Химические свойства водорода кратко

Лавуазье дал водороду название hydrogène (от др.-греч. — вода и — рождаю) — «рождающий воду». В 1801 году последователь Лавуазье, академик Василий Севергин, называл его «водотворное вещество», он писал:

Водотворное вещество в соединении с кислотворным составляет воду. Сие можно доказать, как через разрешение, так и через составление.

Русское наименование «водород» предложил химик Михаил Соловьёв в 1824 году — по аналогии с «кислородом» Ломоносова.

Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Впервые водород получил Парацельс, погружая железные опилки в серную кислоту в XVI веке.

В 1671 году Роберт Бойль подробно описал реакцию между железными опилками и разбавленными кислотами, при которой выделяется газообразный водород.

В 1766 году Генри Кавендиш был первым, кто признал газообразный водород индивидуальным элементом, назвав газ, выделяющийся при реакции металла с кислотой «горючим воздухом». Он предположил, что «горючий воздух» идентичен гипотетическому веществу, называемому «флогистон», и в 1781 году обнаружил, что при его сгорании образуется вода.

Прямо указывал на выделение водорода и Михаил Ломоносов, но он уже понимал, что это не флогистон.

Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Жаном Мёнье, используя специальные газометры, в 1783 году осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Так он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.

Водород (H, лат. ) — химический элемент периодической системы с обозначением H и атомным номером 1, самый лёгкий из элементов периодической таблицы. Его одноатомная форма — самое распространённое химическое вещество во Вселенной, составляющее примерно 75 % всей барионной массы. Звёзды, кроме компактных, в основном состоят из водородной плазмы.

Три изотопа водорода имеют собственные названия: 1H — протий, 2H — дейтерий и 3H — тритий (радиоактивен). Ядро самого распространённого изотопа, протия, состоит из одного только протона и не содержит нейтронов.

При стандартных температуре и давлении водород — бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичный двухатомный газ с химической формулой H2, который в смеси с воздухом или кислородом горюч и крайне пожаро- и взрывоопасен. В присутствии других окисляющих газов, например фтора или хлора, водород также взрывоопасен. Поскольку водород охотно формирует ковалентные связи с большинством неметаллов, большая часть водорода на Земле существует в молекулярных соединениях, таких как вода или органические вещества. Водород играет особенно важную роль в кислотно-основных реакциях.

Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, титане, платине, ниобии.

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

Считается, что взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4 % до 96 % объёмных. При смеси с воздухом от 4 % до 75 (74) % по объёму. Такие цифры фигурируют сейчас в большинстве справочников, и ими вполне можно пользоваться для ориентировочных оценок. Однако следует иметь в виду, что более поздние исследования (примерно конец 80-х) выявили, что водород в больших объёмах может быть взрывоопасен и при меньшей концентрации. Чем больше объём, тем меньшая концентрация водорода опасна.

Источник этой широко растиражированной ошибки в том, что взрывоопасность исследовалась в лабораториях на малых объёмах. Поскольку реакция водорода с кислородом — это цепная химическая реакция, которая проходит по свободнорадикальному механизму, «гибель» свободных радикалов на стенках (или, скажем, поверхности пылинок) критична для продолжения цепочки. В случаях, когда возможно создание «пограничных» концентраций в больших объёмах (помещения, ангары, цеха), следует иметь в виду, что реально взрывоопасная концентрация может отличаться от 4 % как в большую, так и в меньшую стороны.

На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем, планетами-гигантами и первичными метеоритами, из чего следует, что во время образования Земля была значительно дегазирована: основная масса водорода, как и других летучих элементов, покинула планету во время аккреции или вскоре после неё. Однако точное содержание данного газа в составе геосфер нашей планеты (исключая земную кору) — астеносферы, мантии, ядра Земли — неизвестно.

Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах. Известно содержание водорода в составе вулканических газов, истечение некоторых количеств водорода вдоль разломов в зонах рифтогенеза, выделение этого газа в некоторых угольных месторождениях.

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

В атмосфере молекулярный водород непрерывно образуется в результате разложения формальдегида, образующегося в цепочке окисления метана или другой органики, солнечным излучением (31—67 гигатонн/год), неполного сгорания различных топлив и биомасс (по 5—25 гигатонн/год), в процессе фиксации азота микроорганизмами из воздуха (3−22 гигатонн/год).

Имея малую массу, молекулы водорода в составе воздуха обладают высокой тепловой скоростью (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут навсегда улететь в космическое пространство (см. Диссипация атмосфер планет). Объёмы потерь оцениваются в в секунду.

— химический элемент № (1) периодической системы.

Атом водорода — самый простой по строению, самый лёгкий из атомов всех известных элементов. В его ядре находится , а в электронной оболочке — всего .

Рис. (1). Атом водорода

Химический элемент водород представлен тремя изотопами:

— протий (основной),

— дейтерий (

). Ядро протия не содержит нейтронов, в ядре дейтерия один нейтрон, а в ядре трития их два. Поэтому изотопы водорода различаются массами.

Водород обычно помещают и в (IА) группу (к щелочным металлам), и в (VIIA) группу (к галогенам).

Особое положение водорода связано со строением его электронной оболочки: в атоме один валентный электрон (как у щелочных металлов), а для завершения внешнего электронного слоя не хватает одного электрона (как атомам галогенов).

В химических реакциях атом водорода может отдавать или принимать электрон, поэтому проявляет в соединениях и положительную, и отрицательную степени окисления:

В ряду электроотрицательности место водорода — между металлами и неметаллами:

Степень окисления (+1) водород проявляет в соединениях с более электроотрицательными неметаллами (

), а  (–1) — в соединениях с металлами, кремнием и бором (

Водород — элемент во Вселенной. Из атомов этого элемента в недрах звёзд синтезируются все другие элементы.

Среди элементов земной коры водород по распространённости занимает место. Он входит в состав воды, нефти, природного газа, а также содержится во всех живых организмах.

Свободного водорода в атмосфере Земли очень мало.

Доля диссоциировавших молекул водорода при атмосферном давлении в зависимости от температуры

Молекулы водорода достаточно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

− 432 кДж

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например, с кальцием, образуя гидрид кальция:

и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например, при освещении:

Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

С галогенами образует галогеноводороды:

, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,

, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

Взаимодействие с оксидами металлов

Оксиды металлов (как правило, d-элементов) восстанавливаются до металлов:

Гидрирование органических соединений

Молекулярный водород широко применяется в органическом синтезе для восстановления органических соединений. Эти процессы называют реакциями гидрирования. Эти реакции проводят в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре. Катализатор может быть как гомогенным (напр., Катализатор Уилкинсона), так и гетерогенным (напр., никель Ренея, палладий на угле).

Так, в частности, при каталитическом гидрировании ненасыщенных соединений, таких как алкены и алкины, образуются насыщенные соединения — алканы.

Распространение ионизированного водорода в межзвёздной среде в различных частях нашей Галактики. Изображение в диапазоне H-альфа.

В настоящее время водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 88,6 % всех атомов (около 11,3 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — порядка 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. Повсеместное возникновение атомарного водорода впервые произошло в эпоху рекомбинации.

В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.

Земная кора и живые организмы

Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 % (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~52 %). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода.

В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005 % по объёму для сухого воздуха).

Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках, где по числу атомов на водород приходится почти 63 %.

Основная статья: Изотопы водорода

Термодинамическое состояние насыщенного пара водорода с различным изотопным составом

Наиболее известны три изотопа водорода: протий 1H (атомное ядро — протон), дейтерий 2H (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона) и тритий 3H (ядро состоит из одного протона и двух нейтронов). Эти изотопы имеют собственные химические символы: протий — H, дейтерий — D, тритий — T.

Протий и дейтерий стабильны. Содержание этих изотопов в природном водороде составляет 99,9885 ± 0,0070 % и 0,0115 ± 0,0070 % соответственно. Оно может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода. Тритий нестабилен, претерпевает бета-распад с периодом , превращаясь в стабильный гелий-3. Тритий встречается в природе в следовых количествах, образуясь главным образом при взаимодействии космических лучей со стабильными ядрами, при захвате дейтерием тепловых нейтронов и при взаимодействии природного изотопа лития-6 с нейтронами, порождёнными космическими лучами.

Искусственно получены также тяжёлые радиоактивные изотопы водорода с массовыми числами 4—7 и периодами полураспада 10−21—10−23 с.

Природный молекулярный водород состоит из молекул H2 и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание в нём молекул из чистого дейтерия D2 ещё меньше, отношение концентраций HD и D2 составляет примерно 6400:1.

Из всех изотопов химических элементов физические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов.

Молекулы чистых протия, дейтерия и трития могут существовать в двух аллотропных модификациях (отличающихся взаимной ориентацией спинов ядер) — орто- и параводород: o-D2, p-D2, o-T2, p-T2. Молекулы водорода с другим изотопным составом (HD, HT, DT) не имеют орто- и парамодификаций.

Свойства изотопов водорода представлены в таблице.

В круглых скобках приведено среднеквадратическое отклонение значения в единицах последнего разряда соответствующего числа.

Свойства ядра 1H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.

Водород имеет строение. Его молекула

состоит из двух атомов, соединённых связью.

При комнатной температуре водород представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса. Это самое лёгкое вещество на Земле. Его плотность равна примерно (0,09) г/дм³. Водород в (14,5) раз легче воздуха.

В воде водород растворяется плохо (примерно (2) объёма на (100) объёмов воды), но может поглощаться некоторыми металлами. Например, (1) объём палладия может растворить до (900) объёмов водорода.

Температура кипения водорода низкая. Она равна (–253) °С. Ниже температура кипения только у гелия.

Молекулы водорода благодаря своей малой массе и размерам могут проникать сквозь стенки сосуда, в котором он содержится. Заполненный водородом шарик через некоторое время сдувается. При температуре (300)–(600) °С водород способен диффундировать сквозь стенки стеклянного или металлического сосуда.

При комнатной температуре химическая активность водорода низкая. Она значительно повышается при нагревании.

1. Взаимодействие с простыми веществами- (кроме фосфора, кремния, инертных газов).

Смесь водорода с кислородом или с воздухом взрывоопасна.

Подобным образом водород реагирует и с другими галогенами: фтором, бромом, иодом.

В реакциях с неметаллами водород является восстановителем.

2. Взаимодействие с простыми веществами-.

При нагревании водород реагирует со щелочными и щелочноземельными металлами с образованием гидридов:

В реакциях с металлами водород является окислителем.

3. Взаимодействие со сложными веществами.

Водород сегодня применяется во многих областях. Структура мирового потребления водорода представлена в следующей таблице

Химическая промышленность — это крупнейший потребитель водорода. Около 50 % мирового выпуска водорода идёт на производство аммиака. Ещё около 8 % используется для производства метанола. Из аммиака производят пластмассы, удобрения, взрывчатые вещества и прочее. Метанол является основой для производства некоторых пластмасс.

В нефтепереработке водород используется в процессах гидрокрекинга и гидроочистки, способствуя увеличению глубины переработки сырой нефти и повышению качества конечных продуктов. Для этих целей используется порядка 37 % всего производимого в мире водорода.

Пищевая и косметическая промышленность

При производстве саломаса (твёрдый жир, производимый из растительных масел). Саломас является основой для производства маргарина, косметических средств, мыла. Водород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949.

Водород используется в химических лабораториях в качестве газа-носителя в газовой хроматографии. Такие лаборатории есть на многих предприятиях в пищевой, парфюмерной, металлургической и химической промышленности. Несмотря на горючесть водорода, его использование в такой роли считается достаточно безопасным, поскольку водород используется в незначительных количествах. Эффективность водорода как газа-носителя при этом лучше, чем у гелия, при существенно более низкой стоимости.

В настоящее время водород в авиации не используется. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько катастроф, в ходе которых дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием, несмотря на его существенно более высокую стоимость.

Водород используется в метеорологии для заполнения оболочек метеозондов. Водород в этом качестве имеет преимущество перед гелием, так как он дешевле. Ещё более существенно, что водород вырабатывается прямо на метеостанции с помощью простого химического генератора или с помощью электролиза воды. Гелий же должен доставляться на метеостанцию в баллонах, что может быть затруднительно для удалённых мест.

Водород используют в качестве ракетного топлива. Ввиду крайне узкого диапазона температур (менее 7 кельвинов), при котором водород остаётся жидкостью, на практике чаще используется смесь жидкой и твёрдой фаз .

Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей.

В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.

Водород применяется для охлаждения мощных электрических генераторов.

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки. Высокая теплопроводность водорода используется для заполнения сфер гирокомпасов и стеклянных колб филаментных LED-лампочек.

Основная статья: Производство водорода

См. также: Биотехнологическое получение водорода

На 2019 год в мире потребляется 75 млн тонн водорода, в основном в нефтепереработке и производстве аммиака. Из них более 3/4 производится из природного газа, для чего расходуется более 205 млрд м3 газа. Почти все остальное получают из угля. Около 0,1 % (~100 тыс. тонн) вырабатывается электролизом. При производстве водорода в атмосферу поступает ~830 млн тонн CO2. Себестоимость водорода из природного газа оценивается в 1,5-3 доллара за 1 кг.

CH4 + H2O  ⇄  CO + 3H2

H2O + C  ⇄  CO↑ + H2↑

Кроме того, существует промышленная технология электролиза химически чистой воды, без применения каких-либо добавок. Фактически, устройство представляет собой обратимый топливный элемент с твёрдой полимерной мембраной.

2CH4 + O2 ⇄  2CO + 4H2

В промышленности реализованы несколько способов очистки водорода из углерод-содержащего сырья (т. н. водородсодержащий газ — ВСГ).

Стоимость водорода при крупнооптовых поставках колеблется в диапазоне 2—7 USD/кг. В небольших количествах перевозится в стальных баллонах зелёного или тёмно-зелёного цвета.

Положение этого химического элемента в периодической системе, строение его атома и молекулы. Физические и химические свойства водорода, получение и применение

Водород находится в 1-м периоде, I группе, главной (А) подгруппе. Химический знак водорода обычно проставляют и в VII группе.

Это связано с тем, что ядро атома водорода представляет из себя протон (элементарную частицу), заряд его равен +1. Электронная оболочка имеет один уровень, на котором расположен один электрон. Водород, как и металлы I группы, легко окисляется. Валентность водорода равна I.

В то же время водороду недостает только одного электрона, чтобы заполнить внешний электронный уровень (т. к. на I уровне может разместиться только 2 электрона). В этом он сходен с галогенами. Водород-простое вещество, как и галогены, является неметаллом. Поэтому химический знак водорода помещают также в VII группу.

Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных ковалентной неполярной связью.

Водород — газ, без цвета и запаха, легче воздуха. Растворимость в воде очень мала.

Водород может выступать в роли окислителя при нагревании со щелочными металлами:
2Na + H2 = 2NaH (образуется гидрид натрия)

В лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑

Водород собирают в сосуд, перевернутый кверху дном.

Чтобы проверить его на чистоту, пробирку с водородом подносят к пламени спиртовки. Чистый водород сгорает со звонким хлопком. Если
водород смешан с воздухом, сгорает со взрывом.

Водород можно получить взаимодействием натрия, кальция с водой:

2Na + 2HOH = 2NaOH + H2↑

При отсутствии этих реактивов практикуется получение водорода взаимодействием алюминиевой стружки и воды (с добавлением щелочи, чтобы разрушить оксидную пленку).

В промышленности водород получают при разложении природного газа.

Перспективным считается получение водорода при разложении воды электрическим током, но этот метод дорого обходится из-за больших
затрат электроэнергии.

Водород считается перспективным экологически чистым топливом для автомобильного и воздушного транспорта. Запасы нефти и газа на
Земле исчерпаемы, а водород можно получать из воды.

Задача. Вычисление количества вещества газа, необходимого для реакции с определенным количеством вещества другого газа. Пример

Ответ: 8 моль.

Водород (лат. hydrogenium = греч. ὕδωρ — вода + γεννάω — рождаю) — самый легкий химический элемент, при обычных условиях — газ
без цвета, запаха и вкуса. В соединении с кислородом образует воду.

Водород — самый распространенный элемент Вселенной, входит в состав всего живого и небесных тел (73% массы Солнца).

Степени окисления

Проявляет степени окисления: -1, 0, +1.

В промышленности водород получают различными методами:

Лабораторные методы традиционно отличаются от промышленных своей простотой. В лаборатории водород получают:

В реакциях водород проявляет себя как восстановитель и окислитель. Как восстановитель реагирует с элементами, электроотрицательность которых
выше, чем у водорода:

Вода

Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, вытесняют водород из воды.

Реагирует с основными оксидами — с образованием оснований (реакция идет, если основание растворимо), и с кислотными оксидами —
с образованием соответствующих кислот. Не забывайте сохранять степени окисления!

Отмечу здесь реакцию двойного гидролиза, которая заключается в гидролизе одной соли по катиону (CrBr3),
а другой — по аниону (Na2CO3).

Кристаллогидраты

Кристаллогидраты — кристаллические соединения, содержащие молекулы воды как самостоятельные структурные единицы. Вода, входящая в
состав кристаллогидратов, называется кристаллической. Примеры: CaSO4*2H2O,
Na2SO4*10H2O.

При нагревании кристаллогидраты теряют воду. Одним из наиболее известных кристаллогидратов является медный купорос: CuSO4*5H2O.
Медный купорос имеет характерный голубой цвет, а безводный сульфат меди — белый.

В задачах бывает дана масса медного купороса. Надо помнить о том, что часто в реакции не участвует кристаллическая вода. В таком случае следует
вычесть кристаллизационную воду и найти массу безводного сульфата меди.

Пероксид водорода

Представляет собой бесцветную жидкость с металлическим вкусом. Концентрированные растворы пероксида водорода взрывоопасны.

Получают пероксид водорода в реакции с пероксидами и супероксидами металлов.

В разбавленных растворах пероксид водорода легко разлагается:

Также перекись проявляет окислительные свойства:

Перекисью водорода обрабатывают раневую поверхность. Выделяющийся при разложении атомарный кислород разрушает бактериальные клетки,
предотвращая осложнение в виде бактериальной инфекции.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Эмиссионный спектр излучения атомов водорода на фоне сплошного спектра в видимой области

Эмиссионный спектр атомов водорода. Четыре видимые глазом спектральные линии серии Бальмера

Водород — самый лёгкий газ: он легче воздуха в 14,5 раз. Поэтому, например, мыльные пузыри, наполненные водородом, на воздухе стремятся вверх. Чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.

Молекула водорода двухатомна — H2. При нормальных условиях это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность (н. у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания , малорастворим в воде — .

Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов H2 на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.

Фазовая диаграмма водорода

Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C ) и текучая (вязкость при −253 °C ). Критические параметры водорода очень низкие: температура −240,2 °C и давление . Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79 % пара-H2, 0,21 % орто-H2.

Твёрдый водород, температура плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см³ (при −262 °C) — снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки = и = .

В 1935 году Уингер и Хунтингтон высказали предположение о том, что при давлении свыше 250 тысяч атм водород может перейти в металлическое состояние. Получение этого вещества в устойчивом состоянии открывало очень заманчивые перспективы его применения — ведь это был бы сверхлёгкий металл, компонент лёгкого и энергоёмкого ракетного топлива. В 2014 году было установлено, что при давлении порядка водород начинает поглощать инфракрасное излучение, а это означает, что электронные оболочки молекул водорода поляризуются. Возможно, при ещё более высоких давлениях водород превратится в металл. В 2017 году появилось сообщение о возможном экспериментальном наблюдении перехода водорода в металлическое состояние под высоким давлением.

Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях): ортоводород и параводород. Модификации немного различаются по физическим свойствам, оптическим спектрам, также по характеристикам рассеивания нейтронов. В молекуле ортоводорода o-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) спины ядер параллельны, а у параводорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H2 и p-H2 при заданной температуре называется равновесный водород e-H2.

Равновесная мольная концентрация параводорода в смеси в зависимости от температуры

Разделить модификации водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода, так как энергия пара-молекулы немного ниже энергии орто-молекулы. При соотношение модификаций приблизительно 1:1. Десорбированный с угля параводород при нагревании превращается в ортоводород с образованием равновесной смеси. При комнатной температуре равновесна смесь ортоводорода и параводорода в отношении около 75:25. Без катализатора взаимное превращение происходит относительно медленно, что даёт возможность изучить свойства обеих модификаций. В условиях разреженной межзвёздной среды характерное время перехода в равновесную смесь очень велико, вплоть до космологических.

Ключевые слова конспекта: химические свойства водорода, применение водорода,

Водород при комнатной температуре малоактивен. При нагревании водород реагирует со многими простыми и сложными веществами.

Реакции соединения

В реакциях с неметаллами водород является восстановителем. При поджигании на воздухе водород сгорает или реагирует с кислородом с взрывом:

2Н2 + О2 = 2Н2O.

При поджигании водород реагирует с газом хлором Сl2 (на ярком свету — с взрывом) с образованием газа хлороводорода НСl.

Н2 + Сl2 = 2НСl.

Реакции с бромом и йодом обратимы и протекают при 400-500 °С.

При температуре 150-200 °С водород реагирует с серой, при этом получается газообразный сероводород:

Н2 + S = H2S.

При более высокой температуре идет заметное разложение сероводорода.

Синтез метана в реакции с графитом проходит при повышенном давлении и 600 °С. При более высокой температуре преобладает обратное направление процесса:

2Н2 + С = СН4.

Реакция водорода с азотом протекает достаточно быстро только при 500 °С в присутствии катализатора Fe3O4 при давлении 20-30 МПа:

3Н2 + N2 = 2NH3.

Летучие водородные соединения, в формулах которых первым стоит Н, называют, прочитывая формулы справа налево: НСl — хлороводород, H2S — сероводород, НВг — бромоводород. Названия веществ СН4 — метан, NH3 — аммиак.

В реакциях с металлами водород оказывается окислителем. При нагревании он реагирует с щелочными и щелочноземельными металлами, образуя гидриды:

В гидридах щелочных и щелочноземельных металлов водород находится в степени окисления -1.

Реакции замещения

При нагревании водород реагирует с оксидами многих металлов. Продукты реакции — свободный металл и вода. Реакции замещения с участием водорода — реакции восстановления:

Хром и более активные металлы водородом из соединений не восстанавливаются.

Применение водорода

Раньше водород использовали для наполнения воздушных шаров и дирижаблей. Впоследствии от этого отказались из-за взрыво- и пожароопасности водорода. Сейчас водород — ракетное топливо. Водород необходим для синтеза аммиака NH3 и хлороводорода НСl. С помощью водорода получают особо чистые металлы для полупроводниковой техники. В органической химии с применением водорода получают метиловый спирт СН3ОН, твердые пищевые жиры из растительных масел, синтетическое жидкое топливо. Изотопы водорода — дейтерий 2D и тритий 3Т — термоядерное горючее.

Конспект урока по химии «Химические свойства водорода. Применение». Выберите дальнейшее действие:

Характеристика, получение

Ключевые слова конспекта: характеристика элемента водород, физические свойства водорода, получение водорода.

Водород — первый, самый легкий элемент Периодической системы элементов. Массовая доля водорода в земной коре менее 1%.

Степень окисления водорода +1 — в составе воды, кислот, оснований, кислых солей. Степень окисления -1 встречается редко, в гидридах щелочных и щелочноземельных металлов: NaH, СаН2.

Изотопы водорода различаются массовыми числами: протий 1Н, дейтерий 2Н (D), тритий 3Н (Т).

Практически весь водород в природе находится в виде соединений. Это — вода Н2О, природный газ метан СН4, углеводороды вида СаНb, например газ пропан С3Н8 и компонент нефти октан C8H18, соляная кислота НСl в нашем желудке. Водород в виде воды и органических соединений — важнейший элемент растительных и животных организмов, например в составе сахара С12Н22О11.

Физические свойства водорода Н2. Газ без цвета, вкуса и запаха, значительно легче воздуха, плотность 0,09 г/л — это самый легкий газ, температура сжижения -253°С, в воде практически нерастворим (в 100 г воды при н.у. растворяется 2,15 мл Н2).

Получение водорода. В лаборатории водород получают при взаимодействии соляной кислоты НСl или разбавленной серной кислоты H2SO4(p-p) с цинком Zn:

2НСl + Zn = ZnCl2 + Н2↑,
H2SO4(p-p) + Zn = ZnSO4 + H2↑.

Другой способ — разложение воды электрическим током:

В промышленности взаимодействие метана (и родственных ему углеводородов) с кислородом в присутствии паров воды называют конверсией. Так, из метана СН4 взаимодействием с кислородом в присутствии избытка паров воды получают водород:

2СН4 + O2 + 2Н2O = 6Н2 + 2СO2.

Для отделения углекислого газа образовавшуюся смесь газов под давлением пропускают через холодную воду. Углекислый газ в воде растворяется, а водород нет.

Иногда конверсию метана проводят при недостатке водяного пара:

CH4 + Н2O = CO +3H2.

Разложение воды электрическим током из-за дорогой стоимости электричества в больших масштабах невыгодно.

Также водород получают при взаимодействии водяного пара с раскаленным углем:

С + Н2O = СО + Н2.

Образующуюся смесь называют водяным газом.

В промышленности используют водород, выделяющийся в реакциях разложения при нагревании каменного угля или нефти без доступа воздуха.