Де міститься водень. Водень, його особливі властивості та реакції

Водень H — найпоширеніший елемент у Всесвіті (близько 75 % за масою), Землі — дев'ятий за поширеністю. Найбільш важливою природною сполукою водню є вода.
Водень займає перше місце у періодичній системі (Z = 1). Він має найпростішу будову атома: ядро ​​атома – 1 протон, оточене електронною хмарою, що складається з 1 електрона.
В одних умовах водень виявляє металеві властивості(віддає електрон), в інших – неметалічні (приймає електрон).
У природі зустрічаються ізотопи водню: 1Н - протий (ядро складається з одного протону), 2Н - дейтерій (D - ядро ​​складається з одного протону та одного нейтрону), 3Н - тритій (Т - ядро ​​складається з одного протону та двох нейтронів).

Проста речовина водень

Молекула водню складається з двох атомів, пов'язаних між собою ковалентним неполярним зв'язком.
Фізичні властивості. Водень - безбарвний нетоксичний газ без запаху та смаку. Молекула водню не є полярною. Тому сили міжмолекулярної взаємодії у газоподібному водні малі. Це проявляється у низьких температурахкипіння (-252,6 0С) та плавлення (-259,2 0С).
Водень легший за повітря, D (по повітрю) = 0,069; незначно розчиняється у воді (у 100 об'ємах H2O розчиняється 2 об'єми H2). Тому водень при отриманні в лабораторії можна збирати методами витіснення повітря чи води.

Одержання водню

В лабораторії:

1.Дія розведених кислот на метали:
Zn +2HCl → ZnCl 2 +H 2

2.Взаємодія лужних та щ-з металівз водою:
Ca +2H 2 O → Ca(OH) 2 +H 2

3.Гідроліз гідридів: гідриди металів легко розкладаються водою з утворенням відповідного лугу та водню:
NaH + H 2 O → NaOH + H 2
СаH 2 + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + 2Н 2

4.Дія лугів на цинк чи алюміній чи кремній:
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. Електроліз води. Для збільшення електричної провідностіводи до неї додають електроліт, наприклад NаОН, Н 2 SO 4 або Na 2 SO 4 . На катоді утворюється 2 обсяги водню, аноді - 1 обсяг кисню.
2H 2 O → 2H 2 +О 2

Промислове одержання водню

1. Конверсія метану з водяною парою, Ni 800 °С (найдешевший):
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2

У сумі:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2

2. Пари води через розпечений кокс при 1000 про:
З + H 2 O → CO + H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2

Оксид вуглецю (IV), що утворюється, поглинається водою, цим способом отримують 50 % промислового водню.

3. Нагріванням метану до 350°С у присутності залізного або нікелевого каталізатора:
СH 4 → С + 2Н 2

4. Електролізом водних розчинів KCl або NaCl як побічний продукт:
2Н 2 Про + 2NaCl→ Cl 2 + H 2 + 2NaOH

Хімічні властивості водню

• У сполуках водень завжди одновалентний. Він характерна ступінь окислення +1, але у гідридах металів вона дорівнює -1.
• Молекула водню і двох атомів. Виникнення зв'язку з-поміж них пояснюється утворенням узагальненої пари електронів Н:Н чи Н 2
• Завдяки цьому узагальненню електронів молекула Н 2 більш енергетично стійка, ніж його окремі атоми. Щоб розірвати в 1 моль водню молекули на атоми, необхідно витратити енергію 436 кДж: Н 2 = 2Н, ∆H° = 436 кДж/моль
• Цим пояснюється порівняно невелика активність молекулярного водню за нормальної температури.
• З багатьма неметалами водень утворює газоподібні сполуки типу RН 4 , RН 3 , RН 2 , RН.

1) З галогенами утворює галогеноводороди:
Н 2 + Cl 2 → 2НСl.
При цьому з фтором вибухає, з хлором і бромом реагує лише при освітленні або нагріванні, а з йодом тільки при нагріванні.

2) З киснем:
2Н 2 + О 2 → 2Н 2 О
із виділенням тепла. При нормальних температурах реакція протікає повільно, вище 550 ° С - з вибухом. Суміш 2 обсягів Н 2 і 1 обсягу 2 називається гримучим газом.

3) При нагріванні енергійно реагує із сіркою (значно важче з селеном та телуром):
Н 2 + S → H 2 S (сірководень),

4) З азотом з утворенням аміаку лише на каталізаторі та при підвищених температурах та тисках:
ДТ 2 + N 2 → 2NН 3

5) З вуглецем при високих температурах:
2Н 2 + С → СН 4 (метан)

6) З лужними та лужноземельними металамиутворює гідриди (водень – окислювач):
Н 2 + 2Li → 2LiH
в гідридах металів іон водню заряджений негативно (ступінь окислення -1), тобто гідрид Na + H - побудований подібно до хлориду Na + Cl -

Зі складними речовинами:

7) З оксидами металів (використовується для відновлення металів):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4Н 2 О

8) з оксидом вуглецю (II):
CO + 2H 2 → CH 3 OH
Синтез - газ (суміш водню та чадного газу) має важливе практичне значення, тк залежно від температури, тиску та каталізатора утворюються різні органічні сполуки, наприклад НСНО, СН 3 ВІН та інші.

9) Ненасичені вуглеводні реагують з воднем, переходячи в насичені:
З n Н 2n + Н 2 → З n Н 2n+2 .

ВОДОРОД, Н (лат. hydrogenium; а. hydrogen; н. Wasserstoff; ф. hydrogene; і. hidrogeno), - хімічний елемент періодичної системиелементів Менделєєва, який відносять одночасно до I та VII групам, атомний номер 1, атомна маса 1,0079. Природний воденьмає стабільні ізотопи – протий (1 Н), дейтерій (2 Н, або D) та радіоактивний – тритій (3 Н, або Т). Для природних сполуксереднє відношення D/Н = (158±2).10 -6 Рівноважний вміст 3 Н Землі ~5.10 27 атомів.

Фізичні властивості водню

Водень вперше описав у 1766 англійський вчений Г. Кавендіш. При звичайних умовахводень - газ без кольору, запаху та смаку. У природі у вільному стані перебуває у формі молекул Н2. Енергія дисоціації молекули Н 2 - 4,776 еВ; потенціал іонізації атома водню 13,595 еВ. Водень - найлегша речовина з усіх відомих, при 0°С та 0,1 МПа 0,0899 кг/м 3 ; t кипіння-252,6 ° С, t плавлення - 259,1 ° С; критичні параметри: t - 240 ° С, тиск 1,28 МПа, щільність 31,2 кг / м 3 . Найбільш теплопровідний з усіх газів - 0,174 Вт/(м.К) при 0°С та 1 МПа, питома теплоємність 14,208.10 3 Дж(кг.К).

Хімічні властивості водню

Рідкий водень дуже легкий (щільність при -253°С 70,8 кг/м 3 ) і текучий (при -253°С дорівнює 13,8 сП). У більшості сполук водень виявляє ступінь окислення +1 (подібний до лужних металів), рідше -1 (подібний до гідридів металів). За звичайних умов молекулярний водень малоактивний; розчинність у воді при 20°З 1 МПа 0,0182 мл/г; добре розчинний у металах - Ni, Pt, Pd та ін. З киснем утворює воду з виділенням тепла 143,3 МДж/кг (при 25 ° С і 0,1 МПа); при 550°З вище реакція супроводжується вибухом. При взаємодії з фтором та хлором реакції йдуть також із вибухом. Основні сполуки водню: Н 2 Про, аміак NH 3 , сірководень Н 2 S, CH 4 , гідриди металів і галогенів CaH 2 , HBr, Hl, а також органічні сполуки С 2 Н 4 , HCHO, CH 3 OH та ін.

Водень у природі

Водень - широко поширений у природі елемент, вміст його в 1% (за масою). Головний резервуар водню Землі — вода (11,19%, за масою). Водень - один з основних компонентів всіх природних органічних сполук. У вільному стані присутній у вулканічних та інших природних газах, (0,0001%, за кількістю атомів). Складає основну частину маси Сонця, зірок, міжзоряного газу, газові туманності. В атмосферах планет присутній у формі Н2, CH4, NH3, Н2О, CH, NHOH та ін. Входить до складу корпускулярного випромінюванняСонця (потоки протонів) та космічних променів(Потоки електронів).

Отримання та застосування водню

Сировина для промислового отриманняводню - гази нафтопереробки, продукти газифікації та ін. Основні способи отримання водню: реакція вуглеводнів з водяною парою, неповне окислення вуглеводнів, конверсія окису, електроліз води. Водень застосовують для виробництва аміаку, спиртів, синтетичного бензину, соляної кислоти, гідроочищення нафтопродуктів, різання металів воднево-кисневим полум'ям

Водень - перспективне газоподібне пальне. Дейтерій та тритій знайшли застосування в атомній енергетиці.

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 в 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 у перекладі означає «що народжує 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 даний елементзустрічається в вільному виглядідосить 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 являється газоподібною речовиноюлегше 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 умови 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;
• отримання 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) даний процессупроводжується сильним вибухом.

Серед тих хімічних властивостейгазоподібного водню, які знайшли суттєве застосування у промисловості, інтерес представляє його взаємодія з оксидами металів. Саме шляхом каталітичного гідрування в сучасної промисловостіздійснюють переробку оксидів металів, наприклад, виділяють із залізної окалини (змішаного оксиду заліза) чистий метал. Цей спосібдозволяє вести ефективну переробку металобрухту.

Синтез аміаку, який передбачає взаємодію водню з азотом повітря, також затребуваний у сучасній хімічної 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.

Водень (калька з латинської: лат. Hydrogenium - hydro = "вода", gen = "що породжує"; hydrogenium - "що породжує воду"; позначається символом H) - перший елемент періодичної системи елементів . Широко поширений у природі. Катіон (і ядро) найпоширенішого ізотопу водню 1H - протон. Властивості ядра 1 H дозволяють широко використовувати ЯМР-спектроскопію в аналізі органічних речовин.

Три ізотопи водню мають власні назви: 1 H – протий (Н), 2 H – дейтерій (D) та 3 H – тритій (радіоактивний) (T).

Проста речовина водень – H 2 – легкий безбарвний газ. У суміші з повітрям або киснем горючий і вибухонебезпечний. Нетоксичний. Розчинний в етанолі та ряді металів: залізі, нікелі, паладії, платині.

Історія

Виділення пального газу при взаємодії кислот та металів спостерігали у XVI та XVII століттяхна зорі становлення хімії як науки. Прямо вказував на виділення його і Михайло Ломоносов, але вже безперечно усвідомлюючи, що це не флогістон. Англійський фізик та хімік Генрі Кавендіш 1766 року досліджував цей газ і назвав його «горючим повітрям». При спалюванні «горюче повітря» давало воду, але відданість Кавендіша теорії флогістона завадила йому зробити правильні висновки. Французький хімікАнтуан Лавуазьє спільно з інженером Ж. Менье, використовуючи спеціальні газометри, в 1783 р. здійснив синтез води, а потім і її аналіз, розклавши водяну пару розжареним залізом. Таким чином він встановив, що «горюче повітря» входить до складу води і може бути отримано з неї.

походження назви

Лавуазьє дав водню назву hydrogène (від др.-грец. ὕδωρ - вода і γεννάω - народжую) - «що народжує воду». Російське найменування«водень» запропонував хімік М. Ф. Соловйов в 1824 - за аналогією з «киснем» М. В. Ломоносова.

Поширеність

У Всесвіті
Водень - найпоширеніший елемент у Всесвіті. На його частку припадає близько 92% всіх атомів (8% становлять атоми гелію, частка решти разом узятих елементів - менше 0,1%). Таким чином, водень - основна складова частиназірок та міжзоряного газу. В умовах зоряних температур (наприклад, температура поверхні Сонця ~ 6000 ° C) водень існує у вигляді плазми, міжзоряний простірцей елемент існує у вигляді окремих молекул, атомів та іонів і може утворювати молекулярні хмари, що значно розрізняються за розмірами, щільністю та температурою.

Земна кора та живі організми
Масова частка водню в земної користановить 1% - це десятий за поширеністю елемент. Однак його роль у природі визначається не масою, а числом атомів, частка яких серед інших елементів становить 17% (друге місце після кисню, частка атомів якого дорівнює ~52%). Тому значення водню в хімічних процесах, що відбуваються на Землі, майже так само велике, як і кисню. На відміну від кисню, що існує на Землі та у зв'язаному, і у вільному станах, практично весь водень на Землі знаходиться у вигляді сполук; Тільки дуже незначному кількості водень як простої речовини міститься у атмосфері (0,00005 % за обсягом).
Водень входить до складу практично всіх органічних речовин і присутній у всіх живих клітинах. У живих клітинах за кількістю атомів водень припадає майже 50 %.

Отримання

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 є у вільному стані, отримують фізичним способом- Виділенням з рідкого повітря. Водень ж практично весь знаходиться 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 спосіб одержання водню - реакція з водою метану, що входить до складу природного газу. Вона проводиться за високій температурі:
СН 4 + 2Н 2 O = CO 2 + 4Н 2 −165 кДж

Один з лабораторних способів одержання водню, який іноді застосовується і в промисловості, – розкладання води електрострумом. Зазвичай у лабораторії водень отримують взаємодією цинку із соляною кислотою.

Хімічні властивості водню

За звичайних умов молекулярний Воденьпорівняно мало активний, безпосередньо з'єднуючись лише з найактивнішими з неметалів (з фтором, але в світла і з хлором). Однак при нагріванні він вступає в реакції з багатьма елементами.

Водень вступає в реакції з простими та складними речовинами:

За високої температури Водень безпосередньо реагує з деякими металами(лужними, лужноземельними та іншими), утворюючи білі кристалічні речовини- гідриди металів (Li Н, Na Н, КН, СаН 2 та ін.):

Н 2 + 2Li = 2LiH

Гідриди металів легко розкладаються водою з утворенням відповідного лугу та водню:

Са H 2 + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + 2Н 2

1). З киснемВодень утворює воду:

Відео "Горіння водню"

2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О + Q

При нормальних температурах реакція протікає вкрай повільно, вище 550 ° С - з вибухом (суміш 2 обсягів Н 2 і 1 обсягу 2 називається гримучим газом) .

Відео "Вибух гримучого газу"

Відео "Приготування та вибух гримучої суміші"

2). З галогенамиВодень утворює галогеноводи, наприклад:

Н 2 + Cl 2 = 2НСl

При цьому з фтором Водень вибухає (навіть у темряві при -252°С), з хлором і бромом реагує лише при освітленні або нагріванні, а з йодом тільки при нагріванні.

3). З азотомВодень взаємодіє з утворенням аміаку:

ДТ 2 + N 2 = 2NН 3

лише на каталізаторі і при підвищених температурах і тисках.

4). При нагріванні Водень енергійно реагує із сіркою:

Н 2 + S = H 2 S (сірководень),

значно важче з селеном та телуром.

5). З чистим вуглецемВодень може реагувати без каталізатора тільки при високих температурах:

2Н 2 + С (аморфний) = СН 4 (метан)

- Водень входить у реакцію заміщення з оксидами металів При цьому утворюються в продуктах вода і відновлюється метал. Водень - виявляє властивості відновника:

Водень використовується для відновлення багатьох металів, оскільки забирає кисень у їх оксидів:

Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4Н 2 О, і т.д.

Застосування водню

Відео "Застосування водню"

Нині водень отримують у величезних кількостях. Дуже велику частинуйого використовують при синтезі аміаку, гідрогенізації жирів та при гідруванні вугілля, масел та вуглеводнів. Крім того, водень застосовують для синтезу соляної кислоти, метилового спирту, синильної кислоти, при зварюванні та куванні металів, а також при виготовленні ламп розжарювання та дорогоцінного каміння. У продаж водень надходить у балонах під тиском понад 150 атм. Вони пофарбовані в темно-зелений колірі постачаються червоним написом "Водень".

Водень використовується для перетворення рідких жиріву тверді (гідрогенізація), виробництва рідкого палива гідрогенізацією вугілля та мазуту. У металургії водень використовують як відновник оксидів або хлоридів для одержання металів та неметалів (германію, кремнію, галію, цирконію, гафнію, молібдену, вольфраму та ін.).

Практичне застосування водню різноманітне: їм зазвичай заповнюють кулі-зонди, в хімічній промисловості він служить сировиною для отримання багатьох важливих продуктів (аміаку та ін), в харчовій - для вироблення з рослинних олійтвердих жирів і т. д. Висока температура (до 2600 ° С), що виходить при горінні водню в кисні, використовується для плавлення тугоплавких металів, кварцу і т. п. Рідкий водень є одним із найефективніших реактивних палив. Щорічне світове споживання водню перевищує 1 млн т.

ТРЕНАЖИРИ

№2. Водень

ЗАВДАННЯ ДЛЯ ЗАКРІПЛЕННЯ