Водород и его соединения. Водород элемент
Самый распространенный элемент во вселенной - это водород. В веществе звезд он имеет вид ядер - протонов - и является материалом для термоядерных процессов. Почти половина массы Солнца также состоит из молекул H 2 . Содержание его в земной коре достигает 0,15 % , а атомы присутствуют в составе нефти, природного газа, воды. Вместе с кислородом, азотом и углеродом он является органогенным элементом, входящим в состав всех живых организмов на Земле. В нашей статье мы изучим физические и химические свойства водорода, определим основные области его применения в промышленности и значение в природе.
Положение в периодической системе химических элементов Менделеева
Первый элемент, открывающий периодическую систему - это водород. Его атомная масса составляет 1,0079. Имеет два стабильных (протий и дейтерий) и один радиоактивный изотоп (тритий). Физические свойства определяются местом неметалла в таблице химических элементов. В обычных условиях водород (формула его - H 2) представляет газ, который почти в 15 раз легче воздуха. Строение атома элемента уникально: он состоит только из ядра и одного электрона. Молекула вещества двухатомная, частицы в ней соединяются с помощью ковалентной неполярной связи. Ее энергоемкость достаточно велика - 431 кДж. Это объясняет невысокую химическую активность соединения в обычных условиях. Электронная формула водорода такова: H:H.
Вещество имеет еще целый ряд свойств, аналогов которым нет среди других неметаллов. Рассмотрим некоторые из них.
Растворимость и теплопроводность
Лучше всего проводят тепло металлы, но водород по теплопроводности приближается к ним. Объяснение феномена заключается в очень большой скорости теплового движения легких молекул вещества, поэтому в водородной атмосфере нагретый предмет остывает в 6 раз быстрее, чем на воздухе. Соединение может хорошо растворяться в металлах, например, почти 900 объемов водорода могут быть поглощены одним объемом палладия. Металлы могут вступать с H 2 в химические реакции, в которых проявляются окислительные свойства водорода. В этом случае образуются гидриды:
2Na + H 2 =2 NaH.
В этой реакции атомы элемента принимают электроны от частиц металла, превращаясь в анионы с единичным отрицательным зарядом. Простое вещество H 2 в данном случае является окислителем, что для него обычно не характерно.
Водород как восстановитель
Объединяет металлы и водород не только высокая теплопроводность, но и способность их атомов в химических процессах отдавать собственные электроны, то есть окисляться. Например, основные оксиды вступают в реакции с водородом. Окислительно-восстановительная реакция заканчивается выделением чистого металла и образованием молекул воды:
CuO + H 2 = Cu + H 2 O.
Взаимодействие вещества с кислородом при нагревании приводит также к получению молекул воды. Процесс является экзотермическим и сопровождается выделением большого количества тепловой энергии. Если газовая смесь H 2 и O 2 реагирует в соотношении 2:1, то ее называют так как при поджигании она взрывается:
2H 2 + O 2 = 2H 2 O.
Вода является и играет важнейшую роль в формировании гидросферы Земли, климата, погоды. Она обеспечивает круговорот элементов в природе, поддерживает все жизненные процессы организмов - обитателей нашей планеты.
Взаимодействие с неметаллами
Наиболее важные химические свойства водорода - это его реакции с неметаллическими элементами. При нормальных условиях достаточно химически инертны, поэтому вещество может реагировать только с галогенами, например с фтором или хлором, являющимися наиболее активными среди всех неметаллов. Так, смесь фтора и водорода взрывается в темноте или на холоде, а с хлором - при нагревании или на свету. Продуктами реакции будут галогеноводороды, водные растворы которых известны как фторидная и хлоридная кислоты. С взаимодействует при температуре 450-500 градусов, давлении 30-100 мПа и в присутствии катализатора:
N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH₃.
Рассмотренные химические свойства водорода имеют большое значение для промышленности. Например, можно получить ценный химический продукт - аммиак. Он является основным сырьем для получения нитратной кислоты и азотных удобрений: карбамида, нитрата аммония.
Органические вещества
Между углеродом и водородом приводит к получению простейшего углеводорода - метана:
C + 2H 2 = CH 4.
Вещество является важнейшей составной частью природного и Они применяются в качестве ценного вида топлива и сырья для промышленности органического синтеза.
В химии соединений углерода элемент входит в состав огромного количества веществ: алканов, алкенов, углеводов, спиртов и т. д. Известно много реакций органических соединений с молекулами H 2 . Они носят общее название - гидрирование или гидрогенизация. Так, альдегиды можно восстановить водородом до спиртов, непредельные углеводороды - до алканов. Например, этилен превращается в этан:
C 2 H 4 + H 2 = C 2 H 6 .
Важное практическое значение имеют такие химические свойства водорода, как, например, гидрогенизация жидких масел: подсолнечного, кукурузного, рапсового. Она приводит к получению твердого жира - саломаса, который используют в производстве глицерина, мыла, стеарина, твердых сортов маргарина. Для улучшения внешнего вида и вкусовых качеств пищевого продукта в него добавляют молоко, животные жиры, сахар, витамины.
В нашей статье мы изучили свойства водорода и выяснили его роль в природе и жизни человека.
ВОДОРОД (латинский Hydrogenium), Н, химический элемент VII группы короткой формы (1-й группы длинной формы) периодической системы; атомный номер 1, атомная масса 1,00794; неметалл. В природе два стабильных изотопа: протий 1 Н (99,985% по массе) и дейтерий D, или 2 Н (0,015%). Искусственно получаемый радиоактивный тритий 3 Н, или Т (ß-распад, Т 1/2 12,26 года), в природе образуется в ничтожно малых количествах в верхних слоях атмосферы в результате взаимодействия космического излучения главным образом с ядрами N и О. Искусственно получены крайне неустойчивые радиоактивные изотопы 4 Н, 5 Н, 6 Н.
Историческая справка. Впервые водород исследован в 1766 году Г. Кавендишем и назван им «горючим воздухом». В 1787 году А. Лавуазье показал, что этот газ при горении образует воду, включил его в список химических элементов и предложил название hydrogène (от греческого?δωρ - вода и γενν?ω - рождать).
Распространённость в природе. Содержание водорода в атмосферном воздухе 3,5-10 % по массе, в земной коре 1%. Главный резервуар водорода на Земле - вода (11,19% водорода по массе). Водород относится к числу биогенных элементов, входит в состав соединений, образующих угли, нефть, природные горючие газы, многие минералы и пр. В околоземном пространстве водород в виде потока протонов образует внутренний радиационный пояс Земли. Водород - самый распространённый элемент в космосе; в виде плазмы составляет около 70% массы Солнца и звёзд, основную часть межзвёздной среды и газовых туманностей, присутствует в атмосфере ряда планет в форме Н 2 , СН 4 , NН 3 , Н 2 О и пр.
Свойства . Конфигурация электронной оболочки атома водород 1s 1 ; в соединениях проявляет степени окисления +1 и -1. Электроотрицательность по Полингу 2,1; радиусы (пм): атомный 46, ковалентный 30, ван-дер-ваальсов 120; энергия ионизации Н°→ Н + 1312,0 кДж/моль. В свободном состоянии водород образует двухатомную молекулу Н 2 , межъядерное расстояние 76 пм, энергия диссоциации 432,1 кДж/моль (0 К). В зависимости от взаимной ориентации ядерных спинов существуют орто-водород (параллельные спины) и пара-водород (антипараллельные спины), различающиеся по магнитным, оптическим и термическим свойствам и содержащиеся обычно в соотношении 3:1; при превращении пара-водорода в орто-водород затрачивается 1418 Дж/моль энергии.
Водород - газ без цвета, вкуса и запаха; t ПЛ -259,19 °С, t KИП -252,77 °С. Водород - самый лёгкий и наиболее теплопроводный из всех газов: при 273 К плотность 0,0899 кг/м 3 , теплопроводность 0,1815 Вт/(м·К). Не растворяется в воде; хорошо растворяется во многих металлах (лучше всего в Pd - до 850% по объёму); диффундирует через многие материалы (например, сталь). На воздухе горит, образует взрывоопасные смеси. Твёрдый водород кристаллизуется в гексагональной решётке; при давлении свыше 10 4 МПа возможен фазовый переход с образованием структуры, построенной из атомов и обладающей металлическими свойствами, - так называемый металлический водород.
Водород образует соединения со многими элементами. С кислородом образует воду (при температуре выше 550 °С реакция сопровождается взрывом), с азотом -аммиак, с галогенами - галогеноводороды, с металлами, интерметаллидами, а также со многими неметаллами (например, халькогенами) - гидриды, с углеродом - углеводороды. Практическое значение имеют реакции с СО (смотри Синтез-газ). Водород восстанавливает оксиды и галогениды многих металлов до металлов, ненасыщенные углеводороды - до насыщенных (смотри Гидрирование). Ядро атома водорода - протон Н + - определяет кислотные свойства соединений. В водных растворах Н + образует с молекулой воды ион гидроксония Н 3 О + . В составе молекул различных соединений водород склонен образовывать водородную связь со многими электроотрицательные элементами.
Применение . Газообразный водород используют в промышленном синтезе аммиака, соляной кислоты, метанола и высших спиртов, синтетического жидкого топлива и пр., для гидрогенизации жиров и других органических соединений; в нефтепереработке - для гидроочистки и гидрокрекинга нефтяных фракций; в металлургии - для получения металлов (например, W, Mo, Re из их оксидов и фторидов), создания защитной среды при обработке металлов и сплавов; в производстве изделий из кварцевого стекла с использованием водородно-кислородного пламени, для атомно-водородной сварки тугоплавких сталей и сплавов и пр., как подъёмный газ аэростатов. Жидкий водород - горючее в ракетной и космической технике; применяется также в качестве хладагента.
Об основных способах получения, а также о хранении, транспортировке и применении водорода в качестве носителя энергии смотри Водородная энергетика.
Лит. смотри при ст. Водородная энергетика.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Водород – первый элемент Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Символ – Н.
Атомная масса – 1 а.е.м. Молекула водорода двухатомна – Н 2 .
Электронная конфигурация атома водорода – 1s 1 . Водород относится к семейству s-элементов. В своих соединениях проявляет степени окисления -1, 0, +1. Природный водород состоит из двух стабильных изотопов – протия 1 Н (99,98%) и дейтерия 2 Н (D) (0,015%) – и радиоактивного изотопа трития 3 Н (Т) (следовые количества, период полураспада – 12,5 лет).
Химические свойства водорода
При обычных условиях молекулярный водород проявляет сравнительно низкую реакционную способность, что объясняется высокой прочностью связей в молекуле. При нагревании вступает во взаимодействие практически со всеми простыми веществами, образованными элементами главных подгрупп (кроме благородных газов, B, Si, P, Al). В химических реакциях может выступать как в роли восстановителя (чаще), так и окислителя (реже).
Водород проявляет свойства восстановителя (Н 2 0 -2е → 2Н +) в следующих реакциях:
1. Реакции взаимодействия с простыми веществами – неметаллами. Водород реагирует с галогенами , причем, реакция взаимодействия со фтором при обычных условиях, в темноте, со взрывом, с хлором – при освещении (или УФ-облучении) по цепному механизму, с бромом и йодом только при нагревании; кислородом (смесь кислорода и водорода в объемном отношении 2:1 называют «гремучим газом»), серой , азотом и углеродом :
H 2 + Hal 2 = 2HHal;
2H 2 + O 2 = 2H 2 O + Q (t);
H 2 + S = H 2 S (t = 150 – 300C);
3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);
2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat).
2. Реакции взаимодействия со сложными веществами. Водород реагирует с оксидами малоактивных металлов , причем он способен восстанавливать только металлы, стоящие в ряду активности правее цинка:
CuO + H 2 = Cu + H 2 O (t);
Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O (t);
WO 3 + 3H 2 = W + 3H 2 O (t).
Водород реагирует с оксидами неметаллов :
H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O (t);
2H 2 + CO ↔ CH 3 OH (t = 300C, p = 250 – 300 атм., kat = ZnO, Cr 2 O 3).
Водород вступает в реакции гидрирования с органическими соединениями класса циклоалканов, алкенов, аренов, альдегидов и кетонов и др. Все эти реакции проводят при нагревании, под давлением, в качестве катализаторов используют платину или никель:
CH 2 = CH 2 + H 2 ↔ CH 3 -CH 3 ;
C 6 H 6 + 3H 2 ↔ C 6 H 12 ;
C 3 H 6 + H 2 ↔ C 3 H 8 ;
CH 3 CHO + H 2 ↔ CH 3 -CH 2 -OH;
CH 3 -CO-CH 3 + H 2 ↔ CH 3 -CH(OH)-CH 3 .
Водород в качестве окислителя (Н 2 +2е → 2Н —) выступает в реакциях взаимодействия со щелочными и щелочноземельными металлами. При этом образуются гидриды – кристаллические ионные соединения, в которых водород проявляет степень окисления -1.
2Na +H 2 ↔ 2NaH (t, p).
Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).
Физические свойства водорода
Водород – легкий бесцветный газ, без запаха, плотность при н.у. – 0,09 г/л, в 14,5 раз легче воздуха, t кип = -252,8С, t пл = — 259,2С. Водород плохо растворим в воде и органически растворителях, хорошо растворим в некоторых металлах: никеле, палладии, платине.
По данным современной космохимии водород является самым распространенным элементом Вселенной. Основная форма существования водорода в космическом пространстве – отдельные атомы. По распространенности на Земле водород занимает 9 место среди всех элементов. Основное количество водорода на Земле находится в связанном состоянии – в составе воды, нефти, природного газа, каменного угля и т.д. В виде простого вещества водород встречается редко – в составе вулканических газов.
Получение водорода
Различают лабораторные и промышленные способы получения водорода. К лабораторным способам относят взаимодействие металлов с кислотами (1), а также взаимодействие алюминия с водными растворами щелочей (2). Среди промышленных способов получения водорода большую роль играют электролиз водных растворов щелочей и солей (3) и конверсия метана (4):
Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (1);
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na +3 H 2 (2);
2NaCl + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2NaOH (3);
CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | При взаимодействии 23,8 г металлического олова с избытком соляной кислоты выделился водород, в количестве, достаточном, чтобы получить 12,8 г металлической меди Определите степень окисления олова в полученном соединении. |
| Решение |
Исходя из электронного строения атома олова (…5s 2 5p 2) можно сделать вывод, что для олова характерны две степени окисления — +2, +4. На основании этого составим уравнения возможных реакций:
Sn + 2HCl = H 2 + SnCl 2 (1); Sn + 4HCl = 2H 2 + SnCl 4 (2); CuO + H 2 = Cu + H 2 O (3). Найдем количество вещества меди: v(Cu) = m(Cu)/M(Cu) = 12,8/64 = 0,2 моль. Согласно уравнению 3, количество вещества водорода: v(H 2) = v(Cu) = 0,2 моль. Зная массу олова, найдем его количество вещества: v(Sn) = m(Sn)/M(Sn) = 23,8/119 = 0,2 моль. Сравним количества вещества олова и водорода по уравнения 1 и 2 и по условию задачи: v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (уравнение 1); v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1:2 (уравнение 2); v(Sn): v(H 2) = 0,2:0,2 = 1:1 (условие задачи). Следовательно, олово взаимодействует с соляной кислотой по уравнению 1 и степень окисления олова равна +2. |
| Ответ | Степень окисления олова равна +2. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Газ, выделившийся при действии 2,0 г цинка на 18,7 мл 14,6%-ной соляной кислоты (плотность раствора 1,07 г/мл), пропустили при нагревании над 4,0 г оксида меди (II). Чему равна масса полученной твердой смеси? |
| Решение |
При действии цинка на соляную кислоту выделяется водород:
Zn + 2НСl = ZnСl 2 + Н 2 (1), который при нагревании восстанавливает оксид меди (II) до меди (2): СuО + Н 2 = Cu + Н 2 О. Найдем количества веществ в первой реакции: m(р-ра НСl) = 18,7 . 1,07 = 20,0 г; m(НСl) = 20,0 . 0,146 = 2,92 г; v(НСl) = 2,92/36,5 = 0,08 моль; v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 моль. Цинк находится в недостатке, поэтому количество выделившегося водорода равно: v(Н 2) = v(Zn) = 0,031 моль. Во второй реакции в недостатке находится водород, поскольку: v(СuО) = 4,0/80 = 0,05 моль. В результате реакции 0,031 моль СuО превратится в 0,031 моль Сu, и потеря массы составит: m(СuО) — m(Сu) = 0,031×80 — 0,031×64 = 0,50 г. Масса твердой смеси СuО с Сu после пропускания водорода составит: 4,0-0,5 = 3,5 г. |
| Ответ | Масса твердой смеси СuО с Сu равна 3,5 г. |
Занимает первое место в периодической системе химических элементов Менделеева и обозначается символом H.
Читайте статью и заходите на сайт www.h2miraclewater-russia.ru для получения более подробной информации о водородных аппаратах и водородной воде.
ВОДОРОД, Н (лат. hydrogenium; а. hydrogen; н. Wasserstoff; ф. hydrogene; и. hidrogeno), — химический элемент периодической системы элементов Менделеева, который относят одновременно к I и VII группам, атомный номер 1, атомная масса 1,0079. Природный водород имеет стабильные изотопы — протий (1 Н), дейтерий (2 Н, или D) и радиоактивный — тритий (3 Н, или Т). Для природных соединений среднее отношение D/Н = (158±2).10 -6 Равновесное содержание 3 Н на Земле ~5.10 27 атомов.
Физические свойства водорода
Водород впервые описал в 1766 английский учёный Г. Кавендиш. При обычных условиях водород — газ без цвета, запаха и вкуса. В природе в свободном состоянии находится в форме молекул Н 2 . Энергия диссоциации молекулы Н 2 — 4,776 эВ; потенциал ионизации атома водорода 13,595 эВ. Водород — самое лёгкое вещество из всех известных, при 0°С и 0,1 МПа 0,0899 кг/м 3 ; t кипения- 252,6°С, t плавления — 259,1°С; критические параметры: t — 240°С, давление 1,28 МПа, плотность 31,2 кг/ м 3 . Наиболее теплопроводный из всех газов — 0,174 Вт/(м.К) при 0°С и 1 МПа, удельная теплоёмкость 14,208.10 3 Дж(кг.К).
Химические свойства водорода
Жидкий водород очень лёгок (плотность при -253°С 70,8 кг/м 3) и текуч ( при -253°С равна 13,8 сП). В большинстве соединений водород проявляет степень окисления +1 (подобен щелочным металлам), реже -1 (подобен гидридам металлов). В обычных условиях молекулярный водород малоактивен; растворимость в воде при 20°С и 1 МПа 0,0182 мл/г; хорошо растворим в металлах — Ni, Pt, Pd и др. С кислородом образует воду с выделением тепла 143,3 МДж/кг (при 25°С и 0,1 МПа); при 550°С и выше реакция сопровождается взрывом. При взаимодействии с фтором и хлором реакции идут также со взрывом. Основные соединения водорода: Н 2 О, аммиак NH 3 , сероводород Н 2 S, CH 4 , гидриды металлов и галогенов CaH 2 , HBr, Hl, а также органические соединения С 2 Н 4 , HCHO, CH 3 OH и др.
Водород в природе
Водород — широко распространённый в природе элемент, содержание его в 1 % (по массе). Главный резервуар водорода на Земле — вода (11,19%, по массе). Водород — один из основных компонентов всех природных органических соединений. В свободном состоянии присутствует в вулканических и других природных газах, в (0,0001%, по числу атомов). Составляет основную часть массы Солнца, звёзд, межзвёздного газа, газовых туманностей. В атмосферах планет присутствует в форме Н 2 , CH 4 , NH 3 , Н 2 О, CH, NHOH и др. Входит в состав корпускулярного излучения Солнца (потоки протонов) и космических лучей (потоки электронов).
Получение и применение водорода
Сырьё для промышленного получения водорода — газы нефтепереработки, продукты газификации и др. Основные способы получения водорода: реакция углеводородов с водяным паром, неполное окисление углеводородов , конверсия окиси , электролиз воды. Водород применяют для производства аммиака, спиртов, синтетического бензина, соляной кислоты, гидроочистки нефтепродуктов, резки металлов водородно-кислородным пламенем.
Водород — перспективное газообразное горючее. Дейтерий и тритий нашли применение в атомной энергетике.
