Водорода оксид: получение и свойства

Самое важное и распространенное на нашей планете вещество, безусловно, вода. Что может сравниться с ней по значимости? Известно, что жизнь на Земле стала возможна только с появлением жидкости. Что же собой представляет вода (оксид водорода) с химической точки зрения? Из чего состоит и какими свойствами обладает? Попробуем разобраться в данной статье.

Водород и его соединения

Самый легкий атом во всей периодической системе - водород. Он же занимает двойственное положение, располагаясь как в подгруппе галогенов, так и и первой группе щелочных металлов. Чем объясняются такие особенности? Электронным строением оболочки его атома. У него всего один электрон, который свободно может как уходить, так и присоединять себе еще один, формируя пару и завершая внешний уровень.

Именно поэтому основные и единственные степени окисления данного элемента +1 и -1. Он легко вступает во взаимодействие с металлами, образуя гидриды - твердые нелетучие солеподобные соединения белого цвета.

Однако также легко водород формирует и летучие молекулы веществ, взаимодействуя с неметаллами. Например:

• сероводород H₂S;
• метан СН₄;
• силан SiH₄ и прочие.

В целом соединений водород формирует достаточно много. Однако самым важным веществом, в состав которого он входит, является оксид водорода, формула которого Н₂О. Это самое известное соединение, которое узнает по формуле даже ученик начальных классов, еще не знакомый с химией. Ведь вода (а это и есть высший оксид водорода) - не только распространенное вещество, но и источник жизни на нашей планете.

Само название элемента отражает его главную сущность - водород, то есть "рождающий воду". Как и любой другой оксид, данный также является бинарным соединением, обладающим рядом физических, химических свойств. Кроме того, имеются и особые характеристики, отличающие воду от всех других соединений.

Также важным классом соединений, которые образует водород, являются кислоты, как органические, так и минеральные.

Химические свойства водорода

С точки зрения химической активности, водород - достаточно сильный восстановитель. Во многих реакциях он проявляет именно такие свойства. Однако при взаимодействии с еще более сильными металлами, он становится окислителем.

Очень важным в промышленности является взаимодействие водорода с оксидами металлов. Ведь это один из способов получения последних в чистом виде. Водородотермия - это металлургический метод синтеза чистых металлов из их оксидов путем восстановления водородом.

Реакция водорода с оксидом имеет следующий общий вид: Me_xO_y + H₂ = H₂O + Me.

Конечно, это далеко не единственный способ синтеза чистых металлов. Существуют и другие. Однако восстановление оксидов водородом - энергетически достаточно выгодный и несложный производственный процесс, нашедший себе широкое применение.

Также интересна та особенность, что при смешении с воздухом газ водород способен образовывать сильно взрывчатую смесь. Ее название гремучий газ. Для этого смешивание следует производить из расчета два объема водорода на один кислорода.

Вода - оксид водорода

То, что данный оксид очень важный, мы уже несколько раз упомянули. Теперь давайте охарактеризуем его с точки зрения химии. Действительно ли данное соединение относится именно к этому классу неорганических веществ?

Для этого попробует немного иначе записать формулу: H₂O = НОН. Суть та же, количество атомов прежнее, однако, теперь очевидно, что перед нами гидроксид. Какими свойствами должен он обладать? Рассмотрим диссоциацию соединения:

НОН = Н⁺ + ОН^-.

Следовательно, свойства кислотные, так как в растворе присутствуют катионы водорода. К тому же основными они быть не могут, ведь щелочи формируют только металлы.

Поэтому еще одно название, которое имеет водорода оксид - кислородсодержащая кислота самого простого состава. Раз такие сложные переплетения характерны для данной молекулы, следовательно, и свойства ее будут особенными. А свойства отталкиваются от строения молекулы, поэтому его и разберем.

Строение молекулы воды

Впервые о данной модели задумался Нильс Бор, ему и принадлежит первенство и авторство в этом вопросе. Им были установлены следующие особенности.

1. Молекула воды - диполь, так как элементы, входящие в ее состав сильно отличаются по значению электроотрицательности.
2. Форма ее треугольная, в основании - водороды, а в вершине - кислород.
3. Благодаря такому строению, данное вещество способно формировать водородные связи, как между одноименными молекулами, так и с другими соединениями, имеющими в составе сильно электроотрицательный элемент.

Посмотреть, как схематически выглядит рассматриваемый водорода оксид, можно на фото ниже.

Физические свойства оксида водорода

Можно обозначить несколько основных характеристических черт.

1. Агрегатное состояние: газообразное - пар, жидкое, твердое - снег, лед.
2. Температура кипения - 100⁰С (99,974).
3. Температура плавления - 0⁰С.
4. Вода способна сжиматься при нагревании в интервале температур от 0-4⁰С. Этим объясняется образование льда на поверхности, который имеет меньшую плотность и сохранение жизни под толщей оксида водорода.
5. Высокое значение теплоемкости, однако очень низкая теплопроводность.
6. В жидком состоянии водорода оксид проявляет вязкость.
7. Особенным свойством можно назвать поверхностное натяжение и формирование отрицательного электропотенциала на поверхности воды.

Как мы отмечали выше, особенности свойств зависят от строения. Так и здесь. Способность формировать водородные связи привела к подобным чертам данного соединения.

Водорода оксид: химические свойства

С точки зрения химии, активность воды достаточно высока. Особенно если речь идет о реакциях, сопровождаемых нагреванием. С чем способен вступать во взаимодействие оксид водорода?

1. С металлами, которые в ряду напряжений стоят до водорода. При этом с самыми активными (до алюминия) не нужны особые условия, а обладающие более низкой восстановительной способностью реагируют только с паром. Те же, что стоят после водорода, вообще не способны вступать в подобные взаимодействия.
2. С неметаллами. Не со всеми, однако с большинством. Например, в атмосфере фтора вода сгорает фиолетовым пламенем. Также реакция возможна с хлором, углеродом, кремнием и другими атомами.
3. С оксидами металлов (основными) и кислотными (неметаллов). Образуются, соответственно, щелочи и кислоты. Среди металлов к таким реакциям способны представители первых двух групп главных подгрупп, кроме магния и бериллия. Неметаллы, образующие кислотные оксиды, взаимодействуют с водой все. Исключением является речной песок - SiO₂.

Уравнение реакций оксида водорода в качестве примера можно привести следующее: SO₃ + H₂O = H₂SO_4.

Распространение в природе

Мы уже выяснили, что данное вещество - самое распространенное в мире. Обозначим процентное содержание в объектах.

1. Около 70% от массы тела человека и млекопитающих животных. Некоторые представители фауны состоят из оксида водорода примерно на 98% (медузы).
2. 71% Земли покрыт водой.
3. Наибольшая масса составляет воды Мирового океана.
4. Около 2% содержится в ледниках.
5. 0,63% сосредоточено под землей.
6. 0,001% приходится на атмосферу (туман).
7. Тело растений состоит на 50% из воды, некоторых видов даже больше.
8. Многие соединения встречаются в виде кристаллогидратов, содержащих связанную воду.

Продолжать данный список можно долго, ведь сложно вспомнить хоть что-нибудь, в состав чего не входит вода или когда-то не входила. Либо образовалось без участия этого оксида.

Способы получения

Получение оксида водорода промышленного значения не имеет. Ведь проще использовать готовые источники - реки, озера и прочие водоемы, чем затрачивать огромное количество энергии и реактивов. Поэтому в лаборатории уместно лишь получение дистиллированной, особо чистой воды.

Для этих целей используют определенные аппараты, такие как перегонные кубы. Такая вода необходима для проведения многих химических взаимодействий, так как неочищенная содержит большое количество посторонних примесей, солей, ионов.

Биологическая роль

Сказать, что вода используется везде, не сказать ничего. Немыслимо представить свою жизнь без этого соединения. С самого утра и до самой ночи человек постоянно использует его как в бытовых, так и промышленных целях.

Свойства оксида водорода подразумевают использование его как универсального растворителя. Причем не только в лаборатории. Но и в живых существах, где ежесекундно происходят тысячи биохимических реакций.

Также вода сама является участником многих синтезов, она же служит побочным продуктом, образующимся в результате них. Каждый человек на Земле за 60 лет пропускает через себя около 50 тонн этого удивительного вещества!

Оксид водорода используется:

• во всех отраслях промышленности;
• медицине;
• химических синтезах;
• во всех видах производств;
• бытовых нуждах;
• сельском хозяйстве.

Сложно определить область жизни, в которой можно обойтись без воды. Единственными живыми существами, не имеющими оксид водорода в своем составе и живущими без него, являются вирусы. Именно поэтому человеку сложно бороться с этими организмами.