Какво вещество е водородът? Физични свойства на водорода. Свойства и приложения на водорода

Промишлени методи за получаване прости веществазависят от формата, в която съответният елемент е в природата, тоест каква може да бъде суровината за неговото производство. Така се получава кислород, наличен в свободно състояние по физически начин- освобождаване от течен въздух. Водородът, от друга страна, е почти целият под формата на съединения, следователно, за да го получим, химични методи. По-специално могат да се използват реакции на разлагане. Един от начините за получаване на водород е реакцията на разлагане на водата чрез електрически ток.

Основен индустриален начинпроизводство на водород - реакцията с вода на метан, който е част от природен газ. Извършва се при висока температура (лесно е да се провери, че когато метанът преминава дори през вряща вода, не настъпва реакция):

CH 4 + 2H 2 0 \u003d CO 2 + 4H 2 - 165 kJ

В лабораторията за получаване на прости вещества не се използват непременно естествени суровини, но се избират тези първоначални вещества, от които е по-лесно да се изолира необходимото вещество. Например в лабораторията кислородът не се получава от въздуха. Същото важи и за производството на водород. Един от лабораторните методи за производство на водород, който понякога се използва в промишлеността, е разлагането на водата чрез електрически ток.

Водородът обикновено се произвежда в лабораторията чрез взаимодействие на цинк с солна киселинаох

В индустрията

1.Електролиза на водни разтвори на соли:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Прекарване на водна пара над горещ кокспри приблизително 1000°C:

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.От природен газ.

Конверсия с пара: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Кислородно каталитично окисление: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Крекинг и реформинг на въглеводороди в процеса на рафиниране на нефт.

В лабораторията

1.Действие на разредени киселини върху метали.За провеждане на такава реакция най-често се използват цинк и солна киселина:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Взаимодействие на калций с вода:

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

3.Хидролиза на хидриди:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Действието на алкали върху цинк или алуминий:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.С помощта на електролиза.По време на електролизата на водни разтвори на основи или киселини на катода се отделя водород, например:

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

• Биореактор за производство на водород

Физични свойства

Газообразният водород може да съществува в две форми (модификации) - под формата на орто - и пара-водород.

В ортоводородната молекула (т.р. −259.10 °C, t bp. −252.56 °C) ядрените спинове са насочени еднакво (успоредно), докато в параводорода (т.р. −259.32 °C, t bp −252.89 °C) - противоположно един към друг (антипаралелни).

Алотропните форми на водорода могат да бъдат разделени чрез адсорбция върху активен въглен при температура на течен азот. При много ниски температури равновесието между ортоводород и параводород е почти изцяло изместено към последния. При 80 K съотношението на страните е приблизително 1:1. Десорбираният параводород се превръща в ортоводород при нагряване до образуване на равновесна смес при стайна температура (орто-пара: 75:25). Без катализатор трансформацията протича бавно, което прави възможно изследването на свойствата на отделните алотропни форми. Молекулата на водорода е двуатомна - H₂. При нормални условияТова е газ без цвят, мирис и вкус. Водородът е най-лекият газ, плътността му е многократна по-малка плътноствъздух. Очевидно е, че колкото по-малка е масата на молекулите, толкова по-висока е тяхната скорост при същата температура. Като най-леки, водородните молекули се движат по-бързо от молекулите на всеки друг газ и по този начин могат да пренасят топлина от едно тяло към друго по-бързо. От това следва, че водородът има най-висока топлопроводимост сред газообразните вещества. Неговата топлопроводимост е около седем пъти по-висока от тази на въздуха.

Химични свойства

Молекулите на водорода H₂ са доста силни и за да може водородът да реагира, трябва да се изразходва много енергия: H 2 \u003d 2H - 432 kJ Следователно при обикновени температури водородът реагира само с много активни метали, например с калций, образувайки калциев хидрид: Ca + H 2 \u003d CaH 2 и с единствения неметал - флуор, образувайки флуороводород: F 2 + H 2 \u003d 2HF С повечето метали и неметали водородът реагира при повишена температураили други влияния, като например осветление. Той може да „отнеме“ кислород от някои оксиди, например: CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 0 Написаното уравнение отразява реакцията на редукция. Редакционните реакции се наричат ​​процеси, в резултат на които кислородът се отнема от съединението; Веществата, които отнемат кислорода, се наричат ​​редуциращи агенти (самите те се окисляват). Освен това ще бъде дадено друго определение на понятията "окисление" и "редукция". НО това определение, исторически първият, запазва своето значение и в момента, особено в органична химия. Реакцията на редукция е противоположна на реакцията на окисление. И двете реакции винаги протичат едновременно като един процес: когато едно вещество се окислява (редуцира), другото задължително се редуцира (окислява) едновременно.

N 2 + 3H 2 → 2 NH 3

Форми с халогени водородни халогениди:

F 2 + H 2 → 2 HF, реакцията протича с експлозия на тъмно и при всяка температура, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, реакцията протича с експлозия, само на светлина.

Взаимодейства със сажди при силно нагряване:

C + 2H 2 → CH 4

Взаимодействие с алкални и алкалоземни метали

Водородът се образува с активни метали хидриди:

Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2

хидриди- физиологичен разтвор, твърди вещества, лесно хидролизирани:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Взаимодействие с метални оксиди (обикновено d-елементи)

Оксидите се редуцират до метали:

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

Хидрогениране на органични съединения

Под действието на водород върху ненаситени въглеводороди в присъствието на никелов катализатор и повишена температура протича реакцията хидрогениране:

CH 2 \u003d CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

Водородът редуцира алдехидите до алкохоли:

CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.

Геохимия на водорода

Водород - основен строителни материаливселена. Това е най-често срещаният елемент и всички елементи се образуват от него в резултат на термоядрени и ядрени реакции.

Свободният водород Н 2 е сравнително рядък в земните газове, но под формата на вода играе изключително важна роля в геохимичните процеси.

Водородът може да присъства в минералите под формата на амониев йон, хидроксилен йон и кристална вода.

Водородът непрекъснато се произвежда в атмосферата в резултат на разлагането на водата. слънчева радиация. Той мигрира към горните слоеве на атмосферата и излиза в космоса.

Приложение

• Водородна енергия

Атомен водород се използва за заваряване с атомен водород.

В хранително-вкусовата промишленост водородът е регистриран като хранителна добавка. E949като опаковъчен газ.

Характеристики на циркулацията

Водородът, когато се смеси с въздуха, образува експлозивна смес - така нареченият детониращ газ. Този газ е най-експлозивен, когато обемното съотношение на водород и кислород е 2:1, или водород и въздух е приблизително 2:5, тъй като въздухът съдържа приблизително 21% кислород. Водородът също е запалим. Течният водород може да причини тежко измръзване, ако влезе в контакт с кожата.

Експлозивни концентрации на водород с кислород възникват от 4% до 96% обемни. При смесване с въздух от 4% до 75 (74)% обемни.

Използване на водород

AT химическа индустрияводородът се използва в производството на амоняк, сапун и пластмаси. В хранително-вкусовата промишленост се използва водород от течност растителни масланаправете маргарин. Водородът е много лек и винаги се издига във въздуха. Някога дирижаблите и балоните са били пълни с водород. Но през 30-те години. 20-ти век имаше няколко ужасни инцидента, когато дирижаблите избухнаха и изгоряха. В наши дни дирижаблите се пълнят с хелиев газ. Водородът се използва и като ракетно гориво. Един ден водородът може да се използва широко като гориво за автомобили и камиони. Водородните двигатели не замърсяват околната среда и отделят само водни пари (самото производство на водород обаче води до известно замърсяване на околната среда). Нашето Слънце се състои предимно от водород. Слънчевата топлина и светлина са резултат от освобождаването на ядрена енергия по време на сливането на водородните ядра.

Използване на водород като гориво (икономическа ефективност)

Най-важната характеристика на веществата, използвани като гориво, е тяхната топлина на изгаряне. От курса обща химияИзвестно е, че реакцията на взаимодействие на водород с кислород протича с отделяне на топлина. Ако вземем 1 mol H 2 (2 g) и 0,5 mol O 2 (16 g) при стандартни условия и възбудим реакцията, тогава според уравнението

H 2 + 0,5 O 2 \u003d H 2 O

след приключване на реакцията се образува 1 mol H 2 O (18 g) с освобождаване на енергия от 285,8 kJ / mol (за сравнение: топлината на изгаряне на ацетилена е 1300 kJ / mol, пропанът - 2200 kJ / mol) . 1 m³ водород тежи 89,8 g (44,9 mol). Следователно, за да се получи 1 m³ водород, ще бъдат изразходвани 12832,4 kJ енергия. Като вземем предвид факта, че 1 kWh = 3600 kJ, получаваме 3,56 kWh електроенергия. Познавайки тарифата за 1 kWh електроенергия и цената на 1 m³ газ, можем да заключим, че е препоръчително да преминете към водородно гориво.

Например, експериментален модел Honda FCX 3-то поколение с резервоар за водород 156L (съдържа 3,12 kg водород при налягане 25 MPa) изминава 355 км. Съответно от 3,12 kg H2 се получават 123,8 kWh. На 100 км разходът на енергия ще бъде 36,97 kWh. Познавайки цената на електроенергията, цената на газта или бензина, тяхното потребление за автомобил на 100 км, е лесно да се изчисли отрицателният икономически ефект от преминаването на автомобили към водородно гориво. Да кажем (Русия 2008 г.), 10 цента за kWh електроенергия води до факта, че 1 m³ водород води до цена от 35,6 цента, а като се вземе предвид ефективността на разграждане на водата от 40-45 цента, същото количество kWh от изгаряне на бензин струва 12832,4 kJ/42000 kJ/0,7 kg/l*80 цента/l=34 цента на дребно, докато за водорода изчислихме идеалния вариант, без да отчитаме транспорта, амортизацията на оборудването и др. За метан с енергия на изгаряне от около 39 MJ на m³, резултатът ще бъде два до четири пъти по-нисък поради разликата в цената (1m³ за Украйна струва $179, а за Европа $350). Тоест еквивалентното количество метан ще струва 10-20 цента.

Не бива обаче да забравяме, че когато изгаряме водород, получаваме чиста водаот който е извлечен. Тоест имаме възобновяема складодържателенергия без вреда за околната среда, за разлика от газта или бензина, които са първични източници на енергия.

Php на линия 377 Предупреждение: изискване (http://www..php): не успя да отвори поток: не може да бъде намерена подходяща обвивка в /hsphere/local/home/winexins/site/tab/vodorod.php на линия 377 Фатално грешка: изисква (): Неуспешно отваряне изисква "http://www..php" (include_path="..php на линия 377

ВОДОРОД
з (лат. хидрогений),
най-лекият газообразен химичен елемент - представител на подгрупа IA периодична системаелементи, понякога се отнася към подгрупа VIIA. В земната атмосфера водородът в несвързано състояние съществува само за части от минутата, количеството му е 1-2 части на 1 500 000 части въздух. Обикновено се отделя с други газове по време на вулканични изригвания, от нефтени кладенци и на места, където се разлагат големи количества органична материя. Водородът се свързва с въглерод и/или кислород, за да се образува органична материявидове въглехидрати, въглехидрати, мазнини и животински протеини. В хидросферата водородът е част от водата, най-често срещаното съединение на Земята. В скали, почви, почви и други части на земната кора водородът се свързва с кислорода, за да образува вода и хидроксидния йон OH-. Водородът съставлява 16% от всички атоми в земната кора, но само около 1% от масата, тъй като е 16 пъти по-лек от кислорода. Масата на Слънцето и звездите е 70% водородна плазма: в космоса това е най-често срещаният елемент. Концентрацията на водород в земната атмосфера нараства с височина поради ниската му плътност и способността му да се издига до големи височини. Метеоритите, открити на повърхността на Земята, съдържат 6-10 водородни атома на 100 силициеви атома.
История справка. Друг немски лекар и натуралист Парацелз през 16 век. определят горимостта на водорода. През 1700 г. Н. Лемери открива, че газът, отделен от действието на сярна киселина върху желязото, експлодира във въздуха. Водородът като елемент е идентифициран от Г. Кавендиш през 1766 г. и го нарича "горим въздух", а през 1781 г. той доказва, че водата е продукт на взаимодействието й с кислорода. Латинското хидрогений, което идва от гръцката комбинация "раждащ вода", е приписано на този елемент от А. Лавоазие.
Обща характеристика на водорода.Водородът е първият елемент в периодичната таблица на елементите; неговият атом се състои от един протон и един въртящ се около него електрон
(виж също ПЕРИОДИЧНА СИСТЕМА НА ЕЛЕМЕНТИТЕ).
Един от 5000 водородни атома се отличава с наличието на един неутрон в ядрото, което увеличава масата на ядрото от 1 на 2. Този водороден изотоп се нарича деутерий 21H или 21D. Друг, по-рядък изотоп на водорода съдържа два неутрона в ядрото и се нарича тритий 31H или 31T. Тритият е радиоактивен и се разпада с освобождаването на хелий и електрони. Ядрата на различните водородни изотопи се различават по спиновете на протоните. Водородът може да се получи а) чрез действието на активен метал върху вода, б) чрез действието на киселини върху определени метали, в) чрез действието на основи върху силиция и някои амфотерни метали, г) чрез действието на прегрята пара върху въглища и метан, а също и върху желязо, д) чрез електролитно разлагане на вода и термично разлагане на въглеводороди. Химическата активност на водорода се определя от способността му да отдава електрон на друг атом или да го споделя почти поравно с други елементи при образуването на химична връзка, или да прикрепя електрон към друг елемент в химично съединение, наречено хидрид. Водородът, произведен от промишлеността, се използва в големи количества за синтеза на амоняк, азотна киселина и метални хидриди. хранително-вкусовата промишленостизползва водород за хидрогениране (хидрогениране) на течни растителни масла в твърди мазнини (като маргарин). Хидрогенирането превръща наситените органични масла, съдържащи двойни връзки между въглеродните атоми, в наситени, които имат единични въглерод-въглеродни връзки. Течният водород с висока чистота (99,9998%) се използва в космическите ракети като високоефективно гориво.
Физични свойства. Втечняването и втвърдяването на водорода изисква много ниски температурии високо налягане (виж таблицата със свойствата). При нормални условия водородът е безцветен газ, без мирис и вкус, много лек: 1 литър водород при 0 ° C и атмосферно налягане има маса от 0,08987 g (срв. плътността на въздуха и хелия е 1,2929 и 0,1785 g / l , съответно; следователно, балон, пълен с хелий и имащ същото повдигане като балон с водород, трябва да има 8% повече обем). Таблицата показва някои от физичните и термодинамичните свойства на водорода. СВОЙСТВА НА ОБИКНОВЕНИЯ ВОДОРОД
(при 273,16 K или 0°C)
Атомен номер 1 Атомна маса 11H 1.00797 Плътност, g/l

при нормално налягане 0.08987 при 2.5*10 5 atm 0.66 при 2.7*10 18 atm 1.12*10 7

Ковалентен радиус, 0.74 Точка на топене, ° С -259.14 Точка на кипене, ° С -252.5 Критична температура, ° С -239.92 (33.24 K) Критично налягане, atm 12.8 (12.80 K) Топлинна мощност, J/(molChK) 28.8 (H2) Разтворимост

във вода, vol/100 обема H2O (при стандартни условия) 2,148 в бензен, ml/g (35,2°C, 150,2 atm) 11,77 в амоняк, ml/g (25°C) при 50 atm 4,47 при 1000 atm 79,25

Степени на окисление -1, +1
Структурата на атома.Един обикновен водороден атом (протиум) се състои от две основни частици (протон и електрон) и има атомна маса 1. Поради огромната скорост на електрона (2,25 km/s или 7 * 1015 rev/s) и неговата дуалистична корпускулярна вълнова природа, невъзможно е точно да се определи координатата (позицията) на електрона във всяка този моментвреме, но има някои области с висока вероятност за намиране на електрон и те определят размера на атома. Повечето химични и физични свойства на водорода, особено тези, свързани с възбуждане (поглъщане на енергия), се предсказват математически точно (вижте СПЕКТРОСКОПИЯ). Водородът е подобен на алкалните метали по това, че всички тези елементи са способни да дарят електрон на акцепторен атом, за да образуват химическа връзка, която може да варира от частично йонна (пренос на електрон) до ковалентна (споделена електронна двойка). При силен акцептор на електрони водородът образува положителен Н+ йон; протон. Може да има 2 електрона в електронната орбита на водороден атом, така че водородът също може да приеме електрон, образувайки отрицателен йон H-, хидриден йон, и това прави водорода свързан с халогени, които се характеризират с приемане на електрон с образуването на отрицателен халиден йон от типа Cl-. Дуализмът на водорода се изразява във факта, че в периодичната таблица на елементите той е поставен в подгрупа IA (алкални метали), а понякога и в подгрупа VIIA (халогени) (виж също ХИМИЯ).
Химични свойства.Химичните свойства на водорода се определят от неговия единствен електрон. Количеството енергия, необходимо за отделяне на този електрон, е по-голямо, отколкото може да осигури който и да е известен химичен окислител. Ето защо химическа връзкаводородът с други атоми е по-близо до ковалентен, отколкото до йонен. Чисто ковалентна връзка възниква, когато се образува водородна молекула: H + H H2
Образуването на един мол (т.е. 2 g) H2 освобождава 434 kJ. Дори при 3000 K степента на дисоциация на водорода е много ниска и равна на 9,03%, при 5000 K тя достига 94%, а едва при 10000 K дисоциацията става пълна. Когато два мола (36 g) вода се образуват от атомен водород и кислород (4H + O2 -> 2H2O), се отделят повече от 1250 kJ и температурата достига 3000-4000 ° C, докато изгарянето на молекулярен водород (2H2 + O2 -> 2H2O) освобождава само 285,8 kJ и температурата на пламъка достига само 2500 ° C. При стайна температура водородът е по-малко реактивен. За да се инициират повечето реакции, е необходимо да се прекъсне или отслаби силната H-H връзка, като се изразходва много енергия. Скоростта на водородните реакции се увеличава с използването на катализатор (метали от платиновата група, оксиди на преходни или тежки метали) и методи за възбуждане на молекулата (светлина, електрически разряд, електрическа дъга, високи температури). При такива условия водородът реагира с почти всеки елемент, с изключение на благородни газове. Активните алкални и алкалоземни елементи (например литий и калций) реагират с водорода като донори на електрони и образуват съединения, наречени солни хидриди (2Li + H2 -> 2LiH; Ca + H2 -> CaH2).
Най-общо съединенията, съдържащи водород, се наричат ​​хидриди. Голямото разнообразие от свойства на такива съединения (в зависимост от атома, свързан с водорода) се обяснява със способността на водорода да проявява заряд от -1 до почти +1. Това ясно се проявява в сходството между LiH и CaH2 и соли като NaCl и CaCl2. Смята се, че в хидридите водородът е отрицателно зареден (Н-); такъв йон е редуциращ агент в кисела водна среда: 2H-H2 + 2e- + 2.25B. Йонът Н- е способен да редуцира водния протон Н+ до водороден газ: Н- + Н2О (r) Н2 + ОН-.
Водородните съединения с бор - борохидриди (борохидриди) - представляват необичаен клас вещества, наречени борани. Най-простият им представител е BH3, който съществува само в стабилна форма на диборан B2H6. Връзки със голямо количествоатомите на бора получават различни начини. Известни са например тетраборан B4H10, стабилен пентаборан B5H9 и нестабилен пентаборан B5H11, хексаборан B6H10, декаборан B10H14. Диборан може да се получи от H2 и BCl3 чрез междинното съединение B2H5Cl, което диспропорционира до B2H6 при 0°C, а също и чрез взаимодействие на LiH или литиево-алуминиев хидрид LiAlH4 с BCl3. В литиево-алуминиев хидрид (сложно съединение - солев хидрид) четири водородни атома образуват ковалентни връзки с Al, но има йонна връзка Li + с [] -. Друг пример за водород-съдържащ йон е борохидридният йон BH4-. Следва приблизителна класификация на хидридите според техните свойства според позицията на елементите в периодичната таблица на елементите. Хидридите на преходните метали се наричат ​​метални или междинни хидриди и често не образуват стехиометрични съединения, т.е. съотношението на водородните атоми към метала не се изразява като цяло число, например ванадиев хидрид VH0.6 и ториев хидрид ThH3.1. Металите от платиновата група (Ru, Rh, Pd, Os, Ir и Pt) активно абсорбират водород и служат като ефективни катализатори за реакции на хидрогениране (например хидрогениране на течни масла за образуване на мазнини, превръщане на азот в амоняк, синтез на метанол CH3OH от CO). Хидридите на Be, Mg, Al и подгрупите на Cu, Zn, Ga са полярни, термично нестабилни.

Неметалите образуват летливи хидриди обща формула MHx (x е цяло число) с относително ниска точка на кипене и високо наляганеизпарения. Тези хидриди се различават значително от солните хидриди, в които водородът има по-отрицателен заряд. Летливите хидриди (например въглеводороди) са доминирани от ковалентна връзка между неметали и водород. С увеличаването на неметалния характер се образуват съединения с частично йонна връзка, например H + Cl-, (H2) 2 + O2-, N3- (H3) 3 +. По-долу са дадени отделни примери за образуване на различни хидриди (топлината на образуване на хидрида е посочена в скоби):

Изомерия и изотопи на водорода.Атомите на изотопа на водорода не са подобни. Обикновеният водород, протий, винаги е протон, около който се върти един електрон, разположен на голямо разстояние от протона (спрямо размера на протона). И двете частици имат спин, така че водородните атоми могат да се различават или по спина на електрона, или по спина на протона, или и по двете. Водородните атоми, които се различават по спина на протон или електрон, се наричат ​​изомери. Комбинацията от два атома с успоредни спинове води до образуването на молекула "ортоводород", а с противоположни спинове на протони - до молекула "параводород". Химически двете молекули са идентични. Ортоводородът има много слаб магнитен момент. При стайна или повишена температура и двата изомера, ортоводород и параводород, обикновено са в равновесие в съотношение 3:1. При охлаждане до 20 K (-253° C) съдържанието на параводород се увеличава до 99%, тъй като е по-стабилен. Когато се втечнява чрез промишлени методи за пречистване, орто формата преминава в пара форма с отделяне на топлина, което причинява загуба на водород от изпаряване. Скоростта на превръщане на орто формата в пара форма се увеличава в присъствието на катализатор, напр. дървени въглища, никелов оксид, хромов оксид, отложен върху алуминиев оксид. Протият е необичаен елемент, защото няма неутрони в ядрото си. Ако в ядрото се появи неутрон, тогава такъв водород се нарича деутерий 21D. Елементи с еднакъв брой протони и електрони и различно количествонеутроните се наричат ​​изотопи. Природният водород съдържа малка част от HD и D2. По същия начин естествената вода съдържа ниски концентрации (по-малко от 0,1%) на DOH и D2O. Тежката вода D2O, имаща маса по-голяма от тази на H2O, се различава по физични и химични свойства, например плътността на обикновената вода е 0,9982 g / ml (20 ° C), а тежката - 1,105 g / ml, точката на топене на обикновената вода е 0, 0 ° C, а тежката - 3,82 ° C, точката на кипене е съответно 100 ° C и 101,42 ° C. Реакциите, включващи D2O, протичат с по-ниска скорост (например електролизата на естествена вода, съдържаща смес от D2O, с добавяне на алкален NaOH). Скоростта на електролитно разлагане на протиевия оксид H2O е по-висока от D2O (като се вземе предвид постоянното увеличаване на дела на D2O, подложен на електролиза). Поради близостта на свойствата на протия и деутерия е възможно протият да се замени с деутерий. Такива връзки се наричат ​​етикети. Чрез смесване на деутериеви съединения с обикновено вещество, съдържащо водород, е възможно да се изследват начините, природата и механизма на много реакции. Този метод се използва за изследване на биологични и биохимични реакции, например процесите на храносмилане. Третият изотоп на водорода, тритий (31T), присъства в природата в следи от количества. За разлика от стабилния деутерий, тритият е радиоактивен и има период на полуразпад от 12,26 години. Тритият се разпада до хелий (32He) с освобождаване на b-частица (електрон). Тритият и металните тритиди се използват за производство на ядрена енергия; например в водородна бомбапротича следната реакция на синтез: 21H + 31H -> 42He + 10n + 17,6 MeV
Получаване на водород.Често по-нататъшното използване на водород се определя от естеството на самото производство. В някои случаи, например при синтеза на амоняк, малки количества азот в изходния водород, разбира се, не са вреден примес. Примес на въглероден оксид (II) също няма да пречи, ако водородът се използва като редуциращ агент. 1. Най-голямото производство на водород се основава на каталитичното превръщане на въглеводороди с пара по схемата CnH2n + 2 + nH2O (r) nCO + (2n + 1)H2 и CnH2n + 2 + 2nH2O (r) nCO2 + (3n + 1) H2. Температурата на процеса зависи от състава на катализатора. Известно е, че температурата на реакцията с пропан може да бъде намалена до 370°C, като се използва боксит като катализатор. До 95% от произведения CO се изразходва в по-нататъшната реакция с водна пара: H2O + CO -> CO2 + H2
2. Методът с воден газ осигурява значителна част от общото производство на водород. Същността на метода е реакцията на водна пара с кокс за образуване на смес от CO и H2. Реакцията е ендотермична (DH ° = 121,8 kJ / mol) и се провежда при 1000 ° C. Нагрятият кокс се обработва с пара; освободената пречистена газова смес съдържа известно количество водород, голям процент CO и малка смес от CO2. За да се увеличи добивът на H2, CO моноксидът се отстранява чрез допълнителна обработка с пара при 370°C, произвеждайки повече CO2. Въглеродният диоксид се отстранява сравнително лесно чрез преминаване на газовата смес през скрубер, напоен с противоточна вода. 3. Електролиза. В електролитния процес водородът всъщност е страничен продукт от производството на основните продукти, хлор и алкали (NaOH). Електролизата се извършва в леко алкална водна среда при 80°C и напрежение около 2V, като се използва железен катод и никелов анод:

4. Метод на желязо-пара, според който пара при 500-1000 ° C преминава през желязо: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 + 160,67 kJ. Водородът, произведен по този метод, обикновено се използва за хидрогениране на мазнини и масла. Съставът на железния оксид зависи от температурата на процеса; за nC + (n + 1)H2
6. Следващ по производство е метанолно-парният метод: CH3OH + H2O -> 3H2 + CO2. Реакцията е ендотермична и се провежда при 260°C ВОДОРОД в конвенционални стоманени реактори при налягане до 20 atm. 7. Каталитично разлагане на амоняк: 2NH3 -> Реакцията е обратима.При малки нужди от водород този процес е неикономичен. Съществуват и различни начини за производство на водород, които, макар и да не са от голямо промишлено значение, в някои случаи могат да бъдат икономически най-изгодните. Много чист водород се получава чрез хидролиза на пречистени хидриди алкални метали; в този случай се образува много водород от малко количество хидрид: LiH + H2O -> LiOH + H2
(Този метод е удобен, когато се използва директно полученият водород.) Водородът също се освобождава, когато киселините реагират с активни метали, но обикновено е замърсен с киселинни пари или друг газообразен продукт, като фосфин PH3, сероводород H2S, арсин AsH3. Повечето активни метали, реагирайки с вода, изместват водорода и образуват алкален разтвор: 2H2O + 2Na -> H2 + 2NaOH Общ лабораторен методполучаване на Н2 в апарата на Кип чрез реакция на цинк със солна или сярна киселина:
Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2. Хидриди на алкалоземни метали (напр. CaH2), комплексни солеви хидриди (напр. LiAlH4 или NaBH4) и някои борохидриди (напр. B2H6) отделят водород при реакция с вода или по време на термична дисоциация. Кафявите въглища и парата при висока температура също взаимодействат с отделянето на водород.
Пречистване на водород.Степента на необходимата чистота на водорода се определя от неговия обхват. Примесите от въглероден диоксид се отстраняват чрез замразяване или втечняване (например чрез преминаване на газова смес през течен азот). Същият примес може да бъде напълно отстранен чрез барботиране през вода. CO може да бъде отстранен чрез каталитично превръщане в CH4 или CO2 или чрез втечняване по време на обработката течен азот. Кислородният примес, образуван по време на процеса на електролиза, се отстранява под формата на вода след искровото разреждане.
Използването на водород.Водородът се използва главно в химическата промишленост за производството на хлороводород, амоняк, метанол и др. органични съединения. Използва се при хидрогениране на масла, както и на въглища и нефт (за превръщане на нискокачествени горива във висококачествени). В металургията водородът се използва за възстановяване на някои цветни метали от техните оксиди. Водородът се използва за охлаждане на мощни електрически генератори. Водородните изотопи се използват в ядрената енергетика. Водородно-кислороден пламък се използва за рязане и заваряване на метали.
ЛИТЕРАТУРА
Некрасов Б.В. Основи на общата химия. М., 1973 Течен водород. М., 1980 Водород в металите. М., 1981

Енциклопедия на Collier. - Отворено общество. 2000 .

Синоними:

Вижте какво е "ВОДОРОД" в други речници:

Таблица на нуклидите Главна информацияИме, символ Водород 4, 4H Неутрони 3 Протони 1 Нуклидни свойства Атомна маса 4,027810 (110) ... Wikipedia

Таблица на нуклидите Обща информация Име, символ Водород 5, 5H Неутрони 4 Протони 1 Свойства на нуклида Атомна маса 5,035310 (110) ... Wikipedia

Таблица на нуклидите Обща информация Име, символ Водород 6, 6H Неутрони 5 Протони 1 Свойства на нуклида Атомна маса 6,044940 (280) ... Wikipedia

Таблица на нуклидите Обща информация Име, символ Водород 7, 7H Неутрони 6 Протони 1 Свойства на нуклида Атомна маса 7,052750 (1080) ... Wikipedia

Започвайки да разглеждаме химичните и физичните свойства на водорода, трябва да се отбележи, че в обичайното състояние този химичен елемент е в газообразна форма. Безцветният водороден газ е без мирис и вкус. За първи път този химичен елемент беше наречен водород, след като ученият А. Лавоазие проведе експерименти с вода, според резултатите от които световната наука научи, че водата е многокомпонентна течност, която включва водород. Това събитие се случи през 1787 г., но много преди тази дата водородът беше известен на учените под името "горим газ".

Водород в природата

Според учените водородът се намира в земната кораи във вода (приблизително 11,2% в общ обемвода). Този газ е част от много минерали, които човечеството извлича от недрата на земята в продължение на векове. Отчасти свойствата на водорода са характерни за нефт, природни газове и глина, за животински и растителни организми. Но в чиста форма, тоест не се комбинира с други химични елементи от периодичната таблица, този газ е изключително рядък в природата. Този газ може да излезе на земната повърхност по време на вулканични изригвания. Свободният водород присъства в следи от атмосферата.

Химични свойства на водорода

Тъй като химичните свойства на водорода не са еднакви, този химичен елемент принадлежи както към група I на системата на Менделеев, така и към група VII на системата. Като представител на първата група, водородът всъщност е алкален метал, който има степен на окисление +1 в повечето от съединенията, в които е включен. Същата валентност е характерна за натрия и други алкални метали. С оглед на тези химични свойства, водородът се счита за елемент, подобен на тези метали.

Ако говорим за метални хидриди, тогава водородният йон има отрицателна валентност - степента му на окисление е -1. Na + H- е изграден по същия начин като Na + Cl- хлорид. Този факт е причината водородът да бъде отнесен към VII група на системата на Менделеев. Водородът, намирайки се в състояние на молекула, при условие че е в обикновена среда, е неактивен и може да се комбинира само с по-активни за него неметали. Такива метали включват флуор, в присъствието на светлина водородът се свързва с хлор. Ако водородът се нагрее, той става по-активен, реагирайки с много елементи от периодичната система на Менделеев.

Атомарният водород проявява по-активни химични свойства от молекулярния водород. Молекулите на кислорода образуват вода - H2 + 1/2O2 = H2O. Когато водородът взаимодейства с халогени, се образуват водородни халиди H2 + Cl2 = 2HCl и водородът влиза в тази реакция при липса на светлина и при достатъчно високи отрицателни температури - до - 252 ° C. Химичните свойства на водорода позволяват използването му за редукция на много метали, тъй като при реакция водородът абсорбира кислород от метални оксиди, например CuO + H2 = Cu + H2O. Водородът участва в образуването на амоняк, взаимодействайки с азота в реакцията 3H2 + N2 = 2NH3, но при условие, че се използва катализатор и температурата и налягането се повишават.

Енергична реакция възниква, когато водородът взаимодейства със сярата в реакцията H2 + S = H2S, което води до сероводород. Взаимодействието на водорода с телур и селен е малко по-малко активно. Ако няма катализатор, тогава той реагира с чист въглерод, водород само при условие, че се създават високи температури. 2H2 + C (аморфен) = CH4 (метан). В процеса на взаимодействие на водород с някои алкални и други метали се получават хидриди, например H2 + 2Li = 2LiH.

Физични свойства на водорода

Водородът е много лек химически. Най-малкото учените твърдят, че в момента няма по-леко вещество от водорода. Масата му е 14,4 пъти по-лека от въздуха, плътността му е 0,0899 g/l при 0°C. При температури от -259,1 ° C водородът може да се стопи - това е много критична температура, която не е типична за трансформацията на повечето химични съединенияот едно състояние в друго. Само такъв елемент като хелий надвишава физическите свойства на водорода в това отношение. Втечняването на водорода е трудно, тъй като критичната му температура е (-240°C). Водородът е най-отделящият топлина газ от всички познати на човечеството. Всички свойства, описани по-горе, са най-значимите физични свойства на водорода, които се използват от човека за специфични цели. Освен това тези свойства са най-актуалните за съвременната наука.

Водородът в периодичната таблица се намира под номер едно, едновременно в групи I и VII. Символът за водород е Н (лат. Hydrogenium). Това е много лек газ без цвят и мирис. Има три изотопа на водорода: 1H - протий, 2H - деутерий и 3H - тритий (радиоактивен). Въздух или кислород в реакция с прост водород H₂ е ​​силно запалим и също експлозивен. Водородът не отделя токсични продукти. Разтворим е в етанол и редица метали (особено страничната подгрупа).

Разпространението на водорода на Земята

Подобно на кислорода, водородът е от голямо значение. Но, за разлика от кислорода, почти целият водород е в свързана форма с други вещества. В свободно състояние той е само в атмосферата, но количеството му там е изключително нищожно. Водородът е съставна част на почти всички органични съединения и живи организми. Най-често се среща под формата на оксид - вода.

Физикохимични свойства

Водородът не е активен и при нагряване или в присъствието на катализатори реагира с почти всички прости и сложни химични елементи.

Реакцията на водород с прости химични елементи

При повишени температури водородът реагира с кислород, сяра, хлор и азот. ще научите какви експерименти с газове можете да правите у дома.

Опит във взаимодействието на водород с кислород в лаборатория

Нека вземем чист водород, който идва през изходната тръба за газ, и да го запалим. Ще гори с едва забележим пламък. Ако поставите водородна тръба в съд, той ще продължи да гори и по стените ще се образуват капки вода. Този кислород реагира с водород:

2H₂ + O₂ = 2H2O + Q

Когато водородът се изгаря, се генерира много топлинна енергия. Температурата на комбинацията от кислород и водород достига 2000 °C. Кислородът окислява водорода, така че тази реакция се нарича реакция на окисление.

При нормални условия (без нагряване) реакцията протича бавно. И при температури над 550 ° C възниква експлозия (образува се така нареченият експлозивен газ). В миналото водородът често е бил използван в балони, но поради образуването на експлозивен газ е имало много бедствия. Целостта на топката беше нарушена и настъпи експлозия: водородът реагира с кислорода. Затова сега се използва хелий, който периодично се нагрява от пламък.

Хлорът реагира с водорода и образува хлороводород (само в присъствието на светлина и топлина). Химическата реакция на водород и хлор изглежда така:

H2 + Cl2 = 2HCl

Интересен факт: реакцията на флуор с водород предизвиква експлозия дори на тъмно и при температури под 0 ° C.

Взаимодействието на азот с водород може да се случи само при нагряване и в присъствието на катализатор. Тази реакция произвежда амоняк. Уравнение на реакцията:

ЗН₂ + N₂ = 2НН3

Реакцията на сяра и водород протича с образуването на газ - сероводород. В резултат на това се усеща миризмата на развалени яйца:

H₂ + S = H2S

В металите водородът не само се разтваря, но и може да реагира с тях. В резултат на това се образуват съединения, които се наричат ​​хидриди. Някои хидриди се използват като гориво в ракети. Те също произвеждат ядрена енергия.

Реакция със сложни химични елементи

Например водород с меден оксид. Вземете епруветка с водород и я прекарайте през прах от меден оксид. Цялата реакция протича при нагряване. Черният меден прах ще стане кафяво-червен (цветът на обикновената мед). Капчици течност ще се появят и върху незагрятите части на колбата - това се е образувало.

Химическа реакция:

CuO + H₂ = Cu + H2O

Както можете да видите, водородът реагира с оксид и редуцира медта.

Реакции на възстановяване

Ако дадено вещество отнеме оксид по време на реакцията, то е редуциращ агент. На примера на реакцията на меден оксид с виждаме, че водородът е редуциращият агент. Той също така реагира с някои други оксиди като HgO, MoO₃ и PbO. При всяка реакция, ако един от елементите е окислител, другият ще бъде редуциращ агент.

Всички водородни съединения

Съединения на водорода с неметали- силно летливи и отровни газове (напр. сероводород, силан, метан).

ХалогеноводородиНай-често се използва хлороводород. Когато се разтвори, образува солна киселина. Тази група включва още: флуороводород, йодоводород и бромоводород. Всички тези съединения образуват в резултат на това съответните киселини.

Водороден прекис (химична формулаН₂О₂) проявява най-силни окислителни свойства.

Водородни хидроксидиили вода H₂O.

хидридиса съединения с метали.

Хидроксидиса киселини, основи и други съединения, които съдържат водород.

органични съединения: протеини, мазнини, липиди, хормони и др.

Водородът H е химичен елемент, един от най-често срещаните в нашата Вселена. Масата на водорода като елемент в състава на веществата е 75% от общото съдържание на атоми от друг вид. Включен е в най-важната и жизненоважна връзка на планетата – водата. Отличителна черта на водорода е също, че той е първият елемент в периодичната система химически елементиД. И. Менделеев.

Откриване и изследване

Първите споменавания на водород в писанията на Парацелз датират от шестнадесети век. Но изолирането му от газовата смес на въздуха и изследването на горимите свойства са направени още през седемнадесети век от учения Лемери. Водородът е подробно проучен от английски химик, физик и натуралист, който експериментално доказва, че масата на водорода е най-малка в сравнение с други газове. В следващите етапи от развитието на науката много учени са работили с него, по-специално Лавоазие, който го нарича "раждащ вода".

Характеристика според длъжността в PSCE

Елементът, който отваря периодичната таблица на Д. И. Менделеев, е водород. Физическите и химичните свойства на атома показват някакъв вид двойственост, тъй като водородът едновременно се отнася към първата група, основната подгрупа, ако се държи като метал и отдава един електрон в процеса химическа реакция, и до седмия - в случай на пълно запълване на валентната обвивка, тоест приемането на отрицателна частица, което я характеризира като подобна на халогените.

Характеристики на електронната структура на елемента

Имоти сложни вещества, в който е включен, и най-простото вещество Н 2 се определят основно от електронната конфигурация на водорода. Частицата има един електрон с Z= (-1), който се върти по своята орбита около ядрото, съдържащ един протон с единична маса и положителен заряд (+1). Неговата електронна конфигурациясе записва като 1s 1, което означава наличието на една отрицателна частица в първата и единствена s-орбитала за водорода.

Когато един електрон се отдели или отдаде и атом на този елемент има такова свойство, че е свързан с металите, се получава катион. Всъщност водородният йон е положителна елементарна частица. Следователно водородът, лишен от електрон, се нарича просто протон.

Физични свойства

Накратко описвайки водорода, той е безцветен, слабо разтворим газ с роднина атомна масаравен на 2, 14,5 пъти по-лек от въздуха, с температура на втечняване от -252,8 градуса по Целзий.

Лесно може да се види от опит, че H2 е най-лекият. За да направите това, достатъчно е да напълните три топки с различни вещества - водород, въглероден диоксид, обикновен въздух - и едновременно да ги освободите от ръката си. Този, който е пълен с CO 2, ще достигне земята по-бързо от всеки, след което ще падне напомпан с въздушна смес, а този, съдържащ H 2, ще се издигне до тавана.

Малката маса и размер на водородните частици оправдават способността му да прониква през различни вещества. На примера на същата топка това е лесно да се провери, след няколко дни тя ще се издуе, тъй като газът просто ще премине през гумата. Също така, водородът може да се натрупва в структурата на някои метали (паладий или платина) и да се изпари от него, когато температурата се повиши.

Свойството на ниска разтворимост на водорода се използва в лабораторната практика за изолирането му чрез метода на изместване на водорода (таблицата по-долу съдържа основните параметри), определящи обхвата на неговото приложение и методите на производство.

Параметър на атом или молекула на просто вещество	Значение
Атомна маса (моларна маса)	1,008 g/mol
Електронна конфигурация	1s 1
Кристална клетка	Шестоъгълна
Топлопроводимост	(300 K) 0,1815 W/(m K)
Плътност при n. г.	0,08987 g/l
Температура на кипене	-252,76°C
Специфична топлина на изгаряне	120.9 106 J/kg
Температура на топене	-259,2°C
Разтворимост във вода	18,8 ml/l

Изотопен състав

Подобно на много други представители на периодичната система от химични елементи, водородът има няколко естествени изотопа, тоест атоми с същото числопротони в ядрото, но различен брой неутрони – частици с нулев заряд и единица маса. Примери за атоми, които имат подобно свойство, са кислород, въглерод, хлор, бром и други, включително радиоактивни.

Физичните свойства на водорода 1 H, най-често срещаният от представителите на тази група, се различават значително от същите характеристики на неговите колеги. По-специално, характеристиките на веществата, в които са включени, се различават. И така, има обикновена и деутерирана вода, съдържаща в състава си, вместо водороден атом с един протон, деутерий 2 Н - неговият изотоп с две елементарни частици: положителни и незаредени. Този изотоп е два пъти по-тежък от обикновения водород, което обяснява фундаменталната разлика в свойствата на съединенията, които изграждат. В природата деутерият е 3200 пъти по-рядък от водорода. Третият представител е тритий 3 H, в ядрото има два неутрона и един протон.

Методи за получаване и изолиране

Лабораторните и индустриалните методи са много различни. И така, в малки количества газът се получава главно чрез реакции, в които минерали, а мащабното производство използва в по-голяма степен органичния синтез.

В лабораторията се използват следните химични взаимодействия:

В промишлени интереси газът се получава по такива методи като:

1. Термично разлагане на метан в присъствието на катализатор до съставните му прости вещества (350 градуса достига стойността на такъв показател като температура) - водород Н 2 и въглерод С.
2. Преминаване на парообразна вода през кокс при 1000 градуса по Целзий с образуване на въглероден диоксид CO 2 и H 2 (най-често срещаният метод).
3. Превръщане на газообразен метан върху никелов катализатор при температура, достигаща 800 градуса.
4. Водородът е страничен продукт при електролизата на водни разтвори на калиеви или натриеви хлориди.

Химични взаимодействия: общи положения

Физичните свойства на водорода до голяма степен обясняват поведението му в реакционни процеси с едно или друго съединение. Валентността на водорода е 1, тъй като се намира в първата група в периодичната таблица, а степента на окисление показва различна. Във всички съединения, с изключение на хидридите, водородът в s.o. = (1+), в молекули като XH, XH 2, XH 3 - (1-).

Молекулата на водородния газ, образувана чрез създаване на обобщена електронна двойка, се състои от два атома и е доста стабилна енергийно, поради което при нормални условия е донякъде инертна и влиза в реакции, когато нормални условия. В зависимост от степента на окисление на водорода в състава на други вещества, той може да действа както като окислител, така и като редуциращ агент.

Вещества, с които реагира и образува водород

Елементни взаимодействия за образуване на сложни вещества (често при повишени температури):

1. Алкален и алкалоземен метал + водород = хидрид.
2. Халоген + Н 2 = халогеноводород.
3. Сяра + водород = сероводород.
4. Кислород + Н 2 = вода.
5. Въглерод + водород = метан.
6. Азот + Н 2 = амоняк.

Взаимодействие със сложни вещества:

1. Получаване на синтез газ от въглероден окис и водород.
2. Възстановяване на метали от техните оксиди с Н2.
3. Насищане с водород на ненаситени алифатни въглеводороди.

водородна връзка

Физическите свойства на водорода са такива, че когато се комбинира с електроотрицателен елемент, той му позволява да образува специален тип връзка със същия атом от съседни молекули, които имат несподелени електронни двойки (например кислород, азот и флуор). Най-яркият пример, на който е по-добре да разгледаме подобно явление, е водата. Може да се каже, че е свързан с водородни връзки, които са по-слаби от ковалентните или йонните, но поради факта, че има много от тях, те оказват значително влияние върху свойствата на веществото. По същество водородното свързване е електростатично взаимодействие, което свързва водните молекули в димери и полимери, обосновавайки го висока температуракипене.

Водородът в състава на минералните съединения

Всички съдържат протон - катион на атом като водород. Вещество, чийто киселинен остатък има степен на окисление, по-голяма от (-1), се нарича многоосновно съединение. Съдържа няколко водородни атома, което води до дисоциация водни разтворимногостепенен. Всеки следващ протон се откъсва от останалата киселина все по-трудно. По количественото съдържание на водороди в средата се определя нейната киселинност.

Приложение в човешката дейност

Цилиндрите с вещество, както и контейнерите с други втечнени газове, като кислород, имат специфичен външен вид. Те са боядисани в тъмно зелено с яркочервен надпис „Водород“. Газът се изпомпва в цилиндър под налягане от около 150 атмосфери. Физическите свойства на водорода, по-специално лекотата на газообразното агрегатно състояние, се използват за пълнене на балони, балони и др., смесени с хелий.

Водородът, чиито физични и химични свойства хората са се научили да използват преди много години, в момента се използва в много индустрии. Повечето от тях отиват за производството на амоняк. Също така, водородът участва в (хафний, германий, галий, силиций, молибден, волфрам, цирконий и други) от оксиди, действащи в реакцията като редуциращ агент, циановодородна и солна киселина, както и изкуствено течно гориво. Хранителната промишленост го използва за превръщане на растителни масла в твърди мазнини.

Определихме химичните свойства и използването на водорода в различни процеси на хидрогениране и хидрогениране на мазнини, въглища, въглеводороди, масла и мазут. С него те произвеждат скъпоценни камъни, лампи с нажежаема жичка, извършват коване и заваряване на метални изделия под въздействието на кислородно-водороден пламък.