Неметален водород. Физични и химични свойства на водорода. Вещества, с които водородът реагира и се образува

• Обозначение - H (Водород);
• Латинско име - Hydrogenium;
• Период - I;
• Група - 1 (Ia);
• Атомна маса - 1,00794;
• Атомно число - 1;
• Радиус на атом = 53 pm;
• Ковалентен радиус = 32 pm;
• Разпределението на електроните - 1s 1;
• точка на топене = -259,14°С;
• точка на кипене = -252,87°С;
• Електроотрицателност (според Полинг / според Алпред и Рочов) \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 („раждащ вода“) е открит от английския учен Г. Кавендиш през 1766г. Това е най-простият елемент в природата - водороден атом има ядро ​​и един електрон, вероятно поради тази причина водородът е най-разпространеният елемент във Вселената (повече от половината от масата на повечето звезди).

За водорода можем да кажем, че „шпулата 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 освобождаването на огромно количество енергия (за повече подробности вижте Ядрения синтез).

В земната кора масовата част на водорода е само 0,15%. Междувременно по-голямата част (95%) от всички химикали, известни на Земята, съдържат един или повече водородни атома.

В съединения с неметали (HCl, H 2 O, CH 4 ...), водородът отдава единствения си електрон на по-електроотрицателни елементи, показвайки степен на окисление +1 (по-често), образувайки само ковалентни връзки (виж Ковалентни 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 от -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.

Водородните молекули имат:

• голяма мобилност;
• голяма сила;
• ниска поляризуемост;
• малък размер и тегло.

Свойства на водородния газ:

• най-лекият газ в природата, безцветен и без мирис;
• слабо разтворим във вода и органични разтворители;
• разтваря се в малки количества 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, показвайки свойствата на редуциращ агент;
• при стайна температура реагира с флуор (възниква експлозия): H 2 + F 2 = 2HF;
• реагира с метали, за да образува хидриди, показващи окислителни свойства: H 2 + Ca = CaH 2;

В съединенията водородът проявява своите редукционни свойства много по-силно от окислителните. Водородът е най-силният редуктор след въглищата, алуминия и калция. Редуциращите 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 дарява електрон, който играе ролята окислител, в реакции с алкалнаи алкална земяметали за образуване на метални хидриди - солеподобни йонни съединения, съдържащи хидридни йони H - са нестабилни кристални вещества с бял цвят.

Ca + H 2 = CaH 2 -1 2Na + H 2 0 = 2NaH -1

Необичайно е водородът да проявява степен на окисление от -1. Реагирайки с вода, хидридите се разлагат, намалявайки 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 водорода със сложни вещества

• при висока температура водородът намалява 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 страница "Водород и неговите съединения - уравнения на химични реакции с участието на водород".

Приложение на водород

• в ядрената енергетика се използват водородни изотопи - деутерий и тритий;
• в химическата промишленост водородът се използва за синтеза на много органични вещества, амоняк и 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 за балони, балони, дирижабли;
• Като гориво се използва водород, смесен с CO.

Напоследък учените обърнаха много внимание на търсенето на алтернативни източници на възобновяема енергия. Една от обещаващите области е "водородната" енергия, в която като гориво се използва водород, чийто продукт на горене е обикновена вода.

Методи за производство на водород

Индустриални 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 ;
• конверсия на въглероден оксид с 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 производство 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.

Започвайки да разглеждаме химичните и физичните свойства на водорода, трябва да се отбележи, че в обичайното състояние този химичен елемент е в газообразна форма. Безцветният водороден газ е без мирис и вкус. За първи път този химичен елемент получи името водород, след като ученият А. Лавоазие проведе експерименти с вода, според резултатите от които световната наука научи, че водата е многокомпонентна течност, която включва водород. Това събитие се е случило през 1787 г., но много преди тази дата водородът е бил известен на учените под името „запалим газ“.

Водород в природата

Според учените водородът се намира в земната кора и във водата (приблизително 11,2% от общия обем вода). Този газ е част от много минерали, които човечеството извлича от земните недра от векове. Отчасти свойствата на водорода са характерни за нефт, природни газове и глина, за животински и растителни организми. Но в чистата си форма, тоест не комбиниран с други химични елементи от периодичната таблица, този газ е изключително рядък в природата. Този газ може да избяга на земната повърхност по време на вулканични изригвания. Свободният водород присъства в следи от атмосферата.

Химични свойства на водорода

Тъй като химичните свойства на водорода не са еднородни, този химичен елемент принадлежи както към група I на системата на Менделеев, така и към група VII на системата. Като представител на първата група, водородът всъщност е алкален метал, който има степен на окисление +1 в повечето съединения, в които е включен. Същата валентност е характерна за натрия и други алкални метали. С оглед на тези химични свойства водородът се счита за елемент, подобен на тези метали.

Ако говорим за метални хидриди, тогава водородният йон има отрицателна валентност - степента му на окисление е -1. Na + H- се изгражда по същия начин като Na + Cl- хлорид. Този факт е причината водородът да бъде отнесен към VII група от системата на Менделеев. Водородът, намиращ се в състояние на молекула, при условие че е в обикновена среда, е неактивен и може да се комбинира само с неметали, които са по-активни за него. Такива метали включват флуор, в присъствието на светлина, водородът се комбинира с хлор. Ако водородът се нагрява, той става по-активен, реагирайки с много елементи от периодичната система на Менделеев.

Атомният водород проявява по-активни химични свойства от молекулния водород. Молекулите на кислорода образуват вода - H2 + 1/2O2 = H2O. Когато водородът взаимодейства с халогени, се образуват халогеноводороди H2 + Cl2 = 2HCl и водородът влиза в тази реакция при липса на светлина и при достатъчно високи отрицателни температури - до - 252 ° C. Химичните свойства на водорода позволяват да се използва за редукция на много метали, тъй като, когато реагира, водородът абсорбира кислород от метални оксиди, например CuO + H2 = Cu + H2O. Водородът участва в образуването на амоняк, взаимодействайки с азота в реакцията 3H2 + N2 = 2NH3, но при условие, че се използва катализатор и температурата и налягането се повишават.

Енергична реакция възниква, когато водородът взаимодейства със сярата в реакцията H2 + S = H2S, което води до сероводород. Взаимодействието на водорода с телур и селен е малко по-малко активно. Ако няма катализатор, тогава той реагира с чист въглерод, водород само при условие, че се създават високи температури. 2H2 + C (аморфен) = CH4 (метан). В процеса на водородна активност с някои алкални и други метали се получават хидриди, например H2 + 2Li = 2LiH.

Физични свойства на водорода

Водородът е много лек химикал. Най-малкото учените твърдят, че в момента няма по-леко вещество от водорода. Масата му е 14,4 пъти по-лека от въздуха, плътността му е 0,0899 g/l при 0°C. При температури от -259,1 ° C водородът е способен да се топи - това е много критична температура, която не е типична за превръщането на повечето химични съединения от едно състояние в друго. Само такъв елемент като хелий превъзхожда физическите свойства на водорода в това отношение. Втечняването на водорода е трудно, тъй като критичната му температура е (-240°C). Водородът е най-топлопроизвеждащият газ от всички известни на човечеството. Всички описани по-горе свойства са най-значимите физични свойства на водорода, които се използват от човека за специфични цели. Освен това тези свойства са най-подходящи за съвременната наука.

В периодичната система той има свое специфично положение, което отразява свойствата, които проявява и говори за електронната му структура. Въпреки това, сред всички има един специален атом, който заема две клетки наведнъж. Той се намира в две групи елементи, които са напълно противоположни по своите проявени свойства. Това е водород. Тези характеристики го правят уникален.

Водородът е не просто елемент, но и просто вещество, както и неразделна част от много сложни съединения, биогенен и органогенен елемент. Затова разглеждаме неговите характеристики и свойства по-подробно.

Водородът като химичен елемент

Водородът е елемент от първата група на основната подгрупа, както и от седмата група на основната подгрупа в първия малък период. Този период се състои само от два атома: хелий и елемента, който разглеждаме. Нека опишем основните характеристики на позицията на водорода в периодичната система.

1. Серийният 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 едно за водорода веднага се удвоява.
2. Фактът, че съдържа само един електрон от външната страна, му позволява успешно да проявява както окислителни, така и редуциращи свойства. Освен това след даряването на електрон той остава свободна орбитала, която участва в образуването на химични връзки по механизма донор-акцептор.
3. Водородът е силен редуктор. Следователно първата група от основната подгрупа се счита за нейното основно място, където води най-активните метали - алкални.
4. 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 подобен.
5. Поради много малката си атомна маса, водородът се счита за най-лекия елемент. Освен това плътността му също е много ниска, така че е и еталонът за лекота.

По този начин е очевидно, че водородният атом е напълно уникален, за разлика от всички други елементи. Следователно неговите свойства също са специални, а образуваните прости и сложни вещества са много важни. Нека ги разгледаме по-нататък.

проста субстанция

Ако говорим за този елемент като молекула, тогава трябва да кажем, че е двуатомен. Тоест водородът (просто вещество) е газ. Неговата емпирична формула ще бъде записана като H 2, а графичната - чрез единична сигма връзка H-H. Механизмът на образуване на връзки между атомите е ковалентен неполярен.

1. Парен риформинг на метан.
2. Газификация на въглища - процесът включва нагряване на въглища до 1000 0 C, в резултат на което се образуват водород и високовъглеродни въглища.
3. Електролиза. Този метод може да се използва само за водни разтвори на различни соли, тъй като стопилките не водят до изтичане на вода на катода.

Лабораторни методи за производство на водород:

1. Хидролиза на метални хидриди.
2. Действието на разредените киселини върху активните метали и средната активност.
3. Взаимодействие на алкални и алкалоземни метали с вода.

За да съберете получения водород, е необходимо епруветката да бъде обърната с главата надолу. В крайна сметка този газ не може да се събира по същия начин като например въглеродния диоксид. Това е водород, той е много по-лек от въздуха. Той се изпарява бързо и експлодира, когато се смеси с въздух в големи количества. Следователно тръбата трябва да бъде обърната. След напълването му трябва да се затвори с гумена запушалка.

За да проверите чистотата на събрания водород, трябва да донесете запален кибрит на врата. Ако памукът е глух и тих, тогава газът е чист, с минимални въздушни примеси. Ако е силен и свистене, той е мръсен, с голяма част от чужди компоненти.

Области на използване

При изгаряне на водорода се отделя толкова голямо количество енергия (топлина), че този газ се счита за най-печелившото гориво. Освен това е екологично чист. Въпреки това, използването му в тази област в момента е ограничено. Това се дължи на зле замислените и нерешени проблеми за синтезирането на чист водород, който би бил подходящ за използване като гориво в реактори, двигатели и преносими устройства, както и котли за отопление на жилища.

В крайна сметка методите за получаване на този газ са доста скъпи, така че първо е необходимо да се разработи специален метод за синтез. Такъв, който ще ви позволи да получите продукта в голям обем и с минимални разходи.

Има няколко основни области, в които се използва газът, който разглеждаме.

1. Химически синтези. На базата на хидрогениране се получават сапуни, маргарини и пластмаси. С участието на водород се синтезират метанол и амоняк, както и други съединения.
2. В хранително-вкусовата промишленост - като добавка E949.
3. Авиационна индустрия (ракетостроене, самолетостроене).
4. Енергетика.
5. Метеорология.
6. Гориво от екологично чист вид.

Очевидно водородът е толкова важен, колкото е в изобилие в природата. Още по-голяма роля играят различните съединения, образувани от него.

Водородни съединения

Това са сложни вещества, съдържащи водородни атоми. Има няколко основни вида такива вещества.

1. Халогеноводороди. Общата формула е HHal. 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 органични, и неорганични. Хлороводородът е съединение, което има емпирична формула HCL и е едно от най-големите по годишно производство у нас. Халогеноводородите също включват йодород, флуороводород и бромоводород. Всички те образуват съответните киселини.
2. Летливи Почти всички те са доста отровни газове. Например сероводород, метан, силан, фосфин и др. Те обаче са много запалими.
3. Хидридите са съединения с метали. Принадлежат към класа соли.
4. Хидроксиди: основи, киселини и амфотерни съединения. Съставът им задължително включва водородни атоми, един или повече. Пример: NaOH, K 2 , H 2 SO 4 и други.
5. Водороден хидроксид. Това съединение е по-известно като вода. Друго име на водороден оксид. Емпиричната формула изглежда така - H 2 O.
6. Водороден пероксид. Това е най-силният окислител, чиято формула е H 2 O 2.
7. Множество 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 неговата висока значимост за природата и човека, както и за всички живи същества.

е най-добрият разтворител

Както бе споменато по-горе, общото име за това вещество е вода. Състои се от два водородни атома и един кислород, свързани помежду си чрез ковалентни полярни връзки. Водната молекула е дипол, което обяснява много от нейните свойства. По-специално фактът, че е универсален разтворител.

Във водната среда протичат почти всички химични процеси. Вътрешните реакции на пластичния и енергийния метаболизъм в живите организми също се осъществяват с помощта на водороден оксид.

Водата се счита 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 агрегация:

• течност;
• газ (пара);
• твърдо вещество (лед).

В зависимост от изотопа на водорода, който е част от молекулата, има три вида вода.

1. Лек или протий. Изотоп с масово число 1. Формулата е H 2 O. Това е обичайната форма, която използват всички организми.
2. Деутерий или тежък, формулата му е D 2 O. Съдържа изотоп 2 H.
3. Супер тежък или тритий. Формулата изглежда като T 3 O, изотопът е 3 H.

Запасите от прясна протиева вода на планетата са много важни. То вече липсва в много страни. Разработват се методи за пречистване на солена вода с цел получаване на питейна вода.

Водородният пероксид е универсално лекарство

Това съединение, както бе споменато по-горе, е отличен окислител. При силни представители обаче може да се държи и като редуктор. Освен това има изразен бактерициден ефект.

Друго име на това съединение е пероксид. Именно в тази форма се използва в медицината. 3% разтвор на кристалния хидрат на въпросното съединение е медицинско лекарство, което се използва за лечение на малки рани с цел обеззаразяването им. Доказано е обаче, че в този случай заздравяването на раните с времето се увеличава.

Водородният пероксид се използва и в ракетното гориво, в индустрията 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.

Водородът е газ, той е на първо място в Периодичната система. Името на този елемент, широко разпространен в природата, в превод от латински означава „раждане на вода“. И така, какви физични и химични свойства на водорода знаем?

Водород: обща информация

При нормални условия водородът няма нито вкус, нито мирис, нито цвят.

Ориз. 1. Формулата на водорода.

Тъй като атомът има едно енергийно електронно ниво, което може да съдържа максимум два електрона, тогава за стабилно състояние атомът може или да приеме един електрон (степен на окисление -1), или да дари един електрон (степен на окисление +1), показвайки постоянна валентност I Ето защо символът на елемента водород се поставя не само в група IA (основната подгрупа на група I) заедно с алкалните метали, но и в група VIIA (основната подгрупа на група VII) заедно с халогените. Халогенните атоми също нямат един електрон за запълване на външното ниво и те, подобно на водорода, са неметали. Водородът проявява положително състояние на окисление в съединения, където е свързан с повече електроотрицателни неметални елементи, и отрицателно състояние на окисление в съединения с метали.

Ориз. 2. Местоположение на водорода в периодичната система.

Водородът има три изотопа, всеки от които има собствено име: протий, деутерий, тритий. Количеството на последните на Земята е незначително.

Химични свойства на водорода

В простото вещество H 2 връзката между атомите е силна (енергията на свързване е 436 kJ / mol), така че активността на молекулния водород е ниска. При нормални условия той взаимодейства само с много активни метали и единственият неметал, с който реагира водородът, е флуорът:

F 2 + H 2 \u003d 2HF (флуороводород)

Водородът реагира с други прости (метали и неметали) и сложни (оксиди, неопределени органични съединения) вещества или чрез облъчване и повишаване на температурата, или в присъствието на катализатор.

Водородът изгаря в кислород с отделянето на значително количество топлина:

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O

Смес от водород и кислород (2 обема водород и 1 обем кислород) експлодира силно при запалване и затова се нарича детониращ газ. При работа с водород трябва да се спазват правилата за безопасност.

Ориз. 3. Експлозивен газ.

В присъствието на катализатори газът може да реагира с азот:

3H 2 + N 2 \u003d 2NH 3

- чрез тази реакция при повишени температури и налягания се получава амоняк в промишлеността.

При високи температури водородът може да реагира със сяра, селен и телур. а при взаимодействие с алкални и алкалоземни метали се образуват хидриди: 4.3. Общо получени оценки: 152.

Индустриалните методи за получаване на прости вещества зависят от формата, в която съответният елемент се намира в природата, тоест какво може да бъде суровината за неговото производство. И така, кислородът, който е наличен в свободно състояние, се получава по физически начин - чрез изолиране от течен въздух. Почти целият водород е под формата на съединения, така че се използват химически методи за получаването му. 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 индустриален 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 се получава реакция):

CH 4 + 2H 2 0 \u003d CO 2 + 4H 2 - 165 kJ

В лабораторията за получаване на прости вещества не се използват непременно естествени суровини, а се избират онези изходни вещества, от които е по-лесно да се изолира необходимото вещество. Например в лабораторията кислородът не се получава от въздуха. Същото се отнася 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.Пропускане на водна пара върху горещ кокспри приблизително 1000°C:

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.От природен газ.

Преобразуване на пара: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Кислородно каталитично окисление: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Крекинг и риформинг на въглеводороди в процеса на рафиниране на нефт.

В лабораторията

1.Действие на разредените киселини върху металите.За провеждане на такава реакция най-често се използват цинк и 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

• Биореактор за производство на водород

Физически свойства

Газообразният водород може да съществува в две форми (модификации) - под формата на орто - и параводород.

В молекулата на ортоводорода (т.р. −259.10 °C, bp −252.56 °C) ядрените завъртания са насочени по същия начин (успоредно), докато в параводорода (т. един към друг (антипаралелни).

Алотропните форми на водорода могат да бъдат разделени чрез адсорбция върху активен въглен при температура на течен азот. При много ниски температури равновесието между ортоводорода и параводорода е почти изцяло изместено към последния. При 80 K съотношението на страните 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 става бавно, което прави възможно изследването на свойствата на отделните алотропни форми. Молекулата на водорода е двуатомна - H2. При нормални условия това е безцветен газ без мирис и вкус. Водородът е най-лекият газ, неговата плътност е многократно по-малка от тази на въздуха. Очевидно, колкото по-малка е масата на молекулите, толкова по-висока е тяхната скорост при същата температура. Като най-леките, водородните молекули се движат по-бързо от молекулите на всеки друг газ и по този начин могат да пренасят топлина от едно тяло на друго по-бързо. От това следва, че водородът има най-висока топлопроводимост сред газообразните вещества. Топлопроводимостта му е около седем пъти по-висока от тази на въздуха.

Химични свойства

Водородните молекули H₂ са доста силни и за да реагира водородът, трябва да се изразходва много енергия: H 2 \u003d 2H - 432 kJ Следователно, при обикновени температури, водородът реагира само с много активни метали, например с калций , образувайки калциев хидрид: Ca + H 2 \u003d CaH 2 и с единствения неметал - флуор, образувайки флуороводород: F 2 + H 2 = 2HF С повечето метали и неметали водородът реагира при повишени температури или под други влияния, като осветление. Той може да „отнеме“ кислород от някои оксиди, например: CuO + H 2 = Cu + H 2 0 Написаното уравнение отразява реакцията на редукция. Редукционните реакции се наричат ​​процеси, в резултат на които кислородът се отнема от съединението; Веществата, които отнемат кислорода, се наричат ​​редуциращи агенти (те самите се окисляват). По-нататък ще бъде дадено друго определение на понятията "окисление" и "редукция". И това определение, исторически първото, запазва своето значение и в момента, особено в органичната химия. Реакцията на редукция е противоположна на реакцията на окисление. И двете реакции винаги протичат едновременно като един процес: когато едното вещество се окислява (редуцира), другото задължително се редуцира (окислява) по едно и също време.

N 2 + 3H 2 → 2 NH 3

Форми с халогени водородни халогениди:

F 2 + H 2 → 2 HF, реакцията протича с експлозия на тъмно и при всяка температура, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, реакцията протича с експлозия, само на светлина.

Той взаимодейства със сажди при силно нагряване:

C + 2H 2 → CH 4

Взаимодействие с алкални и алкалоземни метали

Водородът се образува с активни метали хидриди:

Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2

хидриди- солени, 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 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Хидрогениране на органични съединения

Под действието на водорода върху ненаситени въглеводороди в присъствието на никелов катализатор и повишена температура, реакцията протича хидрогениране:

CH 2 \u003d CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

Водородът редуцира алдехидите до алкохоли:

CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.

Геохимия на водорода

Водородът е основният строителен материал на Вселената. Това е най-често срещаният елемент и всички елементи се образуват от него в резултат на термоядрени и ядрени реакции.

Свободният водород H 2 е сравнително рядък в земните газове, но под формата на вода заема изключително важно участие в геохимичните процеси.

Водородът може да присъства в минералите под формата на амониев йон, хидроксил йон и кристална вода.

В атмосферата водородът непрекъснато се произвежда в резултат на разлагането на водата от слънчевата радиация. Той мигрира към горните слоеве на атмосферата и избяга в космоса.

Приложение

• Водородна енергия

Атомен водород се използва за атомно водородно заваряване.

В хранително-вкусовата промишленост водородът е регистриран като хранителна добавка. E949като опаковъчен газ.

Характеристики на циркулацията

Водородът, когато се смеси с въздуха, образува експлозивна смес - така наречения детониращ 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 запалим. Течният водород може да причини тежко измръзване, ако влезе в контакт с кожата.

Експлозивни концентрации на водород с кислород се срещат от 4% до 96% обемни. При смесване с въздух от 4% до 75 (74)% обемни.

Използване на водород

В химическата промишленост водородът се използва при производството на амоняк, сапун и пластмаси. В хранително-вкусовата промишленост маргаринът се произвежда от течни растителни масла с помощта на водород. Водородът е много лек и винаги се издига във въздуха. Имало едно време дирижаблите и балоните са били пълни с водород. Но през 30-те години. 20-ти век имаше няколко ужасни инцидента, когато дирижаблите избухнаха и изгоряха. В наши дни дирижаблите са пълни с газ хелий. Водородът се използва и като ракетно гориво. Един ден водородът може да се използва широко като гориво за автомобили и камиони. Водородните двигатели не замърсяват околната среда и отделят само водна пара (самото производство на водород обаче води до известно замърсяване на околната среда). Нашето слънце се състои предимно от водород. Слънчевата топлина и светлина са резултат от освобождаването на ядрена енергия по време на сливането на водородни ядра.

Използване на водород като гориво (икономична ефективност)

Най-важната характеристика на веществата, използвани като гориво, е тяхната топлина на изгаряне. От курса на общата химия е известно, че реакцията на взаимодействието на водорода с кислорода протича с отделяне на топлина. Ако вземем 1 mol H 2 (2 g) и 0,5 mol O 2 (16 g) при стандартни условия и възбудим реакцията, тогава според уравнението

H 2 + 0,5 O 2 \u003d H 2 O

след завършване на реакцията се образува 1 mol H2O (18 g) с освобождаване на енергия от 285,8 kJ / mol (за сравнение: топлината на изгаряне на ацетилен е 1300 kJ / mol, пропан - 2200 kJ / mol) . 1 m³ водород тежи 89,8 g (44,9 mol). Следователно, за да се получи 1 m³ водород, ще бъдат изразходвани 12832,4 kJ енергия. Като се вземе предвид фактът, че 1 kWh = 3600 kJ, получаваме 3,56 kWh електричество. Познавайки тарифата за 1 kWh електроенергия и цената на 1 m³ газ, можем да заключим, че е препоръчително да преминете към водородно гориво.

Например експериментален модел Honda FCX от 3-то поколение със 156-литров водороден резервоар (съдържащ 3,12 кг водород при налягане 25 MPa) изминава 355 км. Съответно, 123,8 kWh се получават от 3,12 kg H2. На 100 км консумацията на енергия ще бъде 36,97 kWh. Познавайки цената на електричеството, цената на газ или бензин, тяхното потребление за автомобил на 100 км, е лесно да се изчисли отрицателният икономически ефект от преминаването на автомобилите към водородно гориво. Да кажем (Русия 2008 г.), 10 цента на kWh електроенергия води до факта, че 1 m³ водород води до цена от 35,6 цента, а като се вземе предвид ефективността на разлагането на водата от 40-45 цента, същото количество kWh от изгаряне на бензин струва 12832.4 kJ/42000 kJ/0.7 kg/l*80 ст./l=34 ст. по цени на дребно, докато за водорода изчислихме идеалния вариант, без да отчитаме транспорт, амортизация на оборудването и т.н. За метан с енергия на горене от около 39 MJ на m³, резултатът ще бъде два до четири пъти по-нисък поради разликата в цената (1 m³ за Украйна струва $179, а за Европа $350). Тоест, еквивалентното количество метан ще струва 10-20 цента.

Не бива обаче да забравяме, че когато изгаряме водорода, получаваме чиста вода, от която е извлечен. Тоест имаме възобновяема енергия складовникенергия без вреда за околната среда, за разлика от газа или бензина, които са основни източници на енергия.

PHP на ред 377 Предупреждение: require(http://www..php): неуспешно отваряне на потока: не може да бъде намерена подходяща обвивка в /hsphere/local/home/winexins/site/tab/vodorod.php на ред 377 Fatal грешка: изисквам(): Неуспешно отваряне изисква "http://www..php" (include_path="..php на ред 377