Урок посвящен изучению основных химических свойств водорода. Свойства вещества определяют и его применение. В ходе урока вы познакомитесь с некоторыми областями использования водорода.
I. Химические свойства водорода
При обычных условиях молекулярный Водород сравнительно мало активен, непосредственно соединяясь лишь с наиболее активными из неметаллов (с фтором, а на свету и с хлором). Однако при нагревании он вступает в реакции со многими элементами.
Водород вступает в реакции с простыми и сложными веществами:
1. Взаимодействие водорода с металлами приводит к образованию сложных веществ — гидридов, в химических формулах которых атом металла всегда стоит на первом месте:
При высокой температуре водород непосредственно реагирует с некоторыми металлами (щелочными, щелочноземельными и другими), образуя белые кристаллические вещества — гидриды металлов (LiН, NaН, КН, СаН2 и др.): Н2 + 2Li = 2LiH
Гидриды металлов легко разлагаются водой с образованием соответствующей щелочи и водорода:
СаH2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2↑
— При взаимодействии водорода с неметаллами образуются летучие водородные соединения. В химической формуле летучего водородного соединения, атом водорода может стоять как на первом так и на втором месте, в зависимости от местонахождения в ПСХЭ
2. Взаимодействие водорода с неметаллами: с кислородом
2Н2 + О2 = 2Н2О + Q
При обычных температурах реакция протекает крайне медленно, выше 550°С — со взрывом (смесь 2 объемов Н2 и 1 объема О2 называется гремучим газом).
Н2 + Cl2 = 2НСl
При этом с фтором водород взрывается (даже в темноте и при — 252°С), с хлором и бромом реагирует лишь при освещении или нагревании, а с йодом только при нагревании.
Взаимодействие водорода с неметаллами: при повышенных температуpax и давлениях,
ЗН2 + N2 = 2NН3
Взаимодействие водорода с неметаллами: с серой (при нагревании)
Н2 + S = H2S (сероводород),
значительно труднее с селеном и теллуром.
Взаимодействие водорода с неметаллами: водород может реагировать без катализатора только при высоких температуpax)
2Н2 + С (аморфный) = СН4 (метан)
Взаимодействие водорода с оксидами металлов (реакция замещения). При этом образуются в продуктах вода и восстанавливается металл. Водород — проявляет свойства восстановителя:
Водород используется для восстановления многих металлов, так как отнимает кислород у их оксидов:
Опыт: “Взаимодействие оксида меди (II) с водородом”
СuO + H2 = Cu + H2O
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4Н2О, и т. д.
В настоящее время водород получают в огромных количествах. Очень большую часть его используют при синтезе аммиака, гидрогенизации жиров и при гидрировании угля, масел и углеводородов. Кроме того, водород применяют для синтеза соляной кислоты, метилового спирта, синильной кислоты, при сварке и ковке металлов, а также при изготовлении ламп накаливания и драгоценных камней. В продажу водород поступает в баллонах под давлением свыше 150 атм. Они окрашены в тёмно-зелёный цвет и снабжаются красной надписью «Водород».
Водород используется для превращения жидких жиров в твердые (гидрогенизация), производства жидкого топлива гидрогенизацией углей и мазута. В металлургии водород используют как восстановитель оксидов или хлоридов для получения металлов и неметаллов (германия, кремния, галлия, циркония, гафния, молибдена, вольфрама и др.).
Практическое применение водорода многообразно: им обычно заполняют шары-зонды, в химической промышленности он служит сырьём для получения многих весьма важных продуктов (аммиака и др.), в пищевой — для выработки из растительных масел твёрдых жиров и т. д. Высокая температура (до 2600 °С), получающаяся при горении водорода в кислороде, используется для плавления тугоплавких металлов, кварца и т. п. Жидкий водород является одним из наиболее эффективных реактивных топлив. Ежегодное мировое потребление водорода превышает 1 млн. т.
Видео «Взрыв гремучего газа»
Видео «Приготовление и взрыв гремучей смеси»
- Что такое водород
- Нахождение в природе, изучение его свойств
- Химические и физические свойства
- Получение водорода, как добыть вытеснением из воды
- Получение и собирание водорода в домашних условиях, техника безопасности
- Особенности применения водорода
- Водород — что это за элемент
- История открытия
- Распространенность в природе
- Как получить водород, основные реакции
Что такое водород
Водород — самый легкий химический элемент, занимающий в периодической таблице Менделеева начальное место.
Его атомный номер — единица. На одноатомную форму водорода приходится около 75% барионной массы, она считается самым распространенным веществом во всей Вселенной. Водородная плазма — основное вещество звезд, за исключением компактных.
У водорода три изотопа:
К общим характеристикам относятся следующие свойства: не имеет цвета запаха, вкуса. Двухатомная форма
нетоксична, однако в соединении с воздухом (или
) пожароопасна и склонна к взрывам. Взрывоопасность также проявляется в присутствии прочих газов-окислителей, например, фтора, хлора.
На Земле водород присутствует в составе молекулярных соединений, например, вода. Его роль в кислотно-основных реакциях трудно переоценить.
Нахождение в природе, изучение его свойств
Звездная температура позволяет существовать водороду в виде плазмы. Это примерно 6000оС. Однако пространство между звездами заполнено отдельными молекулами, атомами и ионами, которые зачастую образовывают молекулярные скопления различных размеров и форм — облака. Плотность вещества при этом не является постоянной величиной, как и его температура.
В коре Земли водород считается десятым по распространенности элементом. Его массовая доля равна 1%. В то же время по числу атомов он достигает 17%. Это второе место после кислорода, доля которого равна 52%. Отсюда и значительная роль водорода в природе, особенно в химических превращениях.
Водород, в отличие от кислорода, не может существовать в свободном состоянии, только в связанном. Исключение составляет атмосфера, в сухом остатке которой 0,00005% простого вещества — водорода.
Все органические вещества включают в свой состав водород. Велика его доля в живых клетках (по количеству атомов его удельный вес достигает 63%).
В составе воды водород имеет большое значение в протекании геохимических процессов. Так, вулканические газы вызывают истечение определенных количестве водорода вдоль разломов (причина — рифтогенез). По этой же причине часто обнаруживают водород в районе угольных месторождений.
Натуральные минералы могут содержать
Причина появления молекул
в атмосфере — разложение формальдегида — участника окисления метана и прочих органических соединений. Кроме того, причина его образования — неполное сгорание топлива и биомассы, фиксация азота некоторыми микроорганизмами, содержащимися в воздухе.
Молекулы водорода легкие, поэтому имеют высокую тепловую скорость. При попадании в верхние слои атмосферы такие молекулы часто улетают в космос, при этом их потери могут достигать 3 кг каждую секунду.
Химические и физические свойства
Начиная говорить о химических свойствах водорода, нужно отметить чрезвычайную прочность его двухатомной молекулы. Для того, чтобы она распалась и атомы могли провзаимодействовать с другими участниками химической реакции, необходима энергия:
Обычные температурные условия обеспечивают протекание реакций только с металлами высокой активности, к примеру, с кальцием:
Исключение составляет реакция с фтором, продуктом которой является фтороводород:
Если имеется возможность повышения температуры (либо при другом воздействии, к примеру, освещении), водород может вступать в реакцию с большинством металлов и неметаллов:
В реакциях с галогенами образуются галогеноводороды:
В реакции с оксидами водород проявляет восстановительные свойства:
Высокая температура делает возможной реакцию с сажей:
Когда активные металлы соединяются с водородом, образуются гидриды, например гидрид натрия (NaH), гидрид кальция (
), гидрид магния
Оксиды металлов, реагируя с водородом, восстанавливаются с выделением воды:
Благодаря свойствам водорода, он нашел применение для восстановления органических веществ. Протекают реакции с участием катализатора, а также при высоких параметрах давления и температуры. К примеру, насыщенные алканы образуются в результате гидрирования ненасыщенных алкенов и алкинов.
Физические свойства водорода:
Хорошо растворяется в металлах, поэтому способен диффундировать в них. В серебре не растворим.
Получение водорода, как добыть вытеснением из воды
Потребление в мире водорода составляет порядка 75 млн т. Основная масса приходится на нефтепереработку и производство аммиака. Получение водорода для таких промышленных нужд происходит в основном из природного газа (его расход составляет 205 млрд м3). Оставшуюся часть берут из угля. Примерно 100 тыс т вырабатывают с помощью реакции электролиза.
Получение водорода сопровождается поступлением в атмосферу 830 млн т углекислого газа. Стоимость получения водорода из газа составляет от полутора до трех долларов за каждый кг.
Получение водорода методом электролиза в химии выглядит так:
Метод конверсии метана при температуре 1000оС с водяными парами:
Следующий способ получения — пропускание водяных паров над горящим коксом (температура не менее 1000оС):
Свободный водород выделяется в результате реакции катализа окислением кислородом:
В промышленности H2 часто получают путем электролиза водных растворов активных металлов:
а также путем крекинга и риформинга углеводородов при переработке нефти.
Существуют способы получения Н2 лабораторными способами:
В промышленности используется очистка водорода из сырья, которое содержит углерод (в частности — водородсодержащий газ ВСГ). Методы следующие:
Получение и собирание водорода в домашних условиях, техника безопасности
Реальным способом получения водорода в домашних условиях является реакция щелочи с алюминием. Газ получается гораздо чище, чем в реакции с кислотой. Схема следующая. В качестве алюминия используют фольгу, щелочного раствора — средство «Крот».
Берем стеклянную емкость, засыпаем в нее немного средства против засора «Крот» и наливаем 100 г воды обычной температуры. Перемешиваем до полного растворения и помещаем сюда же фольгу, скатанную в небольшие шарики. Выделение тепла свидетельствует о начале реакции, после чего ее скорость активируется. Через 20-60 секунд можно добавить новую порцию фольги.
Чтобы образовавшийся водород собрать, можно закрыть банку крышкой, сделав в ней отверстие, в которое вставить трубку. Второй конец трубки закрепить в воздушном шарике.
Поскольку водород является взрывоопасным веществом, делать это нужно крайне осторожно, начиная от момента возможного вытеснения крышки до конца процесса. Попадание водорода в воду приведет к образованию вещества, способного вызвать обморожение.
Особенности применения водорода
Водород используется во многих производственных сферах, что отражено в таблице:
В химической промышленности активный водород идет на производство аммиака (50%), метанола (8%). В нефтеперерабатывающей — для гидрокрекинга и гидроочистки. На эти цели расходуется около 37% всего водорода, что производится.
Пищевая и косметическая промышленность «пользуется» водородом для производства пищевых добавок, а также саломаса, маргарина, мыла, косметических продуктов.
Для химических лабораторий водород — газ-носитель для газовой хроматографии, а для метеорологии — наполнитель оболочек метеозондов.
Водород — ценное ракетное топливо, однако, ввиду незначительного диапазона температур, используется смесь жидкой и твердой фаз.
В электроэнергетике водород применяют для охлаждения электрогенераторов. Его высокая теплопроводность позволяет использовать газ для заполнения сфер гирокомпасов и колб LED-лампочек.
Водород — что это за элемент
Водород (H, лат. hydrogenium) — является химическим элементом периодической системы с обозначением H и атомным номером 1, представляет собой самым легкий из элементов периодической таблицы.
Водород соответствует главной подгруппе I группы и располагается в первом периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Элемент является наиболее распространенным во Вселенной. Из водорода состоит около 75% всей барионной массы. Звезды, за исключением компактных, в основном состоят из водородной плазмы.
В основном состоянии водород характеризуется следующей электронной схемой:
Первый энергетический уровень атома водорода (он же внешний) содержит один неспаренный электрон в основном энергетическом состоянии. Атом водорода обладает степенями окисления — от -1 до +1. Характерные степени окисления -1, 0, +1.
Известны три изотопа водорода, в отличие от изотопов других элементов они имеют собственные названия:
Ядро протия, который является наиболее распространенным изотопом водорода, включает в себя лишь один протон и не имеет нейтронов, ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон, ядро трития — один протон и два нейтрона.
В стандартных условиях при обычной температуре и давлении простое вещество водород представляет собой нетоксичный двухатомный газ без цвета, запаха и вкуса. Химическая формула газообразного вещества
. Смешиваясь с воздухом или кислородом, водород приобретает свойства горючести, пожаро- и взрывоопасности. Вещество также взрывоопасно при наличии окисляющих газов, в том числе, фтора или хлора.
В связи с легкостью формирования ковалентных связей водородом с большинством неметаллов, большая часть данного вещества на нашей планете представлена в виде разнообразных соединений, к примеру, воды или органических веществ. Водород имеет большое значение для реализации кислотно-основных реакций, растворяется в этаноле и таких металлах, как:
История открытия
В XVI и XVII столетиях, отмеченных эпохой становления химии как науки, наблюдали явление высвобождения горючего газа в процессе взаимодействия кислот и металлов. Впервые водород удалось синтезировать Парацельсу в XVI веке путем погружения стружки железа в серную кислоту. В 1671 году Робертом Бойлем была подробно описана химическая реакция между железной стружкой и разбавленными кислотами. Результатом такого процесса являлось выделение газообразного водорода.
В 1766 году Генри Кавендиш впервые признал водород в газообразном агрегатном состоянии, как индивидуальный элемент. Ученый назвал газ, который выделялся при взаимодействии металла и кислоты, «горючим воздухом». Генри Кавендиш высказал предположение об идентичности «горючего воздуха» гипотетическому веществу под названием «флогистон». В 1781 году ученому удалось обнаружить, что при его сгорании образуется вода.
Прямые указания на выделение водорода представлял научному сообществу и Михаил Ломоносов, который пришел к выводу, что вещество не является флогистоном. Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Жаном Менье с помощью специальных газометров в 1783 году синтезировал воду. В ходе эксперимента исследователи проанализировали полученную жидкость, разложив водяной пар раскаленным железом. Таким образом, было установлено, что «горючий воздух» является составным компонентом воды и может быть из нее получен.
Лавуазье дал водороду название hydrogène, что в переводе c греческого означает «рождающий воду». В 1801 году последователь Лавуазье, академик Василий Севергин, ввел понятие «водотворное вещество». Русское наименование «водород» было предложено химиком Михаилом Соловьевым в 1824 году — по аналогии с «кислородом» Ломоносова.
Распространенность в природе
В настоящее время водород является самым распространенным элементом во Вселенной. На долю водорода приходится примерно 88,6 % всех атомов (около 11,3 % составляют атомы гелия, доля других вместе взятых элементов равна приблизительно 0,1 %). Водород представляет собой основную часть звезд и межзвездного газа.
В условиях звездных температур (к примеру, температура поверхности Солнца достигает 6000 °C) водород представлен в форме плазмы. Межзвездное пространство заполнено данным элементом в виде отдельных молекул, атомов и ионов. Вещество способно формировать молекулярные облака, которые существенно отличаются размерами, плотностью и температурой.
Массовая доля водорода в земной коре равна 1%. Данный факт позволяет водороду занимать десятое место по распространенности. Следует отметить, что значение элемента в природном мире определено не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17% (второе место после кислорода, доля атомов которого равна примерно 52%). В связи с этим, роль водорода в химических процессах, которые протекают в жизни нашей планеты, велика и сравнима по значению с кислородом.
Почти весь водород на Земле представлен в виде соединений, что отличает элемент от кислорода, присутствующего на планете и в связанном, и в свободном состояниях. Атмосфера содержит лишь незначительное количество водорода в виде простого вещества (0,00005 % по объему для сухого воздуха). Водород является компонентом почти каждого органического вещества и включен в состав всех живых клеток, где, исходя из числа атомов, на элемент приходится около 63%.
Водород представляет собой самый легкий газ, который легче, чем воздух в 14,5 раз. В связи с этим, мыльные пузыри, наполненные водородом, на воздухе поднимаются вверх. Чем меньшей массой обладают молекулы, тем большую скорость они развивают при одинаковой температуре. Являясь самыми легкими, молекулы водорода перемещаются быстрее по сравнению с молекулами любого другого газа. По этой причине они с большей скоростью передают теплоту между объектами. В результате водород характеризуется максимальными показателями теплопроводности в сравнении с другими веществами в газообразном состоянии. Данный показатель приблизительно в 7 раз превышает аналогичные характеристики воздуха.
Водород малорастворим в воде — 18,8 мл/л. Вещество легко растворяется во многих металлах (Ni, Pt, Pd и других), особенно в палладии (850 объемов
Водород в жидком агрегатном состоянии можно встретить в небольшом интервале температур от −252,76 °C до −259,2 °C. Вещество представляет собой жидкость, которая не обладает окраской, характеризуется легкостью (плотность при −253 °C составляет 0,0708 г/
Перечисленные параметры являются причиной возникновения трудностей при сжижении водорода. Твердое вещество обладает температурой плавления −259,2 °C, плотностью
. В твердом агрегатном состоянии водород представляет собой массу, похожую на снег, в виде кристаллов гексагональной сингонии. Относится к пространственной группе P6/mmc, имеет параметры ячейки a = 0,378 нм и c = 0,6167 нм.
В 1935 году Уингер и Хунтингтон выдвинули гипотезу о том, что при повышении давления до 250 тысяч атм возможен переход водорода в металлическое состояние. Синтез данного вещества в устойчивом состоянии сопровождался заманчивыми перспективами его применения как сверхлегкого металла, составного компонента легкого и энергоемкого ракетного топлива.
В 2014 году ученым удалось установить тот факт, что при давлении около 1,5—2,0 млн атм водород приобретает способность к поглощению инфракрасного излучения. Явление подтвердило способность электронных оболочек молекул вещества поляризоваться. Вполне допустимо, что при еще более высоких характеристиках давления водород трансформируется в металл. В 2017 году была зафиксирована информация о вероятном экспериментальном наблюдении трансформации водорода в металлическое состояние при условиях высокого давления.
Спиновые формы молекулярного водорода:
Данные модификации вещества несколько отличаются по следующим параметрам:
Разделение спиновых изомеров водорода возможно путем адсорбции на активном угле при температуре жидкого азота. Если температуры очень низкие, то равновесие между ортоводородом и параводородом практически нацело смещено в сторону параводорода. Это объясняется более низкими энергетическими характеристиками пара-молекулы по сравнению с энергией орто-молекулы. При 80 К соотношение модификаций приближенно соответствует 1:1. Десорбированный с угля параводород в процессе нагрева трансформируется в ортоводород, что сопровождается образованием равновесной смеси.
В условиях комнатной температуры равновесная смесь ортоводорода и параводорода имеет состав 75:25. При отсутствии катализатора взаимное превращение протекает с относительно низкой скоростью. Это позволяет проанализировать свойства модификаций водорода. В том случае, когда межзвездная среда разрежена, характерное время перехода в равновесную смесь очень велико, вплоть до космологических.
Водород способен проявлять свойства окислителя и свойства восстановителя. В связи с этим, вещество может вступать в химические реакции и с металлами, и с неметаллами.
Водород не вступает во взаимодействие с кремнием и фосфором.
Смесь водорода с кислородом в мольном соотношении 2 : 1 называется гремучим газом.
Водород вступает в химические реакции со сложными веществами, способен восстанавливать металлы из основных и амфотерных оксидов. Водородом можно восстановить из оксида металлы, которые располагаются в электрохимическом ряду напряжений после алюминия. Процесс сопровождается образованием металла и воды.
Со многими органическими веществами водород вступает в реакции присоединения, то есть реакции гидрирования.
Молекулярный водород нашел широкое применение в органическом синтезе и используется с целью восстановления органических соединений. Данные процессы носят название реакций гидрирования. Подобное взаимодействие возможно при наличии катализатора, повышенном давлении и нагреве. В качестве катализатора допустимо использовать гомогенные (к примеру, Катализатор Уилкинсона) и гетерогенные (например, никель Ренея, палладий на угле) вещества.
Как получить водород, основные реакции
Водород в основном используют для переработки нефтепродуктов и производства аммиака. По большей части вещество промышленным способом получают из природного газа. Остальной объем синтезируют из угля. Около 0,1 % водорода вырабатывают с помощью электролиза.
Применяют также промышленный способ электролиза химически чистой воды, исключая какие-либо добавки. Технологическое оборудование, в данном случае, является обратимым топливным элементом, дополненным твердой мембраной из полимерного материала или без нее.
Существуют лабораторные методы синтеза водорода.