Історична довідка
Водень – перший елемент ПСХЕ Д.І. Менделєєва.
Російська назва водню вказує, що він народжує воду; латинське « гідрогеніум» означає те саме.
Вперше виділення пального газу при взаємодії деяких металів із кислотами спостерігали Роберт Бойль та його сучасники у першій половині XVI століття.
Але водень було відкрито лише 1766 року англійським хіміком Генрі Кавендишем, який встановив, що з взаємодії металів з розведеними кислотами виділяється якесь «горюче повітря». Спостерігаючи горіння водню на повітрі, Кавендіш встановив, що з'являється вода. Це було 1782 року.
У 1783 році французький хімік Антуан-Лоран Лавуазьє виділив водень шляхом розкладання води розпеченим залізом. В 1789 водень був виділений при розкладанні води під дією електричного струму.
Поширеність у природі
Водень – головний елементкосмосу. Наприклад, Сонце на 70% своєї маси складається з водню. Атомів водню у Всесвіті у кілька десятків тисяч разів більше, ніж усіх атомів усіх металів, разом узятих.У земній атмосфері також є трохи водню у вигляді простої речовини – газу складу Н 2 . Водень набагато легший за повітря, і тому його знаходять у верхніх шарах атмосфери.
Але набагато більше на Землі пов'язаного водню: адже він входить до складу води, найпоширенішої на нашій планеті складної речовини. Водень, пов'язаний у молекули, містять і нафту, і природний газ, багато мінералів і гірські породи. Водень входить до складу всіх органічних речовин.
Характеристика водню.
Водень має подвійну природу, тому в одних випадках водень поміщають у підгрупу лужних металів, а в інших – в підгрупу галогенів.
Електронна конфігурація 1s 1 . Атом водню складається з одного протону та одного електрона.
Атом водню здатний втрачати електрон і перетворюватися на катіон H +, і в цьому він подібний до лужних металів.
Атом водню також може приєднувати електрон, утворюючи при цьому аніон Н - у цьому відношенні водень схожий з галогенами.
У з'єднаннях завжди одновалентний
СО: +1 та -1.
Фізичні властивості водню
Водень – це газ, без кольору, смаку та запаху. У 14,5 разів легше за повітря. Мало розчинний у воді. Має високу теплопровідність. При t = -253 ° С - зріджується, при t = -259 ° С - твердне. Молекули водню настільки малі, що здатні повільно дифундувати через багато матеріалів - гуму, скло, метали, що використовується при очищенні водню від інших газів.Відомі 3 ізотопи водню: - протий, - дейтерій, - тритій. Основна частина природного водню становить протий. Дейтерій входить до складу важкої води, якої збагачені поверхневі водиокеану. Тритій – радіоактивний ізотоп.
Хімічні властивості водню
Водень – неметал, має молекулярну будову. Молекула водню складається з двох атомів, пов'язаних між собою ковалентним неполярним зв'язком. Енергія зв'язку у молекулі водню становить 436 кДж/моль, що пояснює низьку хімічну активність молекулярного водню.
Взаємодія із галогенами. За нормальної температури водень реагує лише з фтором:
З хлором - тільки на світлі, утворюючи хлороводень, з бромом реакція протікає менш енергійно, з йодом не йде до кінця навіть за високих температур.
Взаємодія з киснем – при нагріванні, при запаленні реакція протікає з вибухом: 2H 2 + O 2 = 2H 2 O.
Суміш із 1 частини кисню та 2 частин водню – «гримуча суміш», найбільш вибухонебезпечна.
Взаємодія із сіркою – при нагріванні H2+S=H2S.
Взаємодія із азотом. При нагріванні, високому тискута в присутності каталізатора:
Взаємодія із оксидом азоту (II). Використовується в очисних системах під час виробництва азотної кислоти: 2NO + 2H 2 = N 2 + 2H 2 O.
Взаємодія із оксидами металів. Водень – відмінний відновник, він відновлює багато металів з їх оксидів: CuO + H 2 = Cu + H 2 O.
Сильним відновником є атомарний водень. Він утворюється із молекулярного в електричному розряді в умовах низького тиску. Високу відновлювальну активність має водень у момент виділення, що утворюється при відновленні металу кислотою
Взаємодія з активними металами . При високій температурі з'єднується з лужними та лужноземельними металами і утворюючи білі кристалічні речовини– гідриди металів, виявляючи властивості окислювача: 2Na + H2 = 2NaH;
Отримання водню
У лабораторії:
Взаємодія металу з розведеними розчинами сірчаної та соляної кислот,
Взаємодія алюмінію або кремнію з водними розчинами лугів:
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2 .
У промисловості:
Електроліз водних розчинівхлоридів натрію та калію або електроліз води за наявності гідроксидів:
2Н2О = 2Н2+О2.
Конверсійний метод. Спочатку одержують водяний газ, пропускаючи пари води через розпечений кокс при 1000 °С:
Потім оксид вуглецю (II) окислюють в оксид вуглецю (IV), пропускаючи суміш водяного газу з надлишком водяної пари над нагрітим до 400–450 °С каталізатором Fe 2 O 3:
CO + H2O = CO2 + H2.
Оксид вуглецю (IV), що утворюється, поглинається водою, цим способом отримують 50 % промислового водню.
Конверсія метану: CH 4 + H 2 O = CO + 3H2.
Термічний розпад метану при 1200 °С: CH 4 = C + 2H 2 .
Глибоке охолодження (до -196 ° С) коксового газу. За цієї температури конденсуються всі газоподібні речовини, крім водню.
Застосування водню засноване на його фізичних та хімічних властивостейах:
як легкий газ, він використовується для наповнення аеростатів (у суміші з гелієм);
киснево-водневе полум'я застосовується для отримання високих температур при зварюванні металів;
як відновник використовується для отримання металів (молібдену, вольфраму та ін) з їх оксидів;
для отримання аміаку та штучного рідкого палива, для гідрогенізації жирів.
Розглянемо, що є водень. Хімічні властивості та отримання цього неметалу вивчають у курсі неорганічної хімії у школі. Саме цей елемент очолює періодичну систему Менделєєва, а тому заслуговує на детальний опис.
Коротка інформація про відкриття елемента
Перш ніж розглядати фізичні та хімічні властивості водню, з'ясуємо, як було знайдено цей важливий елемент.
Хіміки, які працювали у шістнадцятому та сімнадцятому століттях, неодноразово згадували у своїх працях про пальний газ, який виділяється при впливі на кислоти активними металами. У другій половині вісімнадцятого століття Г. Кавендішу вдалося зібрати та проаналізувати цей газ, давши йому назву «горючий газ».
Фізичні та хімічні властивості водню на той час не були вивчені. Тільки наприкінці 18 століття А. Лавуазьє вдалося шляхом аналізу встановити, що одержати цей газ можна шляхом аналізу води. Трохи пізніше він став називати новий елемент hydrogene, що в перекладі означає «що породжує воду». Своєю сучасною російською назвою водень завдячує М. Ф. Соловйову.
Знаходження у природі
Хімічні властивості водню можна аналізувати лише з його поширеності у природі. Даний елемент присутній у гідро- та літосфері, а також входить до складу корисних копалин: природного та попутного газу, торфу, нафти, вугілля, горючих сланців. Важко собі уявити дорослу людину, яка б не знала про те, що водень є складовоюводи.
Крім того, цей неметал знаходиться в організмах тварин у вигляді нуклеїнових кислотбілків, вуглеводів, жирів. На нашій планеті цей елемент зустрічається у вільному вигляді досить рідко, мабуть, лише у природному та вулканічному газі.
У вигляді плазми водень становить приблизно половину маси зірок та Сонця, крім того, входить до складу міжзоряного газу. Наприклад, у вільному вигляді, а також у формі метану, аміаку цей неметал є у складі комет і навіть деяких планет.
Фізичні властивості
Перш ніж розглядати хімічні властивості водню, зазначимо, що при нормальних умовахвін є газоподібною речовиною легшою за повітря, що має кілька ізотопних форм. Він майже нерозчинний у воді, має високу теплопровідність. Протий, що має масове число 1, вважається найлегшою його формою. Тритій, який має радіоактивні властивості, утворюється в природі з атмосферного азоту при впливі на нього нейронів УФ-променів.
Особливості будови молекули
Щоб розглянути хімічні властивості водню, реакції, характерні йому, зупинимося і особливостях його будови. У цій двоатомній молекулі ковалентний неполярний хімічний зв'язок. Утворення атомарного водню можливе за взаємодії активних металів на розчини кислот. Але в такому вигляді цей неметал здатний існувати лише незначний часовий проміжок, практично відразу він рекомбінується в молекулярний вигляд.
Хімічні властивості
Розглянемо хімічні властивості водню. Здебільшого сполук, які утворює даний хімічний елемент, він виявляє ступінь окислення +1, що робить його схожим з активними (лужними) металами. Основні хімічні властивості водню, що характеризують його як метал:
- взаємодія з киснем із утворенням води;
- реакція з галогенами, що супроводжується утворенням галогеноводороду;
- одержання сірководню при з'єднанні із сіркою.
Нижче наведено рівняння реакцій, що характеризують хімічні властивості водню. Звертаємо увагу на те, що як неметал (зі ступенем окислення -1) він виступає тільки в реакції з активними металами, утворюючи з ними відповідні гідриди.
Водень за нормальної температури неактивно вступає у взаємодію Космосу з іншими речовинами, тому більшість реакцій здійснюється лише після попереднього нагрівання.
Зупинимося докладніше на деяких хімічних взаємодіях елемента, який очолює періодичну систему хімічних елементівМенделєєва.
Реакція утворення води супроводжується виділенням 285,937 кДж енергії. При підвищеній температурі (більше 550 градусів за Цельсієм) цей процес супроводжується сильним вибухом.
Серед тих хімічних властивостей газоподібного водню, які знайшли суттєве застосування у промисловості, інтерес представляє його взаємодію Космосу з оксидами металів. Саме шляхом каталітичного гідрування в сучасній промисловості здійснюють переробку оксидів металів, наприклад, виділяють із залізної окалини (змішаного оксиду заліза) чистий метал. Цей спосіб дозволяє вести ефективну переробку металобрухту.
Синтез аміаку, який передбачає взаємодію водню з азотом повітря, також затребуваний у сучасній хімічній промисловості. Серед умов цього хімічної взаємодіївідзначимо тиск та температуру.
Висновок
Саме водень є малоактивним хімічною речовиноюза звичайних умов. У разі підвищення температури його активність істотно зростає. Ця речовина потрібна в органічному синтезі. Наприклад, шляхом гідрування можна відновити кетони до вторинних спиртів, а альдегіди перетворити на первинні спирти. Крім того, шляхом гідрування можна перетворити ненасичені вуглеводні класу етилену та ацетилену на граничні сполуки ряду метану. Водень по праву вважають простою речовиною, затребуваною в сучасному хімічному виробництві.
У періодичній системіводень розташовується у двох абсолютно протилежних за своїми властивостями групах елементів. Ця особливість роблять його унікальним. Водень не просто є елементом або речовиною, але також є складовою багатьох складних сполук, органогенним і біогенним елементом. Тому розглянемо його властивості та характеристики більш докладно.
Виділення пального газу у процесі взаємодії металів та кислот спостерігали ще у XVI столітті, тобто під час становлення хімії як науки. Відомий англійський вчений Генрі Кавендіш досліджував речовину, починаючи з 1766 року, і дав йому назву «горюче повітря». При спалюванні цей газ давав воду. На жаль, прихильність вченого теорії флогістона (гіпотетичної «надтонкої матерії») завадила йому дійти правильних висновків.
Французький хімік і дослідник природи А. Лавуазьє разом з інженером Ж. Менье і за допомогою спеціальних газометрів в 1783 р. провів синтез води, а після і її аналіз за допомогою розкладання водяної пари розпеченим залізом. Таким чином, вчені змогли дійти правильних висновків. Вони встановили, що "горюче повітря" не тільки входить до складу води, але і може бути отримане з неї.
У 1787 році Лавуазьє висунув припущення, що досліджуваний газ є простою речовиною і, відповідно, належить до первинних хімічних елементів. Він назвав його hydrogene (від грецьких слів hydor – вода + gennao – народжую), тобто «що народжує воду».
Російську назву «водень» у 1824 році запропонував хімік М. Соловйов. Визначення складу води ознаменувало кінець «теорії флогістону». На стику XVIII і XIX століть було встановлено, що атом водню дуже легкий (порівняно з атомами інших елементів) та його маса була прийнята за основну одиницю порівняння атомних мас, отримавши значення 1.
Фізичні властивості
Водень є найлегшим із усіх відомих науці речовин (він у 14,4 разів легший за повітря), його щільність становить 0,0899 г/л (1 атм, 0 °С). Даний матеріал плавиться (твердне) і кипить (скраплюється), відповідно, при -259,1 °С і -252,8 °С (тільки гелій має нижчі t ° кипіння і плавлення).
Критична температура водню дуже низька (-240 ° С). Тому його зрідження - досить складний і витратний процес. Критичний тиск речовини - 12,8 кгс/см2, а критична щільність становить 0,0312 г/см3. Серед усіх газів водень має найбільшу теплопровідність: за 1 атм і 0 °С вона дорівнює 0,174 вт/(мхК).
Питома теплоємність речовини у тих-таки умовах - 14,208 кДж/(кгхК) чи 3,394 кал/(гх°С). Даний елемент слабо розчинний у воді (близько 0,0182 мл/г при 1 атм і 20 °С), але добре - у більшості металів (Ni, Pt, Pa та інших), особливо в паладії (приблизно 850 об'ємів на один об'єм Pd ).
З останньою властивістю пов'язана його здатність дифундування, при цьому дифузія через вуглецевий сплав (наприклад, сталь) може супроводжуватися руйнуванням сплаву через взаємодію водню з вуглецем (цей процес називається декарбонізація). У рідкому стані речовина дуже легка (щільність - 0,0708 г/см³ при t° = -253 °С) і текуча (в'язкість - 13,8 спуаз у тих самих умовах).
У багатьох сполуках цей елемент виявляє валентність +1 (ступінь окислення), подібно до натрію та інших лужних металів. Зазвичай він розглядається як аналог цих металів. Відповідно він очолює І групу системи Менделєєва. У гідридах металів іон водню виявляє негативний заряд (ступінь окислення при цьому -1), тобто Na+H- має структуру, подібну до хлориду Na+Cl-. Відповідно до цього та деяких інших фактів (близькість фізичних властивостей елемента «H» і галогенів, здатність його заміщення галогенами в органічних сполуках) Hydrogene відносять до VII групи системи Менделєєва.
У звичайних умовах молекулярний водень має низьку активність, безпосередньо з'єднуючись тільки з найактивнішими з неметалів (з фтором і хлором, з останнім – на світлі). У свою чергу при нагріванні він взаємодіє з багатьма хімічними елементами.
Атомарний водень має підвищену хімічну активність (якщо порівнювати із молекулярним). З киснем він утворює воду за формулою:
Н₂ + ½О₂ = Н₂О,
виділяючи 285,937 кДж/моль тепла чи 68,3174 ккал/моль (25 °З, 1 атм). У нормальних температурних умовах реакція протікає досить повільно, а при t° >= 550 °З - неконтрольовано. Межі вибухонебезпечності суміші водень + кисень за обсягом становлять 4–94 % Н₂, а суміші водень + повітря – 4–74 % Н₂ (суміш із двох обсягів Н₂ та одного обсягу О₂ називають гримучим газом).
Цей елемент використовують для відновлення більшості металів, тому що він забирає кисень у оксидів:
Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4Н₂О,
CuO + H₂ = Cu + H₂O і т.д.
З різними галогенами водень утворює галогеноводороды, наприклад:
Н₂ + Cl₂ = 2НСl.
Однак при реакції з фтором водень вибухає (це відбувається і в темряві при -252 ° С), з бромом і хлором реагує тільки при нагріванні або освітленні, а з йодом - виключно при нагріванні. При взаємодії з азотом утворюється аміак, але лише на каталізаторі, при підвищених тисках та температурі:
ЗН₂ + N₂ = 2NН₃.
При нагріванні водень активно реагує із сіркою:
Н₂ + S = H₂S (сірководень),
і значно важче – з телуром чи селеном. З чистим вуглецем водень реагує без каталізатора, але за високих температур:
2Н₂ + С (аморфний) = СН₄ (метан).
Дана речовина безпосередньо реагує з деякими з металів (лужними, лужноземельними та іншими), утворюючи гідриди, наприклад:
Н₂ + 2Li = 2LiH.
Важливе практичне значеннямають взаємодії водню та оксиду вуглецю (II). При цьому залежно від тиску, температури та каталізатора утворюються різні органічні сполуки: НСНО, СН₃ОН та ін. Ненасичені вуглеводні в процесі реакції переходять у насичені, наприклад:
З n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.
Водень та його сполуки грають у хімії виняткову роль. Він зумовлює кислотні властивості т.зв. протонних кислот, схильний утворювати з різними елементами водневий зв'язок, що надає значний вплив на властивості багатьох неорганічних та органічних сполук.
Отримання водню
Основними видами сировини для промислового виробництва цього елемента є гази нафтопереробки, природні горючі та коксові гази. Його також одержують із води за допомогою електролізу (у місцях з доступною електроенергією). Одним з найважливіших методів виробництва матеріалу з природного газувважається каталітична взаємодія вуглеводнів, в основному метану, з водяною парою (т.з. конверсія). Наприклад:
СН₄ + H₂О = СО + ЗН₂.
Неповне окислення вуглеводнів киснем:
СН₄ + ½О₂ = СО + 2Н₂.
Синтезований оксид вуглецю (II) піддається конверсії:
СО + Н₂О = СО₂ + Н₂.
Водень, що виробляється з природного газу, є найдешевшим.
Для електролізу води застосовується постійний струм, який пропускається через розчин NaOH або КОН (кислоти не використовують, щоб уникнути корозії апаратури). У лабораторних умовматеріал отримують електролізом води або в результаті реакції між соляною кислотоюта цинком. Однак найчастіше застосовують готовий заводський матеріал у балонах.
З газів нафтопереробки та коксового газу даний елемент виділяють шляхом видалення решти всіх компонентів газової суміші, так як вони легше зріджуються при глибокому охолодженні.
Промисловим чином цей матеріал почали одержувати ще наприкінці XVIII ст. Тоді його використовували для заповнення повітряних куль. На даний момент водень широко застосовують у промисловості, головним чином – у хімічній, для виробництва аміаку.
Масові споживачі речовини - виробники метилового та інших спиртів, синтетичного бензину та багатьох інших продуктів. Їх одержують синтезом з оксиду вуглецю (II) та водню. Hydrogene використовують для гідрогенізації важкого та твердого рідкого палива, жирів тощо, для синтезу HCl, гідроочищення нафтопродуктів, а також у різанні/зварюванні металів. Найважливішими елементами для атомної енергетикиє його ізотопи - тритій та дейтерій.
Біологічна роль водню
Близько 10 % маси живих організмів (у середньому) посідає цей елемент. Він входить до складу води та найважливіших груп природних сполук, включаючи білки, нуклеїнові кислоти, ліпіди, вуглеводи. Навіщо він служить?
Цей матеріал відіграє вирішальну роль: за підтримки просторової структури білків (четвертинної), у здійсненні принципу компліментарності нуклеїнових кислот (тобто у реалізації та зберіганні генетичної інформації), взагалі у «впізнанні» на молекулярному рівні.
Іон водню Н+ бере участь у важливих динамічних реакціях/процесах в організмі. У тому числі: у біологічному окисленні, яке забезпечує живі клітини енергією, у реакціях біосинтезу, у фотосинтезі у рослин, у бактеріальному фотосинтезі та азотфіксації, у підтримці кислотно-лужного балансу та гомеостазу, у мембранних процесах транспорту. Поряд із вуглецем і киснем він утворює функціональну та структурну основи явищ життя.
Промислові способи отримання простих речовин залежать від того, в якому вигляді відповідний елемент знаходиться в природі, тобто може бути сировиною для його отримання. Так, кисень, що у вільному стані, отримують фізичним способом - виділенням з рідкого повітря. Водень практично весь перебуває у вигляді сполук, тому для його отримання застосовують хімічні методи. Зокрема, можуть бути використані реакції розкладання. Одним із способів отримання водню є реакція розкладання води електричним струмом.
Основний промисловий спосібодержання водню - реакція з водою метану, що входить до складу природного газу. Вона проводиться при високій температурі (легко переконатися, що при пропущенні метану навіть через киплячу воду жодної реакції не відбувається):
СН 4 + 2Н 2 0 = CO 2 + 4Н 2 - 165 кДж
У лабораторії для отримання простих речовин використовують не обов'язково природну сировину, а вибирають вихідні речовини, з яких легше виділити необхідну речовину. Наприклад, у лабораторії кисень не отримують із повітря. Це саме стосується і отримання водню. Один з лабораторних способів отримання водню, який застосовується іноді і в промисловості, - розкладання води електрострумом.
Зазвичай у лабораторії водень отримують взаємодією цинку із соляною кислотою.
У промисловості
1.Електроліз водних розчинів солей:
2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2
2.Пропускання парів води над розпеченим коксомпри температурі близько 1000°C:
H 2 O + C ⇄ H 2 + CO
3.Із природного газу.
Конверсія з водяною парою: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Каталітичне окислення киснем: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2
4. Крекінг та реформінг вуглеводнів у процесі переробки нафти.
У лабораторії
1.Дія розведених кислот на метали.Для проведення такої реакції найчастіше використовують цинк та соляну кислоту:
Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2
2.Взаємодія кальцію з водою:
Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
3.Гідроліз гідридів:
NaH + H 2 O → NaOH + H 2
4.Дія лугів на цинк або алюміній:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2
5.За допомогою електролізу.При електролізі водних розчинів лугів або кислот на катоді відбувається виділення водню, наприклад:
2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O
- Біореактор для виробництва водню
Фізичні властивості
Газоподібний водень може існувати у двох формах (модифікаціях) – у вигляді орто- та пара-водню.
У молекулі ортоводороду (т. пл. −259,10 °C, т. кіп. −252,56 °C) ядерні спини спрямовані однаково (паралельні), а у параводню (т. пл. −259,32 °C, т .кіп.
Розділити алотропні форми водню можна адсорбцією на активному вугіллі за нормальної температури рідкого азоту. При дуже низьких температурах рівновага між ортоводородом і параводнем майже націло зрушена у бік останнього. При 80 К співвідношення форм приблизно 1:1. Десорбований параводень при нагріванні перетворюється на ортоводород аж до утворення рівноважної при кімнатній температурісуміші (орто-пара: 75:25). Без каталізатора перетворення відбувається повільно, що дає можливість вивчити властивості окремих алотропних форм. Молекула водню двоатомна - Н₂. За звичайних умов - це газ без кольору, запаху та смаку. Водень - найлегший газ, його щільність набагато менше щільності повітря. Очевидно, що чим менше маса молекул, тим вища їхня швидкість при одній і тій же температурі. Як найлегші, молекули водню рухаються швидше за молекули будь-якого іншого газу і тим швидше можуть передавати теплоту від одного тіла до іншого. Звідси випливає, що водень має найвищу теплопровідність серед газоподібних речовин. Його теплопровідність приблизно в сім разів вища за теплопровідність повітря.
Хімічні властивості
Молекули водню Н₂ досить міцні, і для того, щоб водень міг вступити в реакцію, повинна бути витрачена велика енергія: Н 2 =2Н - 432 кДж. Ca + Н 2 = СаН 2 і з єдиним неметалом - фтором, утворюючи фтороводород: F 2 +H 2 =2HF З більшістю металів і неметалів водень реагує при підвищеній температурі або при іншому впливі, наприклад при освітленні. Він може «віднімати» кисень від деяких оксидів, наприклад: CuO + Н 2 = Cu + Н 2 0 Записане рівняння відображає реакцію відновлення. Реакціями відновлення називають процеси, в результаті яких від з'єднання віднімається кисень; речовини, які забирають кисень, називаються відновниками (при цьому вони самі окислюються). Далі буде дано й інше визначення понять «окислення» та «відновлення». А дане визначення, історично перше, зберігає значення й у час, особливо у органічної хімії. Реакція відновлення протилежна реакції окиснення. Обидві ці реакції завжди протікають одночасно як один процес: при окисленні (відновленні) однієї речовини обов'язково одночасно відбувається відновлення (окислення) іншої.
N 2 + 3H 2 → 2 NH 3
З галогенами утворює галогеноводороди:
F 2 + H 2 → 2 HF, реакція протікає з вибухом у темряві та за будь-якої температури, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, реакція протікає з вибухом, тільки на світлі.
З сажею взаємодіє при сильному нагріванні:
C + 2H 2 → CH 4
Взаємодія з лужними та лужноземельними металами
Водень утворює з активними металами гідриди:
Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2
Гідриди- солеподібні, тверді речовинилегко гідролізуються:
CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2
Взаємодія з оксидами металів (як правило, d-елементів)
Оксиди відновлюються до металів:
CuO + H 2 → Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O
Гідрування органічних сполук
При дії водню на ненасичені вуглеводні у присутності нікелевого каталізатора та підвищеній температурі відбувається реакція гідрування:
CH 2 = CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3
Водень відновлює альдегіди до спиртів:
CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.
Геохімія водню
Водень – основний будівельний матеріал всесвіту. Це найпоширеніший елемент і всі елементи утворюються з нього в результаті термоядерних і ядерних реакцій.
Вільний водень H 2 відносно рідко зустрічається у земних газах, але у вигляді води він бере виключно важливу участь у геохімічних процесах.
До складу мінералів водень може входити у вигляді іону амонію, гідроксил-іона та кристалічної води.
В атмосфері водень безперервно утворюється внаслідок розкладання води сонячним промінням. Він мігрує у верхні шари атмосфери і випаровується в космос.
Застосування
- Воднева енергетика
Атомарний водень використовується для атомно-водневого зварювання.
У харчової промисловостіводень зареєстрований як харчова добавка E949як пакувальний газ.
Особливості звернення
Водень при суміші з повітрям утворює вибухонебезпечну суміш – так званий гримучий газ. Найбільшу вибухонебезпечність цей газ має при об'ємному відношенні водню та кисню 2:1, або водню та повітря приблизно 2:5, оскільки у повітрі кисню міститься приблизно 21%. Також водень пожежонебезпечний. Рідкий водень при попаданні на шкіру може спричинити сильне обмороження.
Вибухонебезпечні концентрації водню з киснем виникають від 4% до 96% об'ємних. При суміші з повітрям від 4% до 75(74) % об'ємних.
Використання водню
У хімічній промисловості водень використовують для виробництва аміаку, мила і пластмас. У харчовій промисловості за допомогою водню з рідких рослинних олій роблять маргарин. Водень дуже легкий і в повітрі завжди піднімається нагору. Колись дирижаблі та повітряні кулі наповнювали воднем. Але в 30-х роках. XX ст. сталося кілька жахливих катастроф, коли дирижаблі вибухали та згоряли. Нині дирижаблі наповнюють газом гелієм. Водень використовують також як ракетне паливо. Колись водень, можливо, будуть широко застосовувати як паливо для легкових та вантажних автомобілів. Водневі двигуни не забруднюють навколишнього середовищаі виділяють лише водяну пару (щоправда, саме одержання водню призводить до деякого забруднення навколишнього середовища). Наше Сонце здебільшого складається з водню. Сонячне тепло та світло – це результат виділення ядерної енергії при злитті ядер водню.
Використання водню як паливо (економічна ефективність)
Найважливішою характеристикою речовин, що використовуються як паливо, є їхня теплота згоряння. З курсу загальної хіміївідомо, що взаємодія водню з киснем відбувається із тепла. Якщо взяти 1 моль H 2 (2 г) та 0,5 моль O 2 (16 г) за стандартних умов і порушити реакцію, то відповідно до рівняння
Н 2 + 0,5 О 2 = Н 2 О
після завершення реакції утворюється 1 моль H 2 O (18 г) з виділенням енергії 285,8 кДж/моль (для порівняння: теплота згоряння ацетилену становить 1300 кДж/моль, пропану - 2200 кДж/моль). 1 м водню важить 89,8 г (44,9 моль). Тому для отримання 1 м водню буде витрачено 12832,4 кДж енергії. З урахуванням того, що 1 кВт·год = 3600 кДж, отримаємо 3,56 кВт·год електроенергії. Знаючи тариф на 1 кВт·год електрики та вартість 1 м³ газу, можна робити висновок про доцільність переходу на водневе паливо.
Наприклад, експериментальна модель Honda FCX 3 покоління із баком водню 156 л (містить 3,12 кг водню під тиском 25 МПа) проїжджає 355 км. Відповідно з 3,12 кг H2 виходить 123,8 кВт · год. На 100 км витрата енергії становитиме 36,97 кВт·год. Знаючи вартість електроенергії, вартість газу чи бензину, їх витрата на 100 км легко підрахувати негативний економічний ефект переходу автомобілів на водневе паливо. Скажімо (Росія 2008), 10 центів за кВт·год електроенергії призводять до того, що 1 м³ водню призводять до ціни 35,6 центу, а з урахуванням ККД розкладання води 40-45 центів, така сама кількість кВт·год від спалювання бензину коштує 12832,4кДж/42000кДж/0,7кг/л*80центов/л=34 цента за роздрібними цінами, тоді як для водню ми вираховували ідеальний варіант, без урахування транспортування, амортизації обладнання тощо. Для метану з енергією згоряння близько 39 МД на м³ результат буде нижчим у два-чотири рази через різницю в ціні (1м³ для України коштує 179$, а для Європи 350$). Тобто еквівалентна кількість метану коштуватиме 10-20 центів.
Однак не слід забувати, що при спалюванні водню ми отримуємо чисту воду, з якої його і видобули. Тобто маємо поновлюваний запасникенергії без шкоди для довкілля, на відміну газу чи бензину, які є первинними джерелами енергії.
Php on line 377 Warning: require(http://www..php): failed to open stream: не надійний брокер може бути в /hsphere/local/home/winexins/сайт/tab/vodorod.php on line 377 Fatal error: require(): Failed opening required "http://www..php" (include_path="..php on line 377