O = O₂ + 2H₂ (Протекает под действием электрического тока) 

4. Разложение некоторых солей кислородсодержащих кислот (KClO₃, NaNO₃, KNO₃) 

5. Применение кислорода

• В ракетном топливе: при соединении водорода и кислорода, освобождается большое количество энергии, которая используется для подъема ракеты в космос 
• Производство металлов (кислород применяют для сжигания углерода и других примесей, которые находятся в железе для производства стали) 
• Для резки металлов и сплавов (в смеси с водородом и ацетиленом) 
• В медицине кислород используют для проведения искусственного дыхания,  
• Для создания искусственной атмосферы (на подводных лодках, космических кораблях, при работе водолазов)