Физикалық және химиялық қасиеттері

Жоспар:

1. Кіріспе.
2. Негізгі бөлім.

2.1. Табиғатта таралуы.

2.2. Физикалық және химиялық  қасиеттері.

2.3. Алынуы.

2.4. Қолданылуы.

2.5. Сутек пероксиді.

2.6 Сутек пероксидінің қолданылуы.

3. Қорытынды.
4. Әдебиет тізімі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Сутекті алғаш К.Гавендиш зерттеп , оны жаңғыш ауа деп атаған (1766). А.Лавуазье сутектің қасиеттерін зерттеп, химиялық элементтер тізіміне қосқан(1787). «Сутек» терминің орыс химигі М.Ф.Соловьев өз тілінде ұсынды.Сутекті алғаш рет мырышпен тұз және күкірт қышқылын әрекеттестіру арқылы 1766 жылы К.Гавендиш алған. Ол оған жанғыш ауа деген ат берген, себебі ол жай заттардың арасында өте жаңғыш газ. Ал 1783 жылы А.Лавуазье мен Ж.Менье суды термиялық айырып, ол оттек және сутек элементтерінен тұратынын анықтаған, қазіргі қолданылып жүрген атауын (Hydrogenium- су тудырушы) француз ғалымы А.Штон де Морво берген (1787жылы). Оның орысша да, қазақша да аттары осы мағынаны білдіреді.                                                                  

    Сутек элементі Д.Менделеевтің периодтық жүйесінде бірінші орында орналасқан. Сутектің ядросында бір протон болады, оны бір электрон айналып журеді.Периодтық жүйеде сутек бірінші және жетінші негізгі топшалардың басына орналасқан, оның себебі бір жағынан ол сілтілік металдар сияқты көпшілік қосылыстарда 1+ тотығу дәрежесін көрсетеді және өзінен активтігі кем металдарды қосылыстарынан ығыстырады.                      

   Екінші жағынан  галогендер сияқты сутек күшті  металдармен әрекеттескенде бір  электрон қосып алып 1- тотығу  дәрежесін көрсетеді және екі  атомнан тұратын газ тәрізді  жай зат түзеді.                                                                    

Валенттік қабатының 1S1 конфигурациясына сәйкес сутекті s-элементтеріне жатқызып 1А топ типтің элементтерінің ( литий, натрий) және сілтілік металдардың (калий топшасы элементтері) ұқсасы ретінде қарауға болады. Валенттік қабаттың құрылымы ұқсас болғандықтан сутек пен 1А тобының s- металдарының оптикалық спектрлері ұқсас. Сутек молекуласымен бу күйіндегі металдардың молекулаларындағы молекулалық орбитальдардың ұқсастығы бар. Сутек пен металлдар бейметалл элементтермен қуатты әрекеттесіп түзілетін қосылыстарда +1 тотығу дәрежесін көрсетеді. Бірақ сутектің ионы – протонныңт Н+ металдардың иондарынан айырықша айырмашылығы бар:  оның мөлшері ~10-10 рет кіші және ол не кристаллдық торда, не судағы ерітіндіде дербес күйінде табылмаған. Ертіндіде барлық иондар гидраттанған күйінде болады.  Бірақ Na+x H2O сияқты катиондардың қасиеттері металдың катионың меншікті қасиеттерімен аңықталады, ал сутектің гидратталған катионының қасиеттері – H2*x H2 O ионының емес, H O+*x H2O оксоний ионының қасиеттері (мысалы 20 градус оның құрамы H2O2*3H2O. Ал H+(r) дербес ионы физикалық-элементар бөлщек болғандықтан оны химиялық бөлшектермен – иондармен салыстыруға болмайды.

  Сутектің иондану  энергиясы (13,6 В) IA топтың металдарының иондану энергиясымен шамалас. Сондықтан сутек, фтор және оттек сияқты күшті тотықтырғыштармен де ионды қосылыстар түзбейді. Егерде қосылыстарда Н+ - ионы болған күнде оның өте күшті полюстендіру әсерінен байланыс коваленттіге айналуға тиісті. Сондықтан сутек элемент байланыстарының қасиеттері IA топтың металдары түзетін күшті ионды байланыстарға қарағанда көміртек – элемент байланыстарының қасиеттеріне ұқсастау.

  Сонымен, сутек пен  IA топтың металдарының кейбір химимялық қасиеттері ұқсас, бірақ валенттікті есептемегенде ол ұқсастықтың себебі сутек және металдар үшін әр-түрлі. Ал сутек пен галогендердің химиялық қасиеттерінің ұқсастығының себебі бар.

  Сутек пен галогендердің  атомдарында олардың кейін тұрған  инертті газдардың электрондық конфигурациясына дейін бір-бір электроннан жетпейді. Осыған байланысты олар тотықтырғыштық қасиетке ие болады және -1 тотығу дәрежесін көрсетеді. Сутек -1 тотығу дәрежесінде иондық байланыс түзе алады, бірақ оның электрон татртқыштығы(0,75В)  шамамен галогендердің электрон тартқыштығының небәрі 1/5 тең болғандықтан гидрид-ион Н-  галогенид иондардай көп тарамаған. Гидридтердегі байланыстардың ионды болуының бір себебі гидрид-ионның мөлшері үлкен ( жуықтап алғанда 0,15 нм), сондықтан ол оңай полюстенеді.

   Жалпы сутек сілтілік  металдарға қарағанда галогендерге  ұқсастау. Сутек те, галогендер де  бейметалл элементтерге жатады, иондану энергиялары жақын. Молекулалары  екі атомнан тұрады, қосылыстарында  байланыс көбінесе коваленттік  полюсті,жай заттар ретінде кез  келген агрегаттық күйінде олар  электр тогын өткізбейді, H2 – F2 – Cl2 – Br2 – J2 қатарында көптеген қасиеттері, мысалы, диссоциациялану процесінің температуралары және жылу эффектілері сызықты заңдылыққа бағынады. Осыған қарамастан сутек пен галогендерді толық ұқсастар деп атауға болмайды.  Себебі, сутек пен галогендердің молекулалық орбитальдарының ешқандай ұқсастығы жоқ. Тек қана сутек +1 тотығу дәрежесінде байланыстың ерекше бір түрін – сутектік байланыс түзеді.

Табиғатта таралуы.                    

   Сутек- күллі әлемді алсақ ең көп таралған элемент. Жер қыртысы салмағының 1% ,барлығы атомдар санының 17% сутектің үлесіне тиеді.Жер бетінде сутек бос күйінде кездеспейді, көп тараған қосылысы-су. Судағы сутектің массалық үлесі 11 пайыз. Сонымен қатар сутек табиғатта қосылыстар құрамында кездеседі. Ол судың, балшықты топырақтың, қоңыр және тас көмірдің, мұнайдың құрамында, сол сияқты барлық жан-жануарлардың мен өсімдіктердің ағзаларында болады. Күннің және жұлдыздардың массасының тең жарымындай. Күннің атмосферасының 85% -нан астамы, алып планеталардың, мысалы, Юпитер және Сатуранның бүкіл өне бойы сутектен құралған. Ал Жердің гравитациялық өрісі әлсіздеу болғандықтан жерде сутектің концентрациясы жоққа жуық, аз мөлшерде бос күйінде ол жанартау және кейбір табиғи газдарда кездеседі. Жерде сутек негізі қосылыс күйінде болады. Сутек судың, көптеген минералдардың және барлық органикалық заттардың құрамына кіреді. Сутек бос күйінде атмосфераның жоғарғы жағында және табиғи жанғыш газдарда болады. Атмосфераны, гидросфераны, литосфераны қоса алғанда сутектің мөлшері 3,0 мол.үлес,% немесе 1,0 масс.үлес ,%. Бірақ атомдық массасы ең кіші элемент болғандықтан жер қыртысындағы барлық атомдардың 15% сутек атомдары.                                                                                                  

Табиғи сутектің үш изотоптық қоспасы бар: протий, дейтерий, тритий. Протий мен дейтерийдің ядролары тұрақты. Тритий B-радиоактивті изотоп, оның жартылай ыдырау периоды Т1/2=12,26 жыл. Тритий космос сәулелерінің әсерінен атмосферада жүретін ядролық процесстердің нәтижесінде түзіледі. Сутектің 99,98% жеңіл изотоп протийдан тұрады.

   Физикалық және химиялық қасиеттері.                                                 

 Сутек атомының бір-ақ электроны болғандықтан, олар жалқы электрондарын пайдаланып конфигурациясы болатын тек қана екі атомнан тұратын молекулалар түзеді. Сутектің ең жеңіл H2 молекуласымен қатар сутек –дейтерий Д2, тритий Т2, продейтерий НД, прототритий ДТ молекулалары бола алады.                                                                                                  

  Бос күйінде сутек түссіз, иіссіз және дәмсіз газ. Сутек газдардың ішінде ең жеңіл ( ауадан 14,38 есе жеңіл); оның молекулаларының жылдамдығы бірдей температурада кез-келген газдікінен жоғары. Сондықтан газдардың ішінде  оның тұтқырлығы ең төмен, ол ең оңай диффузияланатын  және жылуды ең жақсы өткізетін газ( жылу өткізгіштікі ауанікінен 7 есе жоғары).                   

   H-H байланыс энергиясының  үлкендігіне , молекуласының аз полюстенуіне, оның мөлшерінің және массасының кішілігіне сай сутектің балқу және қайнау температуралары өте төмен болып келеді: -259,1 және -252,6 градус, басқа элементтердің ішінде тек қана гелийдің балқу және қайнау температуралары бұдан төмен. Осы себептермен сутектің судағы ерігіштігі өте төмен болуы да байланысты- қалыпты жағдайда 1л суда небәрі 21,5 мл ериді; органикалық еріткіштерде ерігіштігі бұдан да нашар. Сұйық сутек- мөлдір, түссіз, электр тогын өткізбейтін зат, оның беттік керілісі судікінен 35 есе төмен, ол барлық сұйық заттардың ішінде ең жеңілі (d=0.0708*10 кг/м3). Сұйық сутек төмен қысымда қайнаған кезде булану процессоның жылу эффектінің жоғары болуына байланысты (0,088кДж/моль) қатты күйге ауысады. Қатты сутек (d=0,088*10кг/м3) кристалдық заттардың ішінде ең жеңілі, оның кристалдық торы гексагональдық , ал сығылысу қабілеті қатты заттарлың ішінде ең жоғары. Сутектің дағдарыстық нүктесінің сипаттамалары: температура  -239,9 градус, қысым – 12,969*10 Па.

  Квантмеханикалық есептеулер сутектің өте жоғары қысымда металдық күйге ауысуы мүмкін екенің көрсетеді. Бұл жағдайда молекулалық сутек атомдыға айналуға тиісті. Кристалдық тордың түйіндерінде протондар орналасады да, электрондар бүкіл кристалға ортақ болады; кристалл металдық өткізгіштікке ие болуы керек. Қатты сутек оның металдарда еріген кезінде түзілетін металдық өткізгіштікке ие болатын қатты фазамен ұқсастық көрсетуі мүмкін.

   Сутек молекуласының  диссоциациялану жоғары эндотермиялық  процестердің қатарына жатады  ( мысалы, H2 молекуласы  фтор молекуласынан 2,7 есе тұрақты), сондықтан  Н2 молекуласының қатысуымен өтетін реакциялардың активтендіру энергиясы жоғары болады. Қалыпты жағдайда газ күйінде сутекте активті молекулалар саны аз, сондықтан молекулалық сутектің реакцияласу қабілеті төменірек. Ол тікелей тек қана фтормен және хлормен (жарықта) әрекеттеседі:

             H2 (r) + Cl2 (r) = 2HCl(r);        H 298°= -184 кДж

  Жоғарырақ температурада  сутек көптеген элементтермен  әрекеттеседі:

             2H2 (r) + O2 (r) = 2H2 O(r);       H 298° = -484 кДж

  Сутектің элекртерігінің мәні 2,1; реакцияларда ол тотықтырғыш та, тотықсыздандырғыш та бола алады; екінші қасиеті басым, себебі сутектің электронтартқыштығының мәні аса жоғары емес.  

  Сутектің бейметалдарға  ұқсайтын тотықтырғыш қасиетін  өте активті металдармен әрекеттескенде  көруге болады:

                 2Na + H2 = 2NaH

   Мұнда сутек атомы электрон қосып алып, теріс зарядты гидрид-ионға Н айналып, сыртқы қабаты гелийдікі сияқты 2 электронды болады. Гидрид-ионның түзіліуінің галогенид-иондардың түзілуінен айырмашылығы – ол эндотермиялық прцесс:

  ½ Н2 (r) = H(r);    H   298° = 217.5 кДж

  Н(r) + e = H- (r);      H    298°= -72.8 кДж

½ Н2 9(r) + e = H-(r);       H  298° = 144.7 кДж

  Сондықтан сутектің  тотықтырғыштық қабілеті галогендікінен  әлдеқайда кіші және тек қана  ең активті металдардың сілтілік  және сілтілік жер металдардың  гидридтерінде байланыс анық ионды болады. Басқа металдармен беретін гидридтерде байланыстың ковалентті дәрежесі үлкейіп кетеді. Сол сияқты сутектің оң зарядты ионға айналуы да толық түрде болмайды. Ол ең күшті бейметалдармен әрекеттескенің өзінде ковалентті полюсті байланысы бар қосылыстар түзеді.

   Сутектің тотықсыздандырғыштық қабілетін кейбір жай заттарды олардың оксидтерінен не галогенидтерінен бөліп алуға пайдаланады:

 CuO +H2 =Cu + H2 O;  VCl2 + H2 = V + 2HCl

   Атом күйіндегі сутектің химиялық активтігі молекулалық активтігінен әлдеқайда жоғары болады. «Бөлініп шығу сәтіндегі» сутек жеке атомдар күйінде болатындықтан тез реакцияға түседі. Атомдық сутек қалыпты жағдайдың өзінде-ақ күкірт, мышьяк,фосфор т.б. жай заттарды тотықсыздандырып, көптеген металдармен қосылып гидридтерін береді. Ол Cu, Pb, Ag сияқты металдарды тұздардың ерітіндісінен ығыстырып шығарады.

 Алынуы.

Сутектің жерде кездесетін ең мол көзі – су,   сондықтан оны өндірісте суды тұракты электр тогының көмегімен айыру арқылы алады: 2Н2O = 2Н2↑ +02 ↑ бұл реакцияны алғаш рет А. Лавузье мен Ж. Менье қыздыру арқылы іске асырған (жоғары бағытталған бағдарша заттың үшқыштығын көрсетеді).

 

CH4 + H2O                           CO + 3H2

CH4 + 2H2 O                         CO2 + 4H2

Катализатор ретінде никель қолданылады.

2. Арнаулы пештерде қызған  көмір мен су буының әрекеттесуі.

3. Метанды жоғары температурада  ыдырату.

      CH4 = C + 2H2

4.  Сілтілік металдар тұздарының ерітіндісін (KCl, NaCl)электролиздеу арқылы сілті және хлор алу кезінді сутек қосымша зат ретінде бөлінеді.

Ал зертханаларда белсенді металдын, (Zn, Mg) қышқылдармен әрекеттесу реакциясы арқылы алады. Көп жағдайда мырышты пайдаланады.

  Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑  ↑

Бұл реакцияны жүргізу үшін газ өтетін түтігі бар сынауыққа 2-3 түйір мырыш салып, үстіне сұйытылған тұз немесе күкірт (H2S04) қышкылын құямыз. Сонда металл бетінен газ көпіршіктері (Н2) көтеріле бастайды. Бөлінген сутегін судың астында жинауға болады, өйткені сутегі суда нашар ериді немесе ауаны ығыстыру арқылы жинауға болады. Сутегіні жинайтын ыдыс төңкеріліп ұсталуы тиіс. Себебі сутегі ауадан 14,5 есе жеңіл.   Енді осы тәжірибені күкірт қышқылымен жүргізейік:  ↑ Бұл реакцияларда белсенді металл қышқыл құрамындағы сутектің орнын басып тұр, олай болса реакция типі - орын басу.

белсенді металл + қышқыл = тұз + сутек газ

 

Осылайша алынған сутегінің тазалығы тұрған спирт шамына немесе шырпыға сутек жиналған сынауықты апарамыз, сонда сутегі таза болса баяу «пах» деген дыбыс шығарады, ал таза болмаса (сынауықтағы ауа толығынан ығыспаса) дыбыс қаттырақ естіледі. Сутегіні алу үшін өте белсенді металдар қолданылмайды, ол экономикалық жағынан тиімсіз. Металдың белсенділігі өте жоғары болғанда (К, Na, Са) олар сутекті судың құрамынан да ығыстыра алады: 2Na + 2HOH = 2 NaOH + Н2 ↑

Бұл реакция ете шабытты жүреді, бөлінген сутегінің өсерінен металдың түйіршігі су бетінде айнала қозғалып («жүгіріп») жүреді. Дәл осындай реакция кальцийді алғанда да байқалады. Са+ 2НОН = Са (ОН)2+ Н2↑

Кипп аппараты

Зертханаларда сутегін және басқа да газдарды (С02, H2S, т.б.) қажеттілігіне қарай дүркін-дүркін алып түру үшін арнайы құрылғы қолданылады, ол «Кипп аппараты» деп аталады.

Бұл екі бөлімнен тұратын калың кабырғалы шыныдан жасалған құрал:

• астыңғы бөлігі өзара байланысқан шар мен жарты шар пішінді етіп жасалған .

• ал үстіңгі бөлігі ұзын түтігі бар шар тәрізді үлкен құйғы .

• Астыңғы бөлігінің шар және жарты шары арасында қышқылға төзімді

материалдан жасалған зат түйірлерін (Me, СаС03, FeS т. б.) үстап түратын сақинасы .

• ал астыңғы жарты шардың табанына тақау жерде шүмегі

бар.

• Астыңғы бөлігінің шар тәріздес бөлімінде тесігі бар, оған газ шығатын түтік қойылған, онда газдың ағынын реттеп тұратын шүмегі бар.

Кипп аппаратының жұмыс істеу реті мынадай:

1. Ортаңғы беліміндегі сақина үстіне зат түйіршіктерін (Me, СаС03, FeS) салу.

2. Астыңғы жарты шардың шүмегін жабу.