Фізичні властивості водню. Властивості та застосування водню. Хімічні властивості водню: особливості та застосування Чи реагує водень з водою

Водень – це газ, саме він знаходиться на першому місці у Періодичній системі. Назва цього широко поширеного в природі елемента в перекладі з латини означає «що породжує воду». Тож які фізичні та хімічні властивості водню нам відомі?

Водень: загальна інформація

За звичайних умов водень немає ні смаку, ні запаху, ні кольору.

Мал. 1. Формула водню.

Оскільки атом має один енергетичний електронний рівень, на якому можуть знаходитися максимум два електрони, то для стійкого стану атом може прийняти як один електрон (ступінь окислення -1), так і віддати один електрон (ступінь окислення +1), проявляючи постійну валентність I Саме тому символ елемента водню поміщають не тільки в IA групу (головну підгрупу I групи) разом із лужними металами, але й у VIIA групу (головну підгрупу VII групи) разом з галогенами. Атомам галогенів теж не вистачає одного електрона до заповнення зовнішнього рівня, і вони, як водень, є неметалами. Водень виявляє позитивний ступінь окиснення в сполуках, де він пов'язаний з електронегативними елементами-неметалами, а негативний ступінь окиснення – у сполуках з металами.

Мал. 2. Розташування водню у періодичній системі.

Водень має три ізотопи, кожен з яких має власну назву: протий, дейтерій, тритій. Кількість останнього Землі мізерна.

Хімічні властивості водню

У простій речовині H 2 зв'язок між атомами міцна (енергія зв'язку 436 кДж/моль), тому активність молекулярного водню невелика. За звичайних умов він взаємодіє лише з дуже активними металами, а єдиним неметалом, з яким водень входить у реакцію, є фтор:

F 2 +H 2 =2HF (фторівник)

З іншими простими (металами та неметалами) та складними (оксидами, органічними невизначеними сполуками) речовинами водень реагує або при опроміненні та підвищенні температури, або в присутності каталізатора.

Водень горить у кисні з виділенням значної кількості теплоти:

2H 2 +O 2 =2H 2 O

Суміш водню з киснем (2 об'єму водню та 1 об'єм кисню) при підпалюванні сильно вибухає і тому зветься гримучого газу. При роботі з воднем слід дотримуватись правил техніки безпеки.

Мал. 3. Гримучий газ.

У присутності каталізаторів газ може реагувати з азотом:

3H 2 +N 2 =2NH 3

– за цією реакцією при підвищених температурах та тиску в промисловості одержують аміак.

В умовах високої температури водень здатний реагувати із сіркою, селеном, телуром. а при взаємодії з лужними та лужноземельними металами відбувається утворення гідридів: 4.3. Усього отримано оцінок: 152.

ВИЗНАЧЕННЯ

Водень- Перший елемент Періодичної системи хімічних елементів Д.І. Менделєєва. Символ – Н.

Атомна маса – 1 а. Молекула водню двоатомна - Н2.

Електронна конфігурація атома водню - 1s 1 . Водень відноситься до сімейства s-елементів. У своїх сполуках виявляє ступеня окиснення -1, 0, +1. Природний водень складається з двох стабільних ізотопів – протию 1 Н (99,98%) та дейтерію 2 Н (D) (0,015%) – та радіоактивного ізотопу тритію 3 Н (Т) (слідові кількості, період напіврозпаду – 12,5 років) .

Хімічні властивості водню

За звичайних умов молекулярний водень виявляє порівняно низьку реакційну здатність, що пояснюється високою міцністю зв'язків у молекулі. При нагріванні вступає у взаємодію майже з усіма простими речовинами, утвореними елементами основних підгруп (крім шляхетних газів, B, Si, P, Al). У хімічних реакціях може виступати як у ролі відновника (частіше), так і окислювача (рідше).

Водень виявляє властивості відновлювача(Н 2 0 -2е → 2Н +) у наступних реакціях:

1. Реакції взаємодії із простими речовинами – неметалами. Водень реагує з галогенами, причому, реакція взаємодії з фтором при звичайних умовах, у темряві, з вибухом, з хлором – при освітленні (або УФ-опроміненні) ланцюговим механізмом, з бромом і йодом тільки при нагріванні; киснем(суміш кисню та водню в об'ємному відношенні 2:1 називають «гримким газом»), сірої, азотомі вуглецем:

H 2 + Hal 2 = 2HHal;

2H2+O2=2H2O+Q(t);

H 2 + S = H 2 S (t = 150 - 300C);

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);

2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat).

2. Реакції взаємодії зі складними речовинами. Водень реагує з оксидами малоактивних металів, причому він здатний відновлювати тільки метали, що стоять у ряду активності правіше цинку:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O(t);

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O(t);

WO3+3H2=W+3H2O(t).

Водень реагує з оксидами неметалів:

H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O(t);

2H 2 + CO ↔ CH 3 OH (t = 300C, p = 250 – 300 атм., kat = ZnO, Cr 2 O 3).

Водень вступає в реакції гідрування з органічними сполуками класу циклоалканів, алкенів, аренів, альдегідів та кетонів та ін. Всі ці реакції проводять при нагріванні, під тиском, як каталізаторів використовують платину або нікель:

CH 2 = 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 .

Водень як окислювач(Н 2 +2е → 2Н -) виступає в реакціях взаємодії з лужними та лужноземельними металами. У цьому утворюються гідриди – кристалічні іонні сполуки, у яких водень виявляє ступінь окислення -1.

2Na +H 2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

Фізичні властивості водню

Водень – легкий безбарвний газ, без запаху, густина при н.у. - 0,09 г/л, в 14,5 разів легше за повітря, t кип = -252,8С, t пл = - 259,2С. Водень погано розчинний у воді та органічно розчинниках, добре розчинний у деяких металах: нікелі, паладії, платині.

За даними сучасної космохімії водень є найпоширенішим елементом Всесвіту. Основна форма існування водню у космічному просторі – окремі атоми. За поширеністю Землі водень займає 9 місце серед всіх елементів. Основна кількість водню Землі перебуває у пов'язаному стані – у складі води, нафти, газу, кам'яного вугілля тощо. У вигляді простої речовини водень трапляється рідко – у складі вулканічних газів.

Одержання водню

Розрізняють лабораторні та промислові способи одержання водню. До лабораторних способів відносять взаємодію металів із кислотами (1), а також взаємодію алюмінію з водними розчинами лугів (2). Серед промислових способів отримання водню велику роль відіграють електроліз водних розчинів лугів та солей (3) та конверсія метану (4):

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (1);

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na +3 H 2 (2);

2NaCl + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2NaOH (3);

CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання При взаємодії 23,8 г металевого олова з надлишком соляної кислоти виділився водень, у кількості, достатній, щоб отримати 12,8 г металевої міді. Визначте ступінь окислення олова в отриманому з'єднанні.
Рішення З електронної будови атома олова (…5s 2 5p 2) можна дійти невтішного висновку, що з олова характерні два ступеня окислення — +2, +4. На підставі цього складемо рівняння можливих реакцій:

Sn + 2HCl = H 2 + SnCl 2 (1);

Sn + 4HCl = 2H 2 + SnCl 4 (2);

CuO + H 2 = Cu + H 2 O(3).

Знайдемо кількість речовини міді:

v(Cu) = m(Cu)/M(Cu) = 12,8/64 = 0,2 моль.

Відповідно до рівняння 3, кількість речовини водню:

v(H 2) = v(Cu) = 0,2 моль.

Знаючи масу олова, знайдемо його кількість речовини:

v(Sn) = m(Sn)/M(Sn) = 23,8/119 = 0,2 моль.

Порівняємо кількості речовини олова та водню за рівняннями 1 та 2 та за умовою задачі:

v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (рівняння 1);

v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1:2 (рівняння 2);

v(Sn): v(H 2) = 0,2:0,2 = 1:1 (умова задачі).

Отже, олово взаємодіє з соляною кислотою за рівнянням 1 та ступінь окислення олова дорівнює +2.
Відповідь Ступінь окислення олова дорівнює +2.

ПРИКЛАД 2

Завдання Газ, що виділився при дії 2,0 г цинку на 18,7 мл 14,6% соляної кислоти (щільність розчину 1,07 г/мл), пропустили при нагріванні над 4,0 г оксиду міді (II). Чому дорівнює маса одержаної твердої суміші?
Рішення При дії цинку на соляну кислоту виділяється водень:

Zn + 2НСl = ZnСl 2 + Н 2 (1),

який при нагріванні відновлює оксид міді (II) до міді (2):

СuО + Н2 = Cu + Н2О.

Знайдемо кількості речовин у першій реакції:

m(р-ра НСl) = 18,7. 1,07 = 20,0 г;

m(НСl) = 20,0. 0,146 = 2,92 м;

v(НСl) = 2,92/36,5 = 0,08 моль;

v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 моль.

Цинк перебуває в недоліку, тому кількість водню, що виділився, дорівнює:

v(Н 2) = v(Zn) = 0,031 моль.

У другій реакції в нестачі знаходиться водень, оскільки:

v(СuО) = 4,0/80 = 0,05 моль.

В результаті реакції 0,031 моль СuО перетвориться на 0,031 моль Сu, і втрата маси складе:

m(СuО) - m(Сu) = 0,031 × 80 - 0,031 × 64 = 0,50 г.

Маса твердої суміші СuО із Сu після пропускання водню складе:

4,0-0,5 = 3,5 р.
Відповідь Маса твердої суміші СuО із Сu дорівнює 3,5 г.

Водень - проста речовина H 2 (диводень, дипротій, легкий водень).

Коротка характеристика водню:

  • Неметал.
  • Безбарвний газ, що важко піддається зрідженню.
  • Погано розчиняється у воді.
  • Найкраще розчиняється в органічних розчинниках.
  • Хемосорбується металами: залізом, нікелем, платиною, паладієм.
  • Сильний відновник.
  • Взаємодіє (за високих температур) з неметалами, металами, оксидами металів.
  • Найбільшу відновну здатність має атомний водень H 0 , одержуваний при термічному розкладанні H 2 .
  • Ізотопи водню:
    • 1 H - протий
    • 2 H - дейтерій (D)
    • 3 H - тритій (Т)
  • Відносна молекулярна маса = 2,016
  • Відносна щільність твердого водню (t=-260°C) = 0,08667
  • Відносна щільність рідкого водню (t=-253°C) = 0,07108
  • Надлишковий тиск (н.у.) = 0,08988 г/л
  • t плавлення = -259,19 ° C
  • t кипіння = -252,87 ° C
  • Об'ємний коефіцієнт розчинності водню:
    • (t = 0 ° C) = 2,15;
    • (t = 20 ° C) = 1,82;
    • (t = 60 ° C) = 1,60;

1. Термічне розкладання водню(t=2000-3500°C):
H 2 ↔ 2H 0

2. Взаємодія водню з неметалами:

  • H 2 +F 2 = 2HF (t=-250..+20°C)
  • H 2 +Cl 2 = 2HCl (при спалюванні або на світлі за кімнатної температури):
    • Cl 2 = 2Cl 0
    • Cl 0 +H 2 = HCl+H 0
    • H 0 +Cl 2 = HCl+Cl 0
  • H 2 +Br 2 = 2HBr (t=350-500°C, каталізатор платина)
  • H 2 +I 2 = 2HI (t=350-500°C, каталізатор платина)
  • H 2 +O 2 = 2H 2 O:
    • H 2 +O 2 = 2OH 0
    • OH 0 +H 2 = H 2 O+H 0
    • H 0 +O 2 = OH 0 +O 0
    • O 0 +H 2 = OH 0 +H 0
  • H 2 +S = H 2 S (t=150..200°C)
  • 3H 2 +N 2 = 2NH 3 (t=500°C, каталізатор залізо)
  • 2H 2 +C(кокс) = CH 4 (t=600°C, каталізатор платина)
  • H 2 +2C(кокс) = C 2 H 2 (t=1500..2000°C)
  • H 2 +2C(кокс)+N 2 = 2HCN (t більше 1800°C)

3. Взаємодія водню з складними речовинами:

  • 4H 2 +(Fe II Fe 2 III)O 4 = 3Fe+4H 2 O (t більше 570°C)
  • H 2 +Ag 2 SO 4 = 2Ag+H 2 SO 4 (t більше 200°C)
  • 4H 2 +2Na 2 SO 4 = Na 2 S+4H 2 O (t = 550-600°C, каталізатор Fe 2 O 3)
  • 3H 2 +2BCl 3 = 2B+6HCl (t = 800-1200°C)
  • H 2 +2EuCl 3 = 2EuCl 2 +2HCl (t = 270°C)
  • 4H 2 +CO 2 = CH 4 +2H 2 O (t = 200°C, каталізатор CuO 2)
  • H 2 +CaC 2 = Ca+C 2 H 2 (t більше 2200°C)
  • H 2 +BaH 2 = Ba(H 2) 2 (t до 0°C, розчин)

4. Участь водню в окисно-відновних реакціях:

  • 2H 0 (Zn, розб. HCl) + KNO 3 = KNO 2 + H 2 O
  • 8H 0 (Al, конц. KOH)+KNO 3 = NH 3 +KOH+2H 2 O
  • 2H 0 (Zn, розб. HCl)+EuCl 3 = 2EuCl 2 +2HCl
  • 2H 0 (Al)+NaOH(конц.)+Ag 2 S = 2Ag↓+H 2 O+NaHS
  • 2H 0 (Zn, розб. H 2 SO 4)+C 2 N 2 = 2HCN

Водневі сполуки

D 2 – дидейтерій:

  • Важкий водень.
  • Безбарвний газ, що важко піддається зрідженню.
  • Дідейтерію міститься у природному водні 0,012-0,016% (за масою).
  • У газовій суміші дидейтерію та протию ізотопний обмін протікає при високих температурах.
  • Поганорозчинний у звичайній та важкій воді.
  • Зі звичайною водою ізотопний обмін незначний.
  • Хімічні властивості аналогічні легкому водню, але дидейтерій має меншу реакційну здатність.
  • Відносна молекулярна маса = 4,028
  • Відносна щільність рідкого дидейтерію (t=-253°C) = 0,17
  • t плавлення = -254,5 ° C
  • t кипіння = -249,49 ° C

T 2 – дитритій:

  • Надважкий водень.
  • Безбарвний радіоактивний газ.
  • Період напіврозпаду 12,34 роки.
  • У природі дитритій утворюється внаслідок бомбардування нейтронами космічного випромінювання ядер 14 N, сліди дитритію виявлено у природних водах.
  • Отримують дитритій у ядерному реакторі бомбардуванням літію повільними нейтронами.
  • Відносна молекулярна маса = 6,032
  • t плавлення = -252,52°C
  • t кипіння = -248,12 ° C

HD - дейтеріоводород:

  • Безбарвний газ.
  • Чи не розчиняється у воді.
  • Хімічні властивості аналогічні H2.
  • Відносна молекулярна маса = 3,022
  • Відносна щільність твердого дейтеріоводу (t=-257°C) = 0,146
  • Надлишковий тиск (н.у.) = 0,135 г/л
  • t плавлення = -256,5 ° C
  • t кипіння = -251,02 ° C

Оксиди водню

H 2 O - вода:

  • Безбарвна рідина.
  • За ізотопним складом кисню вода складається з H 2 16 O з домішками H 2 18 O та H 2 17 O
  • За ізотопним складом водню вода складається з 1 H 2 O з домішкою HDO.
  • Рідка вода піддається протолізу (H 3 O + та OH -):
    • H 3 O + (катіон оксонію) є найсильнішою кислотою у водному розчині;
    • OH - (гідроксід-іон) є найсильнішою основою у водному розчині;
    • Вода - найслабший сполучений протоліт.
  • З багатьма речовинами вода утворює кристалогідрати.
  • Вода є хімічно активною речовиною.
  • Вода є універсальним рідким розчинником неорганічних сполук.
  • Відносна молекулярна маса води = 18,02
  • Відносна щільність твердої води (льоду) (t=0°C) = 0,917
  • Відносна щільність рідкої води:
    • (t=0°C) = 0,999841
    • (t=20°C) = 0,998203
    • (t=25°C) = 0,997044
    • (t=50°C) = 0,97180
    • (t=100°C) = 0,95835
  • густина (н.у.) = 0,8652 г/л
  • t плавлення = 0°C
  • t кипіння = 100 ° C
  • Іонний добуток води (25°C) = 1,008·10 -14

1. Термічне розкладання води:
2H 2 O ↔ 2H 2 +O 2 (понад 1000°C)

D 2 O - оксид дейтерію:

  • Тяжка вода.
  • Безбарвна гігроскопічна рідина.
  • В'язкість вища, ніж у води.
  • Змішується із звичайною водою у необмежених кількостях.
  • При ізотопному обміні утворюється напівважка вода HDO.
  • Розчинна здатність нижче, ніж у звичайної води.
  • Хімічні властивості оксиду дейтерію аналогічні хімічним властивостям води, проте реакції протікають повільніше.
  • Тяжка вода присутня в природній воді (масове відношення до звичайної води 1:5500).
  • Оксид дейтерію отримують багаторазовим електролізом природної води, у якому важка вода накопичується у залишку електроліту.
  • Відносна молекулярна маса важкої води = 20,03
  • Відносна щільність рідкої важкої води (t=11,6°C) = 1,1071
  • Відносна щільність рідкої важкої води (t=25°C) = 1,1042
  • t плавлення = 3,813°C
  • t кипіння = 101,43 ° C

T 2 O - оксид тритію:

  • Надважка вода.
  • Безбарвна рідина.
  • В'язкість вище, а здатність, що розчиняє, нижче, ніж у звичайної і важкої води.
  • Змішується зі звичайною та важкою водою у необмежених кількостях.
  • Ізотопний обмін із звичайною та важкою водою призводить до утворення HTO, DTO.
  • Хімічні властивості надважкої води аналогічні хімічним властивостям води, але всі реакції протікають набагато повільніше, ніж у важкій воді.
  • Сліди оксиду тритію знаходять у природній воді та атмосфері.
  • Отримують надважку воду пропусканням тритію над розпеченим оксидом міді CuO.
  • Відносна молекулярна маса надважкої води = 22,03
  • t плавлення = 4,5 ° C

Водень був відкритий у другій половині 18 століття англійським ученим у галузі фізики та хімії Г. Кавендішем. Він зумів виділити речовину у чистому стані, зайнявся її вивченням та описав властивості.

Такою є історія відкриття водню. У ході експериментів дослідник визначив, що це горючий газ, згоряння якого повітря дає воду. Це спричинило визначення якісного складу води.

Що таке водень

Про водень, як про просту речовину, вперше заявив французький хімік А. Лавуазьє в 1784, оскільки визначив, що до його молекули входять атоми одного виду.

Назва хімічного елемента латиною звучить як hydrogenium (читається «гідрогеніум»), що означає «що народжує воду». Назва відсилає до реакції горіння, у результаті якої утворюється вода.

Характеристика водню

Позначення водню Н. Менделєєв привласнив цьому хімічному елементу перший порядковий номер, розмістивши його в головній підгрупі першої групи та першому періоді та умовно в головній підгрупі сьомої групи.

Атомарна вага (атомна маса) водню становить 1,00797. Молекулярна маса H 2 дорівнює 2 а. е. Молярна маса чисельно дорівнює їй.

Представлений трьома ізотопами, що мають спеціальну назву: найпоширеніший протий (H), важкий дейтерій (D), радіоактивний тритій (Т).

Це перший елемент, який може бути розділений повністю на ізотопи простим способом. Ґрунтується він на високій різниці мас ізотопів. Вперше процес було здійснено у 1933 році. Пояснюється це тим, що лише 1932 року було виявлено ізотоп із масою 2.

Фізичні властивості

У нормальних умовах проста речовина водень у вигляді двоатомних молекул є газом, без кольору, у якого відсутній смак і запах. Мало розчинний у воді та інших розчинниках.

Температура кристалізації - 259,2 ° C, температура кипіння - 252,8 ° C.Діаметр молекул водню настільки малий, що вони мають здатність до повільної дифузії через ряд матеріалів (гума, скло, метали). Ця властивість знаходить застосування, коли потрібно очистити водень від газоподібних домішок. За н. у. водень має густину, рівну 0,09 кг/м3.

Чи можливе перетворення водню на метал за аналогією з елементами, розташованими в першій групі? Вченими встановлено, що водень за умов, коли тиск наближається до 2 млн. атмосфер, починає поглинати інфрачервоні промені, що свідчить про поляризацію молекул речовини. Можливо, за ще більш високих тисків водень стане металом.

Це цікаво:є припущення, що на планетах-гігантах, Юпітері та Сатурні водень знаходиться у вигляді металу. Передбачається, що у складі земного ядра теж є металевий твердий водень, завдяки надвисокому тиску, створюваному земною мантією.

Хімічні властивості

У хімічну взаємодію з воднем вступають як прості, і складні речовини. Але малу активність водню потрібно збільшити створенням відповідних умов – підвищенням температури, застосуванням каталізаторів та інших.

При нагріванні реакцію з воднем вступають такі прості речовини, як кисень (O 2), хлор(Cl 2), азот (N 2), сірка(S).

Якщо підпалити чистий водень на кінці газовідвідної трубки в повітрі, він горітиме рівно, але ледве помітно. Якщо помістити газовідвідну трубку в атмосферу чистого кисню, то горіння продовжиться з утворенням на стінках судини крапель води, як результат реакції:

Горіння води супроводжується виділенням великої кількості теплоти. Це екзотермічна реакція сполуки, у процесі якої водень окислюється киснем з утворенням оксиду H 2 O. Це також і окислювально-відновна реакція, в якій водень окислюється, а кисень відновлюється.

Аналогічно відбувається реакція з Cl 2 з утворенням хлороводню.

Для здійснення взаємодії азоту з воднем потрібна висока температура та підвищений тиск, а також присутність каталізатора. Результатом є аміак.

В результаті реакції із сіркою утворюється сірководень, розпізнавання якого полегшує характерний запах тухлих яєць.

Ступінь окислення водню цих реакціях +1, а гідридах, описаних нижче, – 1.

При реакції з деякими металами утворюються гідриди, наприклад гідрид натрію - NaH. Деякі з цих складних сполук використовуються як паливо для ракет, а також термоядерної енергетиці.

Водень реагує і з речовинами категорії складних. Наприклад, з оксидом міді (II) формула CuO. Для здійснення реакції водень міді пропускається над нагрітим порошкоподібним оксидом міді (II). У процесі взаємодії реагент змінює свій колір і стає червоно-коричневим, але в холодних стінках пробірки осідають крапельки води.

Водень у ході реакції окислюється, утворюючи воду, а мідь відновлюється з оксиду простої речовини (Cu).

Області застосування

Водень має велике значення для людини і знаходить застосування в різних сферах:

  1. У хімічному виробництві – це сировину, інших галузях – паливо. Не обходяться без водню та підприємства нафтохімії та нафтопереробки.
  2. В електроенергетиці ця проста речовина виконує функцію охолоджуючого агента.
  3. У чорній та кольоровій металургії водню відводиться роль відновника.
  4. Цією допомогою виробляють інертне середовище при упаковці продуктів.
  5. Фармацевтична промисловість користується воднем як реагентом у виробництві перекису водню.
  6. Цим легким газом заповнюють метеорологічні зонди.
  7. Відомий цей елемент і як відновник палива для ракетних двигунів.

Вчені одностайно пророкують водневому паливу пальму першості в енергетиці.

Отримання у промисловості

У промисловості водень отримують шляхом електролізу, якому піддають хлориди чи гідроксиди лужних металів, розчинені у воді. Також можна отримувати водень у такий спосіб безпосередньо з води.

Використовується з цією метою конверсія коксу або метану з водяною парою. Розкладання метану за підвищеної температури також дає водень. Зрідження коксового газу фракційним методом також застосовується для промислового одержання водню.

Отримання у лабораторії

У лабораторії для одержання водню використовують апарат Кіппа.

Як реагенти виступають соляна або сірчана кислота і цинк. Внаслідок реакції утворюється водень.

Знаходження водню у природі

Водень частіше за інші елементи зустрічається у Всесвіті. Основну масу зірок, зокрема Сонця, та інших космічних тіл становить водень.

У земній корі його лише 0,15%. Він присутній у багатьох мінералах, у всіх органічних речовинах, а також у воді, що покриває на 3/4 поверхню нашої планети.

У верхніх шарах атмосфери можна знайти сліди водню в чистому вигляді. Знаходять його й у низці горючих природних газів.

Газоподібний водень є найнещілішим, а рідкий – найщільнішою речовиною на нашій планеті. За допомогою водню можна змінити тембр голосу, якщо вдихнути його, а на видиху заговорити.

В основі дії найпотужнішої водневої бомби лежить розщеплення найлегшого атома.

Рідкий

Водень(Лат. Hydrogenium; позначається символом H) - Перший елемент періодичної системи елементів. Широко поширений у природі. Катіон (і ядро) найпоширенішого ізотопу водню 1H - протон. Властивості ядра H дозволяють широко використовувати ЯМР-спектроскопію в аналізі органічних речовин.

Три ізотопи водню мають власні назви: 1 H - протий (Н), 2 H - дейтерій (D) і 3 H - тритій (радіоактивний) (T).

Проста речовина водень – H 2 – легкий безбарвний газ. У суміші з повітрям або киснем горючий і вибухонебезпечний. Нетоксичний. Розчинний в етанолі та ряді металів: залозі, нікелі, паладії, платині.

Історія

Виділення пального газу при взаємодії кислот і металів спостерігали в XVI і XVII століттях на зорі становлення хімії як науки. Прямо вказував на виділення його і Михайло Ломоносов, але вже безперечно усвідомлюючи, що це не флогістон. Англійський фізик і хімік Генрі Кавендіш в 1766 досліджував цей газ і назвав його «горючим повітрям». При спалюванні «горюче повітря» давало воду, але відданість Кавендіша теорії флогістона завадила йому зробити правильні висновки. Французький хімік Антуан Лавуазьє разом з інженером Ж. Менье, використовуючи спеціальні газометри, в 1783 р. здійснив синтез води, та був і її аналіз, розклавши водяну пару розжареним залізом. Таким чином він встановив, що «горюче повітря» входить до складу води і може бути отримано з неї.

походження назви

Лавуазьє дав водню назву hydrogène - "що народжує воду". Російське найменування «водень» запропонував хімік М. Ф. Соловйов в 1824 - за аналогією сломоносівським «киснем».

Поширеність

Водень - найпоширеніший елемент у Всесвіті. На його частку припадає близько 92% всіх атомів (8% становлять атоми гелію, частка решти разом узятих елементів — менше 0,1%). Таким чином, водень - основна складова зірок і міжзоряного газу. В умовах зоряних температур (наприклад, температура поверхні Сонця ~ 6000 °C) водень існує у вигляді плазми, у міжзоряному просторі цей елемент існує у вигляді окремих молекул, атомів та іонів і може утворювати молекулярні хмари, які значно різняться за розмірами, щільністю та температурою.

Земна кора та живі організми

Масова частка водню в земній корі становить 1% - це десятий за поширеністю елемент. Однак його роль у природі визначається не масою, а числом атомів, частка яких серед інших елементів становить 17% (друге місце після кисню, частка атомів якого дорівнює ~52%). Тому значення водню в хімічних процесах, що відбуваються на Землі, майже так само велике, як і кисню. На відміну від кисню, що існує на Землі та у зв'язаному, і у вільному станах, практично весь водень на Землі знаходиться у вигляді сполук; Тільки дуже незначному кількості водень як простої речовини міститься у атмосфері (0,00005 % за обсягом).

Водень входить до складу практично всіх органічних речовин і присутній у всіх живих клітинах. У живих клітинах за кількістю атомів водень припадає майже 50 %.

Отримання

Промислові способи отримання простих речовин залежать від того, в якому вигляді відповідний елемент знаходиться в природі, тобто може бути сировиною для його отримання. Так, кисень, що у вільному стані, отримують фізичним способом - виділенням з рідкого повітря. Водень практично весь перебуває у вигляді сполук, тому для його отримання застосовують хімічні методи. Зокрема, можуть бути використані реакції розкладання. Одним із способів отримання водню є реакція розкладання води електричним струмом.

Основний промисловий спосіб одержання водню – реакція з водою метану, що входить до складу природного газу. Вона проводиться при високій температурі (легко переконатися, що при пропущенні метану навіть через киплячу воду жодної реакції не відбувається):

СН 4 + 2Н 2 O = CO 2 + 4Н 2 −165 кДж

У лабораторії для отримання простих речовин використовують не обов'язково природну сировину, а вибирають вихідні речовини, з яких легше виділити необхідну речовину. Наприклад, у лабораторії кисень не отримують із повітря. Це саме стосується і отримання водню. Один із лабораторних способів одержання водню, який іноді застосовується і в промисловості, — розкладання води електрострумом.

Зазвичай у лабораторії водень отримують взаємодією цинку із соляною кислотою.

У промисловості

1.Електроліз водних розчинів солей:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Пропускання пар води над розпеченим коксом при температурі близько 1000 °C:

H 2 O + C? H 2 + CO

3.З природного газу.

Конверсія з водяною парою:

CH 4 + H 2 O? CO + 3H 2 (1000 °C)

Каталітичне окиснення киснем:

2CH 4 + O 2? 2CO + 4H 2

4. Крекінг та риформінг вуглеводнів у процесі переробки нафти.

В лабораторії

1.Дія розведених кислот на метали.Для проведення такої реакції найчастіше використовують цинк та розведену соляну кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Взаємодія кальцію з водою:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Гідроліз гідридів:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Дія лугів на цинк або алюміній:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2

Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.За допомогою електролізу.При електролізі водних розчинів лугів або кислот на катоді відбувається виділення водню, наприклад:

2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O

Фізичні властивості

Водень може існувати у двох формах (модифікаціях) — у вигляді орто- та пароводню. У молекулі ортоводороду o-H 2 (т. пл. −259,10 °C, т. кіп. −252,56 °C) ядерні спини спрямовані однаково (паралельні), а у параводню p-H 2 (т. пл. -259,32 ° C, т. Кіп. -252,89 ° C) - протилежно один одному (антипаралельні). Рівноважна суміш o-H 2 та p-H 2 при заданій температурі називається рівноважний водень e-H 2 .

Розділити модифікації водню можна адсорбцією на активному вугіллі при температурі рідкого азоту. При дуже низьких температурах рівновага між ортоводородом і параводнем майже націло зрушена у бік останнього. При 80 К співвідношення форм приблизно 1:1. Десорбований параводень при нагріванні перетворюється на ортоводород аж до утворення рівноважної при кімнатній температурі суміші (орто-пара: 75:25). Без каталізатора перетворення відбувається повільно (в умовах міжзоряного середовища – з характерними часами аж до космологічних), що дає можливість вивчити властивості окремих модифікацій.

Водень - найлегший газ, він легший за повітря в 14,5 разів. Очевидно, що чим менше маса молекул, тим вища їхня швидкість при одній і тій же температурі. Як найлегші, молекули водню рухаються швидше за молекули будь-якого іншого газу і тим швидше можуть передавати теплоту від одного тіла до іншого. Звідси випливає, що водень має найвищу теплопровідність серед газоподібних речовин. Його теплопровідність приблизно в сім разів вища за теплопровідність повітря.

Молекула водню двоатомна - Н2. За нормальних умов - це газ без кольору, запаху та смаку. Щільність 0,08987 г/л (н.у.), температура кипіння –252,76 °C, питома теплота згоряння 120.9×10 6 Дж/кг, малорозчинний у воді – 18,8 мл/л. Водень добре розчинний у багатьох металах (Ni, Pt, Pd та ін), особливо в паладії (850 об'ємів на 1 об'єм Pd). З розчинністю водню в металах пов'язана його здатність дифундувати через них; дифузія через вуглецевий сплав (наприклад, сталь) іноді супроводжується руйнуванням сплаву внаслідок взаємодії водню з вуглецем (так звана декарбонізація). Практично не розчинний у срібло.

Рідкий воденьіснує у дуже вузькому інтервалі температур від -252,76 до -259,2 °C. Це безбарвна рідина, дуже легка (щільність при −253 °C 0,0708 г/см 3 ) та текуча (в'язкість при −253 °C 13,8 спуаз). Критичні параметри водню дуже низькі: температура -240,2 ° C і тиск 12,8 атм. Цим пояснюються проблеми при зрідженні водню. У рідкому стані рівноважний водень складається з 99,79% пара-Н2, 0,21% орто-Н2.

Твердий водень, температура плавлення −259,2 °C, щільність 0,0807 г/см 3 (при −262 °C) — снігоподібна маса, кристали гексогональної сингонії, просторова група P6/mmc, параметри комірки a=3,75 c=6,12. При високому тиску водень перетворюється на металевий стан.

Ізотопи

Водень зустрічається у вигляді трьох ізотопів, які мають індивідуальні назви: 1 H – протий (Н), 2 Н – дейтерій (D), 3 Н – тритій (радіоактивний) (T).

Протий і дейтерій є стабільними ізотопами з масовими числами 1 і 2. Зміст їх у природі відповідно становить 99,9885±0,0070% та 0,0115±0,0070%. Це співвідношення може змінюватись в залежності від джерела і способу отримання водню.

Ізотоп водню 3 Н (тритій) нестабільний. Його період напіврозпаду становить 12,32 років. Тритій міститься у природі у дуже малих кількостях.

У літературі також наводяться дані про ізотопи водню з масовими числами 4 - 7 та періодами напіврозпаду 10 -22 - 10 -23 с.

Природний водень складається з молекул H 2 і HD (Дейтероводород) у співвідношенні 3200:1. Зміст чистого дейтерійного водню D2 ще менше. Відношення концентрацій HD і D 2 приблизно 6400:1.

З усіх ізотопів хімічних елементів фізичні та хімічні властивості ізотопів водню відрізняються один від одного найсильніше. Це з найбільшим відносним зміною мас атомів.

Температура
плавлення,
K

Температура
кипіння,
K

Потрійна
крапка,
K/kPa

Критична
крапка,
K/kPa

густина
рідкий / газ,
кг/м³

Дейтерій та тритій також мають орто- та пара-модифікації: p-D 2 , o-D 2 , p-T 2 o-T 2 . Гетероізотопний водень (HD, HT, DT) не мають орто-і пара-модифікацій.

Хімічні властивості

Частка молекул, що диссоціювали, водню

Молекули водню Н 2 досить міцні, і для того, щоб водень міг вступити в реакцію, має бути витрачена велика енергія:

Н 2 = 2Н − 432 кДж

Тому при звичайних температурах водень реагує тільки з дуже активними металами, наприклад, з кальцієм, утворюючи гідрид кальцію:

Ca + Н 2 = СаН 2

і з єдиним неметалом - фтором, утворюючи фтороводород:

З більшістю металів і неметалів водень реагує при підвищеній температурі або при іншій дії, наприклад при освітленні:

Про 2 + 2Н2 = 2Н2О

Він може «віднімати» кисень від деяких оксидів, наприклад:

CuO + Н 2 = Cu + Н 2 O

Записане рівняння відбиває відновлювальні властивості водню.

N 2 + 3H 2 → 2NH 3

З галогенами утворює галогеноводороди:

F 2 + H 2 → 2HF, реакція протікає з вибухом у темряві та за будь-якої температури,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, реакція протікає із вибухом, тільки на світлі.

З сажею взаємодіє при сильному нагріванні:

C + 2H 2 → CH 4

Взаємодія з лужними та лужноземельними металами

При взаємодії з активними металами водень утворює гідриди:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H 2 → MgH 2

Гідриди- солеподібні, тверді речовини, що легко гідролізуються:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Взаємодія з оксидами металів (як правило, d-елементів)

Оксиди відновлюються до металів:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Гідрування органічних сполук

Молекулярний водень широко застосовується в органічному синтезі відновлення органічних сполук. Ці процеси називають реакціями гідрування. Ці реакції проводять у присутності каталізатора при підвищених тиску та температурі. Каталізатор може бути як гомогенним (напр.Каталізатор Уїлкінсона), так і гетерогенним (напр. нікель Ренея, паладій на вугіллі).

Так, зокрема, при каталітичному гідруванні ненасичених сполук, таких як алкени та алкіни, утворюються насичені сполуки – алкани.

Геохімія водню

Вільний водень H 2 відносно рідко зустрічається у земних газах, але у вигляді води він бере виключно важливу участь у геохімічних процесах.

До складу мінералів водень може входити у вигляді іону амонію, гідроксил-іона та кристалічної води.

В атмосфері водень безперервно утворюється внаслідок розкладання води сонячним промінням. Маючи малу масу, молекули водню мають високу швидкість дифузійного руху (вона близька до другої космічної швидкості) і, потрапляючи у верхні шари атмосфери, можуть полетіти в космічний простір.

Особливості звернення

Водень при суміші з повітрям утворює вибухонебезпечну суміш - так званий гримучий газ. Найбільшу вибухонебезпечність цей газ має при об'ємному відношенні водню та кисню 2:1, або водню та повітря приблизно 2:5, оскільки у повітрі кисню міститься приблизно 21 %. Також водень пожежонебезпечний. Рідкий водень при попаданні на шкіру може спричинити сильне обмороження.

Вибухонебезпечні концентрації водню з киснем виникають від 4 до 96% об'ємних. При суміші з повітрям від 4 до 75 (74) % об'ємних.

Економіка

Вартість водню при великооптових поставках коливається в діапазоні 2-5 $ за кг.

Застосування

Атомарний водень використовується для атомно-водневого зварювання.

Хімічна промисловість

  • При виробництві аміаку, метанолу, мила та пластмас
  • При виробництві маргарину з рідких рослинних олій
  • Зареєстрований як харчова добавка E949(Пакувальний газ)

Харчова промисловість

Авіаційна промисловість

Водень дуже легкий і в повітрі завжди піднімається нагору. Колись дирижаблі та повітряні кулі наповнювали воднем. Але в 30-х роках. XX ст. сталося кількакатастроф, під час яких дирижаблі вибухали та згоряли. В наш час дирижаблі наповнюють гелієм, незважаючи на його суттєво вищу вартість.

Паливо

Водень використовують як ракетне паливо.

Ведуться дослідження щодо застосування водню як палива для легкових та вантажних автомобілів. Водневі двигуни не забруднюють навколишнього середовища і виділяють лише водяну пару.

У воднево-кисневих паливних елементах використовується водень для безпосереднього перетворення енергії хімічної реакції на електричну.

«Рідкий водень»(«ЖВ») — рідкий агрегатний стан водню, з низькою питомою густиною 0.07 г/см³ та кріогенними властивостями з точкою замерзання 14.01 K (−259.14 °C) та точкою кипіння 20.28 K (−252.87 °C). Є безбарвною рідиною без запаху, яка при змішуванні з повітрям відноситься до вибухонебезпечних речовин з діапазоном коефіцієнта займання 4-75%. Спинове співвідношення ізомерів у рідкому водні становить: 99,79% - паводок; 0,21% - ортоводород. Коефіцієнт розширення водню при зміні агрегатного стану газоподібне становить 848:1 при 20°C.

Як і будь-якого іншого газу, зрідження водню призводить до зменшення його обсягу. Після зрідження "ЖВ" зберігається в термічно ізольованих контейнерах під тиском. Рідкий водень (англ. Liquid hydrogen, LH2, LH 2) активно використовується в промисловості, як форма зберігання газу, і в космічній галузі, як ракетне паливо.

Історія

Перше документоване використання штучного охолодження в 1756 році було здійснено англійським ученим Вільямом Калленом, Гаспар Монж першим отримав рідкий стан оксиду сірки в 1784 році, Майкл Фарадей першим отримав зріджений аміак, американський винахідник Олівер Еванс першим розробив холодильний компресор охолоджувальну машину в 1834 році і Джон Горі першим у США запатентував кондиціонер у 1851 році. Вернер Сіменс запропонував концепцію регенеративного охолодження в 1857 році, Карл Лінде запатентував обладнання для отримання рідкого повітря з використанням каскадного ефекту розширення Джоуля - Томсона і регенеративного охолодження в 1876 році. У 1885 році польський фізик та хімік Зигмунд Вро?блевський опублікував критичну температуру водню 33 K, критичний тиск 13.3 атм. і точку кипіння при 23 K. Вперше водень був зріджений Джеймсом Дьюаром в 1898 з використанням регенеративного охолодження і свого винаходу, суду Дьюара. Перший синтез стабільного ізомеру рідкого водню — параводню — було здійснено Полом Хартеком та Карлом Бонхеффером у 1929 році.

Спинові ізомери водню

Водень при кімнатній температурі складається здебільшого зі спинового ізомеру, ортоводороду. Після виробництва рідкий водень перебуває в метастабільному стані і повинен бути перетворений у параводневу форму, щоб уникнути вибухонебезпечної екзотермічної реакції, яка має місце при його зміні при низьких температурах. Перетворення на параводневу фазу зазвичай проводиться з використанням таких каталізаторів, як оксид заліза, оксид хрому, активоване вугілля, покритих платиною азбестів, рідкісноземельних металів або шляхом використання уранових або нікелевих добавок.

Використання

Рідкий водень може бути використаний як форма зберігання палива для двигунів внутрішнього згоряння та паливних елементів. Різні підводні човни (проекти «212А» та «214», Німеччина) та концепти водневого транспорту були створені з використанням цієї агрегатної форми водню (див. наприклад «DeepC» або «BMW H2R»). Завдяки близькості конструкцій, творці техніки на «ЖВ» можуть використовувати або модифікувати системи, що використовують скраплений природний газ («СПГ»). Однак через нижчу об'ємну щільність енергії для горіння потрібно більший обсяг водню, ніж природного газу. Якщо рідкий водень використовується замість «СПГ» у поршневих двигунах, зазвичай потрібна громіздка паливна система. При прямому впорскуванні втрати, що збільшилися, у впускному тракті зменшують наповнення циліндрів.

Рідкий водень використовується для охолодження нейтронів в експериментах з нейтронного розсіювання. Маси нейтрону та ядра водню практично рівні, тому обмін енергією при пружному зіткненні найефективніший.

Переваги

Перевагою використання водню є "нульова емісія" його застосування. Продуктом взаємодії з повітрям є вода.

Перешкоди

Один літр «ЖВ» важить лише 0.07 кг. Тобто його питома щільність становить 70.99 г/л при 20 K. Рідкий водень потребує кріогенної технології зберігання, такої як спеціальні термічно ізольовані контейнери і вимагає особливого поводження, що властиво всім кріогенних матеріалів. Він близький у цьому відношенні до рідкого кисню, але вимагає більшої обережності через пожежну небезпеку. Навіть у випадку з контейнерами з тепловою ізоляцією його важко утримувати при тій низькій температурі, яка потрібна для його збереження в рідкому стані (зазвичай він випаровується зі швидкістю 1% на день). При поводженні з ним також слід дотримуватися звичайних заходів безпеки під час роботи з воднем — він досить холодний для зрідження повітря, що є вибухонебезпечним.

Ракетне паливо

Рідкий водень є поширеним компонентом ракетного палива, що використовується для реактивного прискорення ракет-носіїв та космічних апаратів. У більшості рідинних ракетних двигунах на водні він спочатку застосовується для регенеративного охолодження сопла та інших частин двигуна, перед його змішуванням з окислювачем і спалюванням для отримання тяги. Використовувані сучасні двигуни на компонентах H 2 /O 2 споживають перезбагачену воднем паливну суміш, що призводить до деякої кількості водню, що не згорів у вихлопі. Крім збільшення питомого імпульсу двигуна за рахунок зменшення молекулярної ваги, це ще скорочує ерозію сопла та камери згоряння.

Такі перешкоди використання «ЖВ» в інших областях, як кріогенна природа і мала щільність, є також фактором стримування для використання в даному випадку. На 2009 рік існує лише одна ракета-носій (РН «Дельта-4»), яка цілком є ​​водневою ракетою. В основному "ЖВ" використовується або на верхніх щаблях ракет, або на блоках, які значну частину роботи з виведення корисного навантаження в космос виконують у вакуумі. Як один із заходів щодо збільшення щільності цього виду палива існують пропозиції використання шугоподібного водню, тобто напівзамерзлої форми «ЖВ».

Loading...Loading...