물은 가연성 물질(수소와 산소)로 구성되어 있는데 왜 타지 않습니까? 수소. 물리화학적 특성, 산소와 수소를 얻으면 무슨 일이 일어날까요?

10.1.수소

"수소"라는 이름은 화학 원소와 단순 물질을 모두 의미합니다. 요소 수소수소 원자로 구성되어 있습니다. 단체 수소수소 분자로 구성되어 있습니다.

a) 화학 원소 수소

자연 원소 계열에서 수소의 일련 번호는 1입니다. 원소 시스템에서 수소는 IA족 또는 VIIA족의 첫 번째 주기에 있습니다.

수소는 지구상에서 가장 흔한 원소 중 하나입니다. 지구의 대기, 수권 및 암석권(통칭하여 지각이라고 함)에 있는 수소 원자의 몰분율은 0.17입니다. 물, 많은 미네랄, 석유, 천연가스, 식물 및 동물에서 발견됩니다. 평균적인 인체에는 약 7kg의 수소가 포함되어 있습니다.

수소에는 세 가지 동위원소가 있습니다.
a) 경수소 - 프로튬,
b) 중수소 – 중수소(디),
c) 초중수소 - 삼중 수소(티).

삼중수소는 불안정한(방사성) 동위원소이므로 실제로 자연계에서는 발생하지 않습니다. 중수소는 안정적이지만 그 양이 거의 없습니다. 승 D = 0.015%(모든 지상 수소 질량의). 따라서 수소의 원자질량은 1Dn(1.00794Dn)과 거의 차이가 없습니다.

b) 수소 원자

화학 과정의 이전 섹션에서 수소 원자의 다음 특성을 이미 알고 있습니다.

수소 원자의 원자가 능력은 단일 원자가 궤도에 하나의 전자가 존재함으로써 결정됩니다. 이온화 에너지가 높으면 수소 원자가 전자를 포기하려는 경향이 없게 되고, 전자 친화력 에너지가 너무 높지 않으면 전자를 받아들이려는 경향이 약간 커집니다. 결과적으로, 화학 시스템에서는 H 양이온의 형성이 불가능하며, H 음이온이 있는 화합물은 그다지 안정적이지 않습니다. 따라서 수소 원자는 짝을 이루지 않은 전자 하나 때문에 다른 원자와 공유 결합을 형성할 가능성이 가장 높습니다. 음이온이 형성되는 경우와 공유 결합이 형성되는 경우 모두 수소 원자는 1가입니다.
단순한 물질에서 수소 원자의 산화 상태는 0입니다. 대부분의 화합물에서 수소는 +I의 산화 상태를 나타내며, 전기 음성도가 가장 낮은 원소의 수소화물에서만 수소의 산화 상태는 –I입니다.
수소 원자의 원자가 능력에 대한 정보는 표 28에 나와 있습니다. 하나의 공유 결합으로 임의의 원자에 결합된 수소 원자의 원자가 상태는 표에서 기호 "H-"로 표시됩니다.

표 28.수소 원자의 원자가 가능성

원자가 상태		화학물질의 예
	나 0 -나	HCl, H 2 O, H 2 S, NH 3, CH 4, C 2 H 6, NH 4 Cl, H 2 SO 4, NaHCO 3, KOH H 2 B2H6, SiH4, GeH4
		NaH, KH, CaH2, BaH2

c) 수소 분자

이원자 수소 분자 H2는 수소 원자가 가능한 유일한 공유 결합으로 결합될 때 형성됩니다. 연결은 교환 메커니즘에 의해 형성됩니다. 전자 구름이 겹쳐지는 방식에 따르면 이는 s-결합입니다(그림 10.1). 에이). 원자가 동일하므로 결합은 비극성입니다.

수소 분자의 원자 간 거리(보다 정확하게는 원자가 진동하기 때문에 평형 원자 간 거리) 아르 자형(H–H) = 0.74A(그림 10.1) 다섯), 이는 궤도 반경의 합(1.06A)보다 훨씬 작습니다. 결과적으로, 결합된 원자의 전자구름은 깊이 겹쳐진다(그림 10.1). 비), 수소 분자의 결합이 강합니다. 이는 결합 에너지(454 kJ/mol)의 다소 높은 값으로도 나타납니다.
경계면(전자구름의 경계면과 유사)으로 분자의 모양을 특성화하면 수소 분자는 약간 변형된(길쭉한) 공 모양을 갖는다고 말할 수 있습니다(그림 10.1). G).

d) 수소(물질)

정상적인 조건에서 수소는 무색, 무취의 기체입니다. 소량에서는 독성이 없습니다. 고체수소는 14K(–259°C)에서 녹고, 액체수소는 20K(–253°C)에서 끓습니다. 낮은 녹는점과 끓는점, 액체 수소 존재를 위한 매우 작은 온도 범위(단 6°C), 작은 값의 몰 융해열(0.117 kJ/mol) 및 기화(0.903 kJ/mol) )은 수소의 분자간 결합이 매우 약하다는 것을 나타냅니다.
수소 밀도 r(H 2) = (2 g/mol): (22.4 l/mol) = 0.0893 g/l. 비교를 위해 평균 공기 밀도는 1.29g/l입니다. 즉, 수소는 공기보다 14.5배 "가벼워요". 그것은 물에 거의 녹지 않습니다.
실온에서 수소는 비활성이지만 가열되면 많은 물질과 반응합니다. 이러한 반응에서 수소 원자는 산화 상태를 증가시키거나 감소시킬 수 있습니다: H 2 + 2 이자형– = 2Н –I, Н 2 – 2 이자형– = 2Н +I.
첫 번째 경우, 수소는 예를 들어 나트륨 또는 칼슘과의 반응에서 산화제입니다. 2Na + H 2 = 2NaH, ( 티) Ca + H 2 = CaH 2 . ( 티)
그러나 수소의 환원 특성은 더 특징적입니다. O 2 + 2H 2 = 2H 2 O, ( 티)
CuO + H 2 = Cu + H 2 O. ( 티)
가열되면 수소는 산소뿐만 아니라 불소, 염소, 황, 심지어 질소와 같은 다른 비금속에 의해서도 산화됩니다.
실험실에서는 반응의 결과로 수소가 생성됩니다.

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2.

아연 대신 철, 알루미늄 및 기타 금속을 사용할 수 있으며 황산 대신 다른 묽은 산을 사용할 수 있습니다. 생성된 수소는 물을 대체하여 시험관에 수집됩니다(그림 10.2 참조). 비) 또는 단순히 거꾸로 된 플라스크에 넣습니다(그림 10.2). 에이).

산업계에서는 니켈 촉매가 있는 상태에서 800°C에서 수증기와 반응하여 천연가스(주로 메탄)로부터 수소를 대량으로 생산합니다.

CH4 + 2H2O = 4H2 +CO2( 티, 니)

또는 수증기로 석탄을 고온에서 처리합니다.

2H 2 O + C = 2H 2 + CO 2. ( 티)

순수한 수소는 물을 전류로 분해하여 얻습니다(전기분해).

2H 2 O = 2H 2 + O 2 (전기분해).

e) 수소 화합물

수소화물(수소를 함유한 이원 화합물)은 두 가지 주요 유형으로 나뉩니다.
a) 휘발성 (분자) 수소화물,
b) 염류(이온성) 수소화물.
IVA – VIIA 그룹의 원소와 붕소는 분자 수소화물을 형성합니다. 이들 중에서 비금속을 형성하는 원소의 수소화물만이 안정하다:

B2H6; NH3; H2O; HF
SiH4;PH3; H2S; HCl
AsH3; H2Se; HBr
H2Te; 안녕
물을 제외하고 이러한 모든 화합물은 실온에서 기체 물질이므로 "휘발성 수소화물"이라는 이름이 붙었습니다.
비금속을 형성하는 일부 원소는 더 복잡한 수소화물에서도 발견됩니다. 예를 들어, 탄소는 일반식 C를 갖는 화합물을 형성합니다. N H 2 N+2, 기 N H 2 N, 씨 N H 2 N–2 및 기타, 여기서 N매우 클 수 있습니다(이 화합물은 유기화학에서 연구됩니다).
이온성 수소화물에는 알칼리, 알칼리토류 원소 및 마그네슘의 수소화물이 포함됩니다. 이러한 수소화물의 결정은 가장 높은 산화 상태인 Me 또는 Me 2(원소 시스템의 그룹에 따라 다름)의 H 음이온과 금속 양이온으로 구성됩니다.

LiH
NaH	MgH2
KH	CaH2
RbH	SrH 2
CsH	바아 2

이온성 수소화물과 거의 모든 분자 수소화물(H 2 O 및 HF 제외)은 모두 환원제이지만 이온성 수소화물은 분자 수소화물보다 훨씬 강한 환원 특성을 나타냅니다.
수소화물 외에도 수소는 수산화물과 일부 염의 일부입니다. 다음 장에서 이러한 더욱 복잡한 수소 화합물의 특성에 익숙해지게 될 것입니다.
산업계에서 생산되는 수소의 주요 소비자는 암모니아와 질소 비료 생산 공장으로, 여기서 암모니아는 질소와 수소로부터 직접 얻습니다.

N 2 +3H 2 2NH 3 ( 아르 자형, 티, Pt – 촉매).

2H 2 + CO = CH 3 OH( 티, ZnO – 촉매)뿐만 아니라 염소와 수소로부터 직접 얻어지는 염화수소 생산에도 사용됩니다.

H 2 + Cl 2 = 2HCl.

때때로 수소는 야금에서 순수 금속 생산의 환원제로 사용됩니다(예: Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O).

1. a) 프로튬, b) 중수소, c) 삼중수소의 핵은 어떤 입자로 구성되어 있습니까?
2.수소 원자의 이온화 에너지를 다른 원소 원자의 이온화 에너지와 비교합니다. 이 특성으로 볼 때 수소에 가장 가까운 원소는 무엇입니까?
3. 전자 친화력 에너지에 대해서도 동일한 작업을 수행합니다.
4. 화합물에서 공유 결합의 극성 방향과 수소의 산화 정도를 비교하십시오. a) BeH 2, CH 4, NH 3, H 2 O, HF; b) CH4, SiH4, GeH4.
5. 수소의 가장 단순한, 분자적, 구조적, 공간적 공식을 적어보세요. 어느 것이 가장 자주 사용됩니까?
6. 그들은 종종 “수소는 공기보다 가볍다”고 말합니다. 이것은 무엇을 의미합니까? 이 표현을 문자 그대로 받아들일 수 있는 경우는 무엇이고, 그렇지 않은 경우는 무엇입니까?
7.칼륨과 수소화칼슘, 암모니아, 황화수소, 브롬화수소의 구조식을 만들어 보세요.
8. 수소의 용융 및 기화 열을 알고 해당 특정 수량의 값을 결정합니다.
9.수소의 기본적인 화학적 특성을 보여주는 네 가지 반응 각각에 대해 전자 천칭을 만드십시오. 산화제와 환원제에 라벨을 붙입니다.
10. 실험실 방법을 사용하여 4.48리터의 수소를 생산하는 데 필요한 아연의 질량을 결정합니다.
11. 1:2의 부피비로 메탄과 수증기의 혼합물 30m3에서 80%의 수율로 얻을 수 있는 수소의 질량과 부피를 구하십시오.
12. 수소 a)와 불소, b) 황과의 상호 작용 중에 발생하는 반응에 대한 방정식을 작성하십시오.
13. 아래 반응식은 이온성 수소화물의 기본 화학적 특성을 보여줍니다.

a) MH + O 2 MOH ( 티); b) MH + Cl 2 MCl + HCl( 티);
c) MH + H2O MOH + H2; d) MH + HCl(p) MCl + H2
여기서 M은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 또는 세슘입니다. M이 나트륨인 경우 해당 반응식을 적어보세요. 반응식을 사용하여 수소화칼슘의 화학적 성질을 설명합니다.
14.전자 균형 방법을 사용하여 일부 수소화 분자의 환원 특성을 설명하는 다음 반응식을 작성하십시오.
a) HI + Cl 2 HCl + I 2 ( 티); b) NH 3 + O 2 H 2 O + N 2 ( 티); c) CH4 + O2H2O + CO2( 티).

10.2 산소

수소와 마찬가지로 "산소"라는 단어는 화학 원소이자 단순 물질의 이름입니다. 단순한 문제와는 별개로" 산소"(이산소) 화학 원소 산소는 "라는 또 다른 단순 물질을 형성합니다. 오존"(삼산소). 이는 산소의 동소체 변형입니다. 산소라는 물질은 산소 분자 O 2 로 구성되어 있고, 오존 물질은 오존 분자 O 3 으로 구성되어 있습니다.

a) 화학 원소 산소

자연적인 원소 계열에서 산소의 일련 번호는 8입니다. 원소 시스템에서 산소는 VIA 족의 두 번째 주기에 있습니다.
산소는 지구상에서 가장 풍부한 원소이다. 지각의 모든 두 번째 원자는 산소 원자입니다. 즉, 지구의 대기, 수권 및 암석권에 있는 산소의 몰 분율은 약 50%입니다. 산소(물질)는 공기의 구성 요소입니다. 공기 중 산소의 부피 분율은 21%입니다. 산소(원소)는 물, 많은 미네랄, 식물과 동물에서 발견됩니다. 인체에는 평균 43kg의 산소가 들어 있습니다.
자연 산소는 3개의 동위원소(16O, 17O, 18O)로 구성되며, 그 중 가장 가벼운 동위원소인 16O가 가장 흔합니다. 따라서 산소의 원자량은 16Dn(15.9994Dn)에 가깝습니다.

b) 산소 원자

당신은 산소 원자의 다음 특성을 알고 있습니다.

표 29.산소 원자의 원자가 가능성

원자가 상태		화학물질의 예
		Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 *

	-II -나 0 +나 +II	H 2 O, SO 2, SO 3, CO 2, SiO 2, H 2 SO 4, HNO 2, HClO 4, COCl 2, H 2 O 2 O2** O2F2 2개 중
		NaOH, KOH, Ca(OH) 2, Ba(OH) 2 Na2O2, K2O2, CaO2, BaO2
		Li2O, Na2O, MgO, CaO, BaO, FeO, La2O3

* 이러한 산화물은 이온 화합물로도 간주될 수 있습니다.
** 분자의 산소 원자는 이러한 원자가 상태가 아닙니다. 이것은 산소 원자의 산화 상태가 0인 물질의 예일 뿐입니다.
높은 이온화 에너지(수소와 같은)는 산소 원자로부터 단순한 양이온이 형성되는 것을 방지합니다. 전자 친화력 에너지는 매우 높아(수소의 거의 두 배) 산소 원자가 전자를 얻는 경향이 더 크고 O 2A 음이온을 형성하는 능력을 제공합니다. 그러나 산소 원자의 전자 친화력 에너지는 할로겐 원자 및 심지어 VIA 그룹의 다른 원소보다 여전히 낮습니다. 따라서 산소 음이온( 산화물 이온)은 원자가 전자를 매우 쉽게 포기하는 원소를 가진 산소 화합물에만 존재합니다.
두 개의 짝을 이루지 않은 전자를 공유함으로써 산소 원자는 두 개의 공유 결합을 형성할 수 있습니다. 여기가 불가능하기 때문에 두 개의 비공유 전자쌍은 공여체-수용체 상호 작용에만 들어갈 수 있습니다. 따라서 결합 다중도 및 혼성화를 고려하지 않고 산소 원자는 5개의 원자가 상태 중 하나에 있을 수 있습니다(표 29).
산소 원자의 가장 일반적인 원자가 상태는 다음과 같습니다. 여 k = 2, 즉 두 개의 짝을 이루지 않은 전자로 인해 두 개의 공유 결합이 형성됩니다.
산소 원자의 전기음성도가 매우 높기 때문에(불소의 경우에만 더 높음) 대부분의 화합물에서 산소의 산화 상태는 –II입니다. 산소가 다른 산화 상태를 나타내는 물질이 있는데, 그 중 일부를 예로서 표 29에 나타내었고, 비교 안정성을 도 2에 나타내었다. 10.3.

c) 산소 분자

이원자 산소 분자 O 2에는 두 개의 짝을 이루지 않은 전자가 포함되어 있다는 것이 실험적으로 확립되었습니다. 원자가 결합 방법을 사용하면 이 분자의 전자 구조를 설명할 수 없습니다. 그러나 산소 분자의 결합 특성은 공유 결합의 특성과 유사합니다. 산소 분자는 비극성이다. 원자간 거리( 아르 자형 o–o = 1.21 A = 121 nm)은 단일 결합으로 연결된 원자 사이의 거리보다 작습니다. 몰 결합 에너지는 상당히 높아 498 kJ/mol에 달합니다.

d) 산소(물질)

정상적인 조건에서 산소는 무색, 무취의 기체입니다. 고체 산소는 55K(–218°C)에서 녹고, 액체 산소는 90K(–183°C)에서 끓습니다.
고체 및 액체 산소의 분자간 결합은 액체 산소의 존재 온도 범위(36°C)가 더 크고 융해열(0.446kJ/mol) 및 기화(6.83kJ)가 더 크다는 사실에서 알 수 있듯이 수소보다 다소 강합니다. /mol).
산소는 물에 약간 용해됩니다. 0°C에서는 5부피의 산소(기체!)만이 100부피의 물(액체!)에 용해됩니다.
산소 원자가 전자를 얻는 경향이 높고 전기 음성도가 높기 때문에 산소는 산화 특성만 나타냅니다. 이러한 특성은 특히 고온에서 두드러집니다.
산소는 많은 금속과 반응합니다: 2Ca + O 2 = 2CaO, 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 ( 티);
비금속: C + O 2 = CO 2, P 4 + 5O 2 = P 4 O 10,
및 복합 물질: CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O, 2H 2 S + 3O 2 = 2H 2 O + 2SO 2.

대부분 이러한 반응의 결과로 다양한 산화물이 생성되지만(II장 § 5 참조) 활성 알칼리 금속(예: 나트륨)은 연소되면 과산화물으로 변합니다.

2Na + O 2 = Na 2 O 2.

생성된 과산화나트륨의 구조식은 (Na)2(O-O)이다.
산소 속에 놓인 그을린 파편이 불꽃을 일으키며 폭발합니다. 이는 순수한 산소를 검출하는 편리하고 쉬운 방법입니다.
산업계에서는 정류(복합 증류)를 통해 공기로부터 산소를 얻고, 실험실에서는 특정 산소 함유 화합물을 열분해하여 산소를 얻습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.
2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200°C);
2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 (150 °C, MnO 2 – 촉매);
2KNO 3 = 2KNO 2 + 3O 2 (400°C)
또한 실온에서 과산화수소의 촉매 분해에 의해: 2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (MnO 2 촉매).
순수 산소는 산화가 발생하는 공정을 강화하고 고온 화염을 생성하기 위해 산업계에서 사용됩니다. 로켓 기술에서는 액체 산소가 산화제로 사용됩니다.
산소는 식물, 동물, 인간의 생명을 유지하는 데 매우 중요합니다. 정상적인 조건에서 사람은 숨을 쉴 수 있을 만큼 공기 중에 충분한 산소를 가지고 있습니다. 그러나 공기가 충분하지 않거나 공기가 전혀 없는 조건(비행기, 다이빙 작업 중, 우주선 등)에서는 호흡을 위해 산소가 포함된 특수 가스 혼합물이 준비됩니다. 산소는 호흡곤란을 일으키는 질병의 치료에도 사용됩니다.

e) 오존과 그 분자

오존 O 3는 산소의 두 번째 동소체 변형입니다.
3원자 오존 분자는 다음 식으로 표시되는 두 구조 사이의 중간에 코너 구조를 가지고 있습니다.

오존은 자극적인 냄새가 나는 진한 파란색 가스입니다. 산화력이 강해 독성이 있다. 오존은 산소보다 1.5배 더 무겁고 산소보다 물에 약간 더 잘 녹습니다.
오존은 번개 방전 중에 산소로부터 대기 중에 형성됩니다.

3O 2 = 2O 3 ().

상온에서 오존은 천천히 산소로 변하며, 가열되면 이 과정이 폭발적으로 일어납니다.
오존은 소위 지구 대기의 "오존층"에 포함되어 있어 태양 복사의 유해한 영향으로부터 지구상의 모든 생명체를 보호합니다.
일부 도시에서는 식수를 소독(소독)하기 위해 염소 대신 오존을 사용합니다.

OF 2, H 2 O, H 2 O 2, H 3 PO 4, (H 3 O) 2 SO 4, BaO, BaO 2, Ba(OH) 2 물질의 구조식을 그리십시오. 이 물질의 이름을 지정하십시오. 이 화합물의 산소 원자의 원자가 상태를 설명하십시오.
각 산소 원자의 원자가와 산화 상태를 결정합니다.
2. 산소 내 리튬, 마그네슘, 알루미늄, 규소, 적린 및 셀레늄의 연소 반응에 대한 방정식을 작성하십시오(셀레늄 원자는 산화 상태 +IV로 산화되고, 다른 원소의 원자는 가장 높은 산화 상태로 산화됩니다). 이러한 반응의 생성물은 어떤 종류의 산화물에 속합니까?
3. (정상 조건에서) a) 9리터의 산소, b) 8g의 산소에서 몇 리터의 오존을 얻을 수 있습니까?

물은 지각에서 가장 풍부한 물질입니다. 지구 물의 질량은 10 18 톤으로 추산됩니다. 물은 우리 행성의 수권의 기초입니다. 또한 대기에 포함되어 있으며 얼음 형태로 지구의 극지방과 고산 빙하를 형성하며 다양한 암석의 일부이기도 합니다. 인체 내 물의 질량 분율은 약 70%입니다.
물은 세 가지 집합 상태 모두에서 고유한 이름을 갖는 유일한 물질입니다.

물 분자의 전자 구조(그림 10.4) 에이) 앞서 자세히 연구했습니다(§ 7.10 참조).
O-H 결합의 극성과 각진 모양으로 인해 물 분자는 전기 쌍극자.

전기 쌍극자의 극성을 특성화하기 위해 " 전기쌍극자의 전기모멘트"아니면 그냥 " 쌍극자 모멘트".

화학에서 쌍극자 모멘트는 debye(1D = 3.34) 단위로 측정됩니다. 10 – 30 수업. 중

물 분자에는 두 개의 극성 공유 결합, 즉 두 개의 전기 쌍극자가 있으며, 각각은 자체 쌍극자 모멘트( 및 )를 가지고 있습니다. 분자의 전체 쌍극자 모멘트는 이 두 모멘트의 벡터 합과 같습니다(그림 10.5).

(H2O) = ,

어디 큐 1과 큐 2 – 수소 원자의 부분 전하(+) 및 – 분자 내 원자간 O – H 거리. 왜냐하면 큐 1 = 큐 2 = 큐, 그런 다음

물 분자와 일부 다른 분자의 실험적으로 결정된 쌍극자 모멘트가 표에 나와 있습니다.

표 30.일부 극성 분자의 쌍극자 모멘트

분자	분자	분자

물 분자의 쌍극자 특성을 고려하면 종종 다음과 같이 개략적으로 표현됩니다.
순수한 물은 맛이나 냄새가 없는 무색의 액체이다. 물의 몇 가지 기본적인 물리적 특성이 표에 나와 있습니다.

표 31.물의 일부 물리적 특성

용융 및 기화 몰열의 큰 값(수소 및 산소의 열보다 훨씬 큰 크기)은 고체 및 액체 물질 모두에서 물 분자가 서로 단단히 결합되어 있음을 나타냅니다. 이러한 연결을 " 수소결합".

전기 쌍극자, 쌍극자 모멘트, 결합 극성, 분자 극성.
물 분자의 결합 형성에 얼마나 많은 산소 원자의 원자가 전자가 참여합니까?
2. 어떤 오비탈이 겹칠 때 물 분자 내 수소와 산소 사이에 결합이 형성됩니까?
3.과산화수소 H 2 O 2 분자의 결합 형성에 대한 다이어그램을 만드십시오. 이 분자의 공간 구조에 대해 무엇을 말할 수 있습니까?
4. HF, HCl, HBr 분자의 원자 간 거리는 각각 0.92입니다. 1.28 및 1.41. 쌍극자 모멘트 표를 사용하여 이 분자의 수소 원자에 대한 부분 전하를 계산하고 비교하십시오.
5. 황화수소 분자의 원자간 거리 S – H는 1.34이고, 결합 사이의 각도는 92°입니다. 황과 수소 원자의 부분 전하 값을 결정하십시오. 황 원자의 원자가 궤도의 혼성화에 대해 무엇을 말할 수 있습니까?

10.4. 수소결합

이미 알고 있듯이 수소와 산소의 전기 음성도 (2.10과 3.50)의 상당한 차이로 인해 물 분자의 수소 원자는 큰 양의 부분 전하를 얻습니다 ( 큐 h = 0.33 이자형), 산소 원자는 훨씬 더 큰 음의 부분 전하를 가지고 있습니다 ( 큐 h = –0.66 이자형). 또한 산소 원자에는 두 개의 비공유 전자쌍이 있다는 것을 기억하십시오. sp 3-하이브리드 AO. 한 물 분자의 수소 원자는 다른 분자의 산소 원자에 끌리고, 또한 수소 원자의 반쯤 비어 있는 1s-AO는 부분적으로 산소 원자의 전자 쌍을 받아들입니다. 분자 간의 이러한 상호 작용의 결과로 특별한 유형의 분자간 결합, 즉 수소 결합이 발생합니다.
물의 경우 수소결합 형성은 다음과 같이 개략적으로 나타낼 수 있습니다.

마지막 구조식에서 세 개의 점(전자가 아닌 점선!)은 수소 결합을 나타냅니다.

수소 결합은 물 분자 사이에만 존재하는 것이 아닙니다. 두 가지 조건이 충족되면 형성됩니다.
1) 분자는 극성이 높은 H-E 결합을 가지고 있습니다(E는 전기 음성도가 상당히 높은 원소의 원자 기호입니다).
2) 분자는 큰 음의 부분 전하와 비공유 전자쌍을 가진 E 원자를 포함합니다.
원소 E는 불소, 산소 및 질소일 수 있습니다. E가 염소나 황인 경우 수소 결합은 상당히 약합니다.
분자 사이에 수소 결합이 있는 물질의 예: 불화수소, 고체 또는 액체 암모니아, 에틸 알코올 등.

액체 불화수소에서는 그 분자가 수소 결합으로 상당히 긴 사슬로 연결되어 있으며, 액체 및 고체 암모니아에서는 3차원 네트워크가 형성됩니다.
강도 측면에서 수소 결합은 화학 결합과 다른 유형의 분자간 결합 사이의 중간입니다. 수소 결합의 몰 에너지는 일반적으로 5~50kJ/mol 범위입니다.
고체 물(즉, 얼음 결정)에서 모든 수소 원자는 산소 원자와 수소 결합되어 있으며, 각 산소 원자는 두 개의 수소 결합을 형성합니다(비공유 전자쌍을 모두 사용함). 이 구조는 액체 물에 비해 얼음을 더 "느슨하게" 만들어서 수소 결합 중 일부가 끊어지고 분자가 좀 더 단단히 "포장"될 수 있습니다. 얼음 구조의 이러한 특징은 대부분의 다른 물질과 달리 고체 상태의 물이 액체 상태보다 밀도가 낮은 이유를 설명합니다. 물은 4°C에서 최대 밀도에 도달합니다. 이 온도에서는 상당히 많은 수소 결합이 깨지고 열팽창은 아직 밀도에 큰 영향을 미치지 않습니다.
수소결합은 우리 삶에서 매우 중요합니다. 수소결합이 더 이상 형성되지 않는다고 잠시 상상해 봅시다. 다음은 몇 가지 결과입니다.

실온의 물은 끓는점이 약 -80 °C로 떨어지기 때문에 기체가 됩니다.
얼음의 밀도가 액체 물의 밀도보다 높기 때문에 모든 수역은 바닥에서 얼기 시작할 것입니다.
DNA의 이중 나선과 그 이상은 더 이상 존재하지 않을 것입니다.

주어진 예는 이 경우 지구상의 자연이 완전히 달라질 것이라는 것을 이해하기에 충분합니다.

수소 결합, 형성 조건.
에틸알코올의 공식은 CH 3 – CH 2 – O – H입니다. 이 물질의 서로 다른 분자의 어느 원자 사이에 수소 결합이 형성됩니까? 그들의 형성을 설명하는 구조식을 작성하십시오.
2. 수소 결합은 개별 물질뿐만 아니라 용액에도 존재합니다. 구조식을 사용하여 a) 암모니아, b) 불화수소, c) 에탄올(에틸알코올) 수용액에서 수소 결합이 어떻게 형성되는지 보여줍니다. = 2H2O.
이 두 반응은 모두 물에서 일정하고 동일한 속도로 발생하므로 물에는 2H 2 O AN 3 O + OH라는 평형이 있습니다.
이 균형을 소위 자가프로토시스의 평형물.

이 가역적 과정의 직접적인 반응은 흡열이므로 가열되면자가 프로토 분해가 증가하지만 실온에서는 평형이 왼쪽으로 이동합니다. 즉, H 3 O 및 OH 이온의 농도는 무시할 수 있습니다. 그들은 무엇과 동일합니까?
대중행동의 법칙에 따르면

그러나 반응된 물 분자의 수가 전체 물 분자 수에 비해 미미하다는 사실로 인해 자가 프로토리시스 동안 물의 농도는 실질적으로 변하지 않는다고 가정할 수 있으며 2 = const 순수한 물에 반대 전하를 띤 이온의 농도가 낮기 때문에 이 액체가 비록 열악하지만 여전히 전류를 전도하는 이유를 설명합니다.

물의 자가 프로토분해, 물의 자가 프로토분해 상수(이온 생성물).
액체 암모니아(끓는점 –33 °C)의 이온곱은 2·10 –28입니다. 암모니아의 자가원생분해에 대한 방정식을 쓰십시오. 순수한 액체 암모니아의 암모늄 이온 농도를 결정합니다. 물과 액체 암모니아 중 전기 전도성이 더 큰 물질은 무엇입니까?

1. 수소 생산 및 연소(환원 특성).
2. 산소를 얻고 그 안에 연소 물질을 얻습니다 (산화 특성).

단순 물질을 생산하는 산업적 방법은 해당 요소가 자연에서 발견되는 형태, 즉 생산의 원료가 될 수 있는 것에 따라 달라집니다. 따라서 자유 상태에서 이용 가능한 산소는 액체 공기로부터 분리되어 물리적으로 얻어집니다. 수소는 거의 모두 화합물 형태이므로 화학적 방법을 사용하여 수소를 얻습니다. 특히 분해 반응을 사용할 수 있습니다. 수소를 생산하는 한 가지 방법은 전류에 의해 물을 분해하는 것입니다.

수소를 생산하는 주요 산업적 방법은 천연가스의 일부인 메탄과 물을 반응시키는 것이다. 이는 고온에서 수행됩니다(끓는 물에도 메탄을 통과시키면 반응이 일어나지 않는다는 것을 쉽게 확인할 수 있습니다).

CH 4 + 2H 2 0 = CO 2 + 4H 2 - 165 kJ

실험실에서는 단순 물질을 얻기 위해 반드시 천연 원료를 사용할 필요는 없지만 필요한 물질을 분리하기 쉬운 출발 물질을 선택합니다. 예를 들어, 실험실에서는 공기 중에서 산소를 얻지 못합니다. 수소 생산에도 동일하게 적용됩니다. 산업계에서 때때로 사용되는 수소를 생산하는 실험실 방법 중 하나는 전류에 의한 물의 분해입니다.

일반적으로 수소는 실험실에서 아연과 염산을 반응시켜 생산됩니다.

업계에서는

1.염 수용액의 전기분해:

2NaCl + 2H2O → H2 + 2NaOH + Cl2

2.뜨거운 코크스 위로 수증기를 통과시키다약 1000°C의 온도에서:

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.천연가스에서.

증기 변환: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) 산소를 이용한 촉매 산화: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. 정유 중 탄화수소의 분해 및 개질.

실험실에서

1.묽은 산이 금속에 미치는 영향.이 반응을 수행하기 위해 아연과 염산이 가장 자주 사용됩니다.

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.칼슘과 물의 상호 작용:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.수소화물의 가수분해:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.아연이나 알루미늄에 대한 알칼리의 영향:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na + 3H2Zn + 2KOH + 2H2O → K2 + H2

5.전기 분해를 사용합니다.알칼리 또는 산 수용액을 전기분해하는 동안 음극에서 수소가 방출됩니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

수소생산용 생물반응기

물리적 특성

수소 가스는 오르토 수소와 파라 수소의 두 가지 형태(변형)로 존재할 수 있습니다.

오르토수소 분자(mp. −259.10°C, bp −252.56°C)에서 핵 스핀은 동일하게(병렬) 방향을 가지며, 파라수소 분자(mp. −259.32°C, bp. . 끓음. -252.89°C)에서는 핵 스핀의 방향이 동일합니다. - 서로 반대입니다(역평행).

동소체 형태의 수소는 액체 질소 온도에서 활성탄에 흡착되어 분리될 수 있습니다. 매우 낮은 온도에서는 오르토수소와 파라수소 사이의 평형이 거의 완전히 후자쪽으로 이동합니다. 80K에서 형태의 비율은 대략 1:1입니다. 가열하면 탈착된 파라수소는 실온에서 평형을 이루는 혼합물이 형성될 때까지 오르토수소로 전환됩니다(오르토파라: 75:25). 촉매가 없으면 변형이 천천히 일어나서 개별 동소체 형태의 특성을 연구하는 것이 가능합니다. 수소 분자는 이원자(H2)입니다. 정상적인 조건에서는 무색, 무취, 무미의 가스입니다. 수소는 가장 가벼운 가스이며 밀도는 공기 밀도보다 몇 배나 낮습니다. 분명히, 분자의 질량이 작을수록 동일한 온도에서 속도는 더 빨라집니다. 가장 가벼운 분자인 수소 분자는 다른 어떤 기체의 분자보다 빠르게 움직이므로 한 몸체에서 다른 몸체로 열을 더 빠르게 전달할 수 있습니다. 수소는 기체 물질 중에서 열전도율이 가장 높습니다. 열전도율은 공기의 열전도율보다 약 7배 더 높습니다.

화학적 성질

수소 분자 H2는 매우 강하며, 수소가 반응하려면 많은 에너지를 소비해야 합니다. H 2 = 2H - 432 kJ 따라서 상온에서 수소는 칼슘과 같은 매우 활성이 높은 금속과만 반응하여 칼슘을 형성합니다. 수소화물: Ca + H 2 = CaH 2 및 유일한 비금속 - 불소와 함께 불화수소 형성: F 2 + H 2 = 2HF 대부분의 금속 및 비금속에서 수소는 예를 들어 고온이나 다른 영향 하에서 반응합니다. , 조명 아래. 이는 일부 산화물에서 산소를 "제거"할 수 있습니다. 예: CuO + H 2 = Cu + H 2 0 작성된 방정식은 환원 반응을 반영합니다. 환원 반응은 화합물에서 산소가 제거되는 과정입니다. 산소를 빼앗는 물질을 환원제라고 합니다(그 자체가 산화됩니다). 또한, "산화" 및 "환원" 개념에 대한 또 다른 정의가 제공됩니다. 그리고 역사적으로 최초의 정의인 이 정의는 오늘날에도 특히 유기화학에서 그 중요성을 유지하고 있습니다. 환원반응은 산화반응의 반대이다. 이 두 반응은 항상 하나의 과정으로 동시에 발생합니다. 한 물질이 산화(환원)되면 다른 물질의 환원(산화)도 반드시 동시에 발생합니다.

N 2 + 3H 2 → 2 NH 3

할로겐이 포함된 형태 할로겐화수소:

F 2 + H 2 → 2 HF, 반응은 암흑 및 모든 온도에서 폭발적으로 발생합니다. Cl 2 + H 2 → 2 HCl, 반응은 빛에서만 폭발적으로 발생합니다.

고열에서 그을음과 상호 작용합니다.

C + 2H 2 → CH 4

알칼리 및 알칼리 토금속과의 상호 작용

활성 금속과 수소가 형성됨 수소화물:

Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2

수소화물- 쉽게 가수분해되는 소금 같은 고체 물질:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

금속 산화물(보통 d-원소)과의 상호작용

산화물은 금속으로 환원됩니다.

CuO + H 2 → Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

유기 화합물의 수소화

니켈 촉매가 존재하고 온도가 상승한 상태에서 수소가 불포화 탄화수소에 작용하면 반응이 일어납니다. 수소화:

CH 2 =CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

수소는 알데히드를 알코올로 환원시킵니다.

CH3CHO + H2 → C2H5OH.

수소의 지구화학

수소는 우주의 주요 건축 자재입니다. 그것은 가장 일반적인 요소이며 열핵 및 핵 반응의 결과로 모든 요소가 형성됩니다.

유리 수소 H2는 육상 가스에서는 상대적으로 드물지만 물 형태에서는 지구화학적 과정에서 매우 중요한 부분을 차지합니다.

수소는 암모늄 이온, 수산기 이온 및 결정질 물의 형태로 미네랄에 존재할 수 있습니다.

대기 중에서는 태양 복사에 의해 물이 분해되어 수소가 지속적으로 생성됩니다. 대기권 상층부로 이동하여 우주로 탈출합니다.

애플리케이션

수소 에너지

원자수소는 원자수소 용접에 사용됩니다.

식품업계에서는 수소가 식품첨가물로 등록돼 있다. E949, 포장 가스와 같습니다.

치료의 특징

수소는 공기와 혼합되면 소위 폭발성 가스라고 불리는 폭발성 혼합물을 형성합니다. 이 가스는 수소와 산소의 부피비가 2:1이거나 수소와 공기가 약 2:5일 때 가장 폭발성이 높습니다. 공기에는 약 21%의 산소가 포함되어 있기 때문입니다. 수소도 화재 위험이 있습니다. 액체수소는 피부에 닿으면 심한 동상을 일으킬 수 있습니다.

수소와 산소의 폭발적인 농도는 부피 기준으로 4%에서 96%까지 발생합니다. 공기와 4% ~ 75(74)%의 부피로 혼합되는 경우.

수소의 이용

화학 산업에서 수소는 암모니아, 비누, 플라스틱 생산에 사용됩니다. 식품 산업에서 마가린은 수소를 사용하여 액체 식물성 기름으로 만들어집니다. 수소는 매우 가벼우며 항상 공기 중으로 올라갑니다. 옛날에는 비행선과 풍선이 수소로 가득 차 있었습니다. 하지만 30대. XX세기 비행선이 폭발하고 불타면서 몇 가지 끔찍한 재난이 발생했습니다. 요즘 비행선에는 헬륨 가스가 채워져 있습니다. 수소는 로켓 연료로도 사용됩니다. 언젠가는 수소가 자동차와 트럭의 연료로 널리 사용될 수도 있습니다. 수소 엔진은 환경을 오염시키지 않으며 수증기만 배출합니다(수소 생산 자체가 일부 환경 오염을 초래하지만). 우리 태양은 대부분 수소로 이루어져 있습니다. 태양열과 빛은 수소 핵융합으로 인한 핵 에너지 방출의 결과입니다.

수소를 연료로 사용(비용 효율적)

연료로 사용되는 물질의 가장 중요한 특성은 연소열입니다. 일반 화학 과정에서 수소와 산소 사이의 반응은 열 방출과 함께 발생하는 것으로 알려져 있습니다. 표준 조건에서 1 mol H 2 (2 g)와 0.5 mol O 2 (16 g)를 취하고 반응을 자극하면 방정식에 따라

H 2 + 0.5 O 2 = H 2 O

반응이 완료된 후 285.8 kJ/mol의 에너지 방출로 1 mol의 H 2 O (18 g)가 형성됩니다 (비교를 위해 아세틸렌의 연소열은 1300 kJ/mol, 프로판 - 2200 kJ/mol입니다) . 수소 1m3의 무게는 89.8g(44.9mol)입니다. 따라서 1m3의 수소를 생산하려면 12832.4kJ의 에너지가 소비됩니다. 1kWh = 3600kJ라는 사실을 고려하면 3.56kWh의 전기를 얻습니다. 1kWh 전기 요금과 1m3 가스 비용을 알면 수소 연료로 전환하는 것이 바람직하다는 결론을 내릴 수 있습니다.

예를 들어, 156리터 수소 탱크(25MPa 압력에서 3.12kg의 수소 함유)를 갖춘 3세대 Honda FCX 실험 모델은 355km를 주행합니다. 따라서 3.12kg H2에서 123.8kWh가 얻어집니다. 100km당 에너지 소비량은 36.97kWh입니다. 전기 비용, 가스 또는 휘발유 비용, 100km당 자동차 소비량을 알면 자동차를 수소 연료로 전환할 때의 부정적인 경제적 효과를 쉽게 계산할 수 있습니다. 예를 들어(Russia 2008), 전기 kWh당 10센트는 수소 1m3의 가격이 35.6센트라는 사실로 이어지며, 물 분해 효율은 40-45센트로 간주됩니다. 이는 동일한 양의 kWh입니다. 휘발유 연소 비용은 소매 가격으로 12832.4 kJ/42000 kJ/0.7 kg/l*80 센트/l=34 센트인 반면, 수소의 경우 운송, 장비 감가상각 등을 고려하지 않고 이상적인 옵션을 계산했습니다. m³당 약 39MJ의 연소 에너지로 가격 차이로 인해 결과는 2~4배 낮아집니다(우크라이나의 경우 1m³의 가격은 $179, 유럽의 경우 $350). 즉, 동일한 양의 메탄 비용은 10-20센트입니다.

그러나 우리가 수소를 태우면 수소를 추출한 깨끗한 물을 얻게 된다는 사실을 잊어서는 안 됩니다. 즉, 우리는 재생 가능 비축하는 사람 1차 에너지원인 가스나 휘발유와 달리 환경에 해를 끼치지 않는 에너지입니다.

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10.1.수소

"수소"라는 이름은 화학 원소와 단순 물질을 모두 의미합니다. 요소 수소수소 원자로 구성되어 있습니다. 단체 수소수소 분자로 구성되어 있습니다.

a) 화학 원소 수소

자연 원소 계열에서 수소의 일련 번호는 1입니다. 원소 시스템에서 수소는 IA족 또는 VIIA족의 첫 번째 주기에 있습니다.

수소에는 세 가지 동위원소가 있습니다.
a) 경수소 - 프로튬,
b) 중수소 – 중수소(디),
c) 초중수소 - 삼중 수소(티).

b) 수소 원자

화학 과정의 이전 섹션에서 수소 원자의 다음 특성을 이미 알고 있습니다.

표 28.수소 원자의 원자가 가능성

원자가 상태		화학물질의 예
	나 0 -나	HCl, H 2 O, H 2 S, NH 3, CH 4, C 2 H 6, NH 4 Cl, H 2 SO 4, NaHCO 3, KOH H 2 B2H6, SiH4, GeH4
		NaH, KH, CaH2, BaH2

c) 수소 분자

d) 수소(물질)

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2.

산업계에서는 니켈 촉매가 있는 상태에서 800°C에서 수증기와 반응하여 천연가스(주로 메탄)로부터 수소를 대량으로 생산합니다.

CH4 + 2H2O = 4H2 +CO2( 티, 니)

또는 수증기로 석탄을 고온에서 처리합니다.

2H 2 O + C = 2H 2 + CO 2. ( 티)

순수한 수소는 물을 전류로 분해하여 얻습니다(전기분해).

2H 2 O = 2H 2 + O 2 (전기분해).

e) 수소 화합물

LiH
NaH	MgH2
KH	CaH2
RbH	SrH 2
CsH	바아 2

N 2 +3H 2 2NH 3 ( 아르 자형, 티, Pt – 촉매).

2H 2 + CO = CH 3 OH( 티, ZnO – 촉매)뿐만 아니라 염소와 수소로부터 직접 얻어지는 염화수소 생산에도 사용됩니다.

H 2 + Cl 2 = 2HCl.

때때로 수소는 야금에서 순수 금속 생산의 환원제로 사용됩니다(예: Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O).

10.2 산소

a) 화학 원소 산소

b) 산소 원자

당신은 산소 원자의 다음 특성을 알고 있습니다.

표 29.산소 원자의 원자가 가능성

원자가 상태		화학물질의 예
		Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 *

	-II -나 0 +나 +II	H 2 O, SO 2, SO 3, CO 2, SiO 2, H 2 SO 4, HNO 2, HClO 4, COCl 2, H 2 O 2 O2** O2F2 2개 중
		NaOH, KOH, Ca(OH) 2, Ba(OH) 2 Na2O2, K2O2, CaO2, BaO2
		Li2O, Na2O, MgO, CaO, BaO, FeO, La2O3

c) 산소 분자

d) 산소(물질)

대부분 이러한 반응의 결과로 다양한 산화물이 생성되지만(II장 § 5 참조) 활성 알칼리 금속(예: 나트륨)은 연소되면 과산화물으로 변합니다.

2Na + O 2 = Na 2 O 2.

e) 오존과 그 분자

오존 O 3는 산소의 두 번째 동소체 변형입니다.
3원자 오존 분자는 다음 식으로 표시되는 두 구조 사이의 중간에 코너 구조를 가지고 있습니다.

3O 2 = 2O 3 ().

물 분자의 전자 구조(그림 10.4) 에이) 앞서 자세히 연구했습니다(§ 7.10 참조).
O-H 결합의 극성과 각진 모양으로 인해 물 분자는 전기 쌍극자.

전기 쌍극자의 극성을 특성화하기 위해 " 전기쌍극자의 전기모멘트"아니면 그냥 " 쌍극자 모멘트".

화학에서 쌍극자 모멘트는 debye(1D = 3.34) 단위로 측정됩니다. 10 – 30 수업. 중

(H2O) = ,

어디 큐 1과 큐 2 – 수소 원자의 부분 전하(+) 및 – 분자 내 원자간 O – H 거리. 왜냐하면 큐 1 = 큐 2 = 큐, 그런 다음

물 분자와 일부 다른 분자의 실험적으로 결정된 쌍극자 모멘트가 표에 나와 있습니다.

표 30.일부 극성 분자의 쌍극자 모멘트

분자	분자	분자

표 31.물의 일부 물리적 특성

10.4. 수소결합

마지막 구조식에서 세 개의 점(전자가 아닌 점선!)은 수소 결합을 나타냅니다.

실온의 물은 끓는점이 약 -80 °C로 떨어지기 때문에 기체가 됩니다.
얼음의 밀도가 액체 물의 밀도보다 높기 때문에 모든 수역은 바닥에서 얼기 시작할 것입니다.
DNA의 이중 나선과 그 이상은 더 이상 존재하지 않을 것입니다.

주어진 예는 이 경우 지구상의 자연이 완전히 달라질 것이라는 것을 이해하기에 충분합니다.

1. 수소 생산 및 연소(환원 특성).
2. 산소를 얻고 그 안에 연소 물질을 얻습니다 (산화 특성).

§3. 반응식 및 작성방법

상호 작용 수소와 함께 산소, 헨리 캐번디시 경이 확립한 것처럼, 물이 형성됩니다. 이 간단한 예제를 사용하여 작성 방법을 배워보겠습니다. 화학 반응 방정식.
무엇에서 나오는가? 수소그리고 산소, 우리는 이미 다음 사항을 알고 있습니다.

H 2 + O 2 → H 2 O

이제 화학 반응에서 화학 원소의 원자가 사라지지 않고 아무것도 나타나지 않고 서로 변형되지 않는다는 점을 고려해 보겠습니다. 새로운 조합으로 결합하다, 새로운 분자를 형성합니다. 이는 화학 반응의 방정식에는 각 유형의 원자 수가 동일해야 함을 의미합니다. 에게반응 ( 왼쪽등호에서) 및 ~ 후에반응의 끝 ( 오른쪽등호에서) 다음과 같이:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O

이것이다 반응식 - 물질 및 계수의 공식을 사용하여 진행 중인 화학 반응을 조건부 기록.

이는 주어진 반응에서 두더지 수소로 반응해야 한다 1몰 산소, 결과는 다음과 같습니다. 두더지 물.

상호 작용 수소와 함께 산소- 전혀 간단한 과정이 아닙니다. 이는 이러한 요소의 산화 상태를 변화시킵니다. 그러한 방정식에서 계수를 선택하려면 일반적으로 " 전자저울".

수소와 산소로 물이 생성되면, 수소산화 상태를 다음과 같이 변경했습니다. 0 에게 +나, 에이 산소- 에서 0 에게 -II. 이 경우, 몇몇은 수소 원자에서 산소 원자로 전달되었습니다. (N)전자:

수소 공여 전자가 여기에서 제공됩니다. 환원제이고, 전자를 받아들이는 산소는 산화제.

산화제 및 환원제

이제 전자를주고받는 과정이 별도로 어떻게 보이는지 살펴 보겠습니다. 수소, "강도"산소를 만난 후 모든 자산, 즉 두 개의 전자를 잃고 산화 상태가 동일해집니다 +나:

N 2 0 − 2 이자형− = 2Н +I

효과가 있었어 산화 반쪽 반응 방정식수소.

그리고 도적은- 산소 오 2불행한 수소로부터 마지막 전자를 빼앗은 는 그의 새로운 산화 상태에 매우 만족합니다. -II:

O2+4 이자형− = 2O −II

이것 환원 반반응 방정식산소.

"산적"과 그의 "피해자"는 모두 화학적 개성을 잃었고 단순한 물질, 즉 이원자 분자를 가진 가스로 만들어졌다는 점을 추가해야합니다. H 2그리고 오 2새로운 화학물질의 구성요소로 변화 - 물 H2O.

또한 우리는 다음과 같이 추론할 것입니다. 환원제가 산화적 산적에게 준 전자 수, 즉 그가 받은 전자 수입니다. 환원제가 주는 전자의 수는 산화제가 받는 전자의 수와 같아야 합니다..

그래서 꼭 필요해요 전자의 수를 균등하게 하라전반부와 후반부 반응에서. 화학에서는 반쪽 반응 방정식을 작성하는 다음과 같은 일반적인 형식이 허용됩니다.

	2N 2 0 − 2 이자형− = 2Н +I
	1O 2 0 + 4 이자형− = 2O −II

여기서 중괄호 왼쪽의 숫자 2와 1은 주고받는 전자의 수가 동일하도록 보장하는 요소입니다. 반쪽 반응 방정식에서 2개의 전자가 주어지고 4개의 전자가 허용된다는 점을 고려하여 허용된 전자 수와 주어진 전자 수를 동일하게 하려면 최소 공배수와 추가 요소를 찾으십시오. 우리의 경우 최소 공배수는 4입니다. 수소에 대한 추가 인수는 2(4:2 = 2)이고 산소에 대한 추가 인수는 1(4:4 = 1)입니다.
결과 요인은 미래 반응 방정식의 계수 역할을 합니다.

2H 2 0 + O 2 0 = 2H 2 +IO −II

수소 산화하다미팅할 때뿐만 아니라 산소. 그들은 거의 같은 방식으로 수소에 작용합니다. 플루오르 F 2, 할로겐 및 알려진 "강도"이며 겉으로는 무해해 보입니다. 질소 엔 2:

H 2 0 + F 2 0 = 2H +I F −I

3H 2 0 + N 2 0 = 2N −III H 3 +I

이 경우에는 불화수소 HF또는 암모니아 NH 3.

두 화합물 모두에서 산화 상태는 수소동등해진다 +나, 남의 전자제품에 '욕심'이 많고 전기음성도가 높은 분자 파트너를 얻게 되기 때문입니다. 플루오르 에프그리고 질소 N. 유 질소전기음성도의 값은 3개의 기존 단위와 동일한 것으로 간주됩니다. 불화일반적으로 모든 화학 원소 중 전기 음성도가 가장 높은 것은 4개 단위입니다. 따라서 전자적 환경 없이 빈약한 수소 원자를 남겨둔 것은 놀라운 일이 아닙니다.

하지만 수소아마도 복원하다- 전자를 받아들입니다. 이는 수소보다 전기 음성도가 낮은 알칼리 금속이나 칼슘이 반응에 참여하면 발생합니다.

수소 H는 우주에서 가장 흔한 원소(질량의 약 75%)이며, 지구상에서는 9번째로 풍부합니다. 가장 중요한 천연 수소 화합물은 물입니다.
수소는 주기율표에서 1위를 차지합니다(Z = 1). 그것은 가장 간단한 원자 구조를 가지고 있습니다. 원자의 핵은 1개의 양성자로 구성되어 있으며, 1개의 전자로 구성된 전자 구름으로 둘러싸여 있습니다.
일부 조건에서 수소는 금속 특성(전자 제공)을 나타내는 반면, 다른 조건에서는 비금속 특성(전자 수용)을 나타냅니다.
자연에서 발견되는 수소 동위원소는 다음과 같습니다: 1H - 프로튬(핵은 하나의 양성자로 구성됨), 2H - 중수소(D - 핵은 하나의 양성자와 하나의 중성자로 구성됨), 3H - 삼중수소(T - 핵은 하나의 양성자와 두 개의 양성자로 구성됨) 중성자).

단순물질 수소

수소 분자는 공유 비극성 결합으로 연결된 두 개의 원자로 구성됩니다.
물리적 특성.수소는 무색, 무취, 무미의 무독성 가스입니다. 수소 분자는 극성이 아닙니다. 따라서 수소 가스의 분자간 상호 작용력은 작습니다. 이는 낮은 끓는점(-252.6 0C)과 녹는점(-259.2 0C)에서 나타납니다.
수소는 공기보다 가볍습니다. D(공기 기준) = 0.069; 물에 약간 용해됩니다 (2 부피의 H2가 100 부피의 H2O에 용해됨). 따라서 실험실에서 생산된 수소는 공기 치환 방법이나 물 치환 방법으로 수집할 수 있습니다.

수소생산

실험실에서:

1. 묽은 산이 금속에 미치는 영향:
Zn +2HCl → ZnCl 2 +H 2

2. 알칼리 및 염기성 금속과 물의 상호 작용:
Ca +2H 2 O → Ca(OH) 2 +H 2

3. 수소화물의 가수분해: 금속 수소화물은 물에 의해 쉽게 분해되어 상응하는 알칼리와 수소를 형성합니다.
NaH +H 2 O → NaOH +H 2
CaH 2 + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + 2H 2

4. 아연, 알루미늄 또는 실리콘에 대한 알칼리의 영향:
2Al +2NaOH +6H2O → 2Na +3H2
Zn +2KOH +2H2O → K2 +H2
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2

5. 물의 전기분해. 물의 전기 전도도를 높이기 위해 NaOH, H 2 SO 4 또는 Na 2 SO 4와 같은 전해질이 추가됩니다. 음극에서는 2부피의 수소가 형성되고, 양극에서는 1부피의 산소가 형성됩니다.
2H 2 O → 2H 2 +O 2

수소의 산업적 생산

1. Ni 800°C 증기를 이용한 메탄 변환(가장 저렴함):
CH4 + H2O → CO + 3H2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2

전체적으로:
CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2

2. 1000oC에서 뜨거운 코크스를 통한 수증기:
C + H 2 O → CO + H 2
CO +H 2 O → CO 2 + H 2

생성된 일산화탄소(IV)는 물에 흡수되며, 산업용 수소의 50%가 이러한 방식으로 생산됩니다.

3. 철 또는 니켈 촉매가 있는 상태에서 메탄을 350°C로 가열함으로써:
CH4 → C + 2H2

4. 부산물인 KCl 또는 NaCl 수용액의 전기분해:
2H 2 O + 2NaCl → Cl 2 + H 2 + 2NaOH

수소의 화학적 성질

화합물에서 수소는 항상 1가입니다. 이는 +1의 산화 상태를 특징으로 하지만 금속 수소화물에서는 -1과 같습니다.
수소 분자는 두 개의 원자로 구성됩니다. 그들 사이의 연결의 출현은 일반화된 전자쌍 H:H 또는 H 2의 형성으로 설명됩니다.
이러한 전자의 일반화 덕분에 H 2 분자는 개별 원자보다 에너지적으로 더 안정적입니다. 1몰의 수소 분자를 원자로 분해하려면 436kJ의 에너지를 소비해야 합니다. H 2 = 2H, ΔH° = 436kJ/mol
이것은 상온에서 분자 수소의 상대적으로 낮은 활동을 설명합니다.
많은 비금속의 경우 수소는 RH 4, RH 3, RH 2, RH와 같은 기체 화합물을 형성합니다.

1) 할로겐과 함께 할로겐화수소를 형성합니다.
H 2 + Cl 2 → 2HCl.
동시에 불소와 함께 폭발하고, 조명이나 가열 시에만 염소 및 브롬과 반응하며, 가열 시에만 요오드와 반응합니다.

2) 산소의 경우:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
열 방출로. 상온에서는 반응이 천천히 진행되며, 550°C 이상에서는 폭발합니다. H 2 2 부피와 O 2 1 부피의 혼합물을 폭발 가스라고 합니다.

3) 가열되면 황과 격렬하게 반응합니다(셀레늄과 텔루륨의 경우 훨씬 더 어렵습니다).
H 2 + S → H 2 S(황화수소),

4) 촉매에서만 암모니아가 형성되고 온도와 압력이 높아지는 질소의 경우:
ZN 2 + N 2 → 2NH 3

5) 고온에서 탄소를 사용하는 경우:
2H 2 + C → CH 4 (메탄)

6) 알칼리 및 알칼리 토금속과 수소화물을 형성합니다(수소는 산화제입니다).
H 2 + 2Li → 2LiH
금속 수소화물에서 수소 이온은 음전하를 띤다(산화 상태 -1), 즉 Na + H 수소화물 - Na + Cl 염화물과 유사하게 만들어짐 -

복합 물질의 경우:

7) 금속 산화물의 경우(금속을 환원하는 데 사용됨):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O

8) 일산화탄소(II)의 경우:
CO + 2H 2 → CH 3 OH
합성 - 가스(수소와 일산화탄소의 혼합물)는 온도, 압력 및 촉매에 따라 HCHO, CH 3 OH 등과 같은 다양한 유기 화합물이 형성되기 때문에 실용적으로 매우 중요합니다.

9) 불포화 탄화수소는 수소와 반응하여 포화됩니다.
CnH2n+H2 → CnH2n+2.