Водород

Водород, его особые свойства и реакции

Водород
[Deposit Photos]

Водород – особый элемент, занимающий сразу две ячейки в периодической системе Менделеева.

Он располагается в двух группах элементов, обладающих противоположными свойствами, и эта особенность делает его уникальным.

Водород является простым веществом и составной частью многих сложных соединений, это органогенный и биогенный элемент. Стоит подробно ознакомиться с основными его особенностями и свойствами.

Водород в периодической системе Менделеева

Главные особенности водорода, указанные в периодической системе:

  • порядковый номер элемента – 1 (протонов и электронов столько же);
  • атомная масса составляет 1,00795;
  • водород имеет три изотопа, каждый из которых обладает особыми свойствами;
  • благодаря содержанию только одного электрона, водород способен проявлять восстановительные и окислительные свойства, а после отдачи электрона водород имеет свободную орбиталь, принимающую участие в составлении химических связей по донорно-акцепторному механизму;
  • водород – легкий элемент с небольшой плотностью;
  • водород является сильным восстановителем, он открывает группу щелочных металлов в первой группе главной подгруппе;
  • когда водород вступает в реакцию с металлами и другими сильными восстановителями, он принимает их электрон и становится окислителем. Такие соединения называются гидридами. По указанному признаку водород условно относится к группе галогенов (в таблице он приводится над фтором в скобках), с которыми он имеет сходство.

Водород как простое вещество

Водород — это газ, молекула которого состоит из двух атомов. Это вещество было открыто в 1766 году британским ученым Генри Кавендишем. Он доказал, что водород является газом, который взрывается при взаимодействии с кислородом. После изучения водорода химики установили, что это вещество является самым легким из всех известных человеку.

Другой ученый, Лавуазье, присвоил элементу имя «гидрогениум», что в переводе с латыни означает «рождающий воду». В 1781 году Генри Кавендиш доказал, что вода является сочетанием кислорода и водорода. Другими словами, вода — это продукт реакции водорода с кислородом. Горючие свойства водорода были известны еще древним ученым: соответствующие записи оставил Парацельс, живший в XVI столетии.

via GIPHY

Молекулярный водород — это образующееся естественным путем распространенное в природе газообразное соединение, которое состоит из двух атомов и взрывается при поднесении горящей лучинки. Молекула водорода может распадаться на атомы, превращающиеся в ядра гелия, так как они способны участвовать в ядерных реакциях. Такие процессы регулярно протекают в космосе и на Солнце.

[Deposit Photos]

Водород имеет такие физические параметры:

  • кипит при температуре -252,76 °C;
  • плавится при температуре -259,14 °C;*в указанных температурный пределах водород — это не имеющая запаха бесцветная жидкость;
  • в воде водород слабо растворяется;
  • водород теоретически может перейти в металлическое состояние при обеспечении особых условий (низких температур и высокого давления);
  • чистый водород — взрывоопасное и горючее вещество;
  • водород способен диффундировать сквозь толщу металлов, поэтому хорошо в них растворяется;
  • водород легче воздуха в 14,5 раз;
  • при высоком давлении можно получить снегообразные кристаллы твердого водорода.

Химические свойства водорода

[Deposit Photos]

Так как водород может быть и окислителем, и восстановителем, его используют в промышленности для осуществления реакций и синтезов.

Окислительные свойства:

  • взаимодействует с активными (щелочными и щелочноземельными) металлами, в результате чего образуются гидриды — солеподобные образования;
  • при реакции водорода (под воздействием сильной освещенности или при нагревании) с малоактивными металлами также образуются гидриды.

Восстановительные свойства:

  • при обычных условиях водород вступает в реакцию только с активными металлами и фтором, который является сильным окислителем, в результате чего образуется плавиковая кислота HF или фтороводород;
  • при соблюдении жестких условий взаимодействует с большинством неметаллов;
  • обладает способностью восстанавливать металлы до простых веществ из их оксидов (этот промышленный способ получения металлов называют водородотермией).

В органических синтезах используются реакции насыщения водородом (гидрирования) и реакции отщепления водорода от молекулы (дегидрирования). Эти способы позволяют получать углеводороды и другие органические соединения.

Как получить водород

Промышленные способы получения водорода:

  • газификация угля;
  • паровая конверсия метана;
  • электролиз.

via GIPHY

Лабораторные способы:

  • взаимодействие разбавленных кислот с активными металлами и металлами средней активности;
  • гидролиз гидридов металлов;
  • реакция с водой щелочных и щелочноземельных металлов.

Соединения водорода:

• галогенводороды;• летучие водородные соединения неметаллов;• гидриды;• гидроксиды;• гидроксид водорода (вода);• пероксид водорода;• органические соединения (белки, жиры, углеводороды, витамины, липиды, эфирные масла, гормоны).Нажмите здесь, чтобы увидеть безопасные эксперименты на изучение свойств белков, жиров и углеводов.

Чтобы собрать образующийся водород, нужно держать пробирку перевернутой вверх дном. Водород нельзя собрать, как углекислый газ, ведь он намного легче воздуха. Водород быстро улетучивается, а при смешении с воздухом (или при большом скоплении) взрывается. Поэтому необходимо переворачивать пробирку. Сразу после заполнения пробирка закрывается резиновой пробкой.

Чтобы проверить чистоту водорода, нужно поднести зажженную спичку к горлышку пробирки. Если произойдет глухой и тихий хлопок — газ чистый, а примеси воздуха минимальные. Если хлопок громкий и свистящий — газ в пробирке грязный, в нем присутствует большая доля посторонних компонентов.

Внимание! Не пытайтесь повторить эти опыты самостоятельно!

Водород H2

Водород

Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения.

Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом — выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы.

В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.

Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре (легко убедиться, что при пропускании метана даже через кипящую воду никакой реакции не происходит):

СН4 + 2Н20 = CO2 + 4Н2 — 165 кДж

В лаборатории для получения простых веществ используют не обязательно природное сырьё, а выбирают те исходные вещества, из которых легче выделить необходимое вещество. Например, в лаборатории кислород не получают из воздуха. Это же относится и к получению водорода. Один из лабораторных способов получения водорода, который применяется иногда и в промышленности,- разложение воды электротоком.

Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.

В промышленности

1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2

2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

H2O + C ⇄ H2 + CO

3.Из природного газа.

Конверсияс водяным паром:CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (1000 °C)Каталитическое окисление кислородом:2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2

4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

В лаборатории

1.Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑

2.Взаимодействие кальция с водой:

Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑

3.Гидролиз гидридов:

NaH + H2O → NaOH + H2↑

4.Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + H2↑

5.С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2H3O+ + 2e- → H2↑ + 2H2O

  • Биореактор для производства водорода

Физические свойства

Газообразный водород может существовать в двух формах (модификациях) — в виде орто — и пара-водорода.

В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).

Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1.

Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно, что даёт возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм. Молекула водорода двухатомна — Н₂. При обычных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса.

Водород — самый лёгкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому.

Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства

Молекулы водорода Н₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия: Н2=2Н — 432 кДж Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция: Ca + Н2 = СаН2 и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород: F2+H2=2HF С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении. Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, наприме: CuO + Н2 = Cu + Н20 Записанное уравнение отражает реакцию восстановления. Реакциями восстановления называются процессы, в результате которых от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются). Далее будет дано и другое определение понятиям «окисление» и «восстановление». А данное определение, исторически первое, сохраняет значение и в настоящее время, особенно в органической химии. Реакция восстановления противоположна реакции окисления. Обе эти реакции всегда протекают одновременно как один процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

N2 + 3H2 → 2 NH3

С галогенами образует галогеноводороды:

F2 + H2 → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,Cl2 + H2 → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H2 → CH4

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

Водород образует с активными металлами гидриды:

Na + H2 → 2 NaHCa + H2 → CaH2Mg + H2 → MgH2

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2 ↑

Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)

Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H2 → Cu + H2OFe2O3 + 3H2 → 2 Fe + 3H2OWO3 + 3H2 → W + 3H2O

Гидрирование органических соединений

При действии водорода на ненасыщенные углеводороды в присутствии никелевого катализатора и повышенной температуре происходит реакция гидрирования:

CH2=CH2 + H2 → CH3-CH3

Водород восстанавливает альдегиды до спиртов:

CH3CHO + H2 → C2H5OH.

Геохимия водорода

Водород — основной строительный материал вселенной. Это самый распространённый элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.

На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем, гигантскими планетами и первичными метеоритами, из чего следует, что во время образования Земля была значительно дегазирована и водород вместе с другими летучими элементами покинул планету во время аккреции или вскоре после неё.

Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.

В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.

В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением. Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Применение

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.

В пищевой промышленности водород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949, как упаковочный газ.

Особенности обращения

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%. Также водород пожароопасен. Жидкий водород при попадении на кожу может вызвать сильное обморожение.

Взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4% до 96 % объёмных. При смеси с воздухом от 4% до 75(74) % объёмных.

Использование водорода

В химической промышленности водород используют при производстве аммиака, мыла и пластмасс. В пищевой промышленности с помощью водорода из жидких растительных масел делают маргарин. Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом.

Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько ужасных катастроф, когда дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют газом гелием. Водород используют также в качестве ракетного топлива. Когда-нибудь водород, возможно, будут широко применять как топливо для легковых и грузовых автомобилей.

Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар (правда, само получение водорода приводит к некоторому загрязнению окружающей среды). Наше Солнце в основном состоит из водорода. Солнечное тепло и свет — это результат выделения ядерной энергии при слиянии ядер водорода.

Использование водорода в качестве топлива (экономическая эффективность)

Важнейшей характеристикой веществ, используемых в качестве топлива, является их теплота сгорания. Из курса общей химии известно, что реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла. Если взять 1  моль H2 (2 г) и 0,5  моль O2 (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению

Н2 + 0,5 О2= Н2О

после завершения реакции образуется 1  моль H2O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль (для сравнения: теплота сгорания ацетилена составляет 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль). 1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль).

Поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии. С учётом того, что 1  кВт·ч = 3600 кДж, получим 3,56 кВт·ч электроэнергии.

Зная тариф на 1 кВт·ч электричества и стоимость 1 м³ газа, можно делать вывод о целесообразности перехода на водородное топливо.

Например, экспериментальная модель Honda FCX 3 поколения с баком водорода 156 л (содержит 3,12 кг водорода под давлением 25 МПа) проезжает 355 км. Соответственно из 3,12 кг H2 получается 123,8 кВт·ч. На 100 км расход энергии составит 36,97 кВт·ч.

Зная стоимость электроэнергии, стоимость газа или бензина, их расход для автомобиля на 100 км легко подсчитать отрицательный экономический эффект перехода автомобилей на водородное топливо.

Скажем (Россия 2008), 10 центов за кВт·ч электроэнергии приводят к тому, что 1 м³ водорода приводят к цене 35,6 цента, а с учётом КПД разложения воды 40-45 центов, такое же количество кВт·ч от сжигания бензина стоит 12832,4кДж/42000кДж/0,7кг/л*80центов/л=34 цента по розничным ценам, тогда как для водорода мы высчитывали идеальный вариант, без учёта транспортировки, амортизации оборудования и т. д. Для метана с энергией сгорания около 39 МДж на м³ результат будет ниже в два-четыре раза из-за разницы в цене (1м³ для Украины стоит 179$, а для Европы 350$). То есть эквивалентное количество метана будет стоить 10-20 центов.

Однако не следует забывать того, что при сжигании водорода мы получаем чистую воду, из которой его и добыли. То есть имеем возобновляемый запасатель энергии без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина, которые являются первичными источниками энергии.

Водород — это что за вещество? Химические и физические свойства водорода

Водород

Каждый химический элемент в периодической системе имеет свое определенное место положения, которое отражает проявляемые им свойства и говорит о его электронном строении.

Однако есть среди всех один особый атом, который занимает сразу две ячейки. Он располагается в двух совершенно противоположных по проявляемым свойствам группах элементов. Это водород.

Такие особенности делают его уникальным.

Водород — это не просто элемент, но и простое вещество, а также составная часть многих сложных соединений, биогенный и органогенный элемент. Поэтому рассмотрим его характеристики и свойства подробнее.

Водород как химический элемент

Водород — это элемент первой группы главной подгруппы, а также седьмой группы главной подгруппы в первом малом периоде. Данный период состоит всего из двух атомов: гелия и рассматриваемого нами элемента. Опишем основные особенности положения водорода в периодической системе.

  1. Порядковый номер водорода — 1, количество электронов такое же, соответственно, протонов столько же. Атомная масса — 1,00795. Существует три изотопа данного элемента с массовыми числами 1, 2, 3. Однако свойства каждого из них очень сильно различаются, так как увеличение массы даже на единицу именно для водорода является сразу двойным.
  2. То, что на внешнем энергетическом уровне он содержит всего один электрон, позволяет успешно проявлять ему как окислительные, так и восстановительные свойства. Кроме того, после отдачи электрона у него остается свободная орбиталь, которая принимает участие в образовании химических связей по донорно-акцепторному механизму.
  3. Водород — это сильный восстановитель. Поэтому основным местом его считается первая группа главной подгруппы, где он возглавляет самые активные металлы — щелочные.
  4. Однако при взаимодействии с сильными восстановителями, такими как, например, металлы, он может быть и окислителем, принимая электрон. Данные соединения получили название гидридов. По этому признаку он возглавляет подгруппу галогенов, с которыми является схожим.
  5. Благодаря совсем маленькой атомной массе, водород считается самым легким элементом. Кроме того, его плотность также очень мала, поэтому он также является эталоном легкости.

Таким образом, очевидно, что атом водорода — это совершенно уникальный, непохожий на все остальные элемент. Следовательно, свойства его тоже особенные, а образуемые простые и сложные вещества очень важны. Рассмотрим их далее.

Простое вещество

Если говорить о данном элементе как о молекуле, то нужно сказать, что она двухатомна. То есть водород (простое вещество) — это газ. Формула его эмпирическая будет записываться как Н2, а графическая — через одинарную сигма-связь Н-Н. Механизм образования связи между атомами — ковалентный неполярный.

Еще Генри Кавендиш в 1766 году сумел открыть данное вещество. Именно он и доказал, что водород — это газ, причем такой, который способен взрываться на воздухе. Позже были хорошо изучены свойства, стало ясно, что данное вещество — самое легкое среди известных.

Еще позже Лавуазье дал название (как элементу, так и веществу на его основе) на латыни — hydrogenium, что в переводе означает «рождающий воду».

В 1781 году первооткрыватель данного элемента Генри Кавендиш доказал, что вода — сочетание водорода и кислорода, то есть это продукт их взаимодействия.

А о том, что легкий газ еще и очень горючий, было известно еще в XVI веке, это отражалось в записях Парацельса.

Таким образом, молекулярный водород — это очень распространенное в природе и образующееся естественным путем газообразное соединение, состоящее из двух атомов, которое способно взрываться на воздухе.

Кроме того, молекула может распадаться на атомы, которые принимают участие в ядерных реакциях, превращаясь в ядра гелия.

Данные процессы непрерывно происходят на Солнце и в космосе, которые и являются основными поставщиками данного соединения.

Водород — это вещество, которое способно проявлять себя и как окислитель, и как восстановитель. Также оно находит себе очень широкое применение в деятельности человека.

Окислительные свойства водорода

  1. Взаимодействие с активными металлами (щелочными и щелочноземельными) при обычных условиях приводит к образованию солеподобных соединений, называемых гидридами. Например: LiH, CaH2, KH, MgH2 и прочие.
  2. Соединения с малоактивными металлами под воздействием высоких температур или сильной освещенности (фотохимическая инициация реакций) также образуют гидриды.

Восстановительные свойства водорода

  1. Взаимодействие при обычных условиях только с фтором (как сильным окислителем). В результате образуется фтороводород или плавиковая кислота HF.
  2. Взаимодействие практически со всеми неметаллами, но при определенных достаточно жестких условиях. Примеры соединений: H2S, NH3, H2O, PH3, SiH4 и прочие.
  3. Восстанавливает металлы из их оксидов до простых веществ.

    Это один из промышленных способов получения металлов, называющийся водородотермией.

Отдельно следует выделить реакции, которые используются в органических синтезах. Они называются гидрированием — насыщением водородом и дегидрированием, то есть его отщеплением от молекулы.

На основании этих способов превращений получают множество углеводородов и других органических соединений.

Нахождение в природе

Водород — это самое распространенное вещество на нашей планете и за ее пределами. Ведь практически все межзвездное пространство и звезды состоят именно из этого соединения. В космосе он может существовать в виде:

  • плазмы;
  • газа;
  • ионов;
  • атомов;
  • молекул.

Существует несколько видов различных по плотности облаков, состоящих именно из этого вещества.

Если говорить о распространении конкретно в земной коре, то водород стоит на втором месте по числу атомов после кислорода, его приблизительно 17%. В свободном виде встречается редко, лишь в незначительных количествах в составе сухого воздуха. Самое распространенное соединение данного элемента — вода. Именно в ее составе он и встречается на планете.

Также водород является обязательной составной частью любого живого организма. Причем в теле человека на долю этого атома приходится 63%. Водород — это органогенный элемент, поэтому формирует молекулы белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот, а также многих других жизненно важных соединений.

Получение

Существуют разные способы получения рассматриваемого нами газа. К ним относится несколько промышленных и лабораторных вариантов синтеза.

Промышленные способы получения водорода:

  1. Паровая конверсия метана.
  2. Газификация угля — процесс подразумевает нагревание угля до 1000 0С, в результате чего образуется водород и высокоуглеродный уголь.
  3. Электролиз. Данный метод может использоваться только для водных растворов различных солей, так как расплавы не приводят к разряжению воды на катоде.

Лабораторные способы получения водорода:

  1. Гидролиз гидридов металлов.
  2. Действие разбавленных кислот на активные металлы и средней активности.
  3. Взаимодействие щелочных и щелочноземельных металлов с водой.

Чтобы собрать образующийся водород, необходимо держать пробирку перевернутой вверх дном. Ведь данный газ нельзя собрать так, как, например, углекислый газ. Это водород, он намного легче воздуха. Быстро улетучивается, а в больших количествах при смешении с воздухом взрывается. Поэтому и следует переворачивать пробирку. После ее заполнения ее нужно закрыть резиновой пробкой.

Чтобы проверить чистоту собранного водорода, следует поднести к горлышку зажженную спичку. Если хлопок глухой и тихий — значит газ чистый, с минимальными примесями воздуха. Если же громкий и свистящий — грязный, с большой долей посторонних компонентов.

Области использования

При сгорании водорода выделяется настолько большое количество энергии (теплоты), что данный газ считается самым выгодным топливом. К тому же экологически чистым. Однако на сегодняшний день его применение в данной области ограничено.

Это связано с непродуманными до конца и не решенными проблемами синтеза чистого водорода, который был бы пригоден для использования в качестве топлива в реакторах, двигателях и портативных устройствах, а также отопительных котлах жилых домов.

Ведь способы получения данного газа достаточно дорогостоящие, поэтому прежде необходимо разработать особый метод синтеза. Такой, который позволит получать продукт в большом объеме и с минимальными затратами.

Можно выделить несколько основных областей, в которых находит применение рассматриваемый нами газ.

  1. Химические синтезы. На основании гидрирования получают мыла, маргарины, пластмассы. При участии водорода синтезируется метанол и аммиак, а также другие соединения.
  2. В пищевой промышленности — как добавка Е949.
  3. Авиационная промышленность (ракетостроение, самолетостроение).
  4. Электроэнергетика.
  5. Метеорология.
  6. Топливо экологически чистого вида.

Очевидно, что водород так же важен, как и распространен в природе. Еще большую роль играют образуемые им различные соединения.

Соединения водорода

Это сложные, содержащие атомы водорода вещества. Можно выделить несколько основных типов подобных веществ.

  1. Галогеноводороды. Общая формула — HHal. Особое значение среди них имеет хлорид водорода. Это газ, который растворяется в воде с образованием раствора соляной кислоты. Данная кислота находит широкое применение практически во всех химических синтезах. Причем как органических, так и неорганических. Хлорид водорода — это соединение, имеющее эмпирическую формулу HCL и являющееся одним из крупнейших по объемам производства в нашей стране ежегодно. Также к галогеноводородам относятся йодоводород, фтороводород и бромоводород. Все они образуют соответствующие кислоты.
  2. Летучие водородные соединения неметаллов. Практически все они достаточно ядовитые газы. Например, сероводород, метан, силан, фосфин и прочие. При этом очень горючие.
  3. Гидриды — соединения с металлами. Относятся к классу солей.
  4. Гидроксиды: основания, кислоты и амфотерные соединения. В их состав обязательно входят атомы водорода, один или несколько. Пример: NaOH, K2[AL(OH)4], H2SO4 и прочие.
  5. Гидроксид водорода. Это соединение больше известно как вода. Другое название оксид водорода. Эмпирическая формула выглядит так — Н2О.
  6. Пероксид водорода. Это сильнейший окислитель, формула которого имеет вид Н2О2.
  7. Многочисленные органические соединения: углеводороды, белки, жиры, липиды, витамины, гормоны, эфирные масла и прочие.

Очевидно, что разнообразие соединений рассматриваемого нами элемента очень велико. Это еще раз подтверждает его высокое значение для природы и человека, а также для всех живых существ.

Оксид водорода — это лучший растворитель

Как уже упоминалось выше, простонародное название данного вещества — вода. Состоит из двух атомов водорода и одного кислорода, соединенных между собой ковалентными полярными связями. Молекула воды является диполем, это объясняет многие проявляемые ею свойства. В частности то, что она является универсальным растворителем.

Именно в водной среде происходят практически все химические процессы. Внутренние реакции пластического и энергетического обмена в живых организмах также осуществляются с помощью оксида водорода.

Вода по праву считается самым важным веществом на планете. Известно, что без нее не сможет жить ни один живой организм. На Земле она способна существовать в трех агрегатных состояниях:

  • жидкость;
  • газ (пар);
  • твердое (лед).

В зависимости от изотопа водорода, входящего в состав молекулы, различают три вида воды.

  1. Легкая или протиевая. Изотоп с массовым числом 1. Формула — Н2О. Это привычная форма, которую используют все организмы.
  2. Дейтериевая или тяжелая, ее формула — D2O. Содержит изотоп 2Н.
  3. Сверхтяжелая или тритиевая. Формула выглядит как Т3О, изотоп — 3Н.

Очень важны запасы пресной протиевой воды на планете. Уже сейчас во многих странах ощущается ее недостаток. Разрабатываются способы обработки соленой воды с целью получения питьевой.

Пероксид водорода — это универсальное средство

Данное соединение, как уже упоминалось выше, прекрасный окислитель. Однако с сильными представителями может вести себя и как восстановитель тоже. Кроме того, обладает выраженным бактерицидным эффектом.

Другое название данного соединения — перекись. Именно в таком виде его используют в медицине. 3% раствор кристаллогидрата рассматриваемого соединения — это медицинское лекарство, которое применяют для обработки небольших ран с целью их обеззараживания. Однако доказано, что при этом заживление ранения по времени увеличивается.

Также пероксид водорода используется в ракетном топливе, в промышленности для дезинфекции и отбеливания, в качестве пенообразователя для получения соответствующих материалов (пенопласта, например). Кроме того, перекись помогает очищать аквариумы, обесцвечивать волосы и отбеливать зубы. Однако при этом наносит вред тканям, поэтому специалистами в этих целях не рекомендуется.

Водород. Физические и химические свойства, получение

Водород

Водород H — самый распространённый элемент во Вселенной (около 75 % по массе), на Земле — девятый по распространенности. Наиболее важным природным соединением водорода является вода.Водород занимает первое место в периодической системе (Z = 1).

Он имеет простейшее строение атома: ядро атома – 1 протон, окружено электронным облаком, состоящим из 1 электрона.В одних условиях водород проявляет металлические свойства (отдает электрон), в других — неметаллические (принимает электрон).

В природе встречаются изотопы водорода:  1Н — протий (ядро состоит из одного протона), 2Н — дейтерий (D — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона), 3Н — тритий (Т — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов).

Простое вещество водород

Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных  между собой ковалентной неполярной связью.
Физические свойства. Водород — бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. Молекула водорода не полярна. Поэтому силы межмолекулярного взаимодействия в газообразном водороде малы.

Это проявляется в низких температурах кипения (-252,6 0С) и плавления (-259,2 0С).
Водород легче воздуха, D (по воздуху) = 0,069;  незначительно растворяется в воде (в 100 объемах H2O растворяется 2 объема  H2).

  Поэтому водород при его получении в лаборатории можно собирать методами вытеснения воздуха или воды.

Получение водорода

В лаборатории:

1.Действие разбавленных кислот на металлы:
Zn +2HCl → ZnCl2 +H2↑

2.Взаимодействие щелочных и щ-з металлов с водой:
Ca +2H2O → Ca(OH)2 +H2↑

3.Гидролиз гидридов: гидриды металлов легко разлагаются водой с образованием соответствующей щелочи и водорода:
NaH +H2O → NaOH +H2↑
СаH2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2↑

4.Действие щелочей на цинк  или алюминий или кремний:
2Al +2NaOH +6H2O → 2Na[Al(OH)4] +3H2↑
Zn +2KOH +2H2O → K2[Zn(OH)4] +H2↑
Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2

5. Электролиз воды. Для увеличения электрической проводимости воды к ней добавляют электролит, например NаОН, Н2SO4 или Na2SO4. На катоде образуется 2 объема водорода, на аноде — 1 объем кислорода.
2H2O → 2H2+О2

Промышленное получение водорода

1. Конверсия метана с водяным паром, Ni 800 °С (самый дешевый):
CH4 + H2O → CO + 3 H2   
CO + H2O → CO2 + H2

В сумме:
CH4 + 2 H2O → 4 H2 + CO2

2. Пары воды через раскаленный кокс при 1000оС:
С + H2O → CO + H2
CO +H2O → CO2 + H2

Образующийся оксид углерода (IV) поглощается водой, этим способом получают 50 % промышленного водорода.

3. Нагреванием метана до 350°С в присутствии железного или нике­левого катализатора:
СH4 → С + 2Н2↑

4. Электролизом водных растворов KCl или NaCl, как побочный продукт:
2Н2О + 2NaCl→ Cl2↑ + H2↑ + 2NaOH

Химические свойства водорода

  • В соединениях водород всегда одновалентен. Для него характерна степень окисления +1, но в гидридах металлов она равна -1.
  • Молекула водорода состоит из двух атомов. Возникновение связи между ними объясняется образованием обобщен­ной пары электронов Н:Н или Н2
  • Благодаря этому обобщению электронов молекула Н2 более энергети­чески устойчива, чем его отдельные атомы. Чтобы разорвать в 1 моль водорода молекулы на атомы, необходимо затратить энергию 436 кДж: Н2 = 2Н, ∆H° = 436 кДж/моль
  • Этим объясняется сравнительно небольшая активность молекулярного водорода при обычной температуре.
  • Со многими неметаллами водород образует газообразные соедине­ния типа RН4, RН3, RН2, RН.

1) С галогенами  образует галогеноводороды:
Н2 + Cl2 → 2НСl.
При этом с фтором — взрывается, с хлором и бромом реагирует лишь при освещении или нагревании, а с йодом только при нагревании.

2) С кислородом:
2Н2 + О2 → 2Н2О
с выделением тепла. При обычных температурах реакция протекает медленно, выше 550°С — со взрывом. Смесь 2 объемов Н2 и 1 объема О2 называется гремучим газом.

3) При нагревании энергично реагирует с серойь(значительно труднее с селеном и теллуром):
Н2 + S → H2S (сероводород),

4) С азотом  с образованием аммиака лишь на катализаторе и при повышенных температурах и давлениях:
ЗН2 + N2 → 2NН3

5) С углеродом при высоких температурах:
2Н2 + С → СН4 (метан)

6) С  щелочными и щелочноземельными металлами  образует гидриды (водород – окислитель):
Н2 + 2Li → 2LiH
в гидридах металлов ион водорода заряжен отрицательно (степень окисления -1), то есть гидрид Na+H— построен подобно хлориду Na+Cl—

Со сложными веществами:

7) С оксидами металлов (используется для восстановления металлов):
CuO + H2 → Cu + H2O
Fe3O4 + 4H2 → 3Fe + 4Н2О

8) с оксидом углерода (II):
CO + 2H2 → CH3OH
Синтез — газ (смесь водорода и угарного газа) имеет важное практическое значение, тк в зависимости от температуры, давления и катализатора образуются различные органические соединения, например НСНО, СН3ОН и другие.

9)Ненасыщенные углеводороды реагируют с водородом, переходя в насыщенные:
СnН2n + Н2 → СnН2n+2.

Что такое водород?

Водород

Цель сегодняшней публикации – представить неподготовленному читателю исчерпывающие сведения о том, что такое водород, каковы его физические и химические свойства, сфера применения, значение и способы получения.

Мы также проследим историю открытия этого удивительного вещества, изложив теорию по возможности кратко и без использования излишне заумной терминологии.

Что такое водород: общие сведения

Водород – это один из самых распространенных в природе химических элементов. Доля водорода в массе Солнца составляет примерно половину. Во Вселенной же доля атомов водорода приближается к 90 %, являясь основой межзвездного газа и звезд.

Водород присутствует в подавляющем большинстве органических веществ и живых клеток, в которых на его долю приходится почти две трети атомов.

Фото 1. Водород считается одним из самых распространенных элементов в природе

В периодической системе элементов Менделеева водород занимает почетную первую позицию с атомным весом, равным единице.

Название «водород» (в латинском варианте – Hydrogenium) ведет происхождение от двух древнегреческих слов: ὕδωρ — «вода» и γεννάω — «рождаю» (буквально – «рождающий воду) и впервые было предложено в 1824 г. русским химиком Михаилом Соловьевым.

Водород является одним из водообразующих (наряду с кислородом) элементов (химическая формула воды H2O).

По физическим свойствам водород характеризуется как бесцветный газ (легче воздуха). При смешении с кислородом или воздухом крайне взрывоопасен и горюч.

Способен растворяться в некоторых металлах (титане, железе, платине, палладии, никеле) и в этаноле, однако очень плохо растворим в серебре.

Молекула водорода состоит из двух атомов и обозначается H2. Водород имеет несколько изотопов: протий (H), дейтерий (D) и тритий (T).

История открытия водорода

Еще в первой половине XVI века при проведении алхимических опытов, смешивая металлы с кислотами, Парацельс заметил доселе неизвестный горючий газ, который отделить от воздуха он так и не смог.

Спустя почти полтора столетия – в конце XVII века – французскому ученому Лемери удалось-таки отделить водород (еще не зная, что это именно водород) от воздуха и доказать его горючесть.

Фото 2. Генри Кавендиш — первооткрыватель водорода

Химические опыты в середине XVIII века позволили Михаилу Ломоносову выявить процесс выделения некоего газа в результате некоторых химических реакций, не являющегося, однако, флогистоном.

Настоящий прорыв в исследовании горючего газа удалось совершить английскому химику Генри Кавендишу, которому и приписывается открытие водорода (1766).

Этот газ Кавендиш называл «горючим воздухом». Им же проведена реакция сжигания этого вещества, в результате которой получалась вода.

В 1783 г. французским химикам во главе с Антуаном Лавуазье был осуществлен синтез воды, а впоследствии – разложение воды с выделением «горючего воздуха».

Эти исследования окончательно доказали присутствие водорода в составе воды. Именно Лавуазье предложил именовать новый газ Hydrogenium (1801).

Полезные свойства водорода

Водород легче воздуха в четырнадцать с половиной раз.

Его же отличает и самая высокая теплопроводность среди прочих газов (белее чем в семь раз превышает теплопроводность воздуха).

В былые времена воздушные шары и дирижабли заполняли водородом. После серии катастроф в середине 1930-х, закончившихся взрывами дирижаблей, конструкторам пришлось искать водороду замену.

Теперь для подобных летательных аппаратов используется гелий, который намного дороже водорода, зато не так взрывоопасен.

Водород хорошо зарекомендовал себя в качестве компонента ракетного топлива.

Фото 3. Водород применяется для изготовления ракетного топлива

Во многих странах ведутся исследования по созданию экономичных двигателей для легковых и грузовых автомобилей на основе водорода.

Автомобили на водородном топливе значительно экологичнее своих бензиновых и дизельных собратьев.

При обычных условиях (комнатная температура и естественное атмосферное давление) водород неохотно вступает в реакции.

При нагревании смеси водорода и кислорода до 600 °C начинается реакция, завершающаяся образованием молекул воды.

Эту же реакцию можно спровоцировать с помощью электрической искры.

Реакции при участи водорода завершаются, лишь когда участвующие в реакции компоненты будут израсходованы целиком.

Температура горящего водорода достигает 2500-2800 °C.

С помощью водорода производят очистку различных типов топлива на основе нефти и нефтепродуктов.

В живой природе водород заменить нечем, так как он присутствует в любой органике (включая нефть) и во всех белковых соединениях.

Без участия водорода жизнь на Земле была бы невозможна.

Агрегатные состояния водорода

Водород способен пребывать в трех основных агрегатных состояниях:

  • газообразном;
  • жидком;
  • твердом.

Обычное состояние водорода – газ. Понижая его температуру до -252,8 °C, водород превращается в жидкость, а после температурного порога -262 °C водород становится твердым.

Фото 4. Уже несколько десятилетий вместо дешевого водорода для наполнения воздушных шаров используют дорогой гелий

Ученые предполагают, что водород способен находиться в дополнительном (четвертом) агрегатном состоянии – металлическом.

Для этого нужно всего лишь создать давление в два с половиной миллиона атмосфер.

Пока, увы, это всего лишь научная гипотеза, так как получить «металлический водород» еще никому не удавалось.

Жидкий водород – из-за своей температуры — при попадании на кожу человека способен вызвать сильное обморожение.

Водород в таблице Менделеева

В основе распределения химических элементов в периодической таблице Менделеева лежит их атомный вес, рассчитанный относительно атомного веса водорода.

Фото 5. В таблице Менделеева водороду отведена ячейка с порядковым номером 1

Правильность такого подхода долгие годы никто не мог ни опровергнуть, ни подтвердить.

С возникновением квантовой физики в начале XX века и, в частности, появлением знаменитых постулатов Нильса Бора, объясняющих с позиций квантовой механики строение атома, удалось доказать справедливость гипотезы Менделеева.

Верно и обратное: именно соответствие постулатов Нильса Бора периодическому закону, лежащему в основе таблицы Менделеева, и стало самым веским доводом в пользу признания их истинности.

Участие водорода в термоядерной реакции

Изотопы водорода дейтерий и тритий являются источниками невероятно мощной энергии, высвобождающейся в процессе термоядерной реакции.

Фото 6. Термоядерный взрыв без водорода был бы невозможен

Такая реакция возможна при температуре не ниже 1060 °C и протекают очень быстро – в течение нескольких секунд.

На Солнце термоядерные реакции протекают медленно.

Задача ученых – понять, почему так происходит, чтобы использовать полученные знания для создания новых – практически неисчерпаемых – источников энергии.

Что такое водород (видео):

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть