С какво реагира водородът без нагряване. Влизане в индустрията

Помислете какво е водород. Химичните свойства и производството на този неметал се изучават в курса по неорганична химия в училище. Именно този елемент оглавява периодичната система на Менделеев и следователно заслужава подробно описание.

Отваряне на елемент с един поглед

Преди да разгледаме физичните и химичните свойства на водорода, нека да разберем как е открит този важен елемент.

Химиците, които са работили през шестнадесети и седемнадесети век, многократно споменават в своите писания за горимия газ, който се отделя, когато киселините са изложени на активни метали. През втората половина на осемнадесети век Г. Кавендиш успява да събере и анализира този газ, давайки му името "запалим газ".

Физичните и химичните свойства на водорода по това време не са изследвани. Едва в края на осемнадесети век А. Лавоазие успява чрез анализ да установи, че този газ може да бъде получен чрез анализ на водата. Малко по-късно той започва да нарича новия елемент водород, което означава „раждане на вода“. Водородът дължи съвременното си руско име на M.F.Soloviev.

Да бъдеш сред природата

Химичните свойства на водорода могат да бъдат анализирани само въз основа на неговото изобилие в природата. Този елемент присъства в хидро- и литосферата, а също така е част от минералите: природен и свързан газ, торф, нефт, въглища, нефтени шисти. Трудно е да си представим възрастен, който не би знаел, че водородът е неразделна част от водата.

В допълнение, този неметал се намира в животинските организми под формата на нуклеинови киселини, протеини, въглехидрати и мазнини. На нашата планета този елемент се среща в свободна форма доста рядко, може би само в природен и вулканичен газ.

Под формата на плазма водородът съставлява около половината от масата на звездите и Слънцето, а също така е част от междузвездния газ. Например, в свободна форма, както и под формата на метан, амоняк, този неметал присъства в комети и дори някои планети.

Физически свойства

Преди да разгледаме химичните свойства на водорода, отбелязваме, че при нормални условия той е газообразно вещество, по-леко от въздуха и има няколко изотопни форми. Той е почти неразтворим във вода и има висока топлопроводимост. Протиумът, който има масово число 1, се счита за най-леката му форма. Тритият, който има радиоактивни свойства, се образува естествено от атмосферния азот, когато е изложен на UV лъчи от неврони.

Характеристики на структурата на молекулата

За да разгледаме химичните свойства на водорода, характерните за него реакции, нека се спрем на особеностите на неговата структура. Тази двуатомна молекула има ковалентна неполярна химична връзка. Образуването на атомен водород е възможно чрез взаимодействието на активни метали с киселинни разтвори. Но в тази форма този неметал може да съществува само за малък период от време, почти веднага се рекомбинира в молекулярна форма.

Химични свойства

Помислете за химичните свойства на водорода. В повечето съединения, които този химичен елемент образува, той проявява степен на окисление +1, което го прави подобен на активните (алкални) метали. Основните химични свойства на водорода, които го характеризират като метал:

• взаимодействие с кислород за образуване на вода;
• реакция с халогени, придружена от образуване на халогеноводород;
• получаване на сероводород, когато се комбинира със сяра.

По-долу е представено уравнението на реакциите, характеризиращи химичните свойства на водорода. Обръщаме внимание на факта, че като неметал (със степен на окисление -1) той действа само в реакция с активни метали, образувайки с тях съответните хидриди.

При обикновени температури водородът неактивно взаимодейства с други вещества, така че повечето от реакциите се извършват само след предварително нагряване.

Нека се спрем по-подробно на някои от химичните взаимодействия на елемента, който оглавява периодичната таблица на химичните елементи на Менделеев.

Реакцията на образуване на вода е придружена от освобождаване на 285,937 kJ енергия. При повишени температури (повече от 550 градуса по Целзий) този процес е придружен от силен взрив.

Сред онези химични свойства на газообразния водород, които са намерили значително приложение в промишлеността, интерес представлява неговото взаимодействие с метални оксиди. Именно чрез каталитично хидрогениране в съвременната промишленост се обработват метални оксиди, например чистият метал се изолира от железния нагар (смесен железен оксид). Този метод позволява ефективна обработка на метален скрап.

Синтезът на амоняк, който включва взаимодействието на водород с азот във въздуха, също е търсен в съвременната химическа промишленост. Сред условията за възникване на това химическо взаимодействие отбелязваме налягането и температурата.

Заключение

Водородът е неактивен химикал при нормални условия. С повишаване на температурата неговата активност се увеличава значително. Това вещество е търсено в органичния синтез. Например, чрез хидрогениране, кетоните могат да бъдат редуцирани до вторични алкохоли, а алдехидите могат да се превърнат в първични алкохоли. В допълнение, чрез хидрогениране е възможно ненаситените въглеводороди от класа етилен и ацетилен да се превърнат в наситени съединения от метановия ред. Водородът с право се счита за просто вещество, търсено в съвременното химическо производство.

Водородът е най-разпространеният химичен елемент във Вселената. Той е този, който формира основата на горимата материя на Звездите.

Водородът е първият химичен елемент от периодичната таблица на Менделеев. Неговият атом има най-простата структура: един електрон се върти около елементарната частица "протон" (атомно ядро):

Естественият водород се състои от три изотопа: протий 1 H, деутерий 2 H и тритий 3 N.

Задача 12.1.Посочете структурата на ядрата на атомите на тези изотопи.

Имайки един електрон на външно ниво, водороден атом може да прояви единствената възможна валентност за него:

Въпрос.Образува ли се завършено външно ниво, когато водороден атом приема електрони?

Така един водороден атом може както да приема, така и да дава единелектрон, тоест е типичен неметал. V всякаквисъединения водороден атом едно нещовалентинка.

Просто вещество "водород" H 2- газ без цвят и мирис, много лек. Той е слабо разтворим във вода, но силно разтворим в много метали. И така, един обем паладий Pdабсорбира до 900 обема водород.

Схема (1) показва, че водородът може да бъде както окислител, така и редуциращ агент, реагирайки с активни метали и много неметали:

Задача 12.2.Определете в кои реакции водородът е окислител и в кои е редуциращ агент. отбележи, че една водородна молекула се състои от два атома.

Смес от водород и кислород е "детониращ газ", тъй като при запалване се получава мощна експлозия, която отне много животи. Следователно експериментите, при които се отделя водород, трябва да се извършват далеч от огъня.

Най-често водородът проявява редуциращи свойства, който се използва за получаване на чисти метали от техните оксиди *:

* Алуминият проявява подобни свойства (виж урок 10 - алуминотермия).

Между водорода и органичните съединения протичат различни реакции. Така че, поради добавянето на водород ( хидрогениране) течните мазнини се превръщат в твърди (за повече подробности урок 25).

Водородът може да се получи по различни начини:

• Взаимодействие на метали с киселини:

Задача 12.3. алуминий, мед и цинк със солна киселина... В какви случаи реакцията е неуспешна? Защо? В случай на затруднение вижте уроци 2.2 и 8.3;

• Взаимодействие на активни метали с вода:

Задача 12.4.Направете уравнения на такива реакции за натрий, барий, алуминий, желязо, олово... В какви случаи реакцията е неуспешна? Защо? В случай на затруднение вижте урок 8.3.

В промишлен мащаб водородът се произвежда чрез електролиза на вода:

както и при преминаване на водна пара през горещи железни стърготини:

Водородът е най-разпространеният елемент във Вселената. Той съставлява по-голямата част от масата на звездите и участва в термоядрен синтез – източникът на енергията, която тези звезди излъчват.

Кислород

Кислородът е най-разпространеният химичен елемент на нашата планета: повече от половината от атомите на земната кора са кислород. Веществото кислород O 2 е около 1/5 от нашата атмосфера, а химическият елемент кислород е 8/9 от хидросферата (Световния океан).

В периодичната таблица на Менделеев кислородът има пореден номер 8 и е в група VI на втория период. Следователно структурата на кислородния атом е както следва:

Имайки 6 електрона на външно ниво, кислородът е типичен неметал, т.е. добавя двеелектрон преди завършването на външното ниво:

Следователно кислородът в неговите съединения проявява валентност IIи степен на окисление –2 (с изключение на пероксидите).

Поемайки електрони, кислородният атом проявява свойствата на окислител. Това свойство на кислорода е изключително важно: процесите на окисление протичат по време на дишането, метаболизма; окислителни процеси протичат при горенето на прости и сложни вещества.

Горене - окисляване на прости и сложни вещества, което е придружено от отделяне на светлина и топлина. Почти всички метали и неметали изгарят или окисляват в кислородна атмосфера. В този случай се образуват оксиди:

* По-точно Fe 3 O 4.

При изгарянев кислород сложни веществаобразуват се оксиди на химичните елементи, включени в оригиналното вещество... Като прости вещества се отделят само азот и халогени:

Втората от тези реакции се използва като източник на топлина и енергия в ежедневието и индустрията, тъй като метанът CH 4е част от природния газ.

Кислородът прави възможно засилването на много индустриални и биологични процеси. Кислородът се получава в големи количества от въздуха, както и чрез електролиза на вода (като водород). В малки количества може да се получи чрез разлагане на сложни вещества:

Задача 12.5.Поставете коефициентите в уравненията на реакцията, предоставени тук.

Вода

Водата не може да бъде заменена с нищо - по това се различава от почти всички други вещества, които се срещат на нашата планета. Водата може да бъде заменена само от самата вода. Няма живот без вода: в края на краищата животът на Земята е възникнал, когато водата се е появила върху нея. Животът се е зародил във водата, защото е естествено универсално разтворител... Той се разтваря и следователно раздробява всички необходими хранителни вещества и ги снабдява с клетките на живите организми. И в резултат на смилането скоростта на химичните и биохимичните реакции рязко се увеличава. Освен това, без предварително разтваряне, 99,5% (199 на всеки 200) реакции не могат да възникнат! (Вижте също урок 5.1.)

Известно е, че възрастен трябва да получава 2,5–3 литра вода на ден, същото количество се отделя от тялото: тоест има воден баланс в човешкото тяло. Ако бъде нарушено, човек може просто да умре. Например, загубата на само 1-2% вода от човек причинява жажда, а 5% повишава телесната температура поради нарушение на терморегулацията: появяват се сърцебиене, възникват халюцинации. При загуба на 10% или повече вода в тялото настъпват такива промени, които вече могат да бъдат необратими. Човекът ще умре от дехидратация.

Водата е уникално вещество. Точката на кипене трябва да бъде –80 ° C (!), но е +100 ° C. Защо? Защото между полярните водни молекули се образуват водородни връзки:

Следователно и ледът, и снегът са рохки и заемат по-голям обем от течната вода. В резултат на това ледът се издига на повърхността на водата и предпазва жителите на водоемите от замръзване. Прясно падналият сняг съдържа много въздух и е отличен топлоизолатор. Ако снегът покри земята с дебел слой, тогава и животните, и растенията са спасени от най-тежките студове.

Освен това водата има висок топлинен капацитет и е вид акумулатор на топлина. Следователно по бреговете на моретата и океаните климатът е мек и добре напоените растения страдат по-малко от измръзване от сухите.

По принцип невъзможно без вода хидролиза, химична реакция, която задължително съпътства усвояването на протеини, мазнини и въглехидрати, които са задължителнокомпоненти на нашата храна. В резултат на хидролиза тези сложни органични вещества се разлагат до нискомолекулни вещества, които всъщност се усвояват от жив организъм (за повече подробности вижте уроци 25-27). Разгледахме процесите на хидролиза в урок 6. Водата взаимодейства с много метали и неметали, оксиди и соли.

Задача 12.6.Направете уравненията на реакцията:

1. натрий + вода →
2. хлор + вода →
3. калциев оксид + вода →
4. серен (IV) оксид + вода →
5. цинков хлорид + вода →
6. натриев силикат + вода →

Това променя ли реакцията на средата (рН)?

Водата е продуктмного реакции. Например, в реакцията на неутрализация и в много ORP задължително се образува вода.

Задача 12.7.Запишете уравненията за тези реакции.

заключения

Водородът е най-разпространеният химичен елемент във Вселената, а кислородът е най-разпространеният химичен елемент на Земята. Тези вещества проявяват противоположни свойства: водородът е редуциращ агент, а кислородът е окислител. Следователно те лесно реагират един с друг, образувайки най-удивителното и най-разпространеното вещество на Земята - водата.

Кислородът е най-разпространеният елемент на земята. Заедно с азота и малко количество други газове, свободният кислород образува земната атмосфера. Съдържанието му във въздуха е 20,95% от обема или 23,15% от теглото. В земната кора 58% от атомите са свързани кислородни атоми (47% от масата). Кислородът е част от водата (запасите от свързан кислород в хидросферата са изключително големи), скали, много минерали и соли, съдържа се в мазнини, протеини и въглехидрати, които изграждат живите организми. Почти целият свободен кислород на Земята е възникнал и се запазва в резултат на процеса на фотосинтеза.

Физически свойства.

Кислородът е безцветен газ без вкус и мирис, малко по-тежък от въздуха. Ние сме слабо разтворими във вода (31 ml кислород се разтваря в 1 литър вода при 20 градуса), но все пак е по-добре от другите газове в атмосферата, така че водата е обогатена с кислород. Плътността на кислорода при нормални условия е 1,429 g / l. При температура от -183 0 C и налягане от 101,325 kPa кислородът преминава в течно състояние. Течният кислород има синкав цвят, привлича се в магнитно поле и при -218,7 ° C образува сини кристали.

Естественият кислород има три изотопа O 16, O 17, O 18.

алотропия- способността на химичен елемент да съществува под формата на две или повече прости вещества, различаващи се само по броя на атомите в молекулата или по структура.

Озон О 3 – съществува в горните слоеве на атмосферата на височина 20-25 км от земната повърхност и образува т. нар. „озонов слой“, който предпазва Земята от вредното ултравиолетово лъчение на Слънцето; бледо лилав, отровен в големи количества газ със специфична, остра, но приятна миризма. Точката на топене е -192,7 0 С, точката на кипене -111,9 0 С. Във вода ще се разтворим по-добре от кислорода.

Озонът е силен окислител. Неговата окислителна активност се основава на способността на молекулата да се разлага с освобождаването на атомен кислород:

Той окислява много прости и сложни вещества. Образува озониди с някои метали, например калиев озонид:

K + O 3 = KO 3

Озонът се получава в специални устройства - озонатори. В тях, под действието на електрически разряд, молекулният кислород се превръща в озон:

Подобна реакция протича под въздействието на мълниеносни разряди.

Използването на озона се дължи на неговите силни окисляващи свойства: използва се за избелване на тъкани, дезинфекция на питейна вода, в медицината като дезинфектант.

Вдишването на големи количества озон е вредно: дразни лигавиците на очите и дихателните органи.

Химични свойства.

При химични реакции с атоми на други елементи (с изключение на флуор) кислородът проявява изключително окислителни свойства

Най-важното химично свойство е способността да образува оксиди с почти всички елементи. В същото време кислородът реагира директно с повечето вещества, особено при нагряване.

В резултат на тези реакции, като правило, се образуват оксиди, по-рядко - пероксиди:

2Са + О 2 = 2СаО

2Ва + О 2 = 2ВаО

2Na + O 2 = Na 2 O 2

Кислородът не взаимодейства директно с халогени, злато, платина, техните оксиди се получават индиректно. При нагряване сярата, въглеродът, фосфорът изгарят в кислород.

Взаимодействието на кислорода с азота започва само при температура от 1200 0 C или при електрически разряд:

N 2 + O 2 = 2NO

С водород кислородът образува вода:

2H2 + O2 = 2H2O

По време на тази реакция се отделя значително количество топлина.

Смес от два обема водород с един кислород експлодира при запалване; нарича се детониращ газ.

Много метали, когато са в контакт с атмосферния кислород, подлежат на разрушаване - корозия. Някои метали при нормални условия се окисляват само от повърхността (например алуминий, хром). Полученият оксиден филм предотвратява по-нататъшното взаимодействие.

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3

Сложните вещества също взаимодействат с кислорода при определени условия. В този случай се образуват оксиди, а в някои случаи оксиди и прости вещества.

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O

H2S + O2 = 2SO2 + 2H2O

4NН 3 + ЗО 2 = 2N 2 + 6Н 2 О

4CH 3 NH 2 + 9O 2 = 4CO 2 + 2N 2 + 10H 2 O

При взаимодействие със сложни вещества кислородът действа като окислител. Окислителната активност на кислорода се основава на важното му свойство – способността да се поддържа изгаряневещества.

С водорода кислородът също образува съединение - водороден пероксид Н 2 О 2 - безцветна прозрачна течност с горящ стипчив вкус, лесно разтворима във вода. Химически водородният прекис е много интересно съединение. Характерна е ниската му стабилност: когато стои, той бавно се разлага на вода и кислород:

H 2 O 2 = H 2 O + O 2

Светлината, нагряването, наличието на алкали, контактът с окислители или редуциращи агенти ускоряват процеса на разлагане. Степента на окисление на кислорода във водороден прекис = - 1, т.е. има междинна стойност между степента на окисление на кислорода във вода (-2) и в молекулния кислород (0); следователно водородният прекис проявява редокс двойственост. Окислителните свойства на водородния пероксид са много по-изразени от редуциращите и се проявяват в киселинни, алкални и неутрални среди.

H 2 O 2 + 2KI + H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + I 2 + 2H 2 O

Водородът е газ, той е на първо място в периодичната таблица. Името на този елемент, широко разпространен в природата, се превежда от латински като „генерираща вода“. И така, какви са физичните и химичните свойства на водорода, които познаваме?

Водород: обща информация

При нормални условия водородът е без вкус, мирис и цвят.

Ориз. 1. Формула на водорода.

Тъй като атомът има едно енергийно електронно ниво, на което могат да бъдат разположени максимум два електрона, за стабилно състояние един атом може или да приеме един електрон (степен на окисление -1), и да дари един електрон (степен на окисление +1), показвайки постоянна валентност I Ето защо символът на елемента водород се поставя не само в IA групата (основната подгрупа на I група) заедно с алкалните метали, но и в групата VIIA (основната подгрупа на VII група) заедно с халогените. Халогенните атоми също нямат един електрон за запълване на външното ниво и, подобно на водорода, те са неметали. Водородът проявява положително окислително състояние в съединенията, където е свързан с повече електроотрицателни неметални елементи и отрицателно окислително състояние в съединения с метали.

Ориз. 2. Местоположение на водорода в периодичната таблица.

Водородът има три изотопа, всеки от които има собствено име: протий, деутерий, тритий. Броят на последните на Земята е незначителен.

Химични свойства на водорода

В простото вещество H 2 връзката между атомите е силна (енергия на свързване 436 kJ / mol), така че активността на молекулния водород е ниска. При нормални условия той взаимодейства само с много активни метали и единственият неметал, с който реагира водородът, е флуорът:

F 2 + H 2 = 2HF (флуороводород)

Водородът реагира с други прости (метали и неметали) и сложни (оксиди, недефинирани органични съединения) вещества или при облъчване и повишаване на температурата, или в присъствието на катализатор.

Водородът изгаря в кислород с отделянето на значително количество топлина:

2H2 + O2 = 2H2O

Смес от водород с кислород (2 обема водород и 1 обем кислород), когато се запали, експлодира силно и затова се нарича детониращ газ. При работа с водород трябва да се спазват правилата за безопасност.

Ориз. 3. Кислороден газ.

В присъствието на катализатори газът може да реагира с азот:

3H 2 + N 2 = 2NH 3

- според тази реакция при повишени температури и налягания се получава амоняк в промишлеността.

При условия на висока температура водородът е в състояние да реагира със сяра, селен, телур. и при взаимодействие с алкални и алкалоземни метали се образуват хидриди:

- в този случай водородът играе ролята на окислител.

Водородът има свойство с повишаване на температурата да намалява оксидите на много метали, което води до образуването на вода. Например:

CuO + H 2 = H 2 O + Cu

- в този процес водородът е редуциращ агент 4.3. Общо получени оценки: 70.

Течност

водород(лат. водород; обозначава се със символа Х) - първият елемент от периодичната таблица на елементите. Широко разпространен в природата. Катионът (и ядрото) на най-разпространения водороден изотоп, 1 H, е протонът. Свойствата на 1 H ядрото позволяват широкото използване на ЯМР спектроскопия при анализа на органични вещества.

Три изотопа на водорода имат свои собствени имена: 1 H - протий (H), 2 H - деутерий (D) и 3 H - тритий (радиоактивен) (T).

Просто вещество водород - H 2 - лек безцветен газ. Той е запалим и експлозивен, когато се смеси с въздух или кислород. Нетоксични. Нека разтворим в етанол и редица метали: желязо, никел, паладий, платина.

История

Отделянето на горим газ при взаимодействието на киселини и метали се наблюдава през 16-ти и 17-ти век в зората на формирането на химията като наука. Михаил Василиевич Ломоносов също директно посочи разделянето му, но вече определено осъзнавайки, че не е флогистон. Английският физик и химик Хенри Кавендиш изследва този газ през 1766 г. и го нарече „запалим въздух“. При изгаряне „запалимият въздух“ произвежда вода, но придържането на Кавендиш към теорията на флогистона му попречи да направи правилните заключения. Френският химик Антоан Лавоазие, заедно с инженера Ж. Мьоние, използвайки специални газомери, през 1783 г. синтезира вода, след което я анализира, разлагайки водната пара с горещо желязо. Така той установил, че "горим въздух" е част от водата и може да се получи от нея.

произход на името

Лавоазие дава на водорода името hydrogène – „раждащ вода“. Руското име "водород" е предложено от химика M.F.

Разпространение

Водородът е най-разпространеният елемент във Вселената. Той представлява около 92% от всички атоми (8% са хелиеви атоми, делът на всички останали елементи взети заедно е по-малко от 0,1%). По този начин водородът е основната съставка на звездите и междузвездния газ. При условия на звездни температури (например повърхностната температура на Слънцето е ~ 6000 ° C) водородът съществува под формата на плазма; в междузвездното пространство този елемент съществува под формата на отделни молекули, атоми и йони и може да образува молекулярни облаци, които се различават значително по размер, плътност и температура.

Земна кора и живи организми

Масовата част на водорода в земната кора е 1% - това е десетият най-разпространен елемент. Ролята му в природата обаче се определя не от масата, а от броя на атомите, чийто дял сред другите елементи е 17% (второ място след кислорода, чийто дял на атомите е ~ 52%). Следователно значението на водорода в химическите процеси, протичащи на Земята, е почти толкова голямо, колкото кислорода. За разлика от кислорода, който съществува на Земята както в свързани, така и в свободни състояния, практически целият водород на Земята е под формата на съединения; само много малко количество водород под формата на просто вещество се съдържа в атмосферата (0,00005% обемни).

Водородът е част от почти всички органични вещества и присъства във всички живи клетки. В живите клетки водородът представлява почти 50% от броя на атомите.

Получаване

Индустриалните методи за получаване на прости вещества зависят от формата, в която съответният елемент се намира в природата, тоест какви могат да бъдат суровините за неговото производство. И така, кислородът, който е наличен в свободно състояние, се получава по физически метод - чрез отделяне от течен въздух. Почти целият водород е под формата на съединения, поради което се използват химически методи за получаването му. По-специално могат да се използват реакции на разлагане. Един от методите за получаване на водород е реакцията на разлагане на водата чрез електрически ток.

Основният индустриален метод за производство на водород е реакцията на метан с вода, която е част от природния газ. Извършва се при висока температура (лесно е да се уверите, че няма реакция при преминаване на метан дори през вряща вода):

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 −165 kJ

В лабораторията, за да получат прости вещества, те не използват непременно естествени суровини, а избират тези изходни материали, от които е по-лесно да се изолира необходимото вещество. Например в лаборатория кислородът не се получава от въздуха. Същото се отнася и за производството на водород. Един от лабораторните методи за производство на водород, който понякога се използва в промишлеността, е разлагането на вода с електрически ток.

Обикновено в лабораторията водородът се получава при взаимодействието на цинк със солна киселина.

В индустрията

1.Електролиза на водни разтвори на соли:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2. Преминаване на водна пара през нажежен до червено кокс при температура около 1000 °C:

H2O + C? H 2 + CO

3.От природен газ.

Преобразуване на Steam:

CH4 + H2O? CO + 3H 2 (1000 ° C)

Каталитично окисление с кислород:

2CH 4 + O 2? 2CO + 4H 2

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

В лабораторията

1.Действието на разредените киселини върху металите.За провеждане на такава реакция най-често се използват цинк и разредена 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.Чрез 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

Физически свойства

Водородът може да съществува в две форми (модификации) - под формата на орто- и пара-водород. Ортоводородна молекула о-H 2 (т.т. -259,10 ° C, bp. -252,56 ° C) ядрените завъртания са насочени по същия начин (паралелно), стр-H 2 (т.т. -259,32 °C, bp. -252,89 °C) - един срещу друг (антипаралелно). Равновесна смес о-H 2 и стр-H 2 при дадена температура се нарича равновесен водород д-Н 2.

Водородните модификации могат да бъдат разделени чрез адсорбция върху активен въглен при температура на течен азот. При много ниски температури равновесието между ортоводорода и параводорода е почти изцяло изместено към последния. При 80 K съотношението на формите е приблизително 1: 1. Десорбираният параводород при нагряване се превръща в ортоводород, докато се образува равновесие на сместа при стайна температура (орто-двойка: 75:25). Без катализатор трансформацията протича бавно (при условия на междузвездната среда - с характерни времена до космологични), което прави възможно изследването на свойствата на отделните модификации.

Водородът е най-лекият газ; той е 14,5 пъти по-лек от въздуха. Очевидно, колкото по-малка е масата на молекулите, толкова по-висока е тяхната скорост при същата температура. Като най-леките, водородните молекули се движат по-бързо от молекулите на всеки друг газ и по този начин могат да пренасят топлината по-бързо от едно тяло на друго. От това следва, че водородът има най-висока топлопроводимост сред газообразните вещества. Топлопроводимостта му е около седем пъти по-висока от топлопроводимостта на въздуха.

Молекулата на водорода е двуатомна - Н 2. При нормални условия това е безцветен газ без мирис и вкус. Плътност 0,08987 g / l (n.u.), точка на кипене -252,76 ° C, специфична топлина на горене 120,9 × 10 6 J / kg, слабо разтворим във вода - 18,8 ml / l. Водородът е лесно разтворим в много метали (Ni, Pt, Pd и др.), особено в паладий (850 обема на 1 обем Pd). Разтворимостта на водорода в металите е свързана със способността му да дифундира през тях; дифузията през въглеродна сплав (напр. стомана) понякога е придружена от разрушаване на сплавта поради взаимодействието на водорода с въглерода (т. нар. декарбонизация). Практически неразтворим в сребро.

Течен водородсъществува в много тесен температурен диапазон от -252,76 до -259,2 ° C. Това е безцветна течност, много лека (плътност при -253 ° C 0,0708 g / cm 3) и течност (вискозитет при -253 ° C 13,8 cpoise). Критичните параметри на водорода са много ниски: температурата е -240,2 ° C и налягането е 12,8 атм. Това обяснява трудностите при втечняването на водорода. В течно състояние, равновесният водород се състои от 99,79% пара-Н2, 0,21% орто-Н2.

Твърд водород, точка на топене -259,2 ° C, плътност 0,0807 g / cm 3 (при -262 ° C) - маса като сняг, кристали от шестоъгълна система, пространствена група P6 / mmc, параметри на клетката а=3,75 ° С= 6,12. При високо налягане водородът преминава в метално състояние.

Изотопи

Водородът се среща под формата на три изотопа, които имат индивидуални имена: 1 H - протий (H), 2 H - деутерий (D), 3 H - тритий (радиоактивен) (T).

Протият и деутерият са стабилни изотопи с масови числа 1 и 2. Съдържанието им в природата е съответно 99,9885 ± 0,0070% и 0,0115 ± 0,0070%. Това съотношение може леко да варира в зависимост от източника и метода за производство на водород.

Водородният изотоп 3H (тритий) е нестабилен. Неговият полуживот е 12,32 години. Тритият се среща в природата в много малки количества.

Литературата съдържа и данни за изотопи на водорода с масови числа 4–7 и периоди на полуразпад 10–22–10–23 s.

Естественият водород се състои от молекули H2 и HD (водороден деутерид) в съотношение 3200:1. Съдържанието на чист деутериев водород D 2 е още по-малко. Съотношението на концентрациите на HD и D 2 е приблизително 6400:1.

От всички изотопи на химичните елементи, физичните и химичните свойства на водородните изотопи се различават най-много един от друг. Това се дължи на най-голямата относителна промяна в атомните маси.

	температура топене, К	температура кипене, К	Троен точка, K / kPa	Критичен точка, K / kPa	Плътност течност/газ, кг/м³

Деутерият и тритият също имат орто и пара модификации: стр-D 2, о-D 2, стр-T 2, о-Т 2. Хетероизотопният водород (HD, HT, DT) няма орто и пара модификации.

Химични свойства

Фракция от дисоциирани водородни молекули

Водородните молекули H 2 са доста силни и трябва да се изразходва много енергия, за да реагира водородът:

H2 = 2H - 432 kJ

Следователно, при обикновени температури, водородът реагира само с много активни метали, например с калций, образувайки калциев хидрид:

Ca + H 2 = CaH 2

и с единствения неметал - флуор, образуващ флуороводород:

С повечето метали и неметали водородът реагира при повишени температури или при други влияния, например при осветление:

О 2 + 2Н 2 = 2Н 2 О

Той може да "вземе" кислород от някои оксиди, например:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O

Написаното уравнение отразява редукционните свойства на водорода.

N 2 + 3H 2 → 2NH 3

Образува водородни халогениди с халогени:

F 2 + H 2 → 2HF, реакцията протича с експлозия на тъмно и при всякаква температура,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, реакцията протича с експлозия, само на светлина.

Реагира със сажди при силно нагряване:

C + 2H 2 → CH 4

Взаимодействие с алкални и алкалоземни метали

При взаимодействие с активни метали водородът образува хидриди:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H 2 → MgH 2

Хидриди- солени, 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 → 2Fe + 3H 2 O

WO3 + 3H2 → W + 3H2O

Хидрогениране на органични съединения

Молекулният водород се използва широко в органичния синтез за редукция на органични съединения. Тези процеси се наричат реакции на хидрогениране... Тези реакции се провеждат в присъствието на катализатор при повишено налягане и температура. Катализаторът може да бъде или хомогенен (например катализатор на Уилкинсън), или хетерогенен (например никел на Рейни, паладий-въглерод).

Така, по-специално, по време на каталитичното хидрогениране на ненаситени съединения като алкени и алкини, се образуват наситени съединения - алкани.

Водородна геохимия

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

Водородът може да бъде част от минерали под формата на амониев йон, хидроксил йон и кристална вода.

В атмосферата водородът непрекъснато се произвежда чрез разлагане на водата от слънчевата радиация. Имайки малка маса, водородните молекули имат висока скорост на дифузионно движение (тя е близка до втората космическа скорост) и, попадайки в горните слоеве на атмосферата, могат да летят в космоса.

Характеристики на лечението

При смесване с въздух водородът образува експлозивна смес – така нареченият експлозивен 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 около 21% кислород. Водородът също е пожароопасен. Течният водород може да причини тежко измръзване, ако влезе в контакт с кожата.

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

Икономика

Цената на водорода за големи доставки на едро се колебае в диапазона от 2-5 долара за кг.

Приложение

Атомен водород се използва за атомно водородно заваряване.

Химическа индустрия

• В производството на амоняк, метанол, сапун и пластмаси
• При производството на маргарин от течни растителни масла
• Регистриран като хранителна добавка E949(газ за опаковане)

Хранително-вкусовата промишленост

Авиационна индустрия

Водородът е много лек и винаги се издига във въздуха. Веднъж дирижабли и балони бяха пълни с водород. Но през 30-те години. XX век имаше няколко бедствия, по време на които дирижаблите избухнаха и изгоряха. В днешно време дирижаблите се пълнят с хелий, въпреки значително по-високата му цена.

Гориво

Като пропелант се използва водород.

Провеждат се изследвания за използването на водорода като гориво за автомобили и камиони. Водородните двигатели не замърсяват околната среда и отделят само водни пари.

Водородно-кислородните горивни клетки използват водород за директно преобразуване на енергия от химическа реакция в електрическа енергия.

"течен водород"("LH") е течно агрегатно състояние на водород, с ниско специфично тегло от 0,07 g / cm³ и криогенни свойства с точка на замръзване от 14,01 K (−259,14 ° C) и точка на кипене от 20,28 K (−252,87 ° ° С). Това е безцветна течност без мирис, която при смесване с въздух се класифицира като експлозивна с диапазон на запалимост 4-75%. Съотношението на въртене на изомерите в течния водород е: 99,79% - параводород; 0,21% - ортоводород. Коефициентът на разширение на водорода при промяна на агрегатното състояние в газообразен е 848: 1 при 20 ° C.

Както при всеки газ, втечняването на водорода води до намаляване на неговия обем. След втечняване "LH" се съхранява в топлоизолирани съдове под налягане. Течен водород (рус. Течен водород, LH2, LH 2) се използва активно в промишлеността, като форма за съхранение на газ, и в космическата индустрия, като ракетно гориво.

История

Първото документирано използване на изкуствено охлаждане през 1756 г. е извършено от английския учен Уилям Кълън, Гаспар Мондж е първият, който получава течно състояние на серен оксид през 1784 г., Майкъл Фарадей е първият, който получава втечнен амоняк, американският изобретател Оливър Еванс е първият, който разработва хладилен компресор през 1805 г., Джейкъб Пъркинс е първият, който патентова охладителна машина през 1834 г., а Джон Гори е първият патент на САЩ, патентовал климатик през 1851 г. Вернер Сименс предлага концепцията за регенеративно охлаждане през 1857 г., Карл Линде патентова оборудване за производство на течен въздух, използвайки каскадния ефект на разширение на Джоул-Томсън и регенеративно охлаждане през 1876 г. През 1885 г. полският физик и химик Зигмунд Вроблевски публикува критична температура от 33 К за водорода и критично налягане от 13,3 атм. и точка на кипене при 23 К. Водородът е втечнен за първи път от Джеймс Дюар през 1898 г. с помощта на регенеративно охлаждане и неговото изобретение, съдът на Дюар. Първият синтез на стабилния изомер на течен водород - параводород - е извършен от Пол Хартек и Карл Бонхофер през 1929 г.

Спинови изомери на водород

Водородът при стайна температура се състои главно от спин изомер, ортоводород. След производството течният водород е в метастабилно състояние и трябва да бъде превърнат в парахидрогенна форма, за да се избегне експлозивната екзотермична реакция, която възниква, когато се променя при ниски температури. Превръщането в параводородна фаза обикновено се извършва с помощта на катализатори като железен оксид, хромов оксид, активен въглен, азбест с платинено покритие, редкоземни метали или чрез използване на добавки за уран или никел.

Използване

Течният водород може да се използва като форма за съхранение на гориво за двигатели с вътрешно горене и горивни клетки. Различни подводници (проекти 212A и 214, Германия) и концепции за транспорт на водород са създадени с помощта на тази съвкупна форма на водород (вижте например "DeepC" или "BMW H2R"). Поради близостта на структурите, създателите на оборудването на "ЖВ" могат да използват или само модифицират системи, използващи втечнен природен газ ("LNG"). Въпреки това, поради по-ниската обемна енергийна плътност, изгарянето изисква по-голям обем водород от природния газ. Ако се използва течен водород вместо "CNG" в бутални двигатели, обикновено се изисква по-тромава горивна система. При директното впръскване увеличените загуби при всмукване намаляват пълненето на цилиндъра.

Течният водород се използва и за охлаждане на неутрони в експерименти за разсейване на неутрони. Масите на неутрона и водородното ядро ​​са практически равни, следователно обменът на енергия при еластичен сблъсък е най-ефективен.

Предимства

Предимството на използването на водород е "нулевите емисии" от използването му. Продуктът от взаимодействието му с въздуха е водата.

Препятствия

Един литър "ЖВ" тежи само 0,07 кг. Тоест, специфичното му тегло е 70,99 g/l при 20 K. Течният водород изисква криогенна технология за съхранение, като например специални топлоизолирани контейнери, и изисква специално боравене, което е типично за всички криогенни материали. Той е близък в това отношение до течния кислород, но изисква повече внимание поради опасността от пожар. Дори при топлоизолирани контейнери е трудно да се поддържа при ниската температура, необходима за поддържане на течност (обикновено се изпарява със скорост от 1% на ден). Когато работите с него, трябва да спазвате и обичайните мерки за безопасност при работа с водород – той е достатъчно студен, за да втечни въздуха, който е експлозивен.

Ракетно гориво

Течният водород е често срещан компонент на ракетните горива, който се използва за реактивно ускорение на ракети-носители и космически кораби. В повечето ракетни двигатели с течно гориво, захранвани с водород, първо се използва за регенеративно охлаждане на дюзата и други части на двигателя, преди да се смеси с окислител и да се изгори за генериране на тяга. Използваните съвременни H 2 / O 2 двигатели консумират повторно обогатена горивна смес, което води до малко неизгорял водород в отработените газове. В допълнение към увеличаването на специфичния импулс на двигателя чрез намаляване на молекулното тегло, той допълнително намалява ерозията на дюзата и горивната камера.

Подобни пречки пред използването на "LH" в други области, като криогенна природа и ниска плътност, също са ограничаващ фактор за използването в този случай. За 2009 г. има само една ракета-носител (НВ "Делта-4"), която е изцяло водородна ракета. По принцип "ЖВ" се използва или на горните степени на ракетите, или на блокове, които извършват значителна част от работата по извеждането на полезния товар в космоса във вакуум. Като една от мерките за увеличаване на плътността на този вид гориво има предложения за използване на кален водород, тоест полузамразената форма на "ЖВ".