В периодичната система той има свое специфично положение, което отразява свойствата, които проявява и говори за неговата електронна структура. Но сред всички има един специален атом, който заема две клетки едновременно. Разположен е в две групи елементи, които са напълно противоположни по своите проявени свойства. Това е водород. Тези характеристики го правят уникален.
Водородът не е просто елемент, но и просто вещество, както и неразделна част от мн сложни връзки, биогенен и органогенен елемент. Затова разглеждаме неговите характеристики и свойства по-подробно.
Водородът като химичен елемент
Водородът е елемент от първа група на главната подгрупа, както и седма група от главната подгрупа в първия малък период. Този период се състои само от два атома: хелий и елементът, който разглеждаме. Нека опишем основните характеристики на позицията на водорода в периодичната система.
- Поредният номер на водорода е 1, броят на електроните е същият, съответно броят на протоните е същият. Атомната маса е 1,00795. Има три изотопа на този елемент с масови числа 1, 2, 3. Свойствата на всеки от тях обаче са много различни, тъй като увеличаването на масата дори с единица за водорода веднага се удвоява.
- Фактът, че съдържа само един електрон от външната страна, му позволява успешно да проявява както окислителни, така и редуциращи свойства. Освен това, след освобождаването на електрона, той остава свободна орбитала, която участва в образуването химически връзкиспоред донорно-акцепторния механизъм.
- Водородът е силен редуциращ агент. Следователно, първата група от основната подгрупа се счита за нейното основно място, където води най-активните метали - алкални.
- Въпреки това, когато взаимодейства със силни редуциращи агенти, като например метали, той може да бъде и окислител, приемащ електрон. Тези съединения се наричат хидриди. На тази основа той оглавява подгрупата на халогените, с които е сходен.
- Поради много малката си атомна маса, водородът се счита за най-лекия елемент. В допълнение, неговата плътност също е много ниска, така че е и еталон за лекота.
По този начин е очевидно, че водородният атом е напълно уникален, за разлика от всички други елементи. Следователно свойствата му също са специални, а образуваните са прости и сложни веществамного важно. Нека ги разгледаме по-нататък.
просто вещество
Ако говорим за този елемент като молекула, тогава трябва да кажем, че той е двуатомен. Тоест водородът (просто вещество) е газ. Емпиричната му формула ще бъде записана като H 2, а графичната - чрез единична сигма връзка H-H. Механизмът на образуване на връзка между атомите е ковалентен неполярен.
- Парно преобразуване на метан.
- Газификация на въглища - процесът включва нагряване на въглища до 1000 0 C, което води до образуването на водород и високовъглеродни въглища.
- Електролиза. Този метод може да се използва само за водни разтвори на различни соли, тъй като стопилките не водят до изпускане на вода в катода.
Лабораторни методи за получаване на водород:
- Хидролиза на метални хидриди.
- Действието на разредени киселини върху активни метали и средна активност.
- Взаимодействие на алкални и алкалоземни метали с вода.
За да съберете получения водород, е необходимо да държите епруветката обърната надолу. В края на краищата този газ не може да се събира по същия начин, както например въглеродният диоксид. Това е водород, той е много по-лек от въздуха. Изпарява се бързо и експлодира, когато се смеси с въздух в големи количества. Следователно тръбата трябва да бъде обърната. След като се напълни, трябва да се затвори с гумена запушалка.
За да проверите чистотата на събрания водород, трябва да поднесете запалена кибритена клечка към врата. Ако памукът е глух и тих, тогава газът е чист, с минимални въздушни примеси. Ако е силен и свирещ, значи е мръсен, с голям дял чужди компоненти.
Области на използване
При изгаряне на водород се отделя толкова голямо количество енергия (топлина), че този газ се счита за най-рентабилното гориво. Освен това е екологично чист. Използването му в тази област обаче в момента е ограничено. Това се дължи на незавършените и нерешени проблеми на синтезирането на чист водород, който би бил подходящ за използване като гориво в реактори, двигатели и преносими устройства, както и котли за битово отопление.
В крайна сметка методите за получаване на този газ са доста скъпи, така че първо е необходимо да се разработи специален метод за синтез. Такава, която ще ви позволи да получите продукта в голям обем и на минимална цена.
Има няколко основни области, в които се използва газът, който разглеждаме.
- Химически синтези. Въз основа на хидрогениране се получават сапуни, маргарини и пластмаси. С участието на водород се синтезират метанол и амоняк, както и други съединения.
- В хранително-вкусовата промишленост - като добавка E949.
- Авиационна индустрия (ракетостроене, самолетостроене).
- Енергетика.
- Метеорология.
- Гориво от екологичен тип.
Очевидно водородът е толкова важен, колкото и изобилен в природата. Още по-голяма роля играят различните образувани от него съединения.
Водородни съединения
Това са сложни вещества, съдържащи водородни атоми. Има няколко основни вида такива вещества.
- Халогеноводороди. Обща формула- Х Хал. От особено значение сред тях е хлороводородът. Това е газ, който се разтваря във вода, за да образува разтвор на солна киселина. Тази киселина се използва широко в почти всички химически синтези. И както органични, така и неорганични. Хлороводородът е съединение, което има емпиричната формула HCL и е едно от най-големите по годишен добив у нас. Водородните халиди също включват йодид, флуороводород и бромоводород. Всички те образуват съответните киселини.
- Летливи Почти всички от тях са доста отровни газове. Например сероводород, метан, силан, фосфин и други. Те обаче са много запалими.
- Хидридите са съединения с метали. Те принадлежат към класа на солите.
- Хидроксиди: основи, киселини и амфотерни съединения. Техният състав задължително включва водородни атоми, един или повече. Пример: NaOH, K 2 , H 2 SO 4 и др.
- Водороден хидроксид. Това съединение е по-известно като вода. Друго име за водороден оксид. Емпиричната формула изглежда така - H 2 O.
- Водороден прекис. Това е най-силният окислител, чиято формула е H 2 O 2.
- Многобройни органични съединения: въглеводороди, протеини, мазнини, липиди, витамини, хормони, етерични масла и др.
Очевидно разнообразието от съединения на елемента, който разглеждаме, е много голямо. Това още веднъж потвърждава нейното високо значение както за природата и човека, така и за всички живи същества.
е най-добрият разтворител
Както бе споменато по-горе, общото наименование на това вещество е вода. Състои се от два водородни атома и един кислород, свързани помежду си с ковалентни полярни връзки. Водната молекула е дипол, което обяснява много от нейните свойства. По-специално, фактът, че е универсален разтворител.
Именно във водната среда протичат почти всички химични процеси. Вътрешните реакции на пластичния и енергиен метаболизъм в живите организми също се извършват с помощта на водороден оксид.
Водата се смята за най-важното вещество на планетата. Известно е, че нито един жив организъм не може да живее без него. На Земята той може да съществува в три състояния на агрегиране:
- течност;
- газ (пара);
- твърд (лед).
В зависимост от изотопа на водорода, който е част от молекулата, има три вида вода.
- Светлина или протиум. Изотоп с масово число 1. Формулата е H 2 O. Това е обичайната форма, която използват всички организми.
- Деутерий или тежък, формулата му е D 2 O. Съдържа изотопа 2 H.
- Супер тежък или тритий. Формулата изглежда като T 3 O, изотопът е 3 H.
Запасите от прясна протиева вода на планетата са много важни. Вече липсва в много страни. Разработват се методи за обработка на солена вода с цел получаване на питейна вода.
Водородният прекис е универсално средство
Това съединение, както беше споменато по-горе, е отличен окислител. Въпреки това, при силни представители може да се държи и като редуктор. В допълнение, той има подчертан бактерициден ефект.
Друго име за това съединение е пероксид. Именно в тази форма се използва в медицината. 3% разтвор на кристален хидрат на въпросното съединение е медицинско лекарство, което се използва за лечение на малки рани с цел тяхното обеззаразяване. Доказано е обаче, че в този случай заздравяването на рани с течение на времето се увеличава.
Също така, водородният прекис се използва в ракетното гориво, в промишлеността за дезинфекция и избелване, като пенообразувател за производството на подходящи материали (пяна, например). В допълнение, пероксидът помага за почистване на аквариуми, избелване на косата и избелване на зъбите. Но в същото време уврежда тъканите, поради което не се препоръчва от специалисти за тази цел.
Течност
Водород(лат. Водород; обозначен със символа з) е първият елемент от периодичната система от елементи. Широко разпространен в природата. Катионът (и ядрото) на най-разпространения изотоп на водорода 1H е протонът. Свойствата на ядрото 1H позволяват широко използване на ЯМР спектроскопия при анализа на органични вещества.
Три изотопа на водорода имат свои имена: 1 H - протий (H), 2 H - деутерий (D) и 3 H - тритий (радиоактивен) (T).
Простото вещество водород - Н 2 - е лек безцветен газ. В смес с въздух или кислород е горим и експлозивен. Нетоксичен. Разтворим в етанол и редица метали: желязо, никел, паладий, платина.
История
Отделянето на горим газ по време на взаимодействието на киселини и метали се наблюдава през 16-ти и XVII векв зората на формирането на химията като наука. Михаил Василиевич Ломоносов също директно посочи неговата изолация, но вече определено осъзна, че това не е флогистон. Английският физик и химик Хенри Кавендиш изследва този газ през 1766 г. и го нарича "горим въздух". При изгаряне "горимият въздух" произвежда вода, но придържането на Кавендиш към теорията за флогистона му попречи да направи правилните заключения. Френският химик Антоан Лавоазие, заедно с инженера J. Meunier, използвайки специални газометри, през 1783 г. извършват синтез на вода, а след това и нейния анализ, като разлагат водните пари с нажежено желязо. Така той установи, че "горимият въздух" е част от водата и може да се получи от нея.
произход на името
Лавоазие дава името hydrogène на водорода, което означава „носещ вода“. Руското име "водород" е предложено от химика М. Ф. Соловьов през 1824 г. - по аналогия с "кислород" на Сломоносов.
Разпространение
Водородът е най-разпространеният елемент във Вселената. Той представлява около 92% от всички атоми (8% са атоми на хелий, делът на всички останали елементи, взети заедно, е по-малко от 0,1%). Така водородът е основният компонент 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 образуват молекулярни облаци, които варират значително по размер, плътност и температура.
Земната кора и живите организми
Масова част на водорода в земната корае 1% - това е десетият най-често срещан елемент. Неговата роля 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 химичните процеси, протичащи на Земята, е почти толкова голямо, колкото и на кислорода. За разлика от кислорода, който съществува на Земята както в свързано, така и в свободно състояние, практически целият водород на Земята е под формата на съединения; само много малко количество водород под формата на просто вещество се намира в атмосферата (0,00005% от обема).
Водородът е съставна част на почти всички органични вещества и присъства във всички живи клетки. В живите клетки, от броя на атомите, водородът представлява почти 50%.
Касова бележка
Промишлени методи за получаване прости веществазависят от формата, в която съответният елемент е в природата, тоест каква може да бъде суровината за неговото производство. И така, кислородът, който е наличен в свободно състояние, се получава по физически начин - чрез изолиране от течния въздух. Почти целият водород е под формата на съединения, следователно, за да го получим, химични методи. По-специално могат да се използват реакции на разлагане. Един от начините за получаване на водород е реакцията на разлагане на водата чрез електрически ток.
Основният промишлен метод за производство на водород е реакцията с вода на метан, който е част от природния газ. Извършва се при висока температура (лесно е да се провери, че когато метанът преминава дори през вряща вода, не настъпва реакция):
CH 4 + 2H 2 O \u003d CO 2 + 4H 2 −165 kJ
В лабораторията за получаване на прости вещества не се използват непременно естествени суровини, но се избират тези първоначални вещества, от които е по-лесно да се изолира необходимото вещество. Например в лабораторията кислородът не се получава от въздуха. Същото важи и за производството на водород. Един от лабораторните методи за производство на водород, който понякога се използва в промишлеността, е разлагането на водата чрез електрически ток.
Водородът обикновено се произвежда в лабораторията чрез взаимодействие на цинк със солна киселина.
В индустрията
1. Електролиза на водни разтвори на соли:
2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2
2. Прекарване на водна пара над горещ кокс при температура от около 1000 °C:
H2O+C? H2 + CO
3.От природен газ.
Преобразуване на Steam:
CH4 + H2O? CO + 3H 2 (1000 °C)
Каталитично окисление с кислород:
2CH4 + O2? 2CO + 4H2
4. Крекинг и реформинг на въглеводороди в процеса на рафиниране на нефт.
В лабораторията
1.Действие на разредени киселини върху метали.За провеждане на такава реакция най-често се използват цинк и 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.С помощта на електролиза.По време на електролизата на водни разтвори на основи или киселини на катода се отделя водород, например:
2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O
Физически свойства
Водородът може да съществува в две форми (модификации) - под формата на орто- и пара-водород. В ортоводородна молекула о-H 2 (т.т. −259,10 ° C, т.т. −252,56 ° C) ядрените завъртания са насочени по същия начин (успоредно), докато параводородът стр-H 2 (т.т. −259,32 ° C, т.т. −252,89 ° C) - противоположни един на друг (антипаралелни). Равновесна смес о-H 2 и стр-H 2 при дадена температура се нарича равновесен водород д-H2.
Водородните модификации могат да бъдат разделени чрез адсорбция върху активен въглен при температура на течен азот. При много ниски температури равновесието между ортоводород и параводород е почти изцяло изместено към последния. При 80 K пропорцията е приблизително 1:1. Десорбираният параводород се превръща в ортоводород при нагряване до образуване на равновесна смес при стайна температура (орто-пара: 75:25). Без катализатор трансформацията протича бавно (в условията на междузвездната среда - с характерни временадо космологичните), което позволява да се изследват свойствата на отделните модификации.
Водородът е най-лекият газ, 14,5 пъти по-лек от въздуха. Очевидно е, че колкото по-малка е масата на молекулите, толкова по-висока е тяхната скорост при същата температура. Като най-леки, водородните молекули се движат по-бързо от молекулите на всеки друг газ и по този начин могат да пренасят топлина от едно тяло към друго по-бързо. От това следва, че водородът има най-висока топлопроводимост сред газообразни вещества. Неговата топлопроводимост е около седем пъти по-висока от тази на въздуха.
Молекулата на водорода е двуатомна - Н 2. При нормални условия той е газ без цвят, мирис и вкус. Плътност 0,08987 g/l (н.о.), точка на кипене −252,76 °C, специфична топлина на изгаряне 120,9×10 6 J/kg, слабо разтворим във вода — 18,8 ml/l. Водородът е силно разтворим в много метали (Ni, Pt, Pd и др.), особено в паладий (850 обема на 1 обем Pd). Свързана с разтворимостта на водорода в металите е способността му да дифундира през тях; дифузията през въглеродна сплав (например стомана) понякога е придружена от разрушаване на сплавта поради взаимодействието на водород с въглерод (така наречената 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 течна (вискозитет при -253 °C 13,8 градуса). Критичните параметри на водорода са много ниски: температура -240,2 °C и налягане 12,8 atm. Това обяснява трудността 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/cm3 (при −262 °C) — снежна маса, шестоъгълни кристали, пространствена група P6/mmc, параметри на клетката а=3,75 ° С=6,12. При високо налягане водородът става метален.
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 на производство на водород.
Водородният изотоп 3H (тритий) е нестабилен. Неговият полуживот е 12,32 години. Тритий се среща в природата в много малки количества.
Литературата също предоставя данни за изотопи на водорода с масови числа 4–7 и полуживот 10–22–10–23 s.
Естественият водород се състои от H 2 и HD (деутероводород) молекули в съотношение 3200:1. Съдържанието на чист деутериев водород D 2 е още по-малко. Концентрационното съотношение на HD и D 2 е приблизително 6400:1.
От всички изотопи химически елементифизически и Химични свойстваводородните изотопи се различават най-силно един от друг. Това се дължи на най-голямата относителна промяна в масите на атомите.
|
температура |
температура |
Тройна |
критичен |
Плътност |
|
Деутерият и тритият също имат орто и пара модификации: стр-D2, о-D2, стр-T2, о-Т 2 . Хетероизотопният водород (HD, HT, DT) няма орто и пара модификации.
Химични свойства
Фракция на дисоциираните водородни молекули
Молекулите на водорода H 2 са доста силни и за да може водородът да реагира, трябва да се изразходва много енергия:
H 2 \u003d 2H - 432 kJ
Следователно при обикновени температури водородът реагира само с много активни метали, като калций, образувайки калциев хидрид:
Ca + H 2 \u003d CaH 2
и с единствения неметал - флуор, образувайки флуороводород:
Водородът реагира с повечето метали и неметали при повишени температури или при други влияния, като например осветление:
O 2 + 2H 2 \u003d 2H 2 O
Той може да "отнеме" кислород от някои оксиди, например:
CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O
Написаното уравнение отразява редукционните свойства на водорода.
N 2 + 3H 2 → 2NH 3
Образува халогеноводороди с халогени:
F 2 + H 2 → 2HF, реакцията протича с експлозия на тъмно и при всяка температура,
Cl 2 + H 2 → 2HCl, реакцията протича с експлозия, само на светлина.
Взаимодейства 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 + H 2 → 2NaH
Ca + H 2 → CaH 2
Mg + H 2 → MgH 2
хидриди- физиологичен разтвор, твърди вещества, лесно хидролизирани:
CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2
Взаимодействие с метални оксиди (обикновено d-елементи)
Оксидите се редуцират до метали:
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O
WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O
Хидрогениране на органични съединения
Молекулярният водород се използва широко в органичния синтез за намаляване 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 хомогенен (напр. катализатор на Wilkinson) или хетерогенен (напр. никел на Реней, паладий върху въглен).
Така, по-специално, по време на каталитичното хидрогениране на ненаситени съединения, като алкени и алкини, се образуват наситени съединения, алкани.
Геохимия на водорода
Свободният водород Н 2 е сравнително рядък в земните газове, но под формата на вода играе изключително важна роля в геохимичните процеси.
Водородът може да присъства в минералите под формата на амониев йон, хидроксилен йон и кристална вода.
В атмосферата водородът се произвежда непрекъснато в резултат на разлагането 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 отлетят в открития космос.
Характеристики на циркулацията
Водородът, когато се смеси с въздуха, 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 приблизително 21% кислород. Водородът също е опасен от пожар. Течният водород може да причини тежко измръзване, ако влезе в контакт с кожата.
Експлозивни концентрации на водород с кислород възникват от 4% до 96% обемни. При смесване с въздух от 4% до 75(74)% обемни.
Икономика
Цената на водорода при големи доставки на едро варира от $2-5 за кг.
Приложение
Атомен водород се използва за заваряване с атомен водород.
Химическа индустрия
- В производството на амоняк, метанол, сапун и пластмаси
- При производството на маргарин от течни растителни масла
- Регистрирана като хранителна добавка E949(пакет газ)
хранително-вкусовата промишленост
Авиационна индустрия
Водородът е много лек и винаги се издига във въздуха. Веднъж дирижабли и Балониизпълнен с водород. Но през 30-те години. 20-ти век имаше няколко катастрофи, по време на които дирижаблите експлодираха и изгоряха. В наши дни дирижаблите се пълнят с хелий, въпреки значително по-високата му цена.
гориво
Водородът се използва като ракетно гориво.
Провеждат се изследвания за използването на водород като гориво за автомобили и камиони. Водородните двигатели не замърсяват околен святи отделят само водни пари.
Водородно-кислородните горивни клетки използват водород за директно преобразуване на енергията от химическа реакция в електрическа енергия.
"течен водород"(„LW“) е течно състояние на агрегиране на водород с ниско специфично тегло от 0,07 g/cm³ и криогенни свойства с точка на замръзване 14,01 K (−259,14 °C) и точка на кипене 20,28 K (−252,87 °C). Това е безцветна течност без мирис, която при смесване с въздух се класифицира като експлозивна с диапазон на запалимост от 4-75%. Спиновото съотношение на изомерите в течния водород е: 99,79% - параводород; 0,21% - ортоводород. Коефициентът на разширение на водорода при промяна на агрегатното състояние към газообразно е 848:1 при 20°C.
Както при всеки друг газ, втечняването на водорода намалява неговия обем. След втечняване "ЖВ" се съхранява в термоизолирани съдове под налягане. Течен водород течен водород, LH2, LH 2) се използва широко в индустрията като форма за съхранение на газ и в космическата индустрия като ракетно гориво.
История
Първото документирано използване на изкуствено охлаждане през 1756 г. е от английския учен Уилям Кълън, Гаспард Монж е първият, който получава течното състояние на серен оксид през 1784 г., Майкъл Фарадей е първият, който получава втечнен амоняк, американският изобретател Оливър Еванс е първи разработил хладилен компресор през 1805 г., Джейкъб Пъркинс е първият, който патентова охладителна машина през 1834 г., а Джон Гори е първият в САЩ, който патентова климатика през 1851 г. Вернер Сименс предлага концепцията за регенеративно охлаждане през 1857 г., Карл Линде патентова оборудване за производство на течен въздух, използвайки каскаден „ефект на разширение на Джаул-Томсън“ и регенеративно охлаждане през 1876 г. През 1885 г. полският физик и химик Зигмунд Вроблевски публикува критичната температура на водорода 33 К, критичното налягане 13,3 атм. и точка на кипене при 23 K. 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 стабилен изомер на течен водород, параводород, е извършен от Пол Хартек и Карл Бонхофер през 1929 г.
Спинови изомери на водорода
Водородът при стайна температура се състои главно от спинов изомер, ортоводород. След производството течният водород е в метастабилно състояние и трябва да бъде преобразуван в неговата параводородна 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, хромен оксид, активен въглен, покрит с платина азбест, редкоземни метали или чрез използване на уранови или никелови добавки.
Използване
Течният водород може да се използва като форма за съхранение на гориво за двигатели вътрешно горенеи горивни клетки. Различни подводници (проекти "212A" и "214", Германия) и концепции за транспортиране на водород са създадени с помощта на тази агрегатна форма на водород (вижте например "DeepC" или "BMW H2R"). Поради близостта на дизайна, създателите на оборудване на "ZHV" могат да използват или само да модифицират системи, които използват 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-обемна горивна система. При директно впръскване увеличените загуби във всмукателния тракт намаляват пълненето на цилиндрите.
Течният водород също се използва за охлаждане на неутрони в експерименти с разсейване на неутрони. Масите на неутрона и водородното ядро са почти равни, така че обменът на енергия по време на еластичен сблъсък е най-ефективен.
Предимства
Предимството на използването на водород е "нулевата емисия" на приложението му. Продуктът от взаимодействието му с въздуха е водата.
Препятствия
Един литър "ZHV" тежи само 0,07 кг. Това означава, че неговото специфично тегло е 70,99 g/L при 20 K. Течният водород изисква технология за криогенно съхранение, като специални термично изолирани контейнери и изисква специално боравене, което е общо за всички криогенни материали. В това отношение той е близък до течния кислород, но изисква повече внимание поради опасността от пожар. Дори в изолирани контейнери е трудно да се поддържа при ниската температура, необходима за поддържането му течен (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, което е експлозивно.
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 течни ракетни двигателизадвижван от водород, той първо се използва за регенеративно охлаждане на дюзата и други части на двигателя, преди да се смеси с окислител и да се изгори, за да се получи тяга. Съвременните двигатели, захранвани с H 2 /O 2, които се използват, консумират богата на водород 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, това също намалява ерозията на дюзата и горивната камера.
Такива пречки за използването на "ZHV" в други области, като криогенна природа и ниска плътност, също са възпиращо средство за използване в този случай. За 2009 г. има само една ракета носител (РН "Делта-4"), която е изцяло водородна ракета. По принцип "ZHV" се използва или на горните етапи на ракетите, или на блоковете, които изпълняват значителна част от работата по изстрелването на полезния товар в космоса във вакуум. Като една от мерките за увеличаване на плътността на този вид гориво има предложения за използване на водород, подобен на утайки, тоест полузамразената форма на "ZHV".
Водородът H е най-често срещаният елемент във Вселената (около 75% от масата), на Земята той е деветият най-често срещан елемент. Най-важното естествено водородно съединение е водата.
Водородът е на първо място в периодичната таблица (Z = 1). Има най-простата структура на атом: ядрото на атома е 1 протон, заобиколен от електронен облак, състоящ се от 1 електрон.
При едни условия водородът проявява метални свойства (отдава електрон), при други - неметални (приема електрон).
Водородните изотопи се срещат в природата: 1H - протий (ядрото се състои от един протон), 2H - деутерий (D - ядрото се състои от един протон и един неутрон), 3H - тритий (T - ядрото се състои от един протон и два неутрони).
Простото вещество водород
Молекулата на водорода се състои от два атома, свързани с неполярна ковалентна връзка.
физични свойства.Водородът е безцветен, нетоксичен газ без мирис и вкус. Молекулата на водорода не е полярна. Следователно силите на междумолекулно взаимодействие в газообразния водород са малки. Това се проявява в ниски точки на кипене (-252,6 0С) и точки на топене (-259,2 0С).
Водородът е по-лек от въздуха, D (във въздух) = 0,069; слабо разтворим във вода (2 обема H2 се разтварят в 100 обема H2O). Следователно водородът, когато се произвежда в лабораторията, може да бъде събран чрез методи на изместване на въздух или вода.
Получаване на водород
В лабораторията:
1. Действие на разредени киселини върху метали:
Zn +2HCl → ZnCl2 +H2
2. Взаимодействие на алкални и ш-з металис вода:
Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2
3. Хидролиза на хидриди: металните хидриди лесно се разлагат от вода с образуването на съответната основа и водород:
NaH + H 2 O → NaOH + H 2
CaH 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2H 2
4. Действието на алкали върху цинк или алуминий или силиций:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2
Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2
5. Водна електролиза. За увеличаване електропроводимоствода, към нея се добавя електролит, например NaOH, H 2 SO 4 или Na 2 SO 4. На катода се образуват 2 обема водород, на анода - 1 обем кислород.
2H 2 O → 2H 2 + O 2
Промишлено производство на водород
1. Преобразуване на метан с пара, Ni 800 °C (най-евтиният):
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Общо:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2
2. Водна пара през горещ кокс при 1000 o C:
C + H 2 O → CO + H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Полученият въглероден окис (IV) се абсорбира от водата, като по този начин се получават 50% от индустриалния водород.
3. Чрез нагряване на метан до 350°C в присъствието на железен или никелов катализатор:
CH 4 → C + 2H 2
4. Електролиза на водни разтвори на KCl или NaCl като страничен продукт:
2H 2 O + 2NaCl → Cl 2 + H 2 + 2NaOH
Химични свойства на водорода
- В съединенията водородът винаги е едновалентен. Има степен на окисление +1, но в металните хидриди е -1.
- Молекулата на водорода се състои от два атома. Появата на връзка между тях се обяснява с образуването на обобщена двойка електрони H: H или H 2
- Поради това обобщение на електроните, молекулата Н 2 е по-енергийно стабилна от нейните отделни атоми. За да се разбие молекула на атоми в 1 мол водород, е необходимо да се изразходва енергия от 436 kJ: H 2 \u003d 2H, ∆H ° \u003d 436 kJ / mol
- Това обяснява относително ниската активност на молекулярния водород при нормална температура.
- С много неметали водородът образува газообразни съединения като RN 4, RN 3, RN 2, RN.
1) Образува водородни халогениди с халогени:
H 2 + Cl 2 → 2HCl.
В същото време той експлодира с флуор, реагира с хлор и бром само при осветяване или нагряване и с йод само при нагряване.
2) С кислород:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
с отделяне на топлина. При обикновени температури реакцията протича бавно, над 550 ° C - с експлозия. Смес от 2 обема Н 2 и 1 обем О 2 се нарича експлозивен газ.
3) При нагряване реагира енергично със сяра (много по-трудно със селен и телур):
H 2 + S → H 2 S (сероводород),
4) С азот с образуване на амоняк само върху катализатора и при повишени температури и налягания:
ZN 2 + N 2 → 2NH 3
5) С въглерод при високи температури:
2H 2 + C → CH 4 (метан)
6) Образува хидриди с алкални и алкалоземни метали (водородът е окислител):
H 2 + 2Li → 2LiH
в металните хидриди водородният йон е отрицателно зареден (степен на окисление -1), т.е. хидридът Na + H - е изграден като хлорид Na + Cl -
Със сложни вещества:
7) С метални оксиди (използвани за възстановяване на метали):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O
8) с въглероден оксид (II):
CO + 2H 2 → CH 3 OH
Синтезът - газ (смес от водород и въглероден оксид) е от голямо практическо значение, тъй като в зависимост от температурата, налягането и катализатора се образуват различни органични съединения, например HCHO, CH 3 OH и др.
9) Ненаситените въглеводороди реагират с водород, превръщайки се в наситени:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2.
Най-разпространеният елемент във Вселената е водородът. В материята на звездите той има формата на ядра - протони - и е материал за термоядрени процеси. Почти половината от масата на Слънцето също се състои от H 2 молекули. Съдържанието му в земната кора достига 0,15%, а атомите присъстват в състава на нефта, природния газ и водата. Заедно с кислорода, азота и въглерода той е органогенен елемент, който е част от всички живи организми на Земята. В нашата статия ще проучим физичните и химичните свойства на водорода, ще определим основните области на неговото приложение в промишлеността и значението му в природата.
Позиция в периодичната система на химичните елементи на Менделеев
Първият елемент, който отваря периодичната таблица, е водородът. Неговата атомна масае 1,0079. Има два стабилни (протий и деутерий) и един радиоактивен изотоп (тритий). Физичните свойства се определят от мястото на неметала в таблицата на химичните елементи. При нормални условия водородът (формулата му е Н2) е газ, който е почти 15 пъти по-лек от въздуха. Структурата на атома на даден елемент е уникална: той се състои само от ядро и един електрон. Молекулата на веществото е двуатомна, частиците в нея са свързани чрез ковалентна неполярна връзка. Неговата енергийна интензивност е доста висока - 431 kJ. Това обяснява ниската химическа активност на съединението при нормални условия. Електронната формула на водорода е: H:H.
Веществото също има редица свойства, които нямат аналози сред другите неметали. Нека разгледаме някои от тях.
Разтворимост и топлопроводимост
Металите провеждат топлина най-добре, но водородът се доближава до тях по топлопроводимост. Обяснението на феномена се крие в много високата скорост на топлинното движение на леките молекули на материята, следователно във водородна атмосфера нагрят обект се охлажда 6 пъти по-бързо, отколкото във въздуха. Съединението може да се разтвори добре в метали, например почти 900 обема водород могат да бъдат абсорбирани от един обем паладий. Металите могат да влизат в химични реакции с Н2, в които се проявяват окислителните свойства на водорода. В този случай се образуват хидриди:
2Na + H 2 \u003d 2 NaH.
При тази реакция атомите на даден елемент приемат електрони от метални частици, превръщайки се в аниони с единичен отрицателен заряд. Просто вещество H 2 в този случай е окислител, което обикновено не е типично за него.
Водородът като редуциращ агент
Металите и водородът са обединени не само от висока топлопроводимост, но и от способността на техните атоми в химични процеси да даряват собствените си електрони, тоест да се окисляват. Например основните оксиди реагират с водород. Редокс реакцията завършва с освобождаване на чист метал и образуване на водни молекули:
CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O.
Взаимодействието на веществото с кислорода по време на нагряване също води до производството на водни молекули. Процесът е екзотермичен и е съпроводен с отделяне Голям бройТермална енергия. Ако газова смес от H 2 и O 2 реагира в съотношение 2: 1, тогава тя се нарича, защото експлодира при запалване:
2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O.
Водата е и играе важна роля във формирането на хидросферата, климата и времето на Земята. Осигурява кръговрата на елементите в природата, поддържа всички жизнени процеси на организмите – обитателите на нашата планета.
Взаимодействие с неметали
Най-важните химични свойства на водорода са неговите реакции с неметални елементи. При нормални условия те са доста химически инертни, така че веществото може да реагира само с халогени, например с флуор или хлор, които са най-активни сред всички неметали. И така, смес от флуор и водород експлодира на тъмно или на студено, а с хлор - при нагряване или на светлина. Продуктите на реакцията са водородни халиди, водни разтворикоито са известни като флуорна и перхлорна киселина. С взаимодейства при температура 450-500 градуса, налягане 30-100 MPa и в присъствието на катализатор:
N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH3.
Разгледаните химични свойства на водорода имат голямо значениеза индустрията. Например, можете да получите ценен химически продукт - амоняк. Той е основна суровина за производство на нитратна киселина и азотни торове: карбамид, амониев нитрат.
органична материя
Между въглерод и водород води до производството на най-простия въглеводород - метан:
C + 2H 2 = CH 4.
Субстанцията е най-важна интегрална частестествени и Използват се като ценен вид гориво и суровина за индустрията на органичния синтез.
В химията на въглеродните съединения елементът е включен в огромен брой вещества: алкани, алкени, въглехидрати, алкохоли и др. Известни са много реакции на органични съединения с Н2 молекули. Те са известни като хидрогениране или хидрогениране. Така че алдехидите могат да бъдат редуцирани с водород до алкохоли, ненаситените въглеводороди - до алкани. Например етиленът се превръща в етан:
C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6.
От голямо практическо значение са такива химични свойства на водорода, като например хидрогенирането на течни масла: слънчогледово, царевично и рапично. Това води до производството на твърда мазнина - свинска мас, която се използва в производството на глицерин, сапун, стеарин, твърди сортове маргарин. За подобряване външен види вкусовите качества на хранителния продукт, към него се добавят мляко, животински мазнини, захар, витамини.
В нашата статия проучихме свойствата на водорода и разбрахме неговата роля в природата и човешкия живот.
- Обозначение - H (Водород);
- Латинско наименование - Hydrogenium;
- Период - I;
- Група - 1 (Iа);
- Атомна маса - 1.00794;
- Атомен номер - 1;
- Радиус на атом = 53 pm;
- Ковалентен радиус = 32 pm;
- Разпределението на електроните - 1s 1;
- точка на топене = -259.14°C;
- точка на кипене = -252.87°C;
- Електроотрицателност (по Полинг / по Алпред и Рохов) \u003d 2,02 / -;
- Степен на окисление: +1; 0; -един;
- Плътност (n.a.) \u003d 0,0000899 g / cm 3;
- Моларен обем = 14,1 cm 3 / mol.
Бинарни съединения на водород с кислород:
Водородът ("раждането на вода") е открит от английския учен Г. Кавендиш през 1766 г. Това е най-простият елемент в природата - водородният атом има ядро и един електрон, вероятно поради тази причина водородът е най-често срещаният елемент във Вселената (повече от половината от масата на повечето звезди).
За водорода можем да кажем, че "макарата е малка, но скъпа". Въпреки своята "простота", водородът дава енергия на всички живи същества на Земята - на Слънцето протича непрекъсната термоядрена реакция, по време на която се образува един хелиев атом от четири водородни атома, този процес е придружен от освобождаване на огромно количество енергия (за повече подробности вижте Ядрен синтез).
В земната кора масовата част на водорода е само 0,15%. Междувременно по-голямата част (95%) от всички известни на Земята химически веществасъдържа един или повече водородни атоми.
В съединения с неметали (HCl, H 2 O, CH 4 ...), водородът отдава единствения си електрон на повече електроотрицателни елементи, показвайки степен на окисление +1 (по-често), образувайки само ковалентни връзки(виж Ковалентна връзка).
В съединения с метали (NaH, CaH 2 ...), водородът, напротив, поема на единствената си s-орбитала още един електрон, като по този начин се опитва да завърши своя електронен слой, показвайки степен на окисление -1 (по-рядко) , образувайки по-често йонна връзка (виж Йонна връзка), тъй като разликата в електроотрицателността на водороден атом и метален атом може да бъде доста голяма.
H2
В газообразно състояние водородът е под формата на двуатомни молекули, образуващи неполярна ковалентна връзка.
Молекулите на водорода имат:
- голяма мобилност;
- голяма сила;
- ниска поляризуемост;
- малък размер и тегло.
Свойства на водородния газ:
- най-лекият газ в природата, без цвят и мирис;
- слабо разтворим във вода и органични разтворители;
- в малки количества се разтваря в течни и твърди метали (особено в платина и паладий);
- трудно се втечнява (поради ниската си поляризуемост);
- има най-висока топлопроводимост от всички известни газове;
- при нагряване реагира с много неметали, проявявайки свойствата на редуциращ агент;
- при стайна температура реагира с флуор (възниква експлозия): H 2 + F 2 = 2HF;
- реагира с метали за образуване на хидриди, показващи окислителни свойства: H 2 + Ca = CaH 2;
В съединенията водородът проявява своите редуциращи свойства много по-силно от окислителните. Водородът е най-силният редуциращ агент след въглищата, алуминия и калция. Редукционните свойства на водорода се използват широко в промишлеността за получаване на метали и неметали (прости вещества) от оксиди и галиди.
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O
Реакции на водород с прости вещества
Водородът приема електрон, играейки ролята редуциращ агент, в реакции:
- с кислород(при запалване или в присъствието на катализатор), в съотношение 2:1 (водород:кислород) се образува експлозивен детониращ газ: 2H 2 0 + O 2 \u003d 2H 2 +1 O + 572 kJ
- с сиво(при нагряване до 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
- с хлор(при запалване или облъчване с UV лъчи): H 2 0 + Cl 2 \u003d 2H +1 Cl
- с флуор: H 2 0 + F 2 \u003d 2H + 1 F
- с азот(при нагряване в присъствието на катализатори или при високо налягане): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1
Водородът отдава електрон, играейки ролята окислител, в реакции с алкалени алкалоземниметали за образуване на метални хидриди - солеподобни йонни съединения, съдържащи хидридни йони Н - са нестабилни кристални вещества с бял цвят.
Ca + H 2 \u003d CaH 2 -1 2Na + H 2 0 \u003d 2NaH -1
Не е обичайно водородът да проявява степен на окисление -1. Реагирайки с вода, хидридите се разлагат, редуциращи водата до водород. Реакцията на калциев хидрид с вода е както следва:
CaH 2 -1 + 2H 2 +1 0 \u003d 2H 2 0 + Ca (OH) 2
Реакции на водород със сложни вещества
- при висока температура водородът редуцира много метални оксиди: ZnO + H 2 \u003d Zn + H 2 O
- метилов алкохол се получава в резултат на реакцията на водород с въглероден оксид (II): 2H 2 + CO → CH 3 OH
- в реакциите на хидрогениране водородът реагира с много органични вещества.
По-подробно уравненията на химичните реакции на водорода и неговите съединения са разгледани на страницата "Водород и неговите съединения - уравнения на химични реакции с участието на водород".
Приложение на водорода
- в ядрената енергияизползват се изотопи на водорода - деутерий и тритий;
- в химическата промишленост водородът се използва за синтеза на много органични вещества, амоняк, хлороводород;
- в хранително-вкусовата промишленост водородът се използва при производството на твърди мазнини чрез хидрогениране на растителни масла;
- за заваряване и рязане на метали се използва висока температура на горене на водород в кислород (2600 ° C);
- при производството на някои метали водородът се използва като редуциращ агент (виж по-горе);
- тъй като водородът е лек газ, той се използва в аеронавтиката като пълнител балони, балони, дирижабли;
- Като гориво се използва водород, смесен с CO.
През последните години учените обърнаха много внимание на търсенето на алтернативни източницивъзобновима енергия. Една от перспективните области е "водородната" енергетика, в която като гориво се използва водород, чийто продукт на изгаряне е обикновена вода.
Методи за получаване на водород
Промишлени методи за производство на водород:
- преобразуване на метан (каталитична редукция на водна пара) с водна пара при висока температура (800°C) върху никелов катализатор: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
- преобразуване на въглероден окис с водна пара (t=500°C) върху Fe 2 O 3 катализатор: CO + H 2 O = CO 2 + H 2;
- термично разлагане на метан: CH 4 \u003d C + 2H 2;
- газификация на твърди горива (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
- електролиза на вода (много скъп метод, при който се получава много чист водород): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.
Лабораторни методи за получаване на водород:
- действие върху метали (обикновено цинк) със солна или разредена сярна киселина: Zn + 2HCl \u003d ZCl 2 + H 2; Zn + H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2;
- взаимодействието на водна пара с горещи железни стърготини: 4H 2 O + 3Fe \u003d Fe 3 O 4 + 4H 2.
