Положение водорода в периодической системе менделеева кратко

Обновлено: 05.07.2024

Водород – первый элемент и один из двух представителей первого периода системы. Особенность строения электронной оболочки атома водорода (как и гелия) не позволяет однозначно решить, в какой группе периодической системы он должен находиться.

По электронной формуле 1s 1 он формально относится к s-элементам и является аналогом элементов I группы. С щелочными металлами его объединяет сходство атомного спектра, способность давать в растворах гидратированный положительно заряженный ион (H + ) (отсюда и восстановительная активность, в частности, способность вытеснять неактивные металлы из различных соединений, например под давлением из растворов их солей или при нагревании из оксидов). Водород и элементы IA группы проявляют степень окисления +1, являются типичными восстановителями и во всех соединениях одновалентны. Однако во многом водород отличается от щелочных металлов:

  1. В состоянии свободного иона H + водород не имеет ничего общего с ионами щелочных металлов. Протон на несколько порядков меньше катионов любых других элементов, обладает исключительно высоким поляризующим действием и благодаря высокой энергии ионизации атома водорода в соединениях практически не содержится.
  2. У атома водорода отсутствует эффект экранирования.
  3. Единственный электрон атома водорода является кайносимметричным.
  4. Энергия ионизации атома водорода намного больше энергии ионизации атомов щелочных металлов, что следует из пунктов 2 и 3:

В то же время водород схож и с галогенами, с которыми его связывает большое число признаков:

  1. Для завершения внешнего электронного слоя атому водорода, как и атомам галогенов не хватает одного электрона.
  2. Близкие значения энергии ионизации:

Можно провести много других аналогичных примеров линейной взаимосвязи свойств в ряду H2 – F2.

    Большая энергия связи:

Как это неудивительно водород напоминает и элементы IV группы тем, что внешняя электронная оболочка атома заполнена как раз наполовину, как например у углерода.

Эти аналогии при некотором желании можно обнаружить и в химических свойствах, но, видимо, все же лучше признать, что из-за совершенно особенного строения атома настоящих аналогов в периодической системе химических элементов водород не имеет. Не случайно только для соединений водорода в степени окисления +1 имеет место специфический вид связи – водородной. Все это свидетельствует о том, что в периодической системе водороду должно быть отведено особое место. И некоторые авторы (Я. А. Угай) располагают его в одной протяженной клетке над элементами второго периода (исключая неон). И это вполне логично, т.к. первый период содержит всего 2 элемента, один из которых – инертный газ.

В то же время по аналогии с галогенами и щелочными металлами его условно располагают в VII и I группе периодической системы.

Водород находится в 1-м периоде, I группе, главной (А) подгруппе. Химический знак водорода обычно проставляют и в VII группе.

Это связано с тем, что ядро атома водорода представляет из себя протон (элементарную частицу), заряд его равен +1. Электронная оболочка имеет один уровень, на котором расположен один электрон. Водород, как и металлы I группы, легко окисляется. Валентность водорода равна I.

В то же время водороду недостает только одного электрона, чтобы заполнить внешний электронный уровень (т.к. на I уровне может разместиться только 2 электрона). В этом он сходен с галогенами. Водород-простое вещество, как и галогены, является неметаллом. Поэтому химический знак водорода помещают также в VII группу.

Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных ковалентной неполярной связью.

Водород – газ, без цвета и запаха, легче воздуха. Растворимость в воде очень мала.

  1. Водород горит, образуется вода; смесь водорода с воздухом сгорает со взрывом:
    2H2 + O2 = 2H2O
  2. Водород продолжает гореть в атмосфере хлора (т.е. реагирует с хлором при нагревании), образуется хлороводород:
    H2 + Cl2 = 2HCl
    Сходным образом протекают реакции со многими неметаллами.
  3. Водород восстанавливает металлы из их оксидов:
    H2 + CuO = Cu + H2O
    В этих трех реакциях водород является восстановителем.

Водород может выступать в роли окислителя при нагревании со щелочными металлами:
2Na + H2 = 2NaH (образуется гидрид натрия)

В лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой:

Водород собирают в сосуд, перевернутый кверху дном.

Чтобы проверить его на чистоту, пробирку с водородом подносят к пламени спиртовки. Чистый водород сгорает со звонким хлопком. Если водород смешан с воздухом, сгорает со взрывом.

Водород можно получить взаимодействием натрия, кальция с водой:

2Na + 2HOH = 2NaOH + H2↑

При отсутствии этих реактивов практикуется получение водорода взаимодействием алюминиевой стружки и воды (с добавлением щелочи, чтобы разрушить оксидную пленку).

В промышленности водород получают при разложении природного газа.

Перспективным считается получение водорода при разложении воды электрическим током, но этот метод дорого обходится из-за больших затрат электроэнергии.

  1. Синтез аммиака NH3 (производство азотной кислоты и азотных удобрений), соляной кислоты
  2. Получение металлов высокой чистоты (например, порошка железа для школьной химической лаборатории)
  3. Газовая резка и сварка металлов

Водород считается перспективным экологически чистым топливом для автомобильного и воздушного транспорта. Запасы нефти и газа на Земле исчерпаемы, а водород можно получать из воды.

Водород находится в 1-м периоде, I группе, главной (А) подгруппе. Химический знак водорода обычно проставляют и в VII группе.

Это связано с тем, что ядро атома водорода представляет из себя протон (элементарную частицу), заряд его равен +1. Электронная оболочка имеет один уровень, на котором расположен один электрон. Водород, как и металлы I группы, легко окисляется. Валентность водорода равна I.

В то же время водороду недостает только одного электрона, чтобы заполнить внешний электронный уровень (т.к. на I уровне может разместиться только 2 электрона). В этом он сходен с галогенами. Водород-простое вещество, как и галогены, является неметаллом. Поэтому химический знак водорода помещают также в VII группу.

Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных ковалентной неполярной связью.

Водород – газ, без цвета и запаха, легче воздуха. Растворимость в воде очень мала.

  1. Водород горит, образуется вода; смесь водорода с воздухом сгорает со взрывом:
    2H2 + O2 = 2H2O
  2. Водород продолжает гореть в атмосфере хлора (т.е. реагирует с хлором при нагревании), образуется хлороводород:
    H2 + Cl2 = 2HCl
    Сходным образом протекают реакции со многими неметаллами.
  3. Водород восстанавливает металлы из их оксидов:
    H2 + CuO = Cu + H2O
    В этих трех реакциях водород является восстановителем.

Водород может выступать в роли окислителя при нагревании со щелочными металлами:
2Na + H2 = 2NaH (образуется гидрид натрия)

В лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой:




Водород собирают в сосуд, перевернутый кверху дном.

Чтобы проверить его на чистоту, пробирку с водородом подносят к пламени спиртовки. Чистый водород сгорает со звонким хлопком. Если водород смешан с воздухом, сгорает со взрывом.

Водород можно получить взаимодействием натрия, кальция с водой:

2Na + 2HOH = 2NaOH + H2↑

При отсутствии этих реактивов практикуется получение водорода взаимодействием алюминиевой стружки и воды (с добавлением щелочи, чтобы разрушить оксидную пленку).

В промышленности водород получают при разложении природного газа.

Перспективным считается получение водорода при разложении воды электрическим током, но этот метод дорого обходится из-за больших затрат электроэнергии.

  1. Синтез аммиака NH3 (производство азотной кислоты и азотных удобрений), соляной кислоты
  2. Получение металлов высокой чистоты (например, порошка железа для школьной химической лаборатории)
  3. Газовая резка и сварка металлов

Водород считается перспективным экологически чистым топливом для автомобильного и воздушного транспорта. Запасы нефти и газа на Земле исчерпаемы, а водород можно получать из воды.

Водород, его положение в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева, строение его атома и молекулы, физические и химические свойства, получение, применение.

  1. Элемент водород:
    1. положение в п.с.
    2. строение атома
    3. распространённость в природе
    4. Строение молекулы водорода
    5. Физические свойства водорода
    6. Химические свойства:
      1. взаимодействие с неметаллами
      2. взаимодействие с металлами
      3. восстановление металлов из оксидов
      4. Получение:
        1. в лаборатории
        2. в промышленности
        3. Применение

        Водород – первый элемент в периодической системе. Он находится в первом периоде первой группе главной подгруппе. Заряд ядра атома водорода + 1, в атоме один электронный слой и на нём находится один электрон. Этот электрон находится на s-подуровне:

        Водород проявляет во всех соединениях валентность 1, возможные степени окисления: - 1, 0, + 1. как элемент с характерной степенью окисления + 1 водород располагается в I группе.

        Учитывая способность водорода существовать в форме двухатомных молекул Н2 и проявлять степень окисления – 1, водород ставят в седьмую группу главную подгруппу.

        В природе существует три изотопа водорода: 1 Н – водород, 2 Н – дейтерий ( 1 Н : 2 Н = 6800 : 1), 3 Н – тритий (радиоактивный; на земле 2 кг).

        Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных ковалентной неполярной связью:

        ?
        Н : Н, Н – Н, ? -связь

        Н2 – газ, без цвета, без запаха, легче воздуха в 14,5 раз, tкип. = - 252,6 0 С, tпл. = - 259,1 0 С. Очень плохо растворяется в воде, но способен растворяться в некоторых металлах.

        Химические свойства:

        1. При комнатной температуре водород химически малоактивен. Без нагревания реагирует только со фтором: Н2 + F2 = 2HF. С кислородом и хлором реагирует при поджигании: 2H2 + O2 = 2H2O;
          H2 + Cl2 = 2HCl. С серой водород реагирует при нагревании до 150 – 200 0 С: H2 + S = H2S.
          В жёстких условиях водород реагирует с азотом с образованием аммиака: 3H2 + N2 = 2NH3.
        1. При нагревании водород реагирует с некоторыми металлами, образуя гидриды:
          Са + Н2 = СаН2 -1 .
        1. Водород способен восстанавливать железо и менее активные, чем железо металлы из их оксидов: Fe3O4 + 2H2 = 3Fe + 2H2O CuO + H2 = Cu + H2O.

        Получение:

        В лаборатории водород получают взаимодействием цинка с серной или соляной кислотами в аппарате Киппа: Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2.

        Основной источник получения водорода в промышленности – метан. Наиболее распространённый способ получения водорода – взаимодействие метана с водяным паром. Реакцию проводят при 400 0 С, давлении 2 – 3 МПа в присутствии алюмоникелевых катализаторов:
        СН4 + 3Н2О = 3Н2 + СО. Для некоторых синтезов используют полученную смесь. Если нужен чистый водород, то оксид углерода(II) окисляют водяным паром, используя катализаторы:
        СО + Н2О = СО2 + Н2. Oт углекислого газа можно освободиться, пропуская смесь через раствор щёлочи.

        Водород в промышленности образуется при электролизе водного раствора хлорида натрия:
        2NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2 + Cl2; и при разложении воды электрическим током: 2H2O = O2 + H2.

        Применение:

        Водород используют для синтеза аммиака, получения хлороводорода, восстановления некоторых металлов (W Мо и др.) из их оксидов, для гидрирования органических веществ.

        Водород как элемент Периодической системы

        0,050 – приблизительный радиус атома водорода, 2,1 – электроотрицательность по шкале Полинга

        В некоторых периодических системах можно наблюдать, что водород располагается как в первой, так и в седьмой группе. К первой группе водород относят из-за наличия у него всего одного валентного электрона на внешнем электронном уровне. Это обуславливает существование катионов водорода H + (протонов водорода), которые образуются аналогично катионам металлов IА-группы.

        Окисление атома лития и образование катиона лития

        Окисление атома лития и образование катиона лития

        Отдав один электрон внешнего слоя, литий превращается в катион

        Окисление атома водорода и образование катиона (протона) водорода

        Окисление атома водорода и образование катиона (протона) водорода

        Атом водорода отдает свой единственный электрон, от атома остается только протон

        Восстановление атома фтора до фторид-иона

        Восстановление атома фтора до фторид-иона

        Атом фтора притягивает дополнительный электрон, становясь фторид-ионом

        Внешний уровень водорода является еще и первым (ближайшим к ядру), на котором максимально помещается два электрона. До завершения этого уровня атому водорода требуется принять всего один электрон, это роднит его с галогенами. Этим и обосновано расположение водорода в ПС в VIIА-группе. Получая один электрон, водород приобретает конфигурацию благородного газа (гелия).

        Водороду не хватает одного электрона до завершенного электронного уровня

        Водороду не хватает одного электрона до завершенного электронного уровня

        Атом водорода получает электрон от сильного восстановителя и становится гидрид-ионом

        Таким образом, водород можно рассматривать как элемент первой группы, так как его электронная конфигурация может быть выражена как ns 1 (это совпадает с электронной конфигурацией внешнего уровня всех щелочных металлов) и как элемент седьмой группы, так как до завершения внешнего электронного уровня не хватает всего одного электрона.

        Задание в формате ЕГЭ с ответом:

        Водород имеет конфигурацию благородного газа в следующих соединениях:

        Пояснение: Водород приобретает конфигурацию благородного газа, превращаясь в гидрид-ион. Гидриды образуются при взаимодействии водорода с активными металлами (металлами IА-группы и кальцием, стронцием, барием).

        Химические свойства водорода

        Водород проявляет восстановительные свойства при взаимодействии с неметаллами.

        Молекулярный водород состоит из двух атомов, между которых образуется одна, но очень прочная σ-связь, что обеспечивает устойчивость молекулы. Поэтому при нормальных условиях водород малоактивен. Но при нагревании, облучении или использовании катализаторов водород реагирует с большинством неметаллов, а также со щелочными и щелочноземельными металлами.

        В качестве катализатора используется платина или никель. Водород, растворяясь в этих металлах переходит из молекулярного в более активное атомарное состояние.

        Платина используется как катализатор в реакциях гидрирования

        Платина используется как катализатор в реакциях гидрирования

        При растворении водорода в металлах он становится атомарным, более химически активным

        1. Взаимодействие водорода с галогенами (с элементамиVIIА-подгруппы).

        При комнатной температуре водород реагирует только со фтором:

        Полученный фтороводород – прозрачный газ с резким запахом, при растворении в воде образует слабую плавиковую кислоту.

        При облучении реагирует с бромом и хлором:

        Образовавшийся бромоводород и хлороводород – газы, образующие при растворении сильные кислоты.

        При нагревании водород реагирует с йодом:

        Образовавшийся йодоводород – газ, при растворении которого в воде образуется очень сильная кислота.

        Кислотные свойства водородных соединений увеличивается в ПС (Периодической системе) слева-направо и сверху-вниз. Поэтому плавиковая кислота слабая, а йодоводородная – сильная.

        Пример задания из КИМ ЕГЭ:

        Установите последовательность веществ в порядке увеличения кислотности этих соединений:

        Реакция с чистым кислородом происходит при 400º, с кислородом на воздухе – при 600º, но если использовать платиновый катализатор, то реакция между водородом и кислородом происходит при комнатной температуре:

        Данная реакция сопровождается выделением большого количества теплоты, поэтому может быть использована в целях получения энергии в двигателях.

        Смесь двух объёмов водорода и одного объёма кислорода называется гремучим газом, она крайне взрывоопасна.

        С бором, кремнием и фосфором водород непосредственно не реагирует.

        1. Взаимодействие водорода с металлами.

        Водород проявляет окислительные свойства в реакция со щелочными и щелочноземельными металлами. Принимает от металла один электрон и превращается в гидрид-ион:

        Задание по образцу ФИПИ:

        Из предложенного перечня металлов выберите три, с которыми водород может взаимодействовать:

        Попробуйте решить задание ЕГЭ:

        Из предложенного перечня выберете три вещества, с которыми водород не реагирует.

        Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

        1. Взаимодействие со сложными веществами

        Водород используют для восстановления металлов из их оксидов. Таким образом получают средние и малоактивные металлы (в основном металлы побочных подгрупп):

        Если металл в оксиде может иметь более низкую промежуточную степень окисления, то восстановление происходит не полностью:

        Так как в условиях недостатка водорода восстанавливается не весь оксид железа III, в продукте может образоваться не оксид железа II, а смесь оксида железа II и III (закись-окись железа).

        Также неполно восстанавливается и оксид свинца IV.

        Для полного восстановления требуется большой избыток водорода.

        Закись-окись марганца, входящая в состав минерала гаусманита, является двойным оксидом (MnO·Mn2O3) с общей формулой Mn3O4 восстанавливается аналогично:

        Водород не восстанавливает металл из оксида:

        Подобным образом восстанавливаются галогениды:

        С оксидами и галогенидами активных металлов водород не реагирует.

        При 1000ºС водород может восстановить сульфат до сульфида:

        Водород восстанавливает не только металлы, но и некоторые неметаллы из их оксидов:

        Восстановление также может происходить не полностью:

        Физические свойства

        Водород является газом без цвета и запаха, не имеет вкуса. Это самый легкий газ, его не может удержать земная атмосфера и свободный водород выходит в космос. В земной атмосфере водород остаётся в связанном виде, то есть в составе более тяжелых молекул.

        Водород плохо растворяется в воде и во многих других растворителях, но может медленно диффундировать в металлах.

        Получение водорода

        Водород получают взаимодействием 20%-ной серной кислоты с цинком в аппарате Киппа:

        Из-за использования загрязненного цинка (цинковые руды загрязнены мышьяком и сурьмой), выход продукта уменьшается, вместе с водородом образуются ядовитые AsH3 и SbH3.

        Для получения более чистого водорода используют реакции растворения кремния или алюминия в щелочах:

        Из предложеных пар веществ выберите три, взаимодействие которых приводит к образованию водорода:

        Водород можно получить при реакции железа нагретого до температуры красного каления (900-1000º) с перегретым водяным паром:

        Взаимодействием щелочных металлов с водой:

        Водород можно получить, растворив в холодной воде металл:

        Реакция является экзотермической – происходит с выделением большого количества тепла. Активные металлы горят и даже взрываются при взаимодействии с водой.

        Водород получают гидролизом гидридов или взаимодействием гидрида с кислотой:

        KH + HOH = KOH + H2↑

        KH + HCl = KCl + H2↑

        1. Промышленные способы получения водорода:

        В промышленности используют электролиз воды и растворов солей активных металлов.

        Катодный процесс: 2HOH + 2ē → H2 + 2OH ‒

        Анодный процесс: 2Cl ‒ ‒ 2ē → Cl2↑

        Водород можно получить электролизом:

        Водород можно получить при разложении метана при 350ºС на железном или никелевом катализаторе:

        Наибольшее количество водорода получают воздействием на антрацит (ископаемый уголь с наибольшей массовой долей углерода) перегретым водяным паром (1000ºC):

        Или конверсией метана перегретым водяным паром (1100ºС):

        Смесь угарного газа и водорода, получаемая в этих реакциях, называется синтез-газом. Он используется в органическом синтезе, главным образом для получения метанола и в синтезе Фишера-Тропша для получения алканов:

        Также водород получают глубоким охлаждением коксового газа до ‒196ºС, при такой температуре только водород остаётся газообразным.

        Многие описанные методы приводят к получению не чистого водорода, а его смеси с другими газами. Одним из методов отделения водорода от примесей является пропускание газовой смеси через прибор, содержащий трубку из сплава палладия и серебра. Смесь пропускают через прибор под большим давлением. Из-за давления и способности водорода диффундировать в металлах, он попадает в трубку из сплава Pd/Ag, другие газы в эту трубку попасть не могут.

        Очистка водорода от примесей

        Очистка водорода от примесей

        Водород под давлением диффундирует через металлическую трубку

        Применение водорода

        Наибольшее количество водорода используется в производстве аммиака, хлороводорода и соляной кислоты, восстановление металлов, гидрирование органических соединений, получении метанола.

        Жидкий водород используется в качестве ракетного топлива.

        Водород используется для очистки нефти от серы.

        Использованная литература:

        Репетитор по химии / под ред. А. С. Егорова. – Изд. 29-е. – Ростов н/Д : Феникс, 2010. – 762.

        Шрайвер Д., Эткинс П. Неорганическая химия. В 2-х т. Т.1/Пер. с англ. М. Г. Розовой, С. Я. Истомина, М. Е. Тамм. – М.: Мир, 2004.

        Читайте также: