Чому вода не горить, хоча складається з горючих речовин (водню і кисню). Хімія органіка Водень кисень рівняння
§3. Рівняння реакції і як його скласти
взаємодія водню з киснем, Як це встановив ще сер Генрі Кавендіш, призводить до утворення води. Давайте на цьому простому прикладі повчимося складати рівняння хімічних реакцій.
Що виходить з водню і кисню, Ми вже знаємо:
Н 2 + О 2 → Н 2 О
Тепер врахуємо, що атоми хімічних елементів в хімічних реакціях не зникають і не з'являються з нічого, перетворюються один в одного, а з'єднуються в нових комбінаціях, Утворюючи нові молекули. Значить, в рівнянні хімічної реакції атомів кожного сорту має бути однакова кількість до реакції ( зліва від знака рівності) і після закінчення реакції ( справа від знака рівності), ось так:
2Н 2 + О 2 \u003d 2Н 2 О
Це і є рівняння реакції - умовний запис протікає хімічної реакції за допомогою формул речовин і коефіцієнтів.
Це означає, що в наведеній реакції два благаючи водню повинні прореагувати з одним молем кисню, І в результаті вийде два благаючи води.
взаємодія водню з киснем - зовсім не простий процес. Він призводить до зміни ступенів окислення цих елементів. Щоб підбирати коефіцієнти в таких рівняннях, зазвичай користуються методом " електронного балансу".
Коли з водню і кисню утворюється вода, то це означає, що водень поміняв свою ступінь окислення від 0 до + I, а кисень - від 0 до -II. При цьому від атомів водню до атомів кисню перейшло кілька (N) електронів:
Водень, який чи електрони, служить тут відновником, А кисень, який бере електрони - окислювачем.
Окислювачі і відновники
Подивимося тепер, як виглядають процеси віддачі та прийому електронів окремо. водень, Зустрівшись з "грабіжником" -кислород, втрачає все своє надбання - два електрона, і його ступінь окислення стає рівною + I:
Н 2 0 - 2 e - \u003d 2Н + I
вийшло рівняння полуреакции окислення водню.
А бандит- кисень О 2, Відібравши останні електрони у нещасного водню, дуже задоволений своїм новим ступенем окислення -II:
O 2 + 4 e - \u003d 2O -II
це рівняння полуреакции відновлення кисню.
Залишається додати, що і "бандит", і його "жертва" втратили свою хімічну індивідуальність і з простих речовин - газів з двохатомними молекулами Н 2 і О 2 перетворилися в складові частини нової хімічної речовини - води Н 2 О.
Далі будемо міркувати таким чином: скільки електронів віддав відновник бандиту-окислювача, стільки той і отримав. Число електронів, відданих відновником, має дорівнювати числу електронів, прийнятих окислювачем.
Значить, треба зрівняти число електронів в першій і другій полуреакции. У хімії прийнята така умовна форма запису рівнянь напівреакцій:
2 Н 2 0 - 2 e - \u003d 2Н + I |
|
1 O 2 0 + 4 e - \u003d 2O -II |
Тут числа 2 і 1 зліва від фігурної дужки - це множники, які допоможуть забезпечити рівність числа відданих і прийнятих електронів. Врахуємо, що в рівняннях напівреакцій віддано 2 електрона, а прийнято 4. Щоб зрівняти число прийнятих і відданих електронів, знаходять найменше спільне кратне і додаткові множники. У нашому випадку найменше спільне кратне дорівнює 4. Додаткові прості множники буде для водню рівні 2 (4: 2 \u003d 2), а для кисню - 1 (4: 4 \u003d 1)
Отримані множники і будуть служити коефіцієнтами майбутнього рівняння реакції:
2H 2 0 + O 2 0 \u003d 2H 2 + I O -II
водень окислюється не тільки при зустрічі з киснем. Приблизно так само на водень діють і фтор F 2, Галоген і відомий "розбійник", і здавалося б, нешкідливий азот N 2:
H 2 0 + F 2 0 \u003d 2H + I F -I |
3H 2 0 + N 2 0 \u003d 2N -III H 3 + I |
При цьому виходить фтороводород HF або аміак NH 3.
В обох з'єднаннях ступінь окислення водню стає рівною + I, Тому що партнери по молекулі йому дістаються "жадібні" до чужого електронного добра, з високою електронегативність - фтор F і азот N. У азоту значення електронегативності вважають рівним трьом умовним одиницям, а у фтору взагалі найвища електронний торгівельний серед всіх хімічних елементів - чотири одиниці. Так що не дивно їм залишити бідолаху-атом водню без всякого електронного оточення.
але водень може й відновлюватися - приймати електрони. Це відбувається, якщо в реакції з ним будуть брати участь лужні метали або кальцій, у яких електронний торгівельний менше, ніж у водню.
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.
Хімічні властивості водню
При звичайних умовах молекулярний Водень порівняно мало активний, безпосередньо з'єднуючись лише з найбільш активними з неметалів (з фтором, а на світлі і з хлором). Однак при нагріванні він вступає в реакції з багатьма елементами.
Водень вступає в реакції з простими і складними речовинами:
- Взаємодія водню з металами призводить до утворення складних речовин - гідридів, в хімічних формулах яких атом металу завжди стоїть на першому місці:
При високій температурі Водень безпосередньо реагує з деякими металами (Лужними, лужноземельними і іншими), утворюючи білі кристалічні речовини - гідриди металів (Li Н, Na Н, КН, СаН 2 і ін.):
Н 2 + 2Li \u003d 2LiH
Гідриди металів легко розкладаються водою з утворенням відповідної лугу і водню:
Са H 2 + 2Н 2 О \u003d Са (ОН) 2 + 2Н 2
- При взаємодії водню з неметалами утворюються летючі водневі сполуки. У хімічній формулі летючого водневого з'єднання, атом водню може стояти як на першому так і на другому місці, в залежності від місцезнаходження в ПСХЕ (див. Табличку в слайді):1). З киснемВодень утворює воду:
Відео "Горіння водню"
2Н 2 + О 2 \u003d 2Н 2 О + Q
При звичайних температурах реакція протікає вкрай повільно, вище 550 ° С - з вибухом (Суміш 2 об'ємів Н 2 і 1 об'єму О 2 називається гримучим газом)
.
Відео "Вибух гримучого газу"
Відео "Приготування і вибух гримучої суміші"
2). З галогенами Водень утворює галогеноводороди, наприклад:
Н 2 + Cl 2 \u003d 2НСl
При цьому з фтором Водень вибухає (навіть у темряві і при - 252 ° С), з хлором і бромом реагує лише при освітленні або нагріванні, а з йодом тільки при нагріванні.
3). З азотом Водень взаємодіє з утворенням аміаку:
ДТ 2 + N 2 \u003d 2NН 3
лише на каталізаторі і при підвищених температуpax і тисках.
4). При нагріванні Водень енергійно реагує з сіркою:
Н 2 + S \u003d H 2 S (сірководень),
значно важче з селеном і телуром.
5). З чистим вуглецем Водень може реагувати без каталізатора лише при високих температуpax:
2Н 2 + С (аморфний) \u003d СН 4 (метан)
- Водень вступає в реакцію заміщення з оксидами металів , При цьому утворюються в продуктах вода і відновлюється метал. Водень - проявляє властивості відновника:
водень використовується для відновлення багатьох металів, Так як забирає кисень у їх оксидів:
Fe 3 O 4 + 4H 2 \u003d 3Fe + 4Н 2 О, і т. Д.
застосування водню
Відео "Застосування водню"
В даний час водень отримують у величезних кількостях. Дуже велику частину його використовують при синтезі аміаку, гідрогенізації жирів і при гідруванні вугілля, масел і вуглеводнів. Крім того, водень застосовують для синтезу соляної кислоти, метилового спирту, синильної кислоти, при зварюванні і куванні металів, а також при виготовленні ламп розжарювання і дорогоцінного каміння. У продаж водень надходить в балонах під тиском понад 150 атм. Вони пофарбовані в темно-зелений колір і забезпечуються червоним написом "Водень".
Водень використовується для перетворення рідких жирів в тверді (гідрогенізація), виробництва рідкого палива гідрогенізації вугілля і мазуту. У металургії водень використовують як відновник оксидів або хлоридів для отримання металів і неметалів (германію, кремнію, галію, цирконію, гафнію, молібдену, вольфраму та ін.).
Практичне застосування водню різноманітне: їм зазвичай заповнюють кулі-зонди, в хімічній промисловості він служить сировиною для отримання багатьох дуже важливих продуктів (аміаку та ін.), В харчовій - для вироблення з рослинних масел твердих жирів і т. Д. Висока температура (до 2600 ° С), що виходить при горінні водню в кисні, використовується для плавлення тугоплавких металів, кварцу і т. п. Рідкий водень є одним з найбільш ефективних реактивних палив. Щорічне світове споживання водню перевищує 1 млн. Т.
ТРЕНАЖЕРИ
№2. водень
ЗАВДАННЯ ДЛЯ ЗАКРІПЛЕННЯ
завдання №1Складіть рівняння реакцій взаємодії водню з наступними речовинами: F 2, Ca, Al 2 O 3, оксидом ртуті (II), оксидом вольфраму (VI). Назвіть продукти реакції, вкажіть типи реакцій.
завдання №2
Здійсніть перетворення за схемою:
H 2 O -\u003e H 2 -\u003e H 2 S -\u003e SO 2
Завдання №3.
Обчисліть масу води, яку можна отримати при спалюванні 8 г водню?
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
Мета заняття. На цьому занятті ви дізнаєтеся про, мабуть, найважливіших хімічних елементах для життя на землі - водні та кисні, дізнаєтеся про їх хімічних властивостях, а також про фізичні властивості простих речовин, ними утворених, дізнаєтеся більше про роль кисню і водню в природі і житті людини.
водень - найпоширеніший елемент у Всесвіті. кисень - найпоширеніший елемент на Землі. Разом вони утворюють воду - речовина, що становить більше половини маси людського тіла. Кисень - газ, необхідний нам для дихання, а без води ми не змогли б прожити і декількох днів, так що без сумніву можна вважати кисень і водень найважливішими хімічними елементами, необхідними для життя.
Будова атомів водню і кисню
Таким чином, водень проявляє неметалічні властивості. У природі водень зустрічається у вигляді трьох ізотопів, протію, дейтерію і тритію, ізотопи водню дуже сильно відрізняються один від одного за фізичними властивостями, тому їм навіть присвоєні індивідуальні символи.
Якщо ви не пам'ятаєте або не знаєте, що таке ізотопи, попрацюйте з матеріалами електронного освітнього ресурсу «Ізотопи як різновиду атомів одного хімічного елемента». У ньому ви дізнаєтеся, чим відрізняються один від одного ізотопи одного елемента, до чого призводить наявність декількох ізотопів у одного елемента, а також познайомитеся з ізотопами декількох елементів.
Таким чином, можливі ступені окислення кисню обмежені значеннями від -2 до +2. Якщо кисень приймає два електрона (стаючи аніоном) або утворює дві ковалентні зв'язку з менш електронегативними елементами, він переходить в ступінь окислення -2. Якщо кисень утворює одну зв'язок з іншим атомом кисню, а другу - з атомом менш електронегативного елемента, він переходить в ступінь окислення -1. Утворюючи дві ковалентні зв'язку зі фтором (єдиним елементом з більш високим значенням електронегативності), кисень переходить в ступінь окислення +2. Утворюючи одну зв'язок з іншим атомом кисню, а другу - з атомом фтору - +1. І нарешті, якщо кисень утворює одну зв'язок з менш електронегативний атомом, а другу - з фтором, він буде перебувати в ступені окислення 0.
Фізичні властивості водню і кисню, аллотропия кисню
водень - безбарвний газ без смаку і запаху. Дуже легкий (в 14,5 разів легший за повітря). Температура скраплення водню - -252,8 ° C - майже найнижча серед всіх газів (поступається тільки гелію). Рідкий і твердий водень - дуже легкі безбарвні речовини.
кисень - безбарвний газ без смаку і запаху, трохи важчий за повітря. При температурі -182,9 ° C перетворюється у важку рідину блакитного кольору, при -218 ° C твердне з утворенням кристалів синього кольору. Молекули кисню парамагнітни, тобто кисень притягується магнітом. Кисень погано розчинний у воді.
На відміну від водню, що утворює молекули тільки одного типу,, кисень проявляє алотропія і утворює молекули двох типів, тобто елемент кисень утворює два простих речовини: кисень і озон.
Хімічні властивості і отримання простих речовин
Водень.
Зв'язок в молекулі водню - одинарна, проте це одна з найміцніших одинарних зв'язків в природі, і щоб розірвати її необхідно затратити багато енергії, з цієї причини водень досить малоактивний при кімнатній температурі, проте при підвищенні температури (або в присутності каталізатора) водень легко взаємодіє з багатьма простими і складними речовинами.
Водень з хімічної точки зору є типовим неметаллом. Тобто він здатний взаємодіяти з активними металами з утворенням гідридів, в яких він проявляє ступінь окислення -1. З деякими металами (літій, кальцій) взаємодія протікає навіть при кімнатній температурі, проте досить повільно, тому при синтезі гідридів використовують нагрівання:
,
.
Освіта гідридів прямим взаємодією простих речовин можливо тільки для активних металів. Уже алюміній не взаємодіє з воднем безпосередньо, його гідрид отримують обмінними реакціями.
З неметалами водень також реагує тільки при нагріванні. Винятками є галогени хлор і бром, реакція з якими може бути індукована світлом:
.
Реакція з фтором також не вимагає нагрівання, вона протікає з вибухом навіть при сильному охолодженні і в абсолютній темряві.
Реакція з киснем протікає по розгалужена ланцюговому механізму, тому швидкість реакції стрімко зростає, і в суміші кисню з воднем в співвідношенні 1: 2 реакція протікає з вибухом (така суміш називається «гримучий газ»):
.
Реакція з сірої протікає набагато спокійніше, практично без виділення тепла:
.
Реакції з азотом і йодом протікають оборотно:
,
.
Ця обставина сильно ускладнює отримання аміаку в промисловості: процес вимагає використання підвищеного тиску для змішування рівноваги в бік утворення аміаку. Йодоводород прямим синтезом не отримують, оскільки є кілька набагато більш зручних способів його синтезу.
З малоактивними неметаллами () водень безпосередньо не реагує, хоча його з'єднання з ними відомі.
У реакціях зі складними речовинами водень в більшості випадків виступає в ролі відновника. У розчинах водень може відновлювати малоактивні метали (розташовані після водню в ряду напруг) з їх солей:
При нагріванні водень може відновлювати багато метали з їх оксидів. При цьому чим активніше метал, тим складніше його відновити і тим вища для цього потрібна температура:
.
Метали більш активні, ніж цинк, практично неможливо відновити воднем.
Водень в лабораторії отримують взаємодією металів з сильними кислотами. Найчастіше використовують цинк і соляну кислоту:
Рідше використовується електроліз води в присутності сильних електролітів:
У промисловості водень отримують як побічний продукт при отриманні їдкого натру електролізом розчину хлориду натрію:
Крім того, водень отримують при переробці нафти.
Отримання водню фотоліз води - один з найбільш перспективних способів в майбутньому, однак на сьогоднішній момент промислове застосування цього методу важко.
Попрацюйте з матеріалами електронних освітніх ресурсів Лабораторна робота «Одержання і властивості водню» і Лабораторна робота «відновні властивості водню». Вивчіть принцип дії апарату Киппа і апарату Кирюшкина. Подумайте, в яких випадках зручніше використовувати апарат кіп, а в яких - Кирюшкина. Які властивості проявляє водень в реакціях?
Кисень.
Зв'язок в молекулі кисню подвійна і вельми міцна. Тому кисень досить малоактивний при кімнатній температурі. При нагріванні він, однак, починає проявляти сильні окислювальні властивості.
Кисень без нагрівання реагує з активними металами (лужними, лужноземельними і деякими лантаноїдами):
При нагріванні кисень взаємодіє з більшістю металів з утворенням оксидів:
,
,
.
Срібло і менш активні метали не окислюються киснем.
Кисень також реагує з більшістю неметалів з утворенням оксидів:
,
,
.
Взаємодія з азотом відбувається тільки при дуже високих температурах, близько 2000 ° C.
З хлором, бромом і йодом кисень не реагує, хоча багато їх оксиди можна отримати непрямим шляхом.
Взаємодія кисню з фтором можна провести при пропущенні електричного розряду через суміш газів:
.
Фторид кисню (II) - нестійке з'єднання, легко розкладається і є дуже сильним окислювачем.
У розчинах кисень є сильним, хоча і повільним, окислювачем. Як правило, кисень сприяє переходу металів в більш високі ступені окислення:
Присутність кисню часто дозволяє розчиняти в кислотах метали, розташовані відразу за воднем в ряді напруг:
При нагріванні кисень може окислювати нижчі оксиди металів:
.
Кисень в промисловості не отримують хімічними способами, його отримують з повітря перегонкою.
У лабораторії використовують реакції розкладання багатих киснем сполук - нітратів, хлоратов, перманганатів при нагріванні:
Також можна отримати кисень при каталітичному розкладанні перекису водню:
Крім того, для отримання кисню може використовуватися наведена вище реакція електролізу води.
Попрацюйте з матеріалами електронного освітнього ресурсу Лабораторна робота «Отримання кисню і його властивості».
Як називається використовуваний в лабораторній роботі метод збирання кисню? Які ще способи збирання газів існують і які з них підходять для збирання кисню?
Завдання 1. Подивіться відеофрагмент «Розкладання перманганату калію при нагріванні».
Дайте відповідь на питання:
- Який з твердих продуктів реакції розчинний у воді?
- Який колір має розчин перманганату калію?
- Який колір має розчин манганата калію?
Напишіть рівняння протікають реакцій. Зрівняйте їх, використовуючи метод електронного балансу.
Обговоріть виконання завдання з учителем на або в відеокомнате.
Озон.
Молекула озону трьохатомної і зв'язку в ній менш міцні, ніж в молекулі кисню, що призводить до більшої хімічної активності озону: озон легко окисляє багато речовин в розчинах або в сухому вигляді без нагрівання:
Озон здатний легко окислити оксид азоту (IV) до оксиду азоту (V), а оксид сірки (IV) до оксиду сірки (VI) без каталізатора:
Озон поступово розкладається з утворенням кисню:
Для отримання озону використовуються спеціальні прилади - озонатори, в яких через кисень пропускають тліючий розряд.
У лабораторії для отримання незначних кількостей озону іноді використовують реакції розкладання пероксосоедіненій і деяких вищих оксидів при нагріванні:
Попрацюйте з матеріалами електронного освітнього ресурсу Лабораторна робота «Отримання озону і дослідження його властивостей».
Поясніть, чому знебарвлюється розчин індиго. Напишіть рівняння реакцій, що протікають при змішуванні розчинів нітрату свинцю і сульфіду натрію і при пропущенні через отриману суспензію озонованого повітря. Для реакції іонного обміну складіть іонні рівняння. Для окисно-відновної реакції складіть електронний баланс.
Обговоріть виконання завдання з учителем на або в відеокомнате.
Хімічні властивості води
Для кращого ознайомлення з фізичними властивостями води і її значимістю попрацюйте з матеріалами електронних освітніх ресурсів «Аномальні властивості води» і «Вода - найважливіша рідина на Землі».
Вода володіє величезною важливістю для будь-яких живих організмів - по суті багато живі організми складаються з води більш ніж наполовину. Вода є одним з найбільш універсальних розчинників (при високих температурах і тисках її можливості як розчинника істотно зростають). З хімічної точки зору вода є оксидом водню, при цьому в водному розчині вона дисоціює (хоча і в дуже малому ступені) на катіони водню і гідроксид-аніони:
.
Вода взаємодіє з багатьма металами. З активними (лужними, лужноземельними і деякими лантаноїдами) вода реагує без нагрівання:
З менш активними взаємодія відбувається при нагріванні.
Завантаження ...