Водень входить у реакцію з такими речовинами. Хімічні властивості водню. Значення водню у природі. Знаходження водню у природі
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 та металів спостерігали у XVI та XVII століттяхна 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 частиназірок та 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, що значно розрізняються за розмірами, щільністю та температурою.
Земна кора та живі організми
Масова частка водню в земної корискладає 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 температурісуміші (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 |
Температура |
Потрійна |
Критична |
густина |
|
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 для 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 випромінюванням. Маючи малу масу, молекули водню мають високу швидкість дифузійного руху (вона близька до другої космічної швидкості) і, потрапляючи у верхні шари атмосфери, можуть відлетіти у 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 кулінаповнювали 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 довкілляі 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 ракетних палив, 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».
Водень (Н) дуже легкий хімічний елемент, що містить у Земній корі 0,9% по масі, а у воді 11,19%.
Характеристика водню
Легко він перший серед газів. За нормальних умов без смаку, безбарвний, і абсолютно без запаху. При попаданні в термосферу відлітає в космос через малу вагу.
У всьому всесвіті це найчисленніший хімічний елемент (75% від усієї маси речовин). Настільки, що багато зірок у космічному просторіскладаються повністю із нього. Наприклад, Сонце. Його основний компонент – водень. А тепло і світло це результат виділення енергії при злитті ядер матеріалу. Також у космосі є цілі хмари з його молекул різної величини, щільності та температури.
Фізичні властивості
Висока температура і тиск значно змінюють його якості, але за звичайних умов він:
Має високу теплопровідність, якщо порівнювати з іншими газами,
Нетоксичний і погано розчинний у воді,
З щільністю 0,0899 г/л при 0°З 1 атм.,
Перетворюється на рідину при температурі -252,8°С
Стає твердим при -259,1°С.
Питома теплота згоряння 120,9.106 Дж/кг.
Для перетворення в рідину або твердий стан потрібні високий тиск та дуже низькі температури. У зрідженому стані він плинний і легкий.
Хімічні властивості
Під тиском і при охолодженні (-252,87 гр. С) водень знаходить рідкий стан, який за вагою легший за будь-який аналог. У ньому він займає менше місця, ніж у газоподібному вигляді.
Він типовий неметал. У лабораторіях його одержують шляхом взаємодії металів (наприклад, цинку чи заліза) з розведеними кислотами. За звичайних умов малоактивний і входить у реакцію лише з активними неметалами. Водень може відокремлювати кисень з оксидів і відновлювати метали з сполук. Він та його суміші утворюють водневий зв'язок з деякими елементами.
Газ добре розчиняється в етанолі та у багатьох металах, особливо в паладії. Срібло його не розчиняє. Водень може окислюватися під час спалювання в кисні або на повітрі та при взаємодії з галогенами.
Під час з'єднання з киснем утворюється вода. Якщо температура у своїй звичайна, то реакція йде повільно, якщо вище 550°З - з вибухом (перетворюється на гримучий газ).
Знаходження водню у природі
Хоча водню дуже багато на нашій планеті, але у чистому вигляді його знайти нелегко. Небагато можна виявити при виверженні вулканів, під час видобутку нафти та в місці розкладання органічних речовин.
Більше половини усієї кількості перебуває у складі з водою. Також він входить у структуру нафти, різної глини, горючих газів, тварин і рослин (присутність у кожній живій клітині 50% за кількістю атомів).
Кругообіг водню в природі
Щороку у водоймах і ґрунті розкладається колосальна кількість (мільярди тонн) залишків рослин і це розкладання виплескує в атмосферу величезну масу водню. Так само він виділяється при будь-якому бродінні, що викликається бактеріями, спалюванні та нарівні з киснем бере участь у кругообігу води.
Області застосування водню
Елемент активно використовується людством у своїй діяльності, тому ми навчилися отримувати його у промислових масштабах для:
Метеорології, хімвиробництва;
Виробництва маргарину;
Як пальне для ракет (рідкий водень);
електроенергетики для охолодження електричних генераторів;
Зварювання та різання металів.
Маса водню використовується при виробництві синтетичного бензину (для поліпшення якості палива низької якості), аміаку, хлороводню, спиртів та інших матеріалів. Атомна енергетика активно використовує його ізотопи.
Препарат «перекис водню» широко застосовують у металургії, електронній промисловості, целюлозно-паперовому виробництві, при відбілюванні лляних та бавовняних тканин, для виготовлення фарб для волосся та косметики, полімерів та в медицині для обробки ран.
"Вибуховий" характер цього газу може стати згубною зброєю - водневою бомбою. Її вибух супроводжується викидом величезної кількості радіоактивних речовин і згубно для живого.
Дотик рідкого водню та шкірних покривів загрожує сильним та болючим обмороженням.
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 М. Менделєєв надав цьому хімічному елементу перший порядковий номер, розмістивши його в головній підгрупіпершої 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 масачисельно дорівнює їй.
Представлений трьома ізотопами, що мають спеціальну назву: найпоширеніший протий (H), важкий дейтерій (D), радіоактивний тритій (Т).
Це перший елемент, який можна повністю розділити 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:
- У хімічному виробництві – це сировину, інших галузях – паливо. Не обходяться без водню та підприємства нафтохімії та нафтопереробки.
- В електроенергетиці ця проста речовина виконує функцію охолоджуючого агента.
- У чорній та кольоровій металургії водню відводиться роль відновника.
- Цією допомогою виробляють інертне середовище при упаковці продуктів.
- Фармацевтична промисловість користується воднем як реагентом у виробництві перекису водню.
- Цим легким газом заповнюють метеорологічні зонди.
- 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. Більшість зірок, зокрема Сонця, та інших космічних тілскладає 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 бомбилежить розщеплення найлегшого атома.
Лекція 29
Водень. Вода
План лекції:
Вода. Хімічні та фізичні властивості
Роль водню та води в природі
Водень як хімічний елемент
Водень - це єдиний елемент періодичної системи Д. І. Менделєєва, місце якого неоднозначно. Його хімічний символу таблиці Менделєєва записано двічі: і в IA, і в VIIAгрупах. Це пояснюється тим, що водень має ряд властивостей, що поєднують його як лужними металами, і з галогенами (табл. 14).
Таблиця 14
Порівняння властивостей водню з властивостями лужних металів та галогенів
| Подібність до лужних металів | Подібність до галогенів |
| На зовнішньому енергетичному рівні атоми водню містять електрон. Водень відноситься до s-елементів | До завершення зовнішнього та єдиного рівня атомів водню, як і атомів галогенів, не вистачає одного електрона |
| Водень виявляє відновлювальні властивості. В результаті окислення водень отримує найбільш часто зустрічається в його сполуках ступінь окислення +1 | Водень, як і галогени, у сполуках із лужними та лужноземельними металами має ступінь окислення -1, що підтверджує його окисні властивості. |
| Передбачається наявність у космосі твердого водню з металевими кристалічними ґратами. | Подібно до фтору і хлору, водень за звичайних умов є газом. Його молекули, як і молекули галогенів, двоатомні та утворені за рахунок ковалентного неполярного зв'язку |
У природі водень існує у вигляді трьох ізотопів з масовими числами 1, 2 і 3: протий 1 1 Н, дейтерій 2 1 D і тритій 3 1 Т. Перші два є стабільними ізотопами, а третій радіоактивний. У природній суміші ізотопів переважає протий. Кількісні співвідношення між ізотопами Н: D: Т становлять 1: 1,46 10 -5: 4,00 10 -15 .
Сполуки ізотопів водню відрізняються за властивостями один від одного. Так, наприклад, температура кипіння та замерзання легкої протиєвої води (H 2 O) відповідно дорівнюють – 100 о С та 0 про С, а дейтерієвої (D 2 O) – 101,4 про С та 3,8 про С. Швидкість перебігу реакцій за участю легкої води вища, ніж важка.
У Всесвіті водень є найпоширенішим елементом - його частку припадає близько 75% маси Всесвіту чи понад 90% всіх його атомів. Водень входить до складу води у її найважливішу геологічну оболонку Землі – гідросферу.
Водень утворює, поряд з вуглецем, всі органічні речовини, тобто входить до складу живої оболонки Землі – біосфери. У земній корі – літосфері – масовий вміст водню становить лише 0,88%, тобто він займає 9-е місце серед усіх елементів. Повітряна оболонка Землі - атмосфера містить менше мільйонної частини загального обсягу, що припадає на молекулярного водню. Він зустрічається лише у верхніх шарах атмосфери.
Отримання та застосування водню
Вперше водень був отриманий у XVI столітті середньовічним лікарем та алхіміком Парацельсом, при зануренні залізної пластини в сірчану кислоту, а в 1766 році англійським хіміком Генрі Кавендішем було доведено, що водень виходить не тільки при взаємодії заліза із сірчаною кислотою, а й інших металів з іншими кислотами. Кавендіш також описав уперше властивості водню.
У лабораторних умовах водень отримують:
1. Взаємодія металів з кислотою:
Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2
2. Взаємодіям лужних та лужноземельних металів з водою
2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2
Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
У промисловості водень одержують такими способами:
1. Електроліз водних розчинів солей, кислот та лугів.Найчастіше використовують розчин кухонної солі:
2NaCl + 2H 2 O →ел. струм H 2 + Cl 2 + NaOH
2. Відновлення водяної пари розпеченим коксом:
С + Н 2 Про → t СО + Н 2
Утворена суміш чадного газу і водню називається водяним газом (синтез газ),та широко використовується для синтезу різних хімічних продуктів (аміаку, метанолу та ін.). Для виділення водню з водяного газу чадний газ перетворюють на вуглекислий, при нагріванні з парами води:
СО + Н 2 → t СО 2 + Н 2
3. Нагрівання метануу присутності парів води та кисню. Цей спосіб в даний час є основним:
2СН 4 + О 2 + 2Н 2 О → t 2СО 2 + 6Н 2
Водень широко застосовується для:
1. промислового синтезу аміаку та хлороводню;
2. отримання метанолу та синтетичного рідкого палива у складі синтез-газу (2 обсяги водню та 1 обсяг СО);
3. гідроочищення та гідрокрекінгу нафтових фракцій;
4. гідрогенізації рідких жирів;
5. різання та зварювання металів;
6. отримання вольфраму, молібдену та ренію з їх оксидів;
7. космічних двигунів як паливо.
8. у термоядерних реакторах як паливо використовуються ізотопи водню.
Фізичні та хімічні властивості водню
Водень – газ без кольору, смаку та запаху. Щільність за н.у. 0,09 г/л (у 14 разів легше за повітря). Водень погано розчинний у воді (тільки 2 об'єми газу на 100 об'ємів води), проте добре поглинається d-металами - нікелем, платиною, паладієм (в одному обсязі паладію розчиняється до 900 об'ємів водню).
У хімічних реакціяхводень виявляє як відновлювальні, так і окисні властивості. Найчастіше водень виступає як відновник.
1. Взаємодія з неметалами. Водень з неметалами утворює леткі водневі сполуки (див. лекція 25).
З галогенамишвидкість реакції та умови протікання змінюються від фтору до йоду: з фтором водень реагує з вибухом навіть у темряві, з хлором реакція йде досить спокійно при невеликому опроміненні світлом, з бромом та йодом реакції оборотні та йдуть тільки при нагріванні:
H 2 + F 2 → 2HF
H 2 + Cl 2 → hν 2HCl
H 2 + I 2 → t 2HI
З киснемта сірий водень реагує при невеликому нагріванні. Суміш кисню та водню у співвідношенні 1:2 називається гримучим газом:
Н 2 + О 2 → t Н 2 О
H 2 + S → t H 2 S
З азотом, фосфором та вуглецемреакція відбувається при нагріванні, підвищеному тискута у присутності каталізатора. Реакції оборотні:
3H 2 + N 2 →кат., р, t2NH 3
2H 2 + 3P →кат., р, t3PH 3
H 2 + C →кат., p, t CH 4
2. Взаємодія зі складними речовинами.За високої температури водень відновлює метали з їх оксидів:
CuO + H 2 → t Cu + H 2 O
3. При взаємодія з лужними та лужноземельними металами водень виявляє окисні властивості:
2Na + H 2 → 2NaH
Ca + H 2 → CaH 2
4. Взаємодія з органічними речовинами. Водень активно взаємодіє з багатьма органічними речовинами, такі реакції називаються реакціями гідрування. Подібні реакції докладніше будуть розглянуті у III частині збірки «Органічна хімія».
Водень є найпершим елементом у Періодичною системоюхімічних елементів, має атомний номер 1 та відносну атомну масу 1,0079. Які фізичні властивості водню?
Фізичні властивості водню
У перекладі з латині водень означає «що народжує воду». Ще в 1766 році англійський вчений Г. Кавендіш зібрав виділяється при дії кислот на метали «горюче повітря» і став досліджувати його властивості. У 1787 році А. Лавуазьє визначив це «горюче повітря» як новий хімічний елемент, що входить до складу води.
Мал. 1. А. Лавуазьє.
У водню існують 2 стабільні ізотопи – протий і дейтерій, а також радіоактивний – тритій, кількість якого на нашій планеті дуже мала.
Водень є найпоширенішим елементом у космосі. Сонце та більшість зірок мають водень у своєму складі як основний елемент. Також цей газ входить до складу води, нафти, газу. Загальний вміст водню Землі становить 1%.
Мал. 2. Формула водню.
До складу атома цієї речовини входить ядро та один електрон. Коли у водню втрачається електрон, він утворює позитивно заряджений іон, тобто виявляє металеві властивості. Але атом водню здатний як втрачати, а й приєднувати електрон. У цьому він дуже схожий на галогени. Тому водень у Періодичній системі відноситься і до І та до VII групи. Неметалічні властивості водню виражені в нього більшою мірою.
Молекула водню складається з двох атомів, пов'язаних між собою ковалентним зв'язком.
Водень за звичайних умов є безбарвним газоподібним елементом, який не має запаху та смаку. Він у 14 разів легший за повітря, а його температура кипіння становить -252,8 градусів за Цельсієм.
Таблиця "Фізичні властивості водню"
Крім фізичних властивостейводень має і низку хімічних властивостей. водень при нагріванні або під дією каталізаторів вступає в реакції з металами та неметалами, сіркою, селеном, телуром, а також може відновлювати оксиди багатьох металів.
Отримання водню
З промислових способів отримання водню (крім електролізу водних розчинів солей) слід зазначити такі:
- пропускання парів води через розпечене вугілля при температурі 1000 градусів:
- конверсія метану водяною парою при температурі 900 градусів:
CH 4 +2H 2 O=CO 2 +4H 2
