Лекция 29
Водород. вода
Конспект на лекцията:
вода. Химически и физични свойства
Ролята на водорода и водата в природата
Водородът като химичен елемент
Водородът е единственият елемент от периодичната таблица на Д. И. Менделеев, чието местоположение е двусмислено. Неговият химически символ е написан два пъти в периодичната таблица: както в IA, така и в VIIA групи. Това се обяснява с факта, че водородът има редица свойства, които го обединяват както с алкални метали, така и с халогени (Таблица 14).
Таблица 14
Сравнение на свойствата на водорода със свойствата на алкалните метали и халогените
| Прилики с алкални метали | Прилика с халогени |
| На външно енергийно ниво водородните атоми съдържат един електрон. Водородът е s елемент | Преди завършването на външното и единствено ниво на водородните атоми, подобно на халогенните атоми, липсва един електрон |
| Водородът проявява редуциращи свойства. В резултат на окисление водородът получава степента на окисление, която най-често се среща в неговите съединения +1 | Водородът, подобно на халогените, в съединения с алкални и алкалоземни метали има степен на окисление -1, което потвърждава неговата окислителни свойства. |
| Предполага се, че в космоса съществува твърд водород с метална кристална решетка. | Подобно на флуора и хлора, водородът е газ при нормални условия. Неговите молекули, подобно на халогенните молекули, са двуатомни и се образуват чрез ковалентна неполярна връзка |
В природата водородът съществува под формата на три изотопа с масови числа 1, 2 и 3: протий 1 1 H, деутерий 2 1 D и тритий 3 1 T. Първите два са стабилни изотопи, а третият е радиоактивен. Протиумът преобладава в естествената смес от изотопи. Количествените съотношения между изотопите H: D: T са 1: 1,46 · 10 -5: 4,00 · 10 -15.
Съединенията на водородните изотопи се различават по свойства едно от друго. Например точките на кипене и замръзване на леката протиева вода (H 2 O) са съответно равни на – 100 o C и 0 o C, а на деутериевата вода (D 2 O) – 101,4 o C и 3,8 o C. Скоростта на реакцията включва леката вода е по-висока от тежката вода.
Във Вселената водородът е най-често срещаният елемент – той представлява около 75% от масата на Вселената или над 90% от всички нейни атоми. Водородът е част от водата в нейната най-важна геоложка обвивка на Земята – хидросферата.
Водородът образува заедно с въглерода всички органични вещества, т.е. той е част от живата обвивка на Земята - биосферата. В земната кора - литосферата - масовото съдържание на водород е само 0,88%, т.е. той се нарежда на 9-то място сред всички елементи. Въздушната обвивка на Земята - атмосферата съдържа по-малко от една милионна част от общия обем, който е делът на молекулярния водород. Среща се само в горни слоевеатмосфера.
Производство и използване на водород
Водородът е произведен за първи път през 16 век средновековен лекари алхимикът Парацелз, чрез потапяне на желязна плоча в сярна киселина, а през 1766 г. английският химик Хенри Кавендиш доказва, че водородът се получава не само при взаимодействието на желязото със сярната киселина, но също и на други метали с други киселини. Кавендиш описва за първи път и свойствата на водорода.
IN лаборатория условия се получава водород:
1. Взаимодействие на метали с киселина:
Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2
2. Взаимодействие на алкални и алкалоземни метали с вода
2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2
Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
IN индустрия Водородът се получава по следните начини:
1. Електролиза на водни разтвори на соли, киселини и основи.Най-често използваният разтвор е готварската сол:
2NaCl + 2H 2 O → ел. ток H 2 + Cl 2 + NaOH
2. Редукция на водни пари с горещ кокс:
C + H 2 O → t CO + H 2
Получената смес от въглероден окис и водород се нарича воден газ (синтезен газ),и се използва широко за синтеза на различни химически продукти (амоняк, метанол и др.). За да се отдели водородът от водния газ, въглеродният оксид се превръща във въглероден диоксид при нагряване с водна пара:
CO + H 2 → t CO 2 + H 2
3. Отопление на метанв присъствието на водни пари и кислород. Този метод в момента е основният:
2CH 4 + O 2 + 2H 2 O → t 2CO 2 + 6H 2
Водородът се използва широко за:
1. промишлен синтез на амоняк и хлороводород;
2. получаване на метанол и синтетично течно гориво като част от синтезния газ (2 обема водород и 1 обем CO);
3. хидроочистване и хидрокрекинг на нефтени фракции;
4. хидрогениране на течни мазнини;
5. рязане и заваряване на метали;
6. получаване на волфрам, молибден и рений от техните оксиди;
7. космически двигателикато гориво.
8. В термоядрените реактори водородните изотопи се използват като гориво.
Физически и Химични свойстваводород
Водородът е газ без цвят, вкус и мирис. Плътност при бр. 0,09 g/l (14 пъти по-лек от въздуха). Водородът е слабо разтворим във вода (само 2 обема газ на 100 обема вода), но се абсорбира добре от d-метали - никел, платина, паладий (в един обем паладий се разтварят до 900 обема водород).
IN химична реакцияВодородът проявява както редуциращи, така и окислителни свойства. Най-често водородът действа като редуциращ агент.
1. Взаимодействие с неметали. Водородът образува летливи водородни съединения с неметали (виж Лекция 25).
С халогенискоростта и условията на реакцията варират от флуор до йод: с флуор водородът реагира експлозивно дори на тъмно, с хлор реакцията протича съвсем спокойно с малко облъчване със светлина, с бром и йод реакциите са обратими и се появяват само при нагряване:
H 2 + F 2 → 2HF
H 2 + Cl 2 → hν 2HCl
H 2 + I 2 → t 2HI
С кислороди серен водород реагират с леко нагряване. Нарича се смес от кислород и водород в съотношение 1:2 експлозивен газ:
H 2 + O 2 → t H 2 O
H 2 + S → t H 2 S
С азот, фосфор и въглеродреакцията протича при топлина, повишено налягане и в присъствието на катализатор. Реакциите са обратими:
3H 2 + N 2 → кат., p, t2NH 3
2H 2 + 3P → кат., p, t3PH 3
H 2 + C → cat., p, t CH 4
2. Взаимодействие със сложни вещества.При високи температури водородът редуцира металите от техните оксиди:
CuO + H 2 → t Cu + H 2 O
3. При взаимодействие с алкални и алкалоземни металиВодородът проявява окислителни свойства:
2Na + H 2 → 2NaH
Ca + H 2 → CaH 2
4. Взаимодействие с органични вещества.Водородът активно взаимодейства с много органични вещества; такива реакции се наричат реакции на хидрогениране. Такива реакции ще бъдат разгледани по-подробно в част III на сборника „Органична химия“.
Водород
ВОДОРОД-А; м.Химичен елемент (H), лек, безцветен газ без мирис, който се свързва с кислорода, за да образува вода.
◁ Водород, о, о. Втори връзки. Б бактерии. 2-ра бомба(бомба с огромна разрушителна сила, чието експлозивно действие се основава на термоядрена реакция). Водороден, о, о.
водород(лат. Hydrogenium), химичен елемент от VII група на периодичната таблица. В природата се срещат два стабилни изотопа (протий и деутерий) и един радиоактивен (тритий). Молекулата е двуатомна (H 2). Газ без цвят и мирис; плътност 0,0899 g/l, T kip - 252,76°С. Свързва се с много елементи и образува вода с кислород. Най-често срещаният елемент на космоса; съставлява (под формата на плазма) повече от 70% от масата на Слънцето и звездите, основната част от газовете на междузвездната среда и мъглявините. Водородният атом е част от много киселини и основи и повечето органични съединения. Използват се при производството на амоняк, солна киселина, за хидрогениране на мазнини и др., при заваряване и рязане на метали. Обещаващо като гориво (вижте Водородна енергия).
ВОДОРОДВОДОРОД (лат. Hydrogenium), H, химичен елемент с атомен номер 1, атомна маса 1,00794. Химическият символ на водорода Н у нас се чете като „ache“, както се произнася тази буква на френски.
Природният водород се състои от смес от два стабилни нуклида (см.НУКЛИД)с масови числа 1.007825 (99.985% в сместа) и 2.0140 (0.015%). Освен това естественият водород винаги съдържа минимални количества от радиоактивния нуклид - тритий (см.тритий) 3 N (време на полуразпад T 1/2 12,43 години). Тъй като ядрото на водороден атом съдържа само 1 протон (не може да има по-малко протони в ядрото на атом на елемент), понякога се казва, че водородът образува естествената долна граница на периодичната система от елементи на Д. И. Менделеев (въпреки че елементът самият водород се намира в най-горната част на таблиците). Елементът водород се намира в първия период на периодичната таблица. Той също е класифициран като група 1 (група IA алкални метали (см.АЛКАЛНИ МЕТАЛИ)), и към група 7 (група VIIA халогени (см.ХАЛОГЕН)).
Атомните маси на водородните изотопи се различават значително (няколко пъти). Това води до забележими разлики в поведението им при физични процеси (дестилация, електролиза и др.) и до определени химични различия (разликите в поведението на изотопите на един елемент се наричат изотопни ефекти; за водорода изотопните ефекти са най-значими). Следователно, за разлика от изотопите на всички други елементи, изотопите на водорода имат специални символи и имена. Водородът с масово число 1 се нарича лек водород, или протий (лат. Protium, от гръцки protos - първи), обозначава се със символа H, а ядрото му се нарича протон (см.ПРОТОН (елементарна частица), символ p. Водородът с масово число 2 се нарича тежък водород, деутерий (см.ДЕУТЕРИЙ)(Латински деутерий, от гръцки deuteros - втори), символите 2 H или D (прочетено "de") се използват за обозначаване, ядрото d е деутерон. Радиоактивен изотоп с масово число 3 се нарича свръхтежък водород или тритий (латински Tritum, от гръцки tritos - трети), символ 2 H или T (прочетете „тези“), ядро t - тритон.
Конфигурация на единичен електронен слой на неутрален невъзбуден водороден атом 1 с 1
. В съединенията той проявява степени на окисление +1 и по-рядко –1 (валентност I). Радиусът на неутрален водороден атом е 0,024 nm. Енергията на йонизация на атома е 13,595 eV, афинитетът към електрона е 0,75 eV. Според скалата на Полинг електроотрицателността на водорода е 2,20. Водородът е неметал.
В свободна форма той е лек запалим газ без цвят, мирис и вкус.
История на откритието
Отделянето на запалим газ при взаимодействието на киселини и метали се наблюдава през 16-17 век в зората на формирането на химията като наука. Известният английски физик и химик Г. Кавендиш (см.КАВЕНДИШ Хенри)през 1766 г. той изследва този газ и го нарече „запалим въздух“. При изгаряне "запалимият въздух" произвежда вода, но придържането на Кавендиш към теорията за флогистона (см. PHLOGISTON)му попречи да направи правилните заключения. Френският химик А. Лавоазие (см.ЛАВОАЗИЕ Антоан Лоран)заедно с инженер Ж. Мюние (см. MENIER Jean Baptiste Marie Charles), използвайки специални газометри, през 1783 г. той извършва синтез на вода и след това нейния анализ, разлагайки водни пари с горещо желязо. По този начин той установи, че "горимият въздух" е част от водата и може да бъде получен от нея. През 1787 г. Лавоазие стига до извода, че "горимият въздух" е просто вещество и следователно принадлежи към химичните елементи. Той му дава името hydrogene (от гръцки hydor - вода и gennao - раждам) - "раждащ вода". Установяването на състава на водата сложи край на „флогистоновата теория“. Руското име "водород" е предложено от химика М. Ф. Соловьов (см.СОЛОВИЕВ Михаил Федорович)през 1824 г. В началото на 18-ти и 19-ти век е установено, че водородният атом е много лек (в сравнение с атомите на други елементи), а теглото (масата) на водородния атом е взето като единица за сравнение за атомните маси на елементите. На масата на водородния атом беше приписана стойност 1.
Да бъдеш сред природата
Водородът представлява около 1% от масата на земната кора (10-то място сред всички елементи). Водородът практически никога не се среща в свободна форма на нашата планета (неговите следи се намират в горните слоеве на атмосферата), но като част от водата той е разпространен почти навсякъде на Земята. Елементът водород се намира в органични и неорганични съединенияживи организми, природен газ, нефт, въглища. Съдържа се, разбира се, във водата (около 11% от теглото), в различни естествени кристални хидрати и минерали, които съдържат една или повече ОН хидроксилни групи.
Водородът като елемент доминира във Вселената. Той представлява около половината от масата на Слънцето и другите звезди и присъства в атмосферата на редица планети.
Касова бележка
Водородът може да се произвежда по много начини. В промишлеността за това се използват природни газове, както и газове, получени от рафиниране на нефт, коксуване и газификация на въглища и други горива. При производството на водород от природен газ (основният компонент е метан) той претърпява каталитично взаимодействие с водни пари и непълно окисление с кислород:
CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 и CH 4 + 1/2 O 2 = CO 2 + 2H 2
Отделянето на водорода от коксовия газ и газовете от рафиниране на нефт се основава на тяхното втечняване при дълбоко охлаждане и отстраняване от сместа на газове, които се втечняват по-лесно от водорода. Когато е налична евтина електроенергия, водородът се произвежда чрез електролиза на вода чрез преминаване на ток през алкални разтвори. IN лабораторни условияВодородът се получава лесно чрез взаимодействие на метали с киселини, например цинк със солна киселина.
Физични и химични свойства
При нормални условия водородът е лек (плътност при нормални условия 0,0899 kg/m3) безцветен газ. Точка на топене –259,15 °C, точка на кипене –252,7 °C. Течният водород (при точка на кипене) има плътност 70,8 kg/m 3 и е най-леката течност. Стандартен електроден потенциал H 2 /H - in воден разтворвзети за 0. Водородът е слабо разтворим във вода: при 0 °C разтворимостта е по-малка от 0,02 cm 3 /ml, но е силно разтворим в някои метали (гъбесто желязо и други), особено добре в метала паладий (около 850 обема водород на 1 обем метал). Топлината на изгаряне на водорода е 143,06 MJ/kg.
Съществува под формата на двуатомни Н2 молекули. Константата на дисоциация на Н2 на атоми при 300 К е 2,56·10 -34. Енергията на дисоциация на молекулата Н 2 на атоми е 436 kJ/mol. Междуядреното разстояние в молекулата на Н2 е 0,07414 nm.
Тъй като ядрото на всеки Н атом, който е част от молекулата, има свой собствен спин (см.ЗАВРЪТЯНЕ), тогава молекулярният водород може да бъде в две форми: под формата на ортоводород (o-H 2) (и двата спина имат еднаква ориентация) и под формата на параводород (n-H 2) (спиновете имат различни ориентации). При нормални условия нормалният водород е смес от 75% o-H2 и 25% p-H2. Физичните свойства на p- и o-H 2 се различават леко един от друг. Така че, ако температурата на кипене чисто o-N 2 20,45 К, тогава чист p-N 2 - 20,26 К. Трансформация o-H 2 в p-H 2 се придружава от отделяне на 1418 J/mol топлина.
Научната литература многократно предполага, че когато високи налягания(над 10 GPa) и при ниски температуриах (около 10 K и по-ниска), твърдият водород, обикновено кристализиращ в шестоъгълна молекулна решетка, може да се трансформира в вещество с метални свойства, може би дори в свръхпроводник. Засега обаче няма ясни данни за възможността за такъв преход.
Високата сила на химичната връзка между атомите в молекулата на Н2 (която, например, използвайки метода на молекулярната орбита, може да се обясни с факта, че в тази молекула електронна двойкасе намира в свързващата орбитала, а антисвързващата орбитала не е заета от електрони) води до факта, че при стайна температура водородният газ е химически неактивен. И така, без нагряване, с просто смесване, водородът реагира (експлозивно) само с флуорен газ:
H 2 + F 2 = 2HF + Q.
Ако смес от водород и хлор при стайна температура се облъчи с ултравиолетова светлина, тогава се наблюдава незабавно образуване на хлороводород HCl. Реакцията на водород с кислород възниква експлозивно, ако към сместа от тези газове се добави катализатор, метален паладий (или платина). При запалване смес от водород и кислород (т.нар. детониращ газ (см.ЕКСПЛОЗИВЕН ГАЗ)) експлодира и експлозията може да възникне в смеси, в които съдържанието на водород варира от 5 до 95 обемен процент. Чистият водород във въздуха или в чист кислород гори тихо, освобождавайки се голямо количествотоплина:
H 2 + 1/2O 2 = H 2 O + 285,75 kJ/mol
Ако водородът взаимодейства с други неметали и метали, то е само при определени условия (нагряване, високо кръвно налягане, наличие на катализатор). По този начин водородът реагира обратимо с азота при повишено налягане (20-30 MPa или повече) и при температура 300-400 ° C в присъствието на катализатор - желязо:
3H 2 + N 2 = 2NH 3 + Q.
Също така, само когато се нагрява, водородът реагира със сярата, за да образува сероводород H 2 S, с брома, за да образува бромоводород HBr, с йода, за да образува йодоводород HI. Водородът реагира с въглища (графит), за да образува смес от въглеводороди с различен състав. Водородът не взаимодейства директно с бор, силиций и фосфор; съединенията на тези елементи с водород се получават индиректно.
При нагряване водородът е способен да реагира с алкални, алкалоземни метали и магнезий, за да образува съединения с йонна връзка, които съдържат водород в степен на окисление –1. По този начин, когато калцият се нагрява във водородна атмосфера, се образува солеподобен хидрид със състав CaH2. Полимерният алуминиев хидрид (AlH 3) x - един от най-мощните редуциращи агенти - се получава индиректно (например чрез използване на органоалуминиеви съединения). С много преходни метали (например цирконий, хафний и др.) водородът образува съединения с променлив състав (твърди разтвори).
Водородът е способен да реагира не само с много прости, но и със сложни вещества. На първо място е необходимо да се отбележи способността на водорода да редуцира много метали от техните оксиди (като желязо, никел, олово, волфрам, мед и др.). Така, когато се нагрява до температура от 400-450 °C и по-висока, желязото се редуцира с водород от който и да е от неговите оксиди, например:
Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.
Трябва да се отбележи, че само метали, разположени в серията от стандартни потенциали зад мангана, могат да бъдат редуцирани от оксиди с водород. По-активните метали (включително манган) не се редуцират до метал от оксиди.
Водородът е способен да добавя двойна или тройна връзка към много органични съединения (това са така наречените реакции на хидрогениране). Например, в присъствието на никелов катализатор е възможно да се извърши хидрогенирането на етилен C 2 H 4 и се образува етан C 2 H 6:
C 2 H 4 + H 2 = C 2 H 6.
Метанолът се произвежда промишлено чрез реакция на въглероден оксид (II) и водород:
2H 2 + CO = CH 3 OH.
В съединения, в които водороден атом е свързан с атом на по-електроотрицателен елемент E (E = F, Cl, O, N), между молекулите се образуват водородни връзки (см.ВОДОРОДНА ВРЪЗКА)(два Е атома на един и същи или два различни елемента са свързани помежду си чрез Н атома: E"... N... E"", и трите атома са разположени на една и съща права линия). Такива връзки съществуват между молекулите вода, амоняк, метанол и др. и водят до забележимо повишаване на точките на кипене на тези вещества, увеличаване на топлината на изпарение и др.
Приложение
Водородът се използва при синтеза на амоняк NH 3, хлороводород HCl, метанол CH 3 OH, по време на хидрокрекинг (крекинг във водородна атмосфера) на естествени въглеводороди, като редуциращ агент при производството на някои метали. Хидрогениране (см.ХИДРОГЕНИРАНЕ)Натуралните растителни масла се използват за получаване на твърда мазнина - маргарин. Течният водород се използва като ракетно гориво, а също и като охладител. При заваряване се използва смес от кислород и водород.
По едно време се предполагаше, че в близко бъдеще основният източник на производство на енергия ще бъде реакцията на изгаряне на водорода и водородната енергия ще измести традиционните източници на производство на енергия (въглища, петрол и др.). Предполагаше се, че е възможно да се използва електролизата на водата за производство на водород в голям мащаб. Електролизата на водата е доста енергоемък процес и в момента е нерентабилно да се произвежда водород чрез електролиза в промишлен мащаб. Но се очакваше, че електролизата ще се основава на използването на среднотемпературна (500-600 °C) топлина, която се получава в големи количества по време на работата на атомните електроцентрали. Тази топлина има ограничено приложение и възможността за производство на водород с нейна помощ би решила както екологичния проблем (когато водородът се изгаря във въздуха, количеството на произведените вредни за околната среда вещества е минимално), така и проблема с оползотворяването на среднотемпературна топлина. След аварията в Чернобил обаче развитието на ядрената енергия беше ограничено навсякъде, така че този източник на енергия стана недостъпен. Следователно перспективите за широкото използване на водорода като източник на енергия все още се променят поне до средата на 21 век.
Характеристики на лечението
Водородът не е токсичен, но при работа с него трябва постоянно да се взема предвид неговата висока опасност от пожар и експлозия, а експлозивната опасност на водорода се увеличава поради високата способност на газа да дифундира дори през някои твърди материали. Преди да започнете операции по нагряване във водородна атмосфера, трябва да се уверите, че тя е чиста (при запалване на водород в епруветка, обърната с главата надолу, звукът трябва да е тъп, а не лай).
Биологична роля
Биологичното значение на водорода се определя от факта, че той е част от водните молекули и всички най-важни групи природни съединения, включително протеини, нуклеинови киселини, липиди и въглехидрати. Приблизително 10% от масата на живите организми е водород. Способността на водорода да образува водородна връзка играе решаваща роля в поддържането на пространствената кватернерна структура на протеините, както и в прилагането на принципа на комплементарност (см.ДОПЪЛНИТЕЛНО)в конструкцията и функциите на нуклеиновите киселини (т.е. в съхранението и внедряването на генетична информация), като цяло в осъществяването на „разпознаването“ на молекулярно ниво. Водородът (Н+ йон) участва в най-важните динамични процеси и реакции в организма - в биологичното окисление, което осигурява енергия на живите клетки, във фотосинтезата в растенията, в биосинтетичните реакции, в азотфиксацията и бактериалната фотосинтеза, в поддържането на киселинно-алкален баланси хомеостаза (см.ХОМЕОСТАЗА), в процеси мембранен транспорт. По този начин, заедно с кислорода и въглерода, водородът формира структурната и функционална основа на жизнените явления.
енциклопедичен речник. 2009 .
Синоними:Вижте какво е „водород“ в други речници:
Нуклидна таблица Главна информацияИме, символ Водород 4, 4H Неутрони 3 Протони 1 Свойства на нуклида 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 нуклидите 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
Водород– първият химичен елемент от Периодичната таблица на химичните елементи D.I. Менделеев. Химичният елемент водород се намира в първата група, основната подгрупа, първият период на Периодичната система.
Относителна атомна маса на водорода = 1.
Водородът има най-простата атомна структура, той се състои от един електрон, който се намира в перинуклеарното пространство. Ядрото на водородния атом се състои от един протон.
Водородният атом може или да даде, или да получи електрон в химични реакции, образувайки два вида йони:
H0 + 1ē → H1− H0 – 1ē → H1+.
Водород– най-често срещаният елемент във Вселената. Той представлява около 88,6% от всички атоми (около 11,3% са атоми на хелий, делът на всички останали елементи заедно е около 0,1%). По този начин водородът е основният компонент на звездите и междузвездния газ. 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.
Масовата част на водорода в земната кора е 1%.Това е деветият най-често срещан елемент. Стойност на водорода в химически процесисрещащ се на Земята е почти толкова голям, колкото кислорода. За разлика от кислорода, който съществува на Земята както в свързано, така и в свободно състояние, почти 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 процента за сух въздух).
Водородът е част от почти всички органични вещества и присъства във всички живи клетки.
Физични свойства на водорода
Едно просто вещество, образувано от химичния елемент водород, има молекулна структура. Съставът му отговаря на формулата H2.Подобно на химичния елемент, простото вещество също се нарича водород.
Водород– безцветен газ, без мирис и вкус, практически неразтворим във вода. При стайна температура и нормална атмосферно наляганеразтворимостта е 18,8 ml газ на 1 литър вода.
Водород– най-лекият газ, плътността му е 0,08987 g/l. За сравнение: плътността на въздуха е 1,3 g/l.
Водородът може да се разтваря в метали,например до 850 обема водород могат да се разтворят в един обем паладий. Поради изключително малкия си молекулен размер, водородът може да дифузира през много материали
Подобно на други газове, водородът кондензира при ниски температури до безцветен бистра течност, това се случва при температура – 252,8°С.Когато температурата достигне -259,2°C, водородът кристализира под формата на бели кристали, подобни на сняг.
За разлика от кислорода, водородът не се характеризира с алотропия
Приложения на водорода
Водородът се използва в различни индустриииндустрия. За производството на амоняк се използва много водород (NH3).От амоняка се получават азотни торове, синтетични влакна и пластмаси, лекарства.
В хранително-вкусовата промишленост водородът се използва при производството на маргарин, който съдържа твърди мазнини. За получаването им от течните мазнини през тях се пропуска водород.
Когато водородът гори в кислород, температурата на пламъка е около 2500°C.При тази температура огнеупорните метали могат да се топят и заваряват. Така водородът се използва при заваряване.
Като ракетно гориво се използва смес от течен водород и кислород.
В момента редица страни са започнали изследвания за замяна на невъзобновяеми енергийни източници (нефт, газ, въглища) с водород. Когато водородът изгаря в кислород, се образува екологично чист продукт - вода, не въглероден двуокиспричинявайки парниковия ефект.
Учените предполагат, че в средата на 21 век трябва да започне масова продукцияводородни автомобили. Ще се използва широко у дома горивни клетки, чиято работа също се основава на окисляването на водорода с кислород.
В края на 19 – началото на 20 в.в зората на ерата на аеронавтиката беше запълнен водород Балони, дирижабли и балони, тъй като е много по-лек от въздуха. Ерата на дирижаблите обаче започна бързо да избледнява в миналото след катастрофата, която се случи с дирижабъла Хинденбург. 6 май 1937 г. дирижабъл,пълен с водород, той се запали, което доведе до смъртта на десетки пътници.
Водородът е изключително експлозивен в определено съотношение с кислорода. Неспазването на правилата за безопасност доведе до възпламеняване и експлозия на дирижабъла.
- Водород– първият химичен елемент от Периодичната таблица на химичните елементи D.I. Менделеев
- Водородът се намира в група I, основната подгрупа, период 1 на Периодичната система
- Валентност на водорода в съединения – I
- Водород– безцветен газ, без мирис и вкус, практически неразтворим във вода
- Водород- най-лекият газ
- Течен и твърд водород се произвеждат при ниски температури
- Водородът може да се разтваря в метали
- Приложенията на водорода са разнообразни
Водород – специален елемент, заемайки едновременно две клетки в периодичната таблица на Менделеев. Разположен е в две групи елементи, които имат противоположни свойства, и тази особеност го прави уникален. Водородът е просто вещество и интегрална частмного сложни съединения, той е органогенен и биогенен елемент. Струва си да се запознаете подробно с основните му характеристики и свойства.
Водород в периодичната таблица на Менделеев
Основните характеристики на водорода, посочени в:
- сериен номерелемент – 1 (еднакъв брой протони и електрони);
- атомната маса е 1,00795;
- водородът има три изотопа, всеки от които има специални свойства;
- поради съдържанието само на един електрон, водородът е способен да проявява редуциращи и окислителни свойства и след като отдаде електрон, водородът има свободна орбитала, която участва в образуването на химични връзки според донорно-акцепторния механизъм;
- водородът е лек елемент с ниска плътност;
- водородът е силен редуциращ агент, той отваря групата на алкалните метали в първата група към основната подгрупа;
- когато водородът реагира с метали и други силни редуциращи агенти, той приема техния електрон и се превръща в окислител. Такива съединения се наричат хидриди. Според тази характеристика водородът условно принадлежи към групата на халогените (в таблицата е даден над флуора в скоби), с които е подобен.
Водородът като просто вещество
Водородът е газ, чиято молекула се състои от две. Това вещество е открито през 1766 г. от британския учен Хенри Кавендиш. Той доказа, че водородът е газ, който експлодира, когато реагира с кислорода. След като изследваха водорода, химиците установиха, че това вещество е най-лекото от всички известни на човека.
Друг учен, Лавоазие, дава на елемента името "хидрогений", което в превод от латински означава "раждащ вода". През 1781 г. Хенри Кавендиш доказва, че водата е комбинация от кислород и водород. С други думи, водата е продукт на реакцията на водород с кислород. Запалимите свойства на водорода са били известни на древните учени: съответните записи са оставени от Парацелз, живял през 16 век.
Молекулярният водород е естествено срещащо се в природата газообразно съединение, което се състои от два атома и когато се изведе на повърхността на горяща треска. Водородната молекула може да се разпадне на атоми, които се превръщат в хелиеви ядра, тъй като те са способни да участват в ядрени реакции. Такива процеси редовно се случват в космоса и на Слънцето.
Водородът и неговите физични свойства
Водородът има следните физични параметри:
- кипи при -252,76 °C;
- топи се при -259,14 °C; *в посочените температурни граници водородът е течност без мирис и цвят;
- Водородът е слабо разтворим във вода;
- водородът може теоретично да премине в метално състояние, ако бъде осигурен специални условия(ниски температури и високо налягане);
- чистият водород е експлозивно и запалимо вещество;
- водородът може да дифундира през дебелината на металите, поради което се разтваря добре в тях;
- водородът е 14,5 пъти по-лек от въздуха;
- При високо налягане могат да се получат снеговидни кристали от твърд водород.
Химични свойства на водорода
Лабораторни методи:
- взаимодействие на разредени киселини с активни метали и метали с междинна активност;
- хидролиза на метални хидриди;
- реакция на алкални и алкалоземни метали с вода.
Водородни съединения:
Халогеноводороди; летливи водородни съединения на неметали; хидриди; хидроксиди; водороден хидроксид (вода); водороден прекис; органични съединения(протеини, мазнини, въглеводороди, витамини, липиди, етерични масла, хормони). Кликнете, за да видите безопасни експерименти за изследване на свойствата на протеини, мазнини и въглехидрати.
За да съберете произведения водород, трябва да държите епруветката с главата надолу. Водородът не може да се събира като въглеродния диоксид, защото е много по-лек от въздуха. Водородът бързо се изпарява и при смесване с въздух (или в големи натрупвания) експлодира. Следователно е необходимо епруветката да се обърне. Веднага след пълнене тубата се затваря с гумена запушалка.
За да проверите чистотата на водорода, трябва да държите запалена кибритена клечка до гърлото на епруветката. Ако се получи тъп и тих трясък, газът е чист и въздушните примеси са минимални. Ако памукът е силен и свисти, газът в епруветката е мръсен, съдържа голям дялчужди компоненти.
внимание! Не се опитвайте сами да повтаряте тези експерименти!
Водородът е открит през втората половина на 18 век от английския учен в областта на физиката и химията Г. Кавендиш. Той успява да изолира веществото в чисто състояние, започва да го изучава и описва свойствата му.
Това е историята на откриването на водорода. По време на експериментите изследователят установи, че това е запалим газ, чието изгаряне във въздуха произвежда вода. Това доведе до определяне на качествения състав на водата.
Какво е водород
Френският химик А. Лавоазие за първи път обяви водорода като просто вещество през 1784 г., тъй като установи, че неговата молекула съдържа атоми от същия тип.
Името на химичния елемент на латински звучи като хидрогений (да се чете "хидрогениум"), което означава "даващ вода". Името се отнася до реакцията на горене, която произвежда вода.
Характеристики на водорода
Н. Менделеев приписва на това обозначението водород химичен елементпървия пореден номер, поставяйки го в главната подгрупа на първа група и първия период и условно в главната подгрупа на седма група.
Атомното тегло (атомна маса) на водорода е 1,00797. Молекулна маса H 2 е равно на 2 a. д. Моларната маса е числено равна на него.
Представен е от три изотопа, които имат специално име: най-често срещаният протий (H), тежък деутерий (D), радиоактивен тритий (T).
Това е първият елемент, който може да бъде напълно разделен на изотопи по прост начин. Основава се на голямата разлика в масата на изотопите. Процесът е извършен за първи път през 1933 г. Това се обяснява с факта, че едва през 1932 г. е открит изотоп с маса 2.
Физични свойства
При нормални условия простото вещество водород под формата на двуатомни молекули е газ, без цвят, вкус и мирис. Слабо разтворим във вода и други разтворители.
Температура на кристализация - 259,2 o C, точка на кипене - 252,8 o C.Диаметърът на водородните молекули е толкова малък, че те имат способността да дифундират бавно през редица материали (гума, стъкло, метали). Това свойство се използва, когато е необходимо да се пречисти водородът от газообразни примеси. Когато n. u. водородът има плътност 0,09 kg/m3.
Възможно ли е водородът да се превърне в метал по аналогия с елементите, разположени в първата група? Учените са открили, че водородът при условия, когато налягането достигне 2 милиона атмосфери, започва да абсорбира инфрачервени лъчи, което показва поляризацията на молекулите на веществото. Може би при още по-високо налягане водородът ще стане метал.
Това е интересно:има предположение, че на гигантските планети Юпитер и Сатурн водородът се намира под формата на метал. Предполага се, че метален твърд водород също присъства в земното ядро, поради свръхвисокото налягане, създавано от земната мантия.
Химични свойства
Както простите, така и сложните вещества влизат в химично взаимодействие с водорода. Но ниската активност на водорода трябва да се увеличи чрез създаване на подходящи условия - повишаване на температурата, използване на катализатори и т.н.
При нагряване прости вещества като кислород (O 2), хлор (Cl 2), азот (N 2), сяра (S) реагират с водород.
Ако запалите чист водород в края на изходна тръба за газ във въздуха, той ще изгори равномерно, но едва забележимо. Ако поставите изходна тръба за газв атмосфера на чист кислород, тогава горенето ще продължи с образуването на водни капчици по стените на съда, в резултат на реакцията:
Изгарянето на водата е съпроводено с отделяне на голямо количество топлина. Това е екзотермична съставна реакция, при която водородът се окислява от кислород, за да се образува оксидът H 2 O. Това е също редокс реакция, при която водородът се окислява и кислородът се редуцира.
Реакцията с Cl 2 протича подобно на образуването на хлороводород.
Взаимодействието на азота с водорода изисква висока температура и високо налягане, както и наличието на катализатор. Резултатът е амоняк.
В резултат на реакцията със сярата се образува сероводород, чието разпознаване се улеснява от характерната миризма на развалени яйца.
Степента на окисление на водорода в тези реакции е +1, а в описаните по-долу хидриди - 1.
При взаимодействие с някои метали се образуват хидриди, например натриев хидрид - NaH. Някои от тези сложни съединения се използват като гориво за ракети, както и в термоядрената енергия.
Водородът реагира и с вещества от категорията на комплекса. Например с меден (II) оксид, формула CuO. За да се осъществи реакцията, медният водород се прекарва върху нагрят прахообразен меден (II) оксид. По време на взаимодействието реагентът променя цвета си и става червено-кафяв, а капчици вода се утаяват върху студените стени на епруветката.
Водородът се окислява по време на реакцията, образувайки вода, а медта се редуцира от оксид до просто вещество (Cu).
Области на използване
Водородът има голямо значениеза хора и се използва в различни области:
- В химическото производство е суровина, в други индустрии е гориво. Нефтохимическите и нефтопреработвателните предприятия не могат без водород.
- В електроенергетиката това просто вещество действа като охлаждащ агент.
- В черната и цветната металургия водородът играе ролята на редуциращ агент.
- Това спомага за създаването на инертна среда при опаковането на продуктите.
- Фармацевтичната индустрия - използва водород като реагент при производството на водороден пероксид.
- Метеорологичните балони са пълни с този лек газ.
- Този елемент е известен също като редуктор на гориво за ракетни двигатели.
Учените единодушно прогнозират, че водородното гориво ще заеме водеща роля в енергийния сектор.
Получаване в индустрията
В промишлеността водородът се произвежда чрез електролиза, която се подлага на хлориди или хидроксиди на алкални метали, разтворени във вода. Също така е възможно да се получи водород директно от вода, като се използва този метод.
За тези цели се използва превръщането на кокс или метан с водна пара. Разлагане на метан при повишена температурасъщо произвежда водород. Втечняването на коксовия газ по фракционния метод се използва и за промишленото производство на водород.
Получава се в лаборатория
В лабораторията се използва апарат на Kipp за получаване на водород.
Реактивите са солна или сярна киселина и цинк. Реакцията произвежда водород.
Откриване на водород в природата
Водородът е по-често срещан от всеки друг елемент във Вселената. По-голямата част от звездите, включително Слънцето и други космически тела, е водород.
В земната кора той е едва 0,15%. Присъства в много минерали, всички органична материя, както и във водата, която покрива 3/4 от повърхността на нашата планета.
В горните слоеве на атмосферата могат да бъдат намерени следи от водород чиста форма. Среща се и в редица запалими природни газове.
Газообразният водород е с най-малка плътност, а течният водород е най-плътното вещество на нашата планета. С помощта на водород можете да промените тембъра на гласа си, ако го вдишвате и говорите, докато издишвате.
Най-мощната водородна бомба се основава на разцепването на най-лекия атом.
