adsby.ru → Природа у літературі

Водень та його сполуки хімічні властивості. Водень (H) та його хімічні реакції. Способи одержання водню

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». Так які фізичні та Хімічні властивостіводню 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 металамивідбувається утворення гідридів: 4.3. Усього отримано оцінок: 186.

  • Позначення – H (Hydrogen);
  • Латинська назва – Hydrogenium;
  • Період – I;
  • Група – 1 (Ia);
  • Атомна маса – 1,00794;
  • Атомний номер – 1;
  • Радіус атома = 53 пм;
  • Ковалентний радіус = 32 пм;
  • Розподіл електронів - 1s 1;
  • t плавлення = -259,14 ° C;
  • t кипіння = -252,87 ° C;
  • Електронегативність (по Полінгу/по Алпреду та Рохову) = 2,02/-;
  • Ступінь окиснення: +1; 0; -1;
  • Щільність (н. у.) = 0,0000899 г/см 3;
  • Молярний об'єм = 14,1 см3/моль.

Бінарні сполуки водню з киснем:

Водень ("що народжує воду") був відкритий англійським вченим Г. Кавендішем у 1766 році. Це найпростіший елемент у природі - атом водню має ядро ​​і один електрон, напевно, тому водень є найпоширенішим елементом у Всесвіті (становить більше половини маси більшості зірок).

Про водень можна сказати, що "малий золотник, та дорогий". Незважаючи на свою "простоту", водень дає енергію всім живим істотам на Землі - на Сонці йде безперервна термоядерна реакція в ході якої з чотирьох атомів водню утворюється один атом гелію, цей процес супроводжується виділенням колосальної кількості енергії (див. Ядерний синтез).

У земної кори масова часткаводню становить лише 0,15%. Тим часом переважна кількість (95%) всіх відомих на Землі. хімічних речовинмістять один або кілька атомів водню.

У з'єднаннях з неметалами (HCl, H 2 O, CH 4 ...) водень віддає свій єдиний електрон більш електронегативним елементам, виявляючи ступінь окислення +1 (частіше), утворюючи тільки ковалентні зв'язки(Див. Ковалентний зв'язок).

У з'єднаннях з металами (NaH, CaH 2 ...) водень, навпаки, приймає на свою єдину s-орбіталь ще один електрон, намагаючись таким чином завершити свій електронний шар, виявляючи ступінь окислення -1 (рідше), утворюючи частіше іонну зв'язок (див. Іонний зв'язок), т. К. Різниця в електронегативності атома водню і атома металу може бути досить великий.

H 2

У газоподібному стані водень знаходиться у вигляді двоатомних молекул, утворюючи неполярний ковалентний зв'язок.

Молекули водню мають:

  • великою рухливістю;
  • великою міцністю;
  • малою поляризацією;
  • малими розмірами та масою.

Властивості газу водню:

  • найлегший у природі газ, без кольору та запаху;
  • погано розчиняється у воді та органічних розчинниках;
  • в незначних кіл-вах розчиняється в рідких і твердих металах (особливо в платині та паладії);
  • важко піддається зрідженню (внаслідок своєї малої поляризуемості);
  • має найвищу теплопровідність з усіх відомих газів;
  • при нагріванні реагує з багатьма неметалами, виявляючи властивості відновника;
  • при кімнатній температуріреагує зі фтором (відбувається вибух): H 2 + F 2 = 2HF;
  • з металами реагує з утворенням гідридів, виявляючи окисні властивості: H 2 + Ca = CaH 2;

У сполуках водень набагато сильніше виявляє свої відновлювальні властивості, ніж окисні. Водень є найсильнішим відновником після вугілля, алюмінію та кальцію. Відновлювальні властивості водню широко використовуються в промисловості для одержання металів та неметалів (простих речовин) з оксидів та галідів.

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Реакції водню із простими речовинами

Водень приймає електрон, граючи роль відновлювача, у реакціях:

  • з киснем(при підпалюванні або у присутності каталізатора), у співвідношенні 2:1 (водень:кисень) утворюється вибухонебезпечний гримучий газ: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 кДж
  • з сірої(при нагріванні до 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
  • з хлором(при підпалюванні або опроміненні УФ-променями): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
  • з фтором: H 2 0 +F 2 = 2H +1 F
  • з азотом(при нагріванні в присутності каталізаторів або при високому тиску): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

Водень віддає електрон, граючи роль окислювача, у реакціях з лужнимиі лужноземельнимиметалами з утворенням гідридів металів - солеподібні іонні сполуки, що містять гідрид-іони H - це нестійкі кристалічні в-ва білого кольору.

Ca+H 2 = CaH 2 -1 2Na+H 2 0 = 2NaH -1

Для водню нехарактерно виявляти рівень окислення -1. Реагуючи з водою, гідриди розкладаються, відновлюючи воду до водню. Реакція гідриду кальцію з водою має такий вигляд:

CaH 2 -1 +2H 2 +1 0 = 2H 2 0 +Ca(OH) 2

Реакції водню зі складними речовинами

  • за високої температури водень відновлює багато оксидів металів: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
  • метиловий спирт одержують внаслідок реакції водню з оксидом вуглецю (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
  • у реакціях гідрогенізації водень реагує з багатьма органічними речовинами.

Більш детально рівняння хімічних реакцій водню та його сполук розглянуті на сторінці "Водень та його сполуки - рівняння хімічних реакцій за участю водню".

Застосування водню

  • в атомній енергетиці використовуються ізотопи водню – дейтерій та тритій;
  • у хімічній промисловості водень використовують для синтезу багатьох органічних речовин, Аміаку, хлороводню;
  • у харчовій промисловості водень застосовують у виробництві твердих жирів за допомогою гідрогенізації рослинних олій;
  • для зварювання та різання металів використовують високу температуру горіння водню в кисні (2600°C);
  • при отриманні деяких металів водень використовують як відновник (див. вище);
  • оскільки водень є легким газом, його використовують у повітроплаванні як наповнювач повітряних куль, аеростатів, дирижаблів;
  • як паливо водень використовують у суміші з СО.

Останнім часом вчені приділяють багато уваги пошуку альтернативних джерел відновлюваної енергії. Одним з перспективних напрямівє "воднева" енергетика, в якій як паливо використовується водень, продуктом згоряння якого є звичайна вода.

Способи одержання водню

Промислові способи одержання водню:

  • конверсією метану (каталітичним відновленням водяної пари) парами води при високій температурі (800°C) на нікелевому каталізаторі: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
  • конверсією оксиду вуглецю з водяною парою (t=500°C) на каталізаторі Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2;
  • термічним розкладанням метану: CH 4 = C + 2H 2;
  • газифікацією твердих палив (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2;
  • електролізом води (дуже дорогий спосіб, при якому виходить дуже чистий водень): 2H 2 O → 2H 2 + O 2 .

Лабораторні способи одержання водню:

  • дією на метали (частіше цинк) соляною або розведеною сірчаною кислотою: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2; Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2;
  • взаємодією пар води з розпеченими залізними стружками: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2 .

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 0 = 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 з лабораторних способів отримання водню, який застосовується іноді 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 парів води над розпеченим коксомпри температурі близько 1000°C:

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.Із природного газу.

Конверсія з водяною парою: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Каталітичне окислення киснем: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Крекінг та реформінг вуглеводнів у процесі переробки нафти.

В лабораторії

1.Дія розведених кислот на метали.Для проведення такої реакції найчастіше використовують цинк та 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

  • Біореактор для виробництва водню

Фізичні властивості

Газоподібний водень може існувати у двох формах (модифікаціях) – у вигляді орто- та пара-водню.

У молекулі ортоводороду (т. пл. −259,10 °C, т. кіп. −252,56 °C) ядерні спини спрямовані однаково (паралельні), а у параводню (т. пл. −259,32 °C, т кіп −252,89 °C) - протилежно один одному (антипаралельні).

Розділити алотропні форми водню можна адсорбцією на активному вугіллі за нормальної температури 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, що дозволяє вивчити властивості окремих алотропних форм. Молекула водню двоатомна - Н₂. За звичайних умов - це газ без кольору, запаху та смаку. Водень - найлегший газ, його щільність набагато менше щільності повітря. 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.

Хімічні властивості

Молекули водню Н₂ досить міцні, і для того, щоб водень міг вступити в реакцію, повинна бути витрачена велика енергія: Н 2 =2Н - 432 кДж. Ca + Н 2 = СаН 2 і з єдиним неметалом - фтором, утворюючи фтороводород: F 2 +H 2 =2HF З більшістю металів і неметалів водень реагує при підвищеній температурі або при іншому впливі, наприклад при освітленні. Він може «віднімати» кисень від деяких оксидів, наприклад: CuO + Н 2 = Cu + Н 2 0 Записане рівняння відображає реакцію відновлення. Реакціями відновлення називають процеси, в результаті яких від з'єднання віднімається кисень; речовини, що забирають кисень, називаються відновниками (при цьому вони самі окислюються). Далі буде дано й інше визначення понять «окислення» та «відновлення». А дане визначення, історично перше, зберігає значення і в даний час, особливо в органічної хімії. Реакція відновлення протилежна реакції окиснення. Обидві ці реакції завжди протікають одночасно як один процес: при окисленні (відновленні) однієї речовини обов'язково одночасно відбувається відновлення (окислення) іншої.

N 2 + 3H 2 → 2 NH 3

З галогенами утворює галогеноводороди:

F 2 + H 2 → 2 HF, реакція протікає з вибухом у темряві та за будь-якої температури, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, реакція протікає з вибухом, тільки на світлі.

З сажею взаємодіє при сильному нагріванні:

C + 2H 2 → CH 4

Взаємодія з лужними та лужноземельними металами

Водень утворює з активними металами гідриди:

Na + H 2 → 2 NaH 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 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Гідрування органічних сполук

При дії водню на ненасичені вуглеводні у присутності нікелевого каталізатора та підвищеній температурі відбувається реакція гідрування:

CH 2 = CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

Водень відновлює альдегіди до спиртів:

CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.

Геохімія водню

Водень – основний будівельний матеріал всесвіту. Це найпоширеніший елемент і всі елементи утворюються з нього в результаті термоядерних і ядерних реакцій.

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 випромінюванням. Він мігрує у верхні шари атмосфери і випаровується в космос.

Застосування

  • Воднева енергетика

Атомарний водень використовується для атомно-водневого зварювання.

У харчовій промисловості водень зареєстрований як харчова добавка E949як пакувальний газ.

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.

Використання водню

У хімічній промисловості водень використовують для виробництва аміаку, мила і пластмас. У харчовій промисловості за допомогою водню з рідких рослинних олій роблять маргарин. Водень дуже легкий і в повітрі завжди піднімається нагору. Колись дирижаблі та повітряні кулінаповнювали воднем. Але в 30-х роках. XX ст. сталося кілька жахливих катастроф, коли дирижаблі вибухали та згоряли. Нині дирижаблі наповнюють газом гелієм. Водень використовують також як ракетне паливо. Колись водень, можливо, будуть широко застосовувати як паливо для легкових та вантажних автомобілів. Водневі двигуни не забруднюють довкілляі виділяють лише водяну пару (щоправда, саме одержання водню призводить до деякого забруднення навколишнього середовища). Наше Сонце здебільшого складається з водню. Сонячне тепло та світло – це результат виділення ядерної енергії при злитті ядер водню.

Використання водню як паливо (економічна ефективність)

Найважливішою характеристикою речовин, що використовуються як паливо, є їхня теплота згоряння. З курсу загальної хімії відомо, що взаємодія водню з киснем відбувається із виділенням тепла. Якщо взяти 1 моль H 2 (2 г) та 0,5 моль O 2 (16 г) за стандартних умов і порушити реакцію, то відповідно до рівняння

Н 2 + 0,5 О 2 = Н 2 О

після завершення реакції утворюється 1 моль H 2 O (18 г) з виділенням енергії 285,8 кДж/моль (для порівняння: теплота згоряння ацетилену становить 1300 кДж/моль, пропану - 2200 кДж/моль). 1 м водню важить 89,8 г (44,9 моль). Тому для отримання 1 м водню буде витрачено 12832,4 кДж енергії. З урахуванням того, що 1 кВт·год = 3600 кДж, отримаємо 3,56 кВт·год електроенергії. Знаючи тариф на 1 кВт·год електрики та вартість 1 м³ газу, можна робити висновок про доцільність переходу на водневе паливо.

Наприклад, експериментальна модель Honda FCX 3 покоління із баком водню 156 л (містить 3,12 кг водню під тиском 25 МПа) проїжджає 355 км. Відповідно з 3,12 кг H2 виходить 123,8 кВт · год. На 100 км витрата енергії становитиме 36,97 кВт·год. Знаючи вартість електроенергії, вартість газу чи бензину, їх витрата на 100 км легко підрахувати негативний економічний ефект переходу автомобілів на водневе паливо. Скажімо (Росія 2008), 10 центів за кВт·год електроенергії призводять до того, що 1 м³ водню призводять до ціни 35,6 цента, а з урахуванням ККД розкладання води 40-45 центів, така ж кількість кВт·год від спалювання бензину коштує 12832,4кДж/42000кДж/0,7кг/л*80центов/л=34 цента за роздрібними цінами, тоді як для водню ми вираховували ідеальний варіант, без урахування транспортування, амортизації обладнання тощо. Для метану з енергією згоряння близько 39 МД на м³ результат буде нижчим у два-чотири рази через різницю в ціні (1м³ для України коштує 179$, а для Європи 350$). Тобто еквівалентна кількість метану коштуватиме 10-20 центів.

Однак не слід забувати, що при спалюванні водню ми отримуємо чисту воду, з якої його і видобули. Тобто маємо поновлюваний запасникенергії без шкоди для довкілля, на відміну газу чи бензину, які є первинними джерелами енергії.

Php on line 377 Warning: require(http://www..php): failed to open stream: не надійний брокер може бути в /hsphere/local/home/winexins/сайт/tab/vodorod.php on line 377 Fatal error: require(): Failed opening required "http://www..php" (include_path="..php on line 377

Водень. Властивості, одержання, застосування.

Історична довідка

Водень – перший елемент ПСХЕ Д.І. Менделєєва.

Російська назва водню вказує, що він народжує воду; латинське « гідрогеніум» означає те саме.

Вперше виділення пального газу при взаємодії деяких металів із кислотами спостерігали Роберт Бойль та його сучасники у першій половині XVI століття.

Але водень було відкрито лише 1766 року англійським хіміком Генрі Кавендишем, який встановив, що з взаємодії металів з розведеними кислотами виділяється якесь «горюче повітря». Спостерігаючи горіння водню на повітрі, Кавендіш встановив, що з'являється вода. Це було 1782 року.

У 1783 році французький хімік Антуан-Лоран Лавуазьє виділив водень шляхом розкладання води розпеченим залізом. В 1789 водень був виділений при розкладанні води під дією електричного струму.

Поширеність у природі

Водень – головний елементкосмосу. Наприклад, Сонце на 70% своєї маси складається з водню. Атомів водню у Всесвіті у кілька десятків тисяч разів більше, ніж усіх атомів усіх металів, разом узятих.

У земній атмосфері також є трохи водню у вигляді простої речовини – газу складу Н 2 . Водень набагато легший за повітря, і тому його знаходять у верхніх шарах атмосфери.

Але набагато більше на Землі пов'язаного водню: адже він входить до складу води, найпоширенішої на нашій планеті складної речовини. Водень, пов'язаний у молекули, містять і нафту, і природний газ, багато мінералів і гірські породи. Водень входить до складу всіх органічних речовин.

Характеристика водню.

Водень має подвійну природу, тому в одних випадках водень поміщають у підгрупу лужних металів, а інших – у підгрупу галогенів.


  • Електронна конфігурація 1s 1 . Атом водню складається з одного протону та одного електрона.

  • Атом водню здатний втрачати електрон і перетворюватися на катіон H +, і в цьому він подібний до лужних металів.

  • Атом водню також може приєднувати електрон, утворюючи при цьому аніон Н - у цьому відношенні водень схожий з галогенами.

  • У з'єднаннях завжди одновалентний

  • СО: +1 та -1.

Фізичні властивості водню

Водень – це газ, без кольору, смаку та запаху. У 14,5 разів легше за повітря. Мало розчинний у воді. Має високу теплопровідність. При t = -253 ° С - зріджується, при t = -259 ° С - твердне. Молекули водню настільки малі, що здатні повільно дифундувати через багато матеріалів - гуму, скло, метали, що використовується при очищенні водню від інших газів.

Відомі 3 ізотопи водню: - протий, - дейтерій, - тритій. Основна частина природного водню становить протий. Дейтерій входить до складу важкої води, якої збагачені поверхневі водиокеану. Тритій – радіоактивний ізотоп.

Хімічні властивості водню

Водень – неметал, має молекулярну будову. Молекула водню складається з двох атомів, пов'язаних між собою ковалентним неполярним зв'язком. Енергія зв'язку у молекулі водню становить 436 кДж/моль, що пояснює низьку хімічну активність молекулярного водню.


  1. Взаємодія із галогенами. За нормальної температури водень реагує лише з фтором:
H2 + F2 = 2HF.

З хлором - тільки на світлі, утворюючи хлороводень, з бромом реакція протікає менш енергійно, з йодом не йде до кінця навіть за високих температур.


  1. Взаємодія з киснем – при нагріванні, при запаленні реакція протікає з вибухом: 2H 2 + O 2 = 2H 2 O.
Водень горить у кисні з виділенням великої кількості тепла. Температура воднево-кисневого полум'я 2800 °С.

Суміш із 1 частини кисню та 2 частин водню – «гримуча суміш», найбільш вибухонебезпечна.


  1. Взаємодія із сіркою – при нагріванні H2+S=H2S.

  2. Взаємодія із азотом. При нагріванні, високому тиску та в присутності каталізатора:
3H 2 + N 2 = 2NH 3 .

  1. Взаємодія із оксидом азоту (II). Використовується в очисних системах під час виробництва азотної кислоти: 2NO + 2H 2 = N 2 + 2H 2 O.

  2. Взаємодія із оксидами металів. Водень – відмінний відновник, він відновлює багато металів з їх оксидів: CuO + H 2 = Cu + H 2 O.

  3. Сильним відновником є ​​атомарний водень. Він утворюється із молекулярного в електричному розряді в умовах низького тиску. Високу відновлювальну активність має водень у момент виділення, що утворюється при відновленні металу кислотою

  4. Взаємодія з активними металами . При високій температурі з'єднується з лужними та лужноземельними металами і утворюючи білі кристалічні речовини – гідриди металів, виявляючи властивості окислювача: 2Na + H 2 = 2NaH;
Ca + H2 = CaH2.

Одержання водню

В лабораторії:


  1. Взаємодія металу з розведеними розчинами сірчаної та соляної кислот,
Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 .

  1. Взаємодія алюмінію або кремнію з водними розчинами лугів:
2Al + 2NaOH + 10H 2 O = 2Na + 3H 2 ;

Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2 .

У промисловості:


  1. Електроліз водних розчинів хлоридів натрію та калію або електроліз води за наявності гідроксидів:
2NaCl + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2NaOH;

2Н2О = 2Н2+О2.


  1. Конверсійний метод. Спочатку одержують водяний газ, пропускаючи пари води через розпечений кокс при 1000 °С:
З + Н 2 О = СО + Н 2.

Потім оксид вуглецю (II) окислюють в оксид вуглецю (IV), пропускаючи суміш водяного газу з надлишком водяної пари над нагрітим до 400–450 °С каталізатором Fe 2 O 3:

CO + H2O = CO2 + H2.

Оксид вуглецю (IV), що утворюється, поглинається водою, цим способом отримують 50 % промислового водню.


  1. Конверсія метану: CH 4 + H 2 O = CO + 3H2.
Реакція протікає при нікелевого каталізатора при 800 °С.

  1. Термічний розпад метану при 1200 °С: CH 4 = C + 2H 2 .

  2. Глибоке охолодження (до -196 ° С) коксового газу. За цієї температури конденсуються всі газоподібні речовини, крім водню.
Застосування водню

Застосування водню засноване на його фізичних та хімічних властивостях:


  • як легкий газ, він використовується для наповнення аеростатів (у суміші з гелієм);

  • киснево-водневе полум'я застосовується для отримання високих температур при зварюванні металів;

  • як відновник використовується для отримання металів (молібдену, вольфраму та ін) з їх оксидів;

  • для отримання аміаку та штучного рідкого палива, для гідрогенізації жирів.

ВИЗНАЧЕННЯ

Водень- Перший елемент Періодичної системи хімічних елементівД.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 сполукамикласу циклоалканів, алкенів, аренів, альдегідів та кетонів та ін. Всі ці реакції проводять при нагріванні, під тиском, як каталізатори 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 в космічному просторі- Окремі атоми. За поширеністю Землі водень займає 9 місце серед всіх елементів. Основна кількість водню Землі перебуває у зв'язаному стані – у складі води, нафти, газу, кам'яного вугілляі т.д. 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 Виходячи з електронної будовиатома 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.
2023 adsby.ru - Загальноосвітній сайт