За яким механізмом йдуть реакції приєднання до алкенів?
1. За рахунок електронів π-зв'язку в молекулах алкенів є область підвищеної електронної щільності (хмара π-електронів над і під площиною молекули):
Тому подвійний зв'язок схильна зазнавати атаки електрофільним (електронодефіцитним) реагентом. У цьому випадку відбуватиметься гетеролічний розрив π-зв'язку і реакція піде по іонномумеханізму як електрофільне приєднання.
2. З іншого боку, вуглець-вуглецевий π-зв'язок, будучи неполярним, може розриватися гомолітично, і тоді реакція йтиме по радикальномумеханізму.
Механізм приєднання залежить від умов проведення реакції.
Крім того, алкенам властиві реакції ізомеризаціїіокислення (у тому числі реакція горіння, характерна всім вуглеводнів).
Реакції приєднання до алкенів.
Гідрування (приєднання водню)
Алкени взаємодіють з воднем при нагріванні та підвищеному тиску в присутності каталізаторів (Pt, Pd, Ni та ін.) з утворенням алканів:
Гідрування алкенів – реакція, обернена до дегідрування алканів. Відповідно до принципу Ле Шательє, гідрування сприяє підвищений тиск, т.к. ця реакція супроводжується зменшенням обсягу системи.
Приєднання водню до атомів вуглецю в алкенах призводить до зниження ступеня їхнього окислення:
Тому гідрування алкенів відносять до реакцій відновлення. Ця реакція використовується у промисловості для отримання високооктанового палива.
Галогенування (приєднання галогенів)
Приєднання галогенів по подвійного зв'язкуС=С відбувається легко звичайних умовах(При кімнатній температурі, без каталізатора). Наприклад, швидке знебарвлення червоно-бурого забарвлення розчину брому у воді (бромної води) служить якісною реакцієюна наявність подвійного зв'язку:
Ще легше відбувається приєднання хлору:
Ці реакції протікають механізмом електрофільного приєднання з гетеролітичним розривом зв'язків у молекулі галогену.
При нагріванні до 500 °С можливе радикальне заміщення атома водню при сусідньому до подвійного зв'язку атомі вуглецю:
Гідрогалогенування (приєднання галогеноводородів)
Реакція йде механізмом електрофільного приєднання з гетеролітичним розривом зв'язків.
CH 2 =CH 2 + HCl CH 3 -CH 2 Cl
Напрямок реакції приєднання галогеноводородів до алкенів несиметричної будови (наприклад, до пропілену) CH 2
=CH-СН 3
) визначається правилом Марковнікова:
У реакціях приєднання полярних молекул типу НХ до несиметричних алкенів водень приєднується до гідрогенізованого атома вуглецю при подвійному зв'язку (тобто атома вуглецю, пов'язаного з найбільшим числом атомів водню).
Так, у реакції HCl c пропіленом з двох можливих структурних ізомерів 1-хлорпропану та 2-хлорпропану, утворюється останній:
Слід зазначити, що правило Марковникова у його класичному формулюванні дотримується лише електрофільних реакцій самих алкенів. У разі деяких похідних алкенів або зміни механізму реакції йдуть проти правила Марковникова.
Гідратація(Приєднання води)
Гідратація відбувається у присутності мінеральних кислотза механізмом електрофільного приєднання:
У реакціях несиметричних алкенів дотримується правило Марковнікова.
Полімеризація– реакція утворення високомолекулярної сполуки (полімеру) шляхом послідовного приєднання молекул низькомолекулярної речовини (мономіра) за схемою:
nM M n
Число nу формулі полімеру ( M n) називається ступенем полімеризації. Реакції полімеризації алкенів йдуть рахунок приєднання по кратним зв'язкам:
Отримання алкенів
У природі алкени зустрічаються значно меншою мірою, ніж граничні вуглеводні, мабуть, внаслідок своєї високої реакційної здатності. Тому їх одержують з використанням різних реакцій.
I. Крекінг алканів:
Наприклад:
ІІ. Відщеплення (елімінування) двох атомів або груп атомів від сусідніх атомів вуглецю з утворенням між ними зв'язку.
Дегідрогалогенування галогеналканів при дії спиртового розчину лугу
Дегідратація спиртів при підвищеній температурі (вище 140 C) у присутності водовіднімних реагентів
Реакції елімінування йдуть відповідно до правиломЗайцева:
Відщеплення атома водню в реакціях дегідрогалогенування та дегідратації відбувається переважно від найменш гідрогенізованого атома вуглецю.
Сучасне формулювання: реакції відщеплення йдуть з утворенням заміщених при подвійному зв'язку алкенів.
Такі алкени мають нижчу енергію.
Дегалогенування дигалогеналканів, що мають атоми галогену у сусідніх атомів вуглецю, при дії активних металів:
Дегідрування алканів при 500С:
Застосування алкенів
Алкени застосовуються як вихідні продукти у виробництві полімерних матеріалів (пластмас, каучуків, плівок) та інших органічних речовин.
Етилен(етен) Н 2 С=СН 2 використовується для отримання поліетилену, політетрафторетилену (тефлону), етилового спирту, оцтового альдегіду, галогенопохідних та багатьох інших органічних сполук.
Застосовується як засіб прискореного дозрівання фруктів.
Пропілен(пропен) Н 2 С = СН 2 -СН 3 і бутилени(бутен-1 та бутен-2) використовуються для отримання спиртів та полімерів.
Винахідливий(2-метилпропен) Н 2 С=С(СН 3) 2 застосовується у виробництві синтетичного каучуку.
Які вуглеводні називають алкенами?
Яка загальна формулаалкенів?
Який вид гібридизації у алкенів?
Які хімічні властивості характерні для алкенів?
Чому алкени використовуються як вихідний продукт для виробництва ВМС?
У чому полягає суть правила Марковнікова?
Які способи одержання алкенів ви знаєте?
Яким механізмом йде реакція приєднання у алкенів?
Як змінюються Фізичні властивостів гомологічному рядуу алкенів?
Де застосовуються алкени?
Лекція №17: Алкадієни. Будова. Властивості. Каучук.
Алкадієни (дієни)- Ненасичені аліфатичні вуглеводні, молекули яких містять два подвійні зв'язки.
Загальна формула алкадієнів З n H 2n-2 .
Властивості алкадієнів значною мірою залежить від взаємного розташування подвійних зв'язків у молекулах. За цією ознакою розрізняють три типи подвійних зв'язків у дієнах.
1.Ізольовані подвійні зв'язки розділені в ланцюги двома або більше σ-зв'язками:
СН 2 =СН-СН 2 -СН = СН 2
Розділені sp 3 -атомами вуглецю, такі подвійні зв'язки не надають один на одного взаємного впливу і вступають у ті ж реакції, що й подвійний зв'язок в алкенах. Таким чином, алкадієни цього виявляють хімічні властивості, характерні для алкенів.
2. Кумульовані подвійні зв'язки розташовані в одного атома вуглецю:
СН 2 =С=СН 2 (Аллен)
Подібні дієни (ален) відносяться до досить рідкісного типу сполук.
3.Парні подвійні зв'язки розділені одним σ-зв'язком:
СН 2 =СН-СН=СН 2
Сполучені дієни становлять найбільший інтерес. Вони відрізняються характерними властивостями, зумовленими електронною будовою молекул, а саме безперервною послідовністю 4-х sp 2 -атомів вуглецю.
Окремі представники цих дієнів широко використовуються у виробництві синтетичних каучуків та різних органічних речовин.
За правилами IUPAC головний ланцюг молекули алкадієну повинен включати обидва подвійні зв'язки. Нумерація атомів вуглецю в ланцюзі проводиться так, щоб подвійні зв'язки отримали найменші номери. Назви алкадієнів виробляють від назв відповідних алканів (з тим самим числом атомів вуглецю), в яких остання буквазамінюється закінченням -дієн.
Розташування подвійних зв'язків вказується наприкінці назви, а заступників – на початку назви.
Наприклад:
Назва "дивініл" походить від назви радикала -СН = СН 2 "вініл".
Ізомерія сполучених дієнів
Структурна ізомерія
1. Ізомерія положення сполучених подвійних зв'язків:
2. Ізомерія вуглецевого скелета:
3. Міжкласова ізомерія з алкінами та циклоалкенами.
Наприклад, формулі З 4 Н 6 відповідають такі сполуки:
Просторова ізомерія
Дієни, що мають різні заступники при вуглецевих атомах у подвійних зв'язків, подібно до алкенів, виявляють цис-транс-ізомерію.
Крім того, можливий поворот по зв'язку, що поділяє подвійні зв'язки, що призводить до поворотних ізомерів. Деякі хімічні реакції сполучених дієнів йдуть вибірково лише з певним поворотним ізомером.
Властивості сполучених алкадієнів
Найбільше практичне значення мають дивініл або бутадієн-1,3 (газ, що легко зріджується, т.кіп = – 4,5 C) і ізопрен або 2-метилбутадієн-1,3 (рідина з т.кип = 34 С).
За хімічними властивостями дієнові вуглеводні подібні до алкенів. Вони легко окислюються і вступають у реакції приєднання. Однак пов'язані дієни відрізняються деякими особливостями, які зумовлені ділокалізацією (розосередженням) π-електронів.
Молекула бутадієну-1,3 СН 2 =СН-СН=СН 2 містить чотири атоми вуглецю sp 2 -гібридизованому стані і має плоску будову.
π-Електрони подвійних зв'язків утворюють єдину π-електронну хмару (сполучену систему) та справакалізовані між усіма атомами вуглецю.
Порядок зв'язків (кількість загальних електронних пар) між атомами вуглецю має проміжне значення між 1 і 2, тобто. немає суто одинарної і суто подвійних зв'язків. Будова бутадієну точніше відбиває формула з делокализованными зв'язками.
Аналогічно побудовані молекули ізопрену:
Утворення єдиної π-електронної хмари, що охоплює 4 атоми вуглецю:
приводить до можливості приєднання реагенту до кінця цієї системи, тобто. до атомів 1 і 4 . Тому дивініл і ізопрен поряд з приєднанням 1 моля реагенту по одному з подвійних зв'язків (1,2- або 3,4-) вступають у реакції 1,4-приєднання. Співвідношення продуктів 1,2 і 1,4 приєднання залежить від умов реакції (з підвищенням температури зазвичай збільшується ймовірність 1,4 приєднання).
Полімеризація сполучених дієнів. Каучуки
Дивініл і ізопрен вступають у полімеризацію та кополімеризацію (тобто спільну полімеризацію) з іншими ненасиченими сполуками, утворюючи каучуки. Каучуки - це еластичні високомолекулярні матеріали (еластомери), з яких методом вулканізації (нагріванням із сіркою) отримують гуму.
Натуральний каучук– природний високомолекулярний ненасичений вуглеводень складу (З 5 Н 8) n , де n становить 1000-3000 одиниць. Встановлено, що цей полімер складається з ланок 1,4-цис-ізопрену, що повторюються, і має стереорегулярну будову:
У природних умовах натуральний каучук утворюється не шляхом полімеризації ізопрену, а іншим складнішим способом.
Полімеризація 1,3-дієн може протікати або за типом 1,4-приєднання, або за змішаним типом 1,2- і 1,4-приєднання. Напрямок приєднання залежить від умов проведення реакції.
Перший синтетичний каучук, отриманий методом С.В. Лебедєва при полімеризації дивінілу під впливом металевого натрію, був полімер нерегулярного будови з змішаним типомланок 1,2- та 1,4-приєднання:
У присутності органічних пероксидів (радикальна полімеризація) також утворюється полімер нерегулярної будови зі ланками 1,2 - і 1,4 приєднання. Каучуки нерегулярної будови характеризуються невисокою якістю під час експлуатації. Виборче 1,4-приєднання відбувається при використанні металорганічних каталізаторів (наприклад, бутиллітію C 4 H 9 Li, який не тільки ініціює полімеризацію, а й певним чином координує в просторі молекули дієна, що приєднуються):
Таким способом отримано стереорегулярний 1,4-цис-поліізопрен - синтетичний аналогнатурального каучуку. Цей процесйде як іонна полімеризація.
Для практичного використання каучуки перетворюють на гуму. Гума –це вулканізований каучук із наповнювачем (сажа). Суть процесу вулканізації полягає в тому, що нагрівання суміші каучуку та сірки призводить до утворення тривимірної сітківки з лінійних макромолекул каучуку, надаючи йому підвищену міцність. Атоми сірки приєднуються по подвійним зв'язкам макромолекул і утворюють між ними дисульфідні містки, що зшивають:
Сітчастий полімер більш міцний і виявляє підвищену пружність - високоеластичність (здатність до високих оборотних деформацій).
Залежно від кількості зшиваючого агента (сірки) можна отримувати сітки з різною частотою зшивки. Гранично пошитий натуральний каучук – ебоніт – не має еластичності і є твердим матеріалом.
Отримання алкадієнів
Загальні способи одержання дієнів аналогічні способам одержання алкенів.
1. Каталітичне двостадійне дегідрування алканів (через стадію утворення алкенів). Цим шляхом отримують у промисловості дивініл з бутану, що міститься в газах нафтопереробки та попутних газах:
Каталітичним дегідруванням ізопентану (2-метилбутану) отримують ізопрен:
2. Синтез дивінілу по Лебедєву:
3. Дегідратація гліколів ( двоатомних спиртів, або алкадіолів):
4. Дія спиртового розчину лугу на дигалогеналкани (дегідрогалогенування):
Запитання для закріплення теми:
Які вуглеводні називаються дієновими?
Які види ізомерії спостерігаються у алкадієнів?
Які хімічні властивості властиві дієновим вуглеводням?
Якими засобами можна отримати алкадієни?
Який вид гібридизації характерний для алкадієнів?
Що таке каучук?
Що таке гума?
Від чого залежить фізичні властивості алкадієнами?
З якими речовинами подібні хімічні властивості алкадієнів?
Лекція №18: Алкіни. Будова, властивості, застосування.
Алкіни (ацетиленові вуглеводні)– ненасичені аліфатичні вуглеводні, молекули яких містять потрійний зв'язок C≡C.
Загальна формула алкінів з одним потрійним зв'язком З n H 2n-2 .
Потрійний зв'язок C≡C здійснюють 6 загальних електронів:
В освіті такого зв'язку беруть участь атоми вуглецю в sp-гібридизованому стані. Кожен із них має по дві sp-гібридних орбіталі, спрямованих один до одного під кутом 180, та дві негібридних р-орбіталі, розташованих під кутом 90 по відношенню один до одного і до sp-гібридним орбіталям:
Будова потрійного зв'язку C≡C
Потрійний зв'язок є комбінацією з одного σ- та двох π-зв'язків, що утворюються двома sp-гібридизованими атомами. σ-Зв'язок виникає при осьовому перекриванні sp-гібридних орбіталей сусідніх атомів вуглецю; один із π-зв'язків утворюється при бічному перекриванні р y -орбіталей, інша – при бічному перекриванні р z-орбіталей. Утворення зв'язків на прикладі молекули ацетилену H–C≡C–H можна зобразити у вигляді схеми:
C≡C σ-зв'язок (перекривання 2 sp-2sp);
π-зв'язок (2 р y -2 р y);
π-зв'язок (2 р z -2 р z);
С–Н σ-зв'язок (перекривання 2 sp-АТ вуглецю та 1 s-АТ водню).
π-зв'язку розташовуються у взаємно перпендикулярних площинах:
σ-зв'язки, що утворюються sp-гібридними орбіталями вуглецю, розташовуються на одній прямій (під кутом 180 один до одного). Тому молекула ацетилену має лінійну будову:
Номенклатура алкінів
За систематичною номенклатурою назви ацетиленових вуглеводнів виробляють від назв відповідних алканів (з тим самим числом атомів вуглецю) шляхом заміни суфікса -ан на -ін :
2 атоми С → етан → ет ін ; 3 атоми С → пропан → проп ін і т.д.
Головний ланцюг вибирається таким чином, щоб він обов'язково включав потрійний зв'язок (тобто він може бути не найдовшим).
Нумерацію вуглецевих атомів починають із ближнього до потрійного зв'язку кінця ланцюга. Цифра, що позначає положення потрійного зв'язку, зазвичай ставиться після суфікса -ін . Наприклад:
Для найпростіших алкенів застосовуються також назви, що історично склалися: ацетилен(етин), алілен(пропін), кротонілен(бутин-1), валерілен(Пентін-1).
У номенклатурі різних класів органічних сполук найчастіше використовуються такі одновалентні радикали алкінів:
Ізомерія алкінів
Структурна ізомерія
Ізомерія положення потрійного зв'язку (починаючи з 4 Н 6):
Ізомерія вуглецевого скелета (починаючи з 5 Н 8):
Міжкласова ізомерія з алкадієнами та циклоалкенами, починаючи з 4 Н 6:
Просторова ізомерія щодо потрійного зв'язку в алкін не виявляється, т.к. заступники можуть розташовуватися лише одним способом – вздовж лінії зв'язку.
Властивості алкінів
Фізичні властивості.Температури кипіння та плавлення ацетиленових вуглеводнів збільшуються із зростанням їх молекулярної маси. При звичайних умовах алкін С 2 Н 2 -З 4 Н 6 - гази, С 5 Н 8 -З 16 Н 30 - рідини, С 17 Н 32 - тверді речовини. Температури кипіння та плавлення алкінів вищі, ніж у відповідних алкенів.
Фізичні властивості алкінів та алкенів
Алкіни погано розчиняються у воді, краще – в органічних розчинниках.
Хімічні властивості.
Реакції приєднання до алкінів
1. Гідрування
У присутності металевих каталізаторів (Pt, Ni) алкіни приєднують водень з утворенням алкенів (розривається перший π-зв'язок), а потім алканів (розривається другий π-зв'язок):
При використанні менш активного каталізатора гідрування зупиняється на стадії утворення алкенів.
2. Галогенування
Електрофільне приєднання галогенів до алкінів протікає повільніше, ніж для алкенів (перший π-зв'язок розривається важче, ніж другий):
Алкіни знебарвлюють бромну воду(Якісна реакція).
Пояснювальна записка (6)
Пояснювальна запискаПояснювальна запискаСправжня програма призначена для навчання...
Пояснювальна записка (7)
Пояснювальна запискаПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА Лабораторна роботаполягає в тому що...
Реакція приєднання.
1.1. Приєднання
СН 2 = СН 2 + Н 2 ® СН 3 -СН 3
Реакція йде у присутності каталізаторів (Pd, Pt, Ni).
1.2. Приєднання галогенів:
СН 2 = СН 2 + Br 2 ® СН 2 Br-СН 2 Br
1.3. Приєднання галогеноводородів:
СН 2 = СН 2 + НС1 ® СН 3 -СН 2 С1
Приєднання галогеноводородів до гомологів етилену відбувається за правилом В. В. Марковникова: атом водню стає найбільш гідрогенізованим атомом вуглецю, а атом галогену - до найменш гідрогенізованого, наприклад:
СН 3 -СН = СН 2 + НВг->СН 3 - СН Br -СНз
1.4. Приєднання води (реакція гідратації). Реакція протікає у присутності каталізатора - сірчаної кислоти:
СН 2 = СН 2 + Н 2 О ® СН 3 - СН 2 ВІН
Це сумарне рівняння реакції. Насправді реакція протікає дві стадії. Спочатку відбувається приєднання сірчаної кислоти до етилену за місцем розриву подвійного зв'язку з утворенням етилсерної кислоти:
СН 2 = СН 2 + Н-О- SO 2 - ВІН ® СНз- СН 2 - О- SO 2 -OH
Потім етилсерна кислота, взаємодіючи з водою, утворює спирт та кислоту:
СН 3 - СН 2 - O-SO 2 - ВІН + Н - ВІН ® СН 3 - СН 2 ВІН + НО- SO 2 - ВІН
В даний час реакцію приєднання води до етилену у присутності твердих каталізаторів використовують для промислового одержання етилового спиртуз ненасичених вуглеводнів, що містяться в газах крекінгу нафти (супутніх газах), а також у коксових газах
2. Важливим хімічною властивістюетилену та його гомологів є здатність легко окислюватися вже за нормальної температури. При цьому окислення піддаються обидва атоми вуглецю, з'єднані подвійним зв'язком. Якщо етилен пропускати в водний розчинперманганату калію КМпО 4 то характерна фіолетове забарвленняостаннього зникає – відбувається окислення етилену перманганатом калію:
ЗСН 2 = СН 2 + 2КМп0 4 + 4Н 2 О ® ЗНОН 2 С - СН 2 ВІН + 2MnO 2 + 2KOH
етиленгліколь
Ця реакція використовується для встановлення ненасиченості органічної речовини - наявності в ньому подвійних або потрійних зв'язків.
2.2. Етилен горить полум'ям, що світиться, з утворенням оксиду вуглецю (IV) і води:
СН 2 = СН 2 + 4 О 2 ® 2СО 2 + 4Н 2 О
3. Реакції полімеризації.
Полімеризація – це послідовне з'єднанняоднакових молекул у більші.
Реакції полімеризації особливо характерні для ненасичених сполук. Так, наприклад, з етилену утворюється високомолекулярна речовина – поліетилен. З'єднання молекул етилену
відбувається за місцем розриву подвійного зв'язку. Скорочено рівнянняцієї реакції записується так: nCH 2 = СН 2 ® (- CH 2 - СН 2 - ) n
До кінців таких молекул (макромолекул) приєднуються якісь вільні атоми або радикали (наприклад, атоми водню з етилену). Продукт реакції полімеризації називається полімером (від грец. Полі - багато, мерос - частина), а вихідна речовина, що вступає в реакцію полімеризації, називається мономером.
Полімер - речовина з дуже великою відносною молекулярною масою, молекула якої складається з великої кількостіповторюваних угруповань, що мають однакову будову. Ці угруповання називають елементарними ланками або структурними одиницями. Наприклад, елементарною ланкою поліетилену є угруповання атомів - СН 2 - СН 2 -.
Число елементарних ланок, що повторюються в макромолекулі, називається ступенем полімеризації (позначається п). Залежно від ступеня полімеризації з тих самих мономерів можна отримувати речовини з різними властивостями.
Так, поліетилен з короткими ланцюгами (п=20) є рідиною, що має змащувальні властивості. Поліетилен з довжиною ланцюга в 1500 - 2000 ланок є твердим, але гнучкий пластичний матеріал, з якого можна отримувати плівки, виготовляти пляшки та інший посуд, еластичні труби і т. д. Нарешті, поліетилен з довжиною ланцюга в 5 - 6 тис. ланок є твердою речовиноюз якого можна готувати литі вироби, жорсткі труби, міцні нитки.
Якщо реакції полімеризації бере участь невелике число молекул, то утворюються низькомолекулярні речовини, наприклад димери, тримери і т. д. Умови протікання реакцій полімеризації дуже різні. Іноді необхідні каталізатори та високий тиск. Але основним чинником є будова молекули мономеру. У реакцію полімеризації вступають ненасичені (ненасичені) з'єднання, за рахунок розриву кратних зв'язків.
Структурні формули полімерів коротко записують так: формулу елементарної ланки укладають у дужки і праворуч внизу ставлять літеру п. Наприклад, структурна формулаполіетилену (- СН 2 - СН 2 - ) п.Легко зробити висновок, що назва полімеру складається з назви мономеру і приставки полі-, наприклад поліетилен, полівінілхлорид, полістирол і т.д.
За допомогою реакцій полімеризації отримують високомолекулярні синтетичні речовини, наприклад, поліетилен, політетрафторетилен (тефлон), полістирол, синтетичні каучукита інших. Вони мають велике народногосподарське значення.
Тефлон - продукт полімеризації тетрафторетилену:
nCF 2 = CF 2 ->-(-CF 2 - CF 2 -)
Це найінертніша органічна речовина (на неї впливають тільки розплавлені калій і натрій). Має високу морозо-і теплостійкість.
Застосування.Етилен використовують для одержання етилового спирту, поліетилену. Він прискорює дозрівання плодів (помідорів, цитрусових та інших.) під час запровадження невеликих кількостей їх у повітря теплиць. Етилен та його гомологи використовують як хімічну сировину для синтезу багатьох органічних речовин.
- це не тільки хімічний елемент, А й просте речовина, що є частиною найрізноманітніших сполук. З'єднання водню - це складні речовини, які містять атоми водню Різноманітність подібних сполук дуже велика. Вони можуть бути як природними, так і штучно отриманими людиною. І в тому й іншому випадку сполуки водню мають колосальне значення.
З'єднання водню
З хлором з'єднання водню відбувається з великою швидкістю під впливом світла; кисень з воднем (така сполука називається - гримучий газ) при звичайній температурі зовсім не реагує, але під дією іскри або місцевого нагрівання вибухає з великою силою. За його згоряння грам-молекули (2,02 р) водню виділяється 68,4 великих калорій. При підвищеній температурі водень з'єднується з цілим рядом елементів, наприклад, з сіркою, фосфором, бромом, лужними та лужноземельними металами, а при достатньо високій температуріутворює і з вуглецем відповідні водневі сполуки.
Окиси міді, свинцю, заліза, нікелю та деяких інших металів при нагріванні у струмені водню відновлюються у відповідні метали. Активність водню надзвичайно зростає у присутності деяких каталізаторів, а також підвищення тиску. При звичайній температурі такими каталізаторами є особливо дрібнороздроблені метали - паладій, платина та нікель.
У присутності цих каталізаторів водень легко приєднується до ненасичених органічних сполук; на цьому саме засновано велику низку процесів, що мають велике технічне значення, як, наприклад, отримання твердих жирів з рідких, що містять ненасичені жирні кислоти, які приєднуючи в присутності нікелю водень, переходять в насичені.
Реакція з'єднання водню з киснем настільки прискорюється платиною, що губчаста платина, насичена воднем, мимоволі розжарюється повітря (водневе кресало). Цілком ймовірно, що дія цих каталізаторів заснована на їх здатності розчиняти водень, причому водень переходить у цьому випадку в атомарний стан. Кількість водню, що поглинається металом, особливо значно у разі паладію.
Цілий ряд інших найважливіших реакцій, при яких виконується приєднання водню: синтез аміаку по Габер, отримання метилового спирту з окису вуглецю, отримання синтетичної нафтиза Фішером, протікає також лише у присутності відповідних каталізаторів, і здійснення їх уможливилося лише тоді, коли ці каталізатори були знайдені та були визначені умови їх дії.
Застосування водню
Високий тиск також надзвичайно збільшує активність водню: так, при високому тиску водень витісняє мідь та інші метали із розчинів їх солей; на застосуванні високих тисківзаснований і спосіб Бергіуса, при якому вугілля під дією водню перетворюється на суміш рідких вуглеводнів. З-поміж зазначених вище каталітичних процесів реакції утворення аміаку і метилового спирту також вимагають застосування високих тисків.
Технічні використання водню засновані частиною його малому питомій вазі(наприклад, наповнення повітряних куль), частиною на високій температурі, що виходить при горінні водню (наприклад, застосування водню при пайці свинцю та при автогенному зварюванні металів). Далі йдуть численні реакції гідрування та відновлення, насамперед - гідрування рідких жирів та отримання синтетичного метилового спирту.
З інших реакцій цього роду дуже важливим є ще гідрування нафталіну та одержання з оцтового альдегіду етилового спирту. Проте, найбільша кількістьводню споживається нині заводами, які виробляють синтетичний аміак по Габеру; Великі кількості водню знадобляться також виготовлення палива синтетичного рідкого, коли методи Бергіуса і Фішера отримають технічне здійснення.
Водень у таблиці Менделєєва розташовується під номером один, в I і VII групахвідразу. Символ водню – H (лат. Hydrogenium). Це дуже легкий газ без кольору та запаху. Існує три ізотопи водню: 1H - протий, 2H - дейтерій і 3H - тритій (радіоактивний). Повітря або кисень у реакції з простим воднем H₂ легко запалюється, а також вибухонебезпечне. Водень не виділяє токсичних продуктів. Він розчинний в етанолі та ряді металів (особливо це стосується побічної підгрупи).
Поширеність водню Землі
Як і кисень, водень має величезне значення. Але, на відміну кисню, водень майже весь перебуває у зв'язаному вигляді коїться з іншими речовинами. У вільному стані він знаходиться лише в атмосфері, але його кількість там вкрай мізерна. Водень входить до складу багатьох органічних сполук і живих організмів. Найчастіше він зустрічається у вигляді оксиду – води.
Фізико-хімічні властивості
Водень не активний, а при нагріванні або у присутності каталізаторів вступає в реакції практично з усіма простими та складними хімічними елементами.
Реакція водню із простими хімічними елементами
При підвищеній температурі водень вступає у реакцію з киснем, сіркою, хлором та азотом. Ви дізнаєтесь, які експерименти з газами можна провести вдома.
Досвід взаємодії водню з киснем у лабораторних умовах
Візьмемо чистий водень, який надходить газовідвідною трубкою, і підпалимо його. Він горітиме ледве помітним полум'ям. Якщо ж помістити водневу трубку в будь-яку посудину, то вона продовжить горіти, а на стінках утворюються крапельки води. Це кисень вступив у реакцію з воднем:
2Н₂ + О₂ = 2Н₂О + Q
При горінні водню утворюється багато теплової енергії. Температура сполуки кисню та водню сягає 2000 °С. Кисень окислив водень, тому така реакція називається реакцією окиснення.
У нормальних умовах (без підігріву) реакція протікає повільно. А за температури вище 550 °З відбувається вибух (утворюється так званий гримучий газ). Раніше водень часто використовували в повітряних куляхАле через утворення гримучого газу було багато катастроф. Біля кулі порушувалася цілісність і відбувався вибух: водень вступав у реакцію з киснем. Тому зараз використовують гелій, який періодично підігрівають полум'ям.
Хлор взаємодіє з воднем і утворює хлороводень (тільки у присутності світла та тепла). Хімічна реакціяводню та хлору виглядає так:
Н₂ + Cl₂ = 2НСl
Цікавий факт: реакція фтору з воднем викликає вибух навіть за темряви і температури нижче 0 °С.
Взаємодія азоту з воднем може відбуватися лише при нагріванні та у присутності каталізатора. При цій реакції утворюється аміак. Рівняння реакції:
ЗН₂ + N₂ = 2NН₃
Реакція сірки та водню відбувається з утворенням газу – сірководню. В результаті відчувається запах тухлих яєць:
Н₂ + S = H₂S
У металах водень як розчиняється, а й може вступати у реакцію із нею. В результаті утворюються сполуки, які називаються гідридами. Деякі гідриди використовують як паливо у ракетах. Також за їх допомогою отримують ядерну енергію.
Реакція із складними хімічними елементами
Наприклад, водень із оксидом міді. Візьмемо трубку з воднем та пропустимо через порошок оксиду міді. Вся реакція відбувається при нагріванні. Чорний порошок міді стане коричнево-червоним (колір простої міді). Ще з'являться крапельки рідини на ненагрітих ділянках колби - це утворилося.
Хімічна реакція:
CuO + H₂ = Cu + H₂O
Як бачимо, водень вступив у реакцію з оксидом та відновив мідь.
Відновлювальні реакції
Якщо речовина в ході реакції забирає оксид, вона є відновником. Приклад реакції оксиду міді з бачимо, що водень був відновником. Також він реагує з деякими іншими оксидами , такими як HgO, MoO₃ і PbO. У будь-якій реакції, якщо один із елементів є окислювачем, інший буде відновником.
Усі сполуки водню
Водневі сполуки з неметалами- дуже леткі та отруйні гази(наприклад, сірководень, силан, метан).
Галогеноводні- Найбільше застосовують хлороводень. При розчиненні він утворює соляну кислоту. Також до цієї групи входять: фтороводород, йодоводород та бромоводень. Всі ці сполуки утворюють відповідні кислоти.
Перекис водню (хімічна формулаН₂О₂) виявляє найсильніші окисні властивості.
Гідроксиди воднюабо вода Н₂О.
Гідриди- Це з'єднання з металами.
Гідроксиди- це кислоти, основи та інші сполуки, до складу яких входить водень.
Органічні сполуки: білки, жири, ліпіди, гормони та інші.