Започваме да обмисляме химикала и физични свойстваводород, трябва да се отбележи, че в обичайното състояние този химичен елемент е в газообразна форма. Безцветният водороден газ е без мирис и вкус. За първи път този химичен елемент получи името водород, след като ученият А. Лавоазие проведе експерименти с вода, според резултатите от които световната наука научи, че водата е многокомпонентна течност, която включва водород. Това събитие се е случило през 1787 г., но много преди тази дата водородът е бил известен на учените под името „запалим газ“.
Водород в природата
Според учените водородът се намира в земната кораи във вода (приблизително 11,2% от общата вода). Този газ е част от много минерали, които човечеството извлича от земните недра от векове. Отчасти свойствата на водорода са характерни за нефт, природни газове и глина, за животински и растителни организми. Но в чиста форма, тоест, не комбиниран с други химични елементи от периодичната таблица, този газ е изключително рядък в природата. Този газ може да избяга на земната повърхност по време на вулканични изригвания. Свободният водород присъства в следи от атмосферата.
Химични свойства на водорода
Тъй като химичните свойства на водорода не са еднородни, този химичен елемент принадлежи както към група I на системата на Менделеев, така и към група VII на системата. Като представител на първата група, водородът всъщност е алкален метал, който има степен на окисление +1 в повечето съединения, в които е включен. Същата валентност е характерна за натрия и други алкални метали. С оглед на тези химични свойства водородът се счита за елемент, подобен на тези метали.
Ако говорим за метални хидриди, тогава водородният йон има отрицателна валентност - степента му на окисление е -1. Na + H- се изгражда по същия начин като Na + Cl- хлорид. Този факт е причината водородът да бъде отнесен към VII група от системата на Менделеев. Водородът, намиращ се в състояние на молекула, при условие че е в обикновена среда, е неактивен и може да се комбинира само с неметали, които са по-активни за него. Такива метали включват флуор, в присъствието на светлина, водородът се комбинира с хлор. Ако водородът се нагрява, той става по-активен, реагирайки с много елементи от периодичната система на Менделеев.
Атомният водород проявява по-активни химични свойства от молекулния водород. Молекулите на кислорода образуват вода - H2 + 1/2O2 = H2O. Когато водородът взаимодейства с халогени, се образуват халогеноводороди H2 + Cl2 = 2HCl и водородът влиза в тази реакция при липса на светлина и при достатъчно високи отрицателни температури - до - 252 ° C. Химични свойстваводород позволява да се използва за редукция на много метали, тъй като когато водородът реагира, той абсорбира кислород от метални оксиди, например CuO + H2 = Cu + H2O. Водородът участва в образуването на амоняк, взаимодействайки с азота в реакцията 3H2 + N2 = 2NH3, но при условие, че се използва катализатор и температурата и налягането се повишават.
Енергична реакция възниква, когато водородът взаимодейства със сярата в реакцията H2 + S = H2S, което води до сероводород. Взаимодействието на водорода с телур и селен е малко по-малко активно. Ако няма катализатор, тогава той реагира с чист въглерод, водород само при условие, че се създават високи температури. 2H2 + C (аморфен) = CH4 (метан). В процеса на водородна активност с някои алкални и други метали се получават хидриди, например H2 + 2Li = 2LiH.
Физични свойства на водорода
Водородът е много лек химикал. Най-малкото учените твърдят, че в момента няма по-леко вещество от водорода. Масата му е 14,4 пъти по-лека от въздуха, плътността му е 0,0899 g/l при 0°C. При температури от -259,1 ° C водородът е способен да се топи - това е много критична температура, която не е типична за превръщането на повечето химични съединения от едно състояние в друго. Само такъв елемент като хелий превъзхожда физическите свойства на водорода в това отношение. Втечняването на водорода е трудно, тъй като критичната му температура е (-240°C). Водородът е най-топлопроизвеждащият газ от всички известни на човечеството. Всички описани по-горе свойства са най-значимите физични свойства на водорода, които се използват от човека за специфични цели. Освен това тези свойства са най-подходящи за съвременната наука.
Водородът Н е най-разпространеният елемент във Вселената (около 75% от масата), на Земята е деветият най-разпространен елемент. Най-важното естествено водородно съединение е водата.
Водородът е на първо място в периодичната таблица (Z = 1). Той има най-простата структура на атома: ядрото на атома е 1 протон, заобиколено от електронен облак, състоящ се от 1 електрон.
При някои условия водородът проявява метални свойства (дарява електрон), при други - неметални (приема електрон).
В природата се срещат изотопи на водорода: 1H - протий (ядрото се състои от един протон), 2H - деутерий (D - ядрото се състои от един протон и един неутрон), 3H - тритий (T - ядрото се състои от един протон и два неутрони).
Простото вещество водород
Молекулата на водорода се състои от два атома, свързани с неполярна ковалентна връзка.
физични свойства.Водородът е безцветен, нетоксичен газ без мирис и вкус. Молекулата на водорода не е полярна. Следователно силите на междумолекулно взаимодействие в газообразния водород са малки. Това се проявява в ниски температурикипене (-252,6 0С) и топене (-259,2 0С).
Водородът е по-лек от въздуха, D (във въздух) = 0,069; слабо разтворим във вода (2 обема H2 се разтварят в 100 обема H2O). Следователно водородът, когато се произвежда в лаборатория, може да бъде събран чрез въздушни или водни методи за изместване.
Получаване на водород
В лабораторията:
1. Действие на разредените киселини върху металите:
Zn +2HCl → ZnCl 2 +H 2
2. Взаимодействие на алкални и sh-z металис вода:
Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2
3. Хидролиза на хидриди: металните хидриди лесно се разлагат от вода с образуването на съответните алкали и водород:
NaH + H 2 O → NaOH + H 2
CaH 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2H 2
4. Действие на алкали върху цинк или алуминий или силиций:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2
Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2
5. Водна електролиза. За да се увеличи електрическата проводимост на водата, към нея се добавя електролит, например NaOH, H 2 SO 4 или Na 2 SO 4. На катода се образуват 2 обема водород, на анода - 1 обем кислород.
2H 2 O → 2H 2 + O 2
Промишлено производство на водород
1. Преобразуване на метан с пара, Ni 800 °C (най-евтино):
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Общо:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2
2. Водна пара през горещ кокс при 1000 o C:
C + H 2 O → CO + H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Полученият въглероден оксид (IV) се абсорбира от водата, като по този начин се получава 50% от промишления водород.
3. Чрез нагряване на метан до 350°C в присъствието на железен или никелов катализатор:
CH 4 → C + 2H 2
4. Електролиза на водни разтвори на KCl или NaCl като страничен продукт:
2H 2 O + 2NaCl → Cl 2 + H 2 + 2NaOH
Химични свойства на водорода
- В съединенията водородът винаги е едновалентен. Има степен на окисление +1, но в метални хидриди е -1.
- Молекулата на водорода се състои от два атома. Появата на връзка между тях се обяснява с образуването на обобщена двойка електрони H: H или H 2
- Поради това обобщение на електроните, молекулата H 2 е по-енергийно стабилна от отделните й атоми. За да разбиете молекула на атоми в 1 мол водород, е необходимо да изразходвате енергия от 436 kJ: H 2 = 2H, ∆H ° = 436 kJ / mol
- Това обяснява относително ниската активност на молекулния водород при обикновена температура.
- С много неметали водородът образува газообразни съединения като RN 4, RN 3, RN 2, RN.
1) Образува водородни халогениди с халогени:
H 2 + Cl 2 → 2HCl.
В същото време той експлодира с флуор, реагира с хлор и бром само при осветяване или нагряване, а с йод само при нагряване.
2) С кислород:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
с отделяне на топлина. При обикновени температури реакцията протича бавно, над 550 ° C - с експлозия. Смес от 2 обема H 2 и 1 обем O 2 се нарича експлозивен газ.
3) При нагряване реагира енергично със сяра (много по-трудно със селен и телур):
H 2 + S → H 2 S (сероводород),
4) С азот с образуване на амоняк само на катализатора и при повишени температури и налягания:
ZN 2 + N 2 → 2NH 3
5) С въглерод при високи температури:
2H 2 + C → CH 4 (метан)
6) Образува хидриди с алкални и алкалоземни метали (водородът е окислител):
H 2 + 2Li → 2LiH
в металните хидриди водородният йон е отрицателно зареден (степен на окисление -1), тоест хидридът Na + H - е изграден като хлорид Na + Cl -
Със сложни вещества:
7) С метални оксиди (използвани за възстановяване на метали):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O
8) с въглероден оксид (II):
CO + 2H 2 → CH 3 OH
Синтез - газ (смес от водород и въглероден оксид) е от голямо практическо значение, тъй като в зависимост от температурата, налягането и катализатора се образуват различни органични съединения, например HCHO, CH 3 OH и др.
9) Ненаситените въглеводороди реагират с водорода, превръщайки се в наситени:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2.
В периодичната система водородът е разположен в две групи елементи, които са абсолютно противоположни по своите свойства. Тази функция го прави напълно уникален. Водородът е не само елемент или вещество, но и а интегрална частмного сложни съединения, органогенни и биогенни елементи. Затова разглеждаме неговите свойства и характеристики по-подробно.
Освобождаването на горим газ при взаимодействието на метали и киселини се наблюдава още през 16 век, тоест по време на формирането на химията като наука. Известният английски учен Хенри Кавендиш изучава веществото от 1766 г. и му дава името "запалим въздух". При изгаряне този газ произвежда вода. За съжаление, придържането на учения към теорията за флогистона (хипотетична „свръхфина материя“) му попречи да стигне до правилните заключения.
Френският химик и натуралист А. Лавоазие, заедно с инженера Ж. Мьоние и с помощта на специални газометри, през 1783 г. извършва синтеза на вода, а след това и нейния анализ чрез разлагане на водна пара с нажежено желязо. Така учените успяха да стигнат до правилните заключения. Те открили, че "горим въздух" не е само част от водата, но може да се получи и от нея.
През 1787 г. Лавоазие предполага, че изследваният газ е просто вещество и съответно е един от основните химични елементи. Той го нарече хидроген (от гръцките думи hydor - вода + gennao - раждам), тоест "раждам вода".
Руското име "водород" е предложено през 1824 г. от химика М. Соловьов. Определянето на състава на водата бележи края на "теорията на флогистона". В края на 18-ти и 19-ти век беше установено, че водородният атом е много лек (в сравнение с атомите на други елементи) и неговата маса е взета като основна единица за сравнение на атомните маси, като се получава стойност, равна на 1.
Физически свойства
Водородът е най-лекият от всички известни на науката вещества (той е 14,4 пъти по-лек от въздуха), неговата плътност е 0,0899 g/l (1 atm, 0 °C). Този материал се топи (втвърдява) и кипи (втечнява се), съответно, при -259,1 ° C и -252,8 ° C (само хелият има по-ниско t ° на кипене и топене).
Критичната температура на водорода е изключително ниска (-240 °C). Поради тази причина втечняването му е доста сложен и скъп процес. Критичното налягане на веществото е 12,8 kgf / cm², а критичната плътност е 0,0312 g / cm³. Сред всички газове водородът има най-висока топлопроводимост: при 1 атм и 0 ° C тя е 0,174 W / (mxK).
Специфичният топлинен капацитет на вещество при същите условия е 14,208 kJ / (kgxK) или 3,394 cal / (gh °C). Този елемент е слабо разтворим във вода (около 0,0182 ml / g при 1 atm и 20 ° C), но добре - в повечето метали (Ni, Pt, Pa и други), особено в паладий (около 850 обема на обем Pd) .
Последното свойство е свързано със способността му да дифундира, докато дифузията през въглеродна сплав (например стомана) може да бъде придружена от разрушаване на сплавта поради взаимодействието на водород с въглерод (този процес се нарича декарбонизация). В течно състояние веществото е много леко (плътност - 0,0708 g / cm³ при t ° \u003d -253 ° C) и течно (вискозитет - 13,8 градуса по Целзий при същите условия).
В много съединения този елемент проявява +1 валентност (степен на окисление), подобно на натрия и други алкални метали. Обикновено се счита за аналог на тези метали. Съответно той оглавява I група от системата на Менделеев. В металните хидриди водородният йон проявява отрицателен заряд (степента на окисление е -1), тоест Na + H- има структура, подобна на Na + Cl- хлорид. В съответствие с този и някои други факти (близостта на физичните свойства на елемента "H" и халогените, способността да се заменят с халогени в органични съединения), водородът е приписан към група VII на системата на Менделеев.
При нормални условия молекулярният водород има ниска активност, директно се комбинира само с най-активните неметали (с флуор и хлор, с последния - на светлина). От своя страна, когато се нагрява, той взаимодейства с много химични елементи.
Атомният водород има повишена химическа активност (в сравнение с молекулярния водород). С кислород той образува вода по формулата:
Н₂ + ½О₂ = Н₂О,
отделяйки 285,937 kJ/mol топлина или 68,3174 kcal/mol (25°C, 1 atm). При нормални температурни условия реакцията протича доста бавно, а при t ° >= 550 ° С е неконтролирана. Границите на експлозивност на смес от водород + кислород по обем са 4–94% H₂, а смесите от водород + въздух са 4–74% H₂ (смес от два обема H2 и един обем O₂ се нарича експлозивен газ).
Този елемент се използва за намаляване на повечето метали, тъй като отнема кислород от оксидите:
Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4Н₂О,
CuO + H2 = Cu + H2O и др.
С различни халогени водородът образува водородни халогениди, например:
H2 + Cl2 = 2HCl.
Въпреки това, когато реагира с флуор, водородът експлодира (това се случва и на тъмно, при -252 ° C), реагира с бром и хлор само при нагряване или осветяване и с йод само при нагряване. При взаимодействие с азот се образува амоняк, но само на катализатор, с повишени наляганияи температура:
ZN2 + N2 = 2NH3.
При нагряване водородът активно реагира със сярата:
H2 + S = H2S (сероводород),
и много по-трудно - с телур или селен. Водородът реагира с чист въглерод без катализатор, но при високи температури:
2H2 + C (аморфен) = CH4 (метан).
Това вещество реагира директно с някои от металите (алкални, алкалоземни и други), образувайки хидриди, например:
Н2 + 2Li = 2LiH.
Не малко практическо значение имат взаимодействията на водорода и въглеродния оксид (II). В този случай в зависимост от налягането, температурата и катализатора се образуват различни органични съединения: HCHO, CH₃OH и др. Ненаситените въглеводороди се превръщат в наситени по време на реакцията, например:
С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.
Водородът и неговите съединения играят изключителна роля в химията. Той определя киселинните свойства на т.нар. протонните киселини са склонни да образуват водородни връзки с различни елементи, които оказват значително влияние върху свойствата на много неорганични и органични съединения.
Получаване на водород
Основните видове суровини за промишленото производство на този елемент са газовете от рафинерията, природните горими и коксови газове. Получава се и от вода чрез електролиза (на места с достъпно електричество). Един от най-важните методи за производство на материал от природен газ е каталитичното взаимодействие на въглеводороди, главно метан, с водна пара (т.нар. конверсия). Например:
CH4 + H2O = CO + ZH2.
Непълно окисление на въглеводороди с кислород:
CH₄ + ½O₂ \u003d CO + 2H₂.
Синтезираният въглероден оксид (II) претърпява преобразуване:
CO + H2O = CO2 + H2.
Водородът, произведен от природен газ, е най-евтиният.
За електролиза на вода се използва постоянен ток, който се пропуска през разтвор на NaOH или KOH (киселини не се използват, за да се избегне корозия на оборудването). При лабораторни условия материалът се получава чрез електролиза на вода или в резултат на реакцията между солна киселина и цинк. Въпреки това, по-често се използва готов фабричен материал в цилиндри.
От газовете от рафинерията и коксовия газ този елемент се изолира чрез отстраняване на всички други компоненти на газовата смес, тъй като те се втечняват по-лесно при дълбоко охлаждане.
Индустриално този материал започва да се получава обратно края на XVIIIвек. След това се използва за пълнене на балони. В момента водородът се използва широко в промишлеността, главно в химическата промишленост, за производството на амоняк.
Масовите потребители на веществото са производителите на метилови и други алкохоли, синтетичен бензин и много други продукти. Получават се чрез синтез от въглероден оксид (II) и водород. Водородът се използва за хидрогениране на тежки и твърди течни горива, мазнини и др., за синтез на HCl, хидропреработка на нефтопродукти, както и при рязане/заваряване на метали. Най-важните елементи за ядрената енергетика са нейните изотопи – тритий и деутерий.
Биологичната роля на водорода
Около 10% от масата на живите организми (средно) се пада на този елемент. Той е част от водата и най-важните групи природни съединения, включително протеини, нуклеинови киселини, липиди, въглехидрати. За какво служи?
Този материал играе решаваща роля: в поддържането на пространствената структура на протеините (кватернерна), в прилагането на принципа на комплементарност на нуклеиновите киселини (т.е. при внедряването и съхранението на генетична информация), като цяло, в „разпознаването“ в молекулярната ниво.
Водородният йон Н+ участва във важни динамични реакции/процеси в организма. Включително: в биологичното окисляване, което осигурява енергия на живите клетки, в реакциите на биосинтеза, при фотосинтезата в растенията, в бактериалната фотосинтеза и азотфиксацията, в поддържането на киселинно-алкалния баланс и хомеостазата, в процесите на мембранен транспорт. Заедно с въглерода и кислорода, той формира функционалната и структурна основа на явленията на живота.
- Обозначение - H (Водород);
- Латинско име - Hydrogenium;
- Период - I;
- Група - 1 (Ia);
- Атомна маса - 1,00794;
- Атомно число - 1;
- Радиус на атом = 53 pm;
- Ковалентен радиус = 32 pm;
- Разпределението на електроните - 1s 1;
- точка на топене = -259,14°С;
- точка на кипене = -252,87°С;
- Електроотрицателност (според Полинг / според Алпред и Рочов) \u003d 2,02 / -;
- Степен на окисление: +1; 0; -един;
- Плътност (n.a.) \u003d 0,0000899 g / cm 3;
- Моларен обем = 14,1 cm 3 / mol.
Бинарни съединения на водород с кислород:
Водородът („раждащ вода“) е открит от английския учен Г. Кавендиш през 1766г. Това е най-простият елемент в природата - водороден атом има ядро и един електрон, вероятно поради тази причина водородът е най-разпространеният елемент във Вселената (повече от половината от масата на повечето звезди).
За водорода можем да кажем, че „шпулата е малка, но скъпа“. Въпреки своята "простота", водородът дава енергия на всички живи същества на Земята - има непрекъснат термоядрена реакцияпо време на който един хелиев атом се образува от четири водородни атома, този процеспридружено от освобождаване на колосално количество енергия (за повече подробности вижте Ядрения синтез).
В земната кора масовата част на водорода е само 0,15%. Междувременно по-голямата част (95%) от всички химикали, известни на Земята, съдържат един или повече водородни атома.
В съединения с неметали (HCl, H 2 O, CH 4 ...), водородът отдава единствения си електрон на по-електроотрицателни елементи, показвайки степен на окисление +1 (по-често), образувайки само ковалентни връзки(виж Ковалентна връзка).
В съединения с метали (NaH, CaH 2 ...), водородът, напротив, поема на единствената си s-орбитала още един електрон, като по този начин се опитва да завърши своя електронен слой, показвайки степен на окисление от -1 (по-рядко) , образувайки по-често йонна връзка (виж Йонна връзка), тъй като разликата в електроотрицателността на водороден атом и метален атом може да бъде доста голяма.
H2
В газообразно състояние водородът е под формата на двуатомни молекули, образуващи неполярна ковалентна връзка.
Водородните молекули имат:
- голяма мобилност;
- голяма сила;
- ниска поляризуемост;
- малък размер и тегло.
Свойства на водородния газ:
- най-лекият газ в природата, безцветен и без мирис;
- слабо разтворим във вода и органични разтворители;
- разтваря се в малки количества в течни и твърди метали (особено в платина и паладий);
- трудно се втечнява (поради ниската си поляризуемост);
- има най-висока топлопроводимост от всички известни газове;
- при нагряване реагира с много неметали, показвайки свойствата на редуциращ агент;
- при стайна температура реагира с флуор (възниква експлозия): H 2 + F 2 = 2HF;
- реагира с метали, за да образува хидриди, показващи окислителни свойства: H 2 + Ca = CaH 2;
В съединенията водородът проявява своите редукционни свойства много по-силно от окислителните. Водородът е най-силният редуктор след въглищата, алуминия и калция. Редуциращите свойства на водорода се използват широко в промишлеността за получаване на метали и неметали (прости вещества) от оксиди и галиди.
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O
Реакции на водород с прости вещества
Водородът приема електрон, играейки ролята редуциращ агент, в реакции:
- с кислород(при запалване или в присъствието на катализатор) в съотношение 2:1 (водород:кислород) се образува експлозивен детониращ газ: 2H 2 0 + O 2 \u003d 2H 2 +1 O + 572 kJ
- с сиво(при нагряване до 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
- с хлор(при запалване или облъчване с UV лъчи): H 2 0 + Cl 2 \u003d 2H +1 Cl
- с флуор: H 2 0 + F 2 \u003d 2H +1 F
- с азот(когато се нагрява в присъствието на катализатори или когато високо налягане): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1
Водородът дарява електрон, който играе ролята окислител, в реакции с алкалнаи алкална земяметали за образуване на метални хидриди - солеподобни йонни съединения, съдържащи хидридни йони H - са нестабилни кристални вещества с бял цвят.
Ca + H 2 = CaH 2 -1 2Na + H 2 0 = 2NaH -1
Необичайно е водородът да проявява степен на окисление от -1. Реагирайки с вода, хидридите се разлагат, намалявайки водата до водород. Реакцията на калциев хидрид с вода е както следва:
CaH 2 -1 + 2H 2 +1 0 \u003d 2H 2 0 + Ca (OH) 2
Реакции на водорода със сложни вещества
- при висока температура водородът намалява много метални оксиди: ZnO + H 2 \u003d Zn + H 2 O
- метилов алкохол се получава в резултат на реакцията на водород с въглероден оксид (II): 2H 2 + CO → CH 3 OH
- в реакциите на хидрогениране водородът реагира с много органични вещества.
По-подробно уравненията на химичните реакции на водорода и неговите съединения са разгледани на страница "Водород и неговите съединения - уравнения на химични реакции с участието на водород".
Приложение на водород
- в ядрената енергетика се използват водородни изотопи - деутерий и тритий;
- в химическата промишленост водородът се използва за синтеза на много органична материя, амоняк, хлороводород;
- в хранително-вкусовата промишленост водородът се използва при производството на твърди мазнини чрез хидрогениране на растителни масла;
- за заваряване и рязане на метали се използва висока температура на горене на водород в кислород (2600 ° C);
- при производството на някои метали водородът се използва като редуциращ агент (виж по-горе);
- тъй като водородът е лек газ, той се използва в аеронавтиката като пълнител за балони, балони, дирижабли;
- Като гориво се използва водород, смесен с CO.
AT последните временаучените обръщат много внимание на търсенето на алтернативни източници на възобновяема енергия. Една от обещаващите области е "водородната" енергия, в която като гориво се използва водород, чийто продукт на горене е обикновена вода.
Методи за получаване на водород
Индустриални методи за производство на водород:
- преобразуване на метан (каталитична редукция на водна пара) с водна пара при висока температура (800°C) върху никелов катализатор: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
- конверсия на въглероден оксид с пара (t=500°C) върху Fe 2 O 3 катализатор: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
- термично разлагане на метан: CH 4 \u003d C + 2H 2;
- газификация твърди горива(t=1000°C): C + H2O = CO + H2;
- електролиза на вода (много скъп метод, при който се получава много чист водород): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.
Лабораторни методи за производство на водород:
- действие върху метали (обикновено цинк) със солна или разредена сярна киселина: Zn + 2HCl \u003d ZCl 2 + H 2; Zn + H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2;
- взаимодействието на водна пара с горещи железни стърготини: 4H 2 O + 3Fe \u003d Fe 3 O 4 + 4H 2.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
водород- първи елемент Периодична системахимични елементи D.I. Менделеев. Символът е N.
Атомна маса - 1 a.m.u. Молекулата на водорода е двуатомна - H2.
Електронната конфигурация на водородния атом е 1s 1. Водородът принадлежи към семейството на s-елементите. В своите съединения той проявява степени на окисление -1, 0, +1. Естественият водород се състои от два стабилни изотопа - протий 1 H (99,98%) и деутерий 2 H (D) (0,015%) - и радиоактивен изотоп на тритий 3 H (T) (следови количества, период на полуразпад - 12,5 години).
Химични свойства на водорода
При нормални условия молекулярният водород проявява относително ниска реактивност, което се обяснява с високата сила на връзката в молекулата. Когато се нагрява, той взаимодейства с почти всички прости вещества, образувани от елементи от основните подгрупи (с изключение на благородните газове, B, Si, P, Al). При химични реакции може да действа както като редуциращ агент (по-често), така и като окислител (по-рядко).
Водородът се проявява свойства на редуциращия агент(H 2 0 -2e → 2H +) в следните реакции:
1. Реакции на взаимодействие с прости вещества – неметали. Водородът реагира с халогени, освен това реакцията на взаимодействие с флуор при нормални условия, на тъмно, с експлозия, с хлор - при осветяване (или UV облъчване) по верижен механизъм, с бром и йод само при нагряване; кислород(смес от кислород и водород в обемно съотношение 2:1 се нарича "експлозивен газ"), сиво, азоти въглерод:
H 2 + Hal 2 \u003d 2HHal;
2H 2 + O 2 = 2H 2 O + Q (t);
H 2 + S = H 2 S (t = 150 - 300 C);
3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 500°C, p, kat = Fe, Pt);
2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat).
2. Реакции на взаимодействие със сложни вещества. Водородът реагира с оксиди на нискоактивни метали, и е в състояние да редуцира само метали, които са в серията активност вдясно от цинка:
CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O (t);
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O (t);
WO3 + 3H2 = W + 3H2O (t).
Водородът реагира с неметални оксиди:
H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O (t);
2H 2 + CO ↔ CH 3 OH (t = 300 C, p = 250 - 300 atm., kat = ZnO, Cr 2 O 3).
Водородът влиза в реакции на хидрогениране с органични съединения от класа циклоалкани, алкени, арени, алдехиди и кетони и др. Всички тези реакции се извършват при нагряване, под налягане, като катализатор се използва платина или никел:
CH 2 \u003d CH 2 + H 2 ↔ CH 3 -CH 3;
C 6 H 6 + 3H 2 ↔ C 6 H 12;
C 3 H 6 + H 2 ↔ C 3 H 8;
CH 3 CHO + H 2 ↔ CH 3 -CH 2 -OH;
CH 3 -CO-CH 3 + H 2 ↔ CH 3 -CH (OH) -CH 3.
водород като окислител(H 2 + 2e → 2H -) действа в реакции с алкални и алкалоземни метали. В този случай се образуват хидриди - кристални йонни съединения, в които водородът проявява степен на окисление -1.
2Na + H2 ↔ 2NaH (t, p).
Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).
Физични свойства на водорода
Водородът е лек безцветен газ, без мирис, плътност при н.о. - 0,09 g / l, 14,5 пъти по-лек от въздуха, t бала = -252,8C, t pl = - 259,2C. Водородът е слабо разтворим във вода и органични разтворители, силно разтворим е в някои метали: никел, паладий, платина.
Според съвременната космохимия водородът е най-разпространеният елемент във Вселената. Основната форма на съществуване на водорода в космическото пространство са отделните атоми. Водородът е 9-ият най-разпространен елемент на Земята. Основното количество водород на Земята е в свързано състояние – в състава на вода, нефт, природен газ, въглища и др. Под формата на просто вещество водородът се среща рядко - в състава на вулканичните газове.
Получаване на водород
Има лабораторни и промишлени методи за производство на водород. Лабораторните методи включват взаимодействието на метали с киселини (1), както и взаимодействието на алуминия с водни разтвори на алкали (2). Сред промишлените методи за производство на водород важна роля играят електролизата на водни разтвори на алкали и соли (3) и преобразуването на метан (4):
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 (1);
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na +3H2 (2);
2NaCl + 2H2O = H2 + Cl2 + 2NaOH (3);
CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).
Примери за решаване на проблеми
ПРИМЕР 1
| Упражнение | Когато 23,8 g метален калай взаимодействат с излишък от солна киселина, се отделя водород в количество, достатъчно за получаване на 12,8 g метална мед.Определете степента на окисление на калая в полученото съединение. |
| Решение | Въз основа електронна структуракалаен атом (...5s 2 5p 2) можем да заключим, че калайът се характеризира с две степени на окисление - +2, +4. Въз основа на това ще съставим уравненията на възможните реакции: Sn + 2HCl = H2 + SnCl2 (1); Sn + 4HCl = 2H2 + SnCl4 (2); CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O (3). Намерете количеството медно вещество: v (Cu) = m (Cu) / M (Cu) = 12,8 / 64 = 0,2 mol. Съгласно уравнение 3, количеството водородно вещество: v (H 2) \u003d v (Cu) \u003d 0,2 mol Познавайки масата на калая, намираме количеството му вещество: v (Sn) = m (Sn) / M (Sn) = 23,8 / 119 = 0,2 mol. Нека сравним количествата калай и водородни вещества според уравнения 1 и 2 и според условието на задачата: v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (уравнение 1); v2 (Sn): v2 (H2) = 1:2 (уравнение 2); v(Sn): v(H2) = 0,2:0,2 = 1:1 (проблемно условие). Следователно калайът реагира със солна киселина съгласно уравнение 1 и степента на окисление на калая е +2. |
| Отговор | Степента на окисление на калая е +2. |
ПРИМЕР 2
| Упражнение | Газът, освободен от действието на 2,0 g цинк на 18,7 ml 14,6% солна киселина (плътност на разтвора 1,07 g/ml), се пропуска чрез нагряване върху 4,0 g меден (II) оксид. Каква е масата на получената твърда смес? |
| Решение | Когато цинкът действа върху солна киселинасе отделя водород: Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H 2 (1), който при нагряване редуцира медния (II) оксид до мед (2): CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O. Намерете количеството вещества в първата реакция: m (p-ra Hcl) = 18,7. 1,07 = 20,0 g; m(HCl) = 20.0. 0,146 = 2,92 g; v (HCl) = 2,92 / 36,5 = 0,08 mol; v(Zn) = 2.0/65 = 0.031 mol. Цинкът е в дефицит, така че количеството освободен водород е: v (H 2) = v (Zn) = 0,031 mol. Във втората реакция има недостиг на водород, защото: v (CuO) = 4,0 / 80 = 0,05 mol. В резултат на реакцията 0,031 mol CuO ще се превърне в 0,031 mol Cu, а загубата на маса ще бъде: m (СuО) - m (Сu) \u003d 0,031 × 80 - 0,031 × 64 \u003d 0,50 g. Масата на твърдата смес от CuO с Cu след преминаване на водород ще бъде: 4,0-0,5 = 3,5 g |
| Отговор | Масата на твърдата смес от CuO с Cu е 3,5 g. |
