Чому вода не горить, хоча складається з горючих речовин (водню і кисню). водень
Промислові способи отримання простих речовин залежать від того, в якому вигляді відповідний елемент знаходиться в природі, тобто що може бути сировиною для його отримання. Так, кисень, наявний у вільному стані, отримують фізичним способом - виділенням з рідкого повітря. Водень ж практично весь знаходиться у вигляді сполук, тому для його отримання застосовують хімічні методи. Зокрема, можуть бути використані реакції розкладання. Одним із способів отримання водню служить реакція розкладання води електричним струмом.
Основний промисловий спосіб отримання водню - реакція з водою метану, який входить до складу природного газу. Вона проводиться при високій температурі (легко переконатися, що при пропущенні метану навіть через киплячу воду ніякої реакції не відбувається):
СН 4 + 2Н 2 0 \u003d CO 2 + 4Н 2 - 165 кДж
У лабораторії для отримання простих речовин використовують не обов'язково природна сировина, а вибирають ті вихідні речовини, з яких легше виділити необхідне речовина. Наприклад, в лабораторії кисень не отримують з повітря. Це саме можна сказати і до отримання водню. Один з лабораторних методів отримання водню, який застосовується іноді і в промисловості, - розкладання води електричним струмом.
Зазвичай в лабораторії водень отримують взаємодією цинку з соляною кислотою.
У промисловості
1.Електроліз водних розчинів солей:
2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2
2.Пропускання парів води над розпеченим коксом при температурі близько 1000 ° C:
H 2 O + C ⇄ H 2 + CO
3.З природного газу.
Конверсіяс водяною парою: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 ° C) Каталітичне окислення киснем: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2
4. Крекінг і реформінг вуглеводнів в процесі переробки нафти.
В лабораторії
1.Дія розбавлених кислот на метали. Для проведення такої реакції найчастіше використовують цинк і 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 в двох формах (модифікаціях) - у вигляді орто - і пара-водню.
У молекулі ортоводорода (т. Пл. -259,10 ° C, т. Кип. -252,56 ° C) ядерні спини спрямовані однаково (паралельні), а у параводорода (т. Пл. -259,32 ° C, т . кип. -252,89 ° C) - протилежно одна одній (антіпараллельни).
Розділити аллотропние форми водню можна адсорбцією на активному вугіллі при температурі рідкого азоту. При дуже низьких температурах рівновагу між ортоводорода і параводорода майже без остачі зрушено в бік останнього. При 80 К співвідношення форм приблизно 1: 1. Десорбувати параводорода при нагріванні перетворюється в ортоводорода аж до утворення рівноважної при кімнатній температурі суміші (орто-пара: 75:25). Без каталізатора перетворення відбувається повільно, що дає можливість вивчити властивості окремих аллотропних форм. Молекула водню двохатомних - Н₂. При звичайних умовах - це газ без кольору, запаху і смаку. Водень - найлегший газ, його щільність у багато разів менше щільності повітря. Очевидно, що чим менше маса молекул, тим вище їх швидкість при одній і тій же температурі. Як найлегші, молекули водню рухаються швидше молекул будь-якого іншого газу і тим самим 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 вище теплопровідності повітря.
Хімічні властивості
Молекули водню Н₂ досить міцні, і для того, щоб водень міг вступити в реакцію, повинна бути витрачена велика енергія: Н 2 \u003d 2Н - 432 кДж Тому при звичайних температурах водень реагує тільки з дуже активними металами, наприклад з кальцієм, утворюючи гідрид кальцію: Ca + Н 2 \u003d СаН 2 і з єдиним неметаллом - фтором, утворюючи фтороводород: F 2 + H 2 \u003d 2HF з більшістю же металів і неметалів водень реагує при підвищеній температурі або при іншому впливі, наприклад при освітленні. Він може «забирати» кисень від деяких оксидів, наприме: CuO + Н 2 \u003d Cu + Н 2 0 Записане рівняння відображає реакцію відновлення. Реакціями відновлення називаються процеси, в результаті яких від з'єднання віднімається кисень; речовини, що віднімають кисень, називаються відновниками (при цьому вони самі окислюються). Далі буде дано і інше визначення поняттям «окислення» і «відновлення». А дане визначення, історично першим, зберігає значення і в даний час, особливо в органічній хімії. Реакція відновлення протилежна реакції окислення. Обидві ці реакції завжди протікають одночасно як один процес: при окисленні (відновленні) однієї речовини обов'язково одночасно відбувається відновлення (окислення) іншого.
N 2 + 3H 2 → 2 NH 3
З галогенами утворює галогеноводороди:
F 2 + H 2 → 2 HF, реакція протікає з вибухом в темряві і при будь-якій температурі, 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 і лужноземельними металами
Водень утворює з активними металами гідриди:
Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2
гідриди - солеобразние, тверді речовини, 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 і підвищеній температурі відбувається реакція гідрування:
CH 2 \u003d 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 в земних газах, але у вигляді води він приймає виключно важливе участь в геохімічних процесах.
До складу мінералів водень може входити у вигляді іона амонію, гідроксил-іона і кристалічної води.
В атмосфері водень безперервно утворюється в результаті розкладання води сонячним випромінюванням. Він мігрує в верхні шари атмосфери і випаровується в космос.
застосування
- воднева енергетика
Атомарний водень використовується для атомно-водневої зварювання.
У харчовій промисловості водень зареєстрований в якості харчової добавки E949, Як 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 і кисню 2: 1, або водню і повітря приблизно 2: 5, так як в повітрі кисню міститься приблизно 21%. Також водень пожежонебезпечний. Рідкий водень при попаданні на шкіру може викликати 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 при виробництві аміаку, мила і пластмас. У харчовій промисловості за допомогою водню з рідких рослинних масел роблять маргарин. Водень дуже легкий і в повітрі завжди піднімається вгору. Колись дирижаблі та повітряні кулі наповнювали воднем. Але в 30-х рр. XX ст. відбулося кілька жахливих катастроф, коли дирижаблі вибухали і згорали. У наш час дирижаблі наповнюють газом гелієм. Водень використовують також в якості ракетного палива. Коли-небудь водень, можливо, будуть широко застосовувати як паливо для легкових і вантажних автомобілів. Водневі двигуни не забруднюють довкілля і виділяють тільки водяну пару (правда, саме отримання водню призводить до деякого забруднення навколишнього середовища). Наше Сонце в основному складається з водню. Сонячне тепло і світло - це результат виділення ядерної енергії при злитті ядер водню.
Використання водню як палива (економічна ефективність)
Найважливішою характеристикою речовин, що використовуються в якості палива, є їх теплота згоряння. З курсу загальної хімії відомо, що реакція взаємодії водню з киснем відбувається з виділенням тепла. Якщо взяти 1 моль H 2 (2 г) і 0,5 моль O 2 (16 г) при стандартних умовах і порушити реакцію, то відповідно до рівняння
Н 2 + 0,5 О 2 \u003d 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 м³ водню важить 89,8 г (44,9 моль). Тому для отримання 1 м³ водню буде витрачено 12832,4 кДж енергії. З урахуванням того, що 1 кВт · год \u003d 3600 кДж, отримаємо 3,56 кВт · год електроенергії. Знаючи тариф на 1 кВт · год електроенергії і вартість 1 м³ газу, можна робити висновок про доцільність переходу на водневе паливо.
Наприклад, експериментальна модель Honda FCX 3 покоління з 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 складе 36,97 кВт · год. Знаючи вартість електроенергії, вартість газу або бензину, їх витрата для автомобіля 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 / 0,7 кг / л * 80центов / л \u003d 34 цента за роздрібними цінами, тоді як для водню ми вираховували ідеальний варіант, без урахування транспортування, амортизації обладнання і т. д. для метану з енергією згоряння близько 39 МДж на м³ результат буде нижче в два-чотири рази через різницю в ціні (1м для України коштує 179 $, а для Європи 350 $). Тобто еквівалентну кількість метану буде коштувати 10-20 центів.
Однак не слід забувати того, що при спалюванні водню ми отримуємо чисту воду, з якої його і добули. Тобто маємо поновлюваний запасатель енергії без шкоди для навколишнього середовища, на відміну від газу або бензину, які є первинними джерелами енергії.
Php on line 377 Warning: require (http: //www..php): failed to open stream: no suitable wrapper could be found in /hsphere/local/home/winexins/сайт/tab/vodorod.php on line 377 Fatal error: require (): Failed opening required "http: //www..php" (include_path \u003d ".. php on line 377
Водень H - найпоширеніший елемент у Всесвіті (близько 75% по масі), на Землі - дев'ятий за поширеністю. Найбільш важливим природним з'єднанням водню є вода.
Водень займає перше місце в періодичній системі (Z \u003d 1). Він має найпростіше будова атома: ядро \u200b\u200bатома - 1 протон, оточене електронним хмарою, що складається з 1 електрона.
В одних умовах водень проявляє металеві властивості (віддає електрон), в інших - неметалеві (приймає електрон).
У природі зустрічаються ізотопи водню: 1Н - проти (ядро складається з одного протона), 2Н - дейтерій (D - ядро \u200b\u200bскладається з одного протона і одного нейтрона), 3Н - тритій (Т - ядро \u200b\u200bскладається з одного протона і двох нейтронів).
Проста речовина водень
Молекула водню складається з двох атомів, пов'язаних між собою ковалентним неполярной зв'язком.
Фізичні властивості. Водень - безбарвний нетоксичний газ без запаху і смаку. Молекула водню НЕ полярна. Тому сили міжмолекулярної взаємодії в газоподібному водні малі. Це проявляється в низьких температурах кипіння (-252,6 0С) і плавлення (-259,2 0С).
Водень легше повітря, D (по повітрю) \u003d 0,069; незначно розчиняється в воді (в 100 об'ємах H2O розчиняється 2 обсягу H2). Тому водень при його отриманні в лабораторії можна збирати методами витіснення повітря або води.
отримання водню
В лабораторії:
1.Действіе розбавлених кислот на метали:
Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2
2.Взаімодействіе лужних і щ-з металів з водою:
Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2
3.Гідроліз гідридів: гідриди металів легко розкладаються водою з утворенням відповідної лугу і водню:
NaH + H 2 O → NaOH + H 2
СаH 2 + 2Н 2 О \u003d Са (ОН) 2 + 2Н 2
4.Действіе лугів на цинк або алюміній або кремній:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2
Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2
5. Електроліз води. Для збільшення електричної провідності води до неї додають електроліт, наприклад NаОН, Н 2 SO 4 або Na 2 SO 4. На катоді утворюється 2 обсягу водню, на аноді - 1 об'єм кисню.
2H 2 O → 2H 2 + О 2
Промислове отримання водню
1. Конверсія метану з водяною парою, Ni 800 ° С (найдешевший):
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
У сумі:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2
2. Пари води через розпечений кокс при 1000 о С:
З + H 2 O → CO + H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Утворений оксид вуглецю (IV) поглинається водою, цим способом отримують 50% промислового водню.
3. Нагріванням метану до 350 ° С в присутності залізного або нікелевого каталізатора:
СH 4 → С + 2Н 2
4. Електролізом водних розчинів KCl або NaCl, як побічний продукт:
2Н 2 О + 2NaCl → Cl 2 + H 2 + 2NaOH
Хімічні властивості водню
- У з'єднаннях водень завжди одновалентен. Для нього характерна ступінь окислення +1, але в гидридах металів вона дорівнює -1.
- Молекула водню складається з двох атомів. Виникнення зв'язку між ними пояснюється утворенням узагальненої пари електронів Н: Н або Н 2
- Завдяки цьому узагальнення електронів молекула Н 2 більш енергетично стійка, ніж його окремі атоми. Щоб розірвати в 1 моль водню молекули на атоми, необхідно затратити енергію 436 кДж: Н 2 \u003d 2Н, ΔH ° \u003d 436 кДж / моль
- Цим пояснюється порівняно невелика активність молекулярного водню при звичайній температурі.
- З багатьма неметалами водень утворює газоподібні сполуки типу RН 4, RН 3, RН 2, RН.
1) З галогенами утворює галогеноводороди:
Н 2 + Cl 2 → 2НСl.
При цьому з фтором - вибухає, з хлором і бромом реагує лише при освітленні або нагріванні, а з йодом тільки при нагріванні.
2) З киснем:
2Н 2 + О 2 → 2Н 2 Про
з виділенням тепла. При звичайних температурах реакція протікає повільно, вище 550 ° С - з вибухом. Суміш 2 обсягів Н 2 і 1 об'єму О 2 називається гримучим газом.
3) При нагріванні енергійно реагує з сіркою (значно важче з селеном і телуром):
Н 2 + S → H 2 S (сірководень),
4) З азотом з утворенням аміаку лише на каталізаторі і при підвищених температурах і тисках:
ДТ 2 + N 2 → 2NН 3
5) З вуглецем при високих температурах:
2Н 2 + С → СН 4 (метан)
6) З лужними і лужноземельними металами утворює гідриди (водень - окислювач):
Н 2 + 2Li → 2LiH
в гидридах металів іон водню заряджений негативно (ступінь окислення -1), тобто гідрид Na + H - побудований подібно хлориду Na + Cl -
Зі складними речовинами:
7) З оксидами металів (використовується для відновлення металів):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4Н 2 О
8) з оксидом вуглецю (II):
CO + 2H 2 → CH 3 OH
Синтез - газ (суміш водню і чадного газу) має важливе практичне значення, тк в залежності від температури, тиску і каталізатора утворюються різні органічні сполуки, наприклад НСНО, СН 3 ОН і інші.
9) Ненасичені вуглеводні реагують з воднем, переходячи в насичені:
З n Н 2n + Н 2 → З n Н 2n + 2.
Кисень - найпоширеніший на Землі елемент. Разом з азотом і незначною кількістю інших газів вільний кисень утворює атмосферу Землі. Його вміст у повітрі становить 20,95% за обсягом або 23,15% по масі. У земній корі 58% атомів - це атоми пов'язаного кисню (47% по масі). Кисень входить до складу води (запаси пов'язаного кисню в гідросфері виключно великі), гірських порід, багатьох мінералів і солей, міститься в жирах, білках і вуглеводах, з яких складаються живі організми. Практично весь вільний кисень Землі виник і зберігається в результаті процесу фотосинтезу.
Фізичні властивості.
Кисень- газ без кольору, смаку і запаху, трохи важчий за повітря. У воді малорастворим (в 1 л води при 20 градусах розчиняється 31 мл кисню), але все ж краще, ніж інші гази атмосфери, тому вода збагачується киснем. Щільність кисню при нормальних умовах 1,429г / л. При температурі -183 0 С і тиску 101,325 кПа кисень переходить в рідкий стан. Рідкий кисень має блакитний колір, втягується в магнітне поле, а при -218,7 ° С, утворює сині кристали.
Природний кисень має три ізотопи Про 16, Про 17, Про 18.
Аллотропія- здатність хімічного елемента існувати у вигляді двох або кількох простих речовин, що відрізняються лише числом атомів в молекулі, або будовою.
Озон О3 - існує в верхніх шарах атмосфери на висоті 20-25 км від поверхні Землі й утворить так званий «озоновий шар», який захищає Землю від згубного ультрафіолетового випромінювання Сонця; блідо-фіолетовий, отруйний у великих кількостях газ зі специфічним, різким, але приємним запахом. Температура плавлення дорівнює-192,7 0 С, температура кипіння-111,9 0 С. У воді розчинний краще кисню.
Озон - сильний окислювач. Його окислювальна активність заснована на здатності молекули розкладатися з виділенням атомного кисню:
Він окисляє багато прості і складні речовини. З деякими металами утворює озоніди, наприклад озоніди калію:
До + О 3 \u003d КО 3
Озон отримують в спеціальних приладах - озонаторах. У них під дією електричного розряду відбувається перетворення молекулярного кисню в озон:
Аналогічна реакція відбувається і під дією грозових розрядів.
Застосування озону зумовлене його сильними окисними властивостями: він використовується для відбілювання тканин, знезараження питної води, в медицині як дезінфікуючий засіб.
Вдихання озону в великих кількостях шкідливо: він подразнює слизові оболонки очей і дихальних органів.
Хімічні властивості.
У хімічних реакціях з атомами інших елементів (крім фтору) кисень проявляє виключно окисні властивості
Найважливіше хімічна властивість - здатність утворювати оксиди майже з усіма елементами. При цьому з більшістю речовин кисень реагує безпосередньо, особливо при нагріванні.
В результаті цих реакцій, як правило, утворюються оксиди, рідше - пероксиди:
2Са + О 2 \u003d 2СаО
2Ва + О 2 \u003d 2ВаО
2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2
Кисень не взаємодіє безпосередньо з галогенами, золотом, платиною, їх оксиди виходять непрямим шляхом. При нагріванні сірка, вуглець, фосфор горять в кисні.
Взаємодія кисню з азотом починається лише при температурі 1200 0 С або в електричному розряді:
N 2 + О 2 \u003d 2NО
З воднем кисень утворює воду:
2Н 2 + О 2 \u003d 2Н 2 О
У процесі цієї реакції виділяється значна кількість теплоти.
Суміш двох об'ємів водню з одним кисню при підпалюванні вибухає; вона носить назву гримучого газу.
Багато метали при контакті з киснем повітря піддаються руйнуванню - корозії. Деякі метали в звичайних умовах окислюються лише з поверхні (наприклад, алюміній, хром). Утворюється плівка оксиду перешкоджає подальшій взаємодії.
4Al + 3O 2 \u003d 2Al 2 O 3
Складні речовини за певних умов також взаємодіють з киснем. При цьому утворюються оксиди, а в деяких випадках - оксиди і прості речовини.
СН 4 + 2О 2 \u003d СО 2 + 2Н 2 О
Н 2 S + О 2 \u003d 2SО 2 + 2Н 2 О
4NН 3 + ЗО 2 \u003d 2N 2 + 6Н 2 О
4CH 3 NH 2 + 9O 2 \u003d 4CO 2 + 2N 2 + 10H 2 O
При взаємодії зі складними речовинами кисень виступає в якості окислювача. На окислювальному активності кисню засноване його важливе властивість-здатність підтримувати горінняречовин.
З воднем кисень утворює також з'єднання - пероксид водню Н 2 О 2 - безбарвна прозора рідина з пекучим терпким смаком, добре розчинна у воді. У хімічному відношенні пероксид водню дуже цікаве з'єднання. Характерна його мала стійкість: при стоянні повільно розкладається на воду і кисень:
Н 2 О 2 \u003d Н 2 О + О 2
Світло, нагрівання, присутність лугів, зіткнення з окислювачами або відновниками прискорюють процес розкладання. Ступінь окислювання кисню в пероксид водню \u003d - 1, тобто має проміжне значення між ступенем окислення кисню в воді (-2) і в молекулярному кисні (0), тому пероксид водню проявляє окисно-відновну двоїстість. Окисні властивості пероксиду водню виражені набагато сильніше, ніж відновлювальні, і проявляються вони в кислому, лужному і нейтральному середовищах.
H 2 O 2 + 2KI + H 2 SO 4 \u003d K 2 SO 4 + I 2 + 2H 2 O
У періодичної системі водень розташовується в двох абсолютно протилежних за своїми властивостями групах елементів. Дана особливість роблять його абсолютно унікальним. Водень не просто являє собою елемент або речовина, але також є складовою частиною багатьох складних з'єднань, органогенних і біогенних елементом. Тому розглянемо його властивості і характеристики більш докладно.
Виділення горючого газу в процесі взаємодії металів і кислот спостерігали ще в XVI столітті, тобто під час становлення хімії як науки. Відомий англійський вчений Генрі Кавендіш досліджував речовину, починаючи з 1766 року і дав йому назву «горючий повітря». При спалюванні цей газ давав воду. На жаль, прихильність вченого теорії флогістону (гіпотетичної «надтонкою матерії») завадила йому прийти до правильних висновків.
Французький хімік і натураліст А. Лавуазьє разом з інженером Ж. Меньє і за допомогою спеціальних газометрів в 1783 р провів синтез води, а після і її аналіз за допомогою розкладання водяної пари розпеченим залізом. Таким чином, вчені змогли прийти до правильних висновків. Вони встановили, що «горючий повітря» не тільки входить до складу води, але і може бути отриманий з неї.
У 1787 році Лавуазьє висунув припущення, що досліджуваний газ є простим речовиною і, відповідно, відноситься до числа первинних хімічних елементів. Він назвав його hydrogene (від грецьких слів hydor - вода + gennao - народжую), т. Е. «Народжує воду».
Російська назва «водень» в 1824 році запропонував хімік М. Соловйов. Визначення складу води ознаменувало кінець «теорії флогістону». На стику XVIII і XIX століть було встановлено, що атом водню дуже легкий (в порівнянні з атомами інших елементів) і його маса була прийнята за основну одиницю порівняння атомних мас, отримавши значення, рівне 1.
Фізичні властивості
Водень є найлегшим з усіх відомих науці речовин (він в 14,4 разів легший за повітря), його щільність становить 0,0899 г / л (1 атм, 0 ° С). Даний матеріал плавиться (твердне) і кипить (зріджується), відповідно, при -259,1 ° С і -252,8 ° С (тільки гелій має більш низькими t ° кипіння і плавлення).
Критична температура водню вкрай низька (-240 ° С). З цієї причини його скраплення - досить складний і витратний процес. Критичний тиск речовини - 12,8 кгс / см², а критична щільність становить 0,0312 г / см ³. Серед всіх газів водень має найбільшу теплопровідність: при 1 атм і 0 ° С вона дорівнює 0,174 Вт / (МХК).
Питома теплоємність речовини в тих же умовах - 14,208 кДж / (кгхК) або 3,394 кал / (гх ° С). Даний елемент слабо розчинний у воді (близько 0,0182 мл / г при 1 атм і 20 ° С), але добре - в більшості металів (Ni, Pt, Pa і інших), особливо в паладії (приблизно 850 обсягів на один об'єм Pd ).
З останнім властивістю пов'язана його здатність диффундирования, при цьому дифузія через вуглецевий сплав (наприклад, сталь) може супроводжуватися руйнуванням сплаву через взаємодію водню з вуглецем (цей процес називається декарбонізація). У рідкому стані речовина дуже легке (щільність - 0,0708 г / см при t ° \u003d -253 ° С) і плинне (в'язкість - 13,8 спуаз в тих же умовах).
У багатьох з'єднаннях цей елемент проявляє валентність 1 (ступінь окислення), подібно натрію і іншим лужних металів. Зазвичай він розглядається як аналог цих металів. Відповідно він очолює I групу системи Менделєєва. У гидридах металів іон водню проявляє негативний заряд (ступінь окислення при цьому -1), тобто Na + H- має структуру, подібну хлориду Na + Cl-. Відповідно до цього і деякими іншими фактами (близькість фізичних властивостей елемента «H» і галогенів, здатність його заміщення галогенами в органічних сполуках) Hydrogene відносять до VII групі системи Менделєєва.
У звичайних умовах молекулярний водень має низьку активність, безпосередньо з'єднуючись тільки з найактивнішими з неметалів (з фтором і хлором, з останнім - на світлі). У свою чергу, при нагріванні він взаємодіє з багатьма хімічними елементами.
Атомарний водень має підвищену хімічну активність (якщо порівнювати з молекулярним). З киснем він утворює воду за формулою:
Н₂ + ½О₂ \u003d Н₂О,
виділяючи 285,937 кДж / моль тепла або 68,3174 ккал / моль (25 ° С, 1 атм). У звичайних температурних умовах реакція протікає досить повільно, а при t °\u003e \u003d 550 ° С - неконтрольовано. Межі вибухонебезпечності суміші водень + кисень за обсягом становлять 4-94% Н₂, а суміші водень + повітря - 4-74% Н₂ (суміш з двох обсягів Н₂ і одного об'єму О₂ називають гримучим газом).
Даний елемент використовують для відновлення більшості металів, так як він забирає кисень у оксидів:
Fe₃O₄ + 4H₂ \u003d 3Fe + 4Н₂О,
CuO + H₂ \u003d Cu + H₂O і т. Д.
З різними галогенами водень утворює галогеноводороди, наприклад:
Н₂ + Cl₂ \u003d 2НСl.
Однак при реакції з фтором водень вибухає (це відбувається і в темряві, при -252 ° С), з бромом і хлором реагує тільки при нагріванні або освітленні, а з йодом - виключно при нагріванні. При взаємодії з азотом утворюється аміак, але лише на каталізаторі, при підвищеному тиску і температурі:
ЗН₂ + N₂ \u003d 2NН₃.
При нагріванні водень активно реагує з сіркою:
Н₂ + S \u003d H₂S (сірководень),
і значно важче - з телуром або селеном. З чистим вуглецем водень реагує без каталізатора, але при високих температурах:
2Н₂ + С (аморфний) \u003d СН₄ (метан).
Дана речовина безпосередньо реагує з деякими з металів (лужними, лужноземельними і іншими), утворюючи гідриди, наприклад:
Н₂ + 2Li \u003d 2LiH.
Важливе практичне значення мають взаємодії водню і оксиду вуглецю (II). При цьому в залежності від тиску, температури і каталізатора утворюються різні органічні сполуки: НСНО, СН₃ОН тощо. Ненасичені вуглеводні в процесі реакції переходять в насичені, наприклад:
З n Н₂ n + Н₂ \u003d С n Н₂ n ₊₂.
Водень і його сполуки відіграють в хімії виняткову роль. Він обумовлює кислотні властивості т. Н. протонних кислот, схильний утворювати з різними елементами водневу зв'язок, відчутно допомагає значний вплив на властивості багатьох неорганічних і органічних сполук.
отримання водню
Основними видами сировини для промислового виробництва цього елемента є гази нафтопереробки, природні горючі і коксові гази. Його також отримують з води за допомогою електролізу (в місцях з доступною електроенергією). Одним з найважливіших методів виробництва матеріалу з природного газу вважається каталітичне взаємодію вуглеводнів, в основному метану, з водяною парою (т. Н. Конверсія). наприклад:
СН₄ + H₂О \u003d СО + ЗН₂.
Неповне окислення вуглеводнів киснем:
СН₄ + ½О₂ \u003d СО + 2Н₂.
Синтезований оксид вуглецю (II) піддається конверсії:
СО + Н₂О \u003d СО₂ + Н₂.
Водень, вироблений з природного газу, є найдешевшим.
Для електролізу води застосовується постійний струм, який пропускається через розчин NaOH або КОН (кислоти не використовують, щоб уникнути корозії апаратури). У лабораторних умовах матеріал отримують електролізом води або в результаті реакції між соляною кислотою і цинком. Однак частіше застосовують готовий заводський матеріал в балонах.
З газів нафтопереробки і коксового газу даний елемент виділяють шляхом видалення всіх інших компонентів газової суміші, так як вони легше сжижаются при глибокому охолодженні.
Промисловим чином цей матеріал стали отримувати ще в кінці XVIII століття. Тоді його використовували для наповнення повітряних куль. На даний момент водень широко застосовують в промисловості, головним чином - у хімічній, для виробництва аміаку.
Масові споживачі речовини - виробники метилового та інших спиртів, синтетичного бензину і багатьох інших продуктів. Їх отримують синтезом з оксиду вуглецю (II) і водню. Hydrogene використовують для гідрогенізації важкого і твердого рідкого палива, жирів та ін., Для синтезу HCl, гідроочищення нафтопродуктів, а також в різанні / зварюванні металів. Найважливішими елементами для атомної енергетики є його ізотопи - тритій і дейтерій.
Біологічна роль водню
Близько 10% маси живих організмів (в середньому) припадає на цей елемент. Він входить до складу води і найважливіших груп природних сполук, включаючи білки, нуклеїнові кислоти, ліпіди, вуглеводи. Для чого він служить?
Цей матеріал відіграє вирішальну роль: при підтримці просторової структури білків (четвертинної), в здійсненні принципу компліментарності нуклеїнових кислот (т. Е. В реалізації і зберіганні генетичної інформації), взагалі в «впізнавання» на молекулярному рівні.
Іон водню Н + бере участь у важливих динамічних реакціях / процесах в організмі. У тому числі: в біологічному окисленні, яке забезпечує живі клітини енергією, в реакціях біосинтезу, в фотосинтезі у рослин, в бактеріальному фотосинтезі і азотфіксації, в підтримці кислотно-лужного балансу і гомеостазу, в мембранних процесах транспорту. Поряд з вуглецем і киснем він утворює функціональну і структурну основи явищ життя.
Завантаження ...