Водород. физические и химические свойства, получение

Характеристика водорода

Характеристики H₂ представлены в таблицах ниже:

Водород в баллоне

Наименование	Объем баллона, л	Масса газа в баллоне, кг	Объем газа (м3) при Т=15°С, Р=0,1 МПа
H₂	40	0,54	6,0

Благодаря этой таблице теперь можно легко дать ответы на вопросы, которые очень часто задают сварщики:

Сколько кубов (м3) водорода в 40 литровом баллоне? Ответ: 6,0 м3
Сколько кг водорода в баллоне?Ответ: 0,54 кг
Сколько весит баллон с водородом?Ответ:
58,5 кг — масса пустого баллона из углеродистой стали согласно ГОСТ 949;
0,54 — кг масса водорода в баллоне;Итого: 58,5 + 0,54 = 58,94 кг вес баллона с водородом.

Рекомендуем к просмотру видео об открытии водорода, его характеристиках и производстве.

Применение водорода

Основными направлениями применения водорода являются:

химическая промышленность – синтез аммиака, метанола, углеводородов;
пищевая промышленность – получение пищевых белков;
нефтехимия – нефтепереработка (гидрогенезационная очистка нефтепродуктов);
автотранспорт – автомобили на газообразном и жидком водороде;
машиностроение – для сварки и резки металлов.

Применение водорода в сварке

Водород использовался в качестве защитного газа еще при первых попытках защиты дугового пространства от воздуха. Однако водород может оказать в ряде случаев вредное воздействие. Это объясняется тем, что при применении водорода в металле сварных швов образуются дефекты в виде пор, а также является одним из главных факторов образования холодных трещин. С увеличением толщины свариваемых элементов пористость в металле сварных швов становится значительной. Поэтому его использование в дальнейшем было значительно ограничено. В чистом виде (и в виде водородно-азотных смесей, получаемых при диссоциации аммиака) он в настоящее время применяется при атомно-водородной сварке (хотя и сам этот способ заменен теперь другими, в частности сваркой неплавящимся электродом).

Если струю водорода пропускать через пламя вольтовой дуги, то водород диссоциирует на атомы с поглощением значительного количество тепла (103,6 ккал/моль) что приводит к значительному увеличению напряжения дуги. Она становится устойчивой только при повышении напряжения источника тока. Так, например, при режимах атомно-водородной сварки наиболее эффективной «звенящей» дугой при вольфрамовых электродах и силе тока 10-20 А напряжение дуги составляет около 100 А, напряжение холостого хода питающего источника должно быть не менее 200-220 В (обычно около 300 В). В этом случае водород является не только защитным газом, но и переносит тепловую энергию из дуги на поверхность не включенного в цепь тока изделия.

Образовавшийся атомный водород направляют на твердую свариваемую поверхность, где происходит нагревание и расплавление металла за счет поглощения тепла, которое выделяется при рекомбинации атомов до молекулярного водорода. Ассоциация атомарного водорода на холодной поверхности металла (в том числе и расплавленной, так как температура плавления большинства металлов ниже температуры возможного существования заметных количеств атомарного водорода) приводит к выделению тепла, потребленного в дуге на диссоциацию. За счет выделяющегося тепла температура свариваемой поверхности металла повышается до 3528-4028°С. Такая атомно-водородная сварка позволяет обрабатывать и сваривать самые тугоплавкие металлы, высококачественные стали, коррозионно-устойчивые материалы, цветные металлы.

Несмотря на то, что атмосфера, окружающая металл, при атомно-водородной сварке представляет собой смесь молекулярного и атомарного водорода, при отсутствии на металле значительного количества окислов швы получаются достаточно плотными и применительно к низкоуглеродистой стали не имеют большого количества диффузионно-подвижного и остаточного водорода.

При струйной защите иногда используется водяной пар. Однако в этом случае получается значительно меньшая стабильность качества сварных швов, чем при сварке с защитой дуги углекислым газом. В связи с этим такой процесс широкого распространения не получил.

При TIG сварке аустенитной нержавеющей стали с целью увеличения напряжения дуги, увеличения теплоэффективности и снижения оксидирования используют аргоно-водородные смеси газов (15% Н₂). Более высокая температуру и сжатие дуги, в свою очередь увеличивает глубину проплавления металла. Однако при этом необходимо учитывать возможность вредного влияния растворяющегося в металле водорода. Более широко водород применяют в специальных областях сварки и металлургии, например в порошковой металлургии при спекании изделий из порошковых материалов.

В других случаях применение водорода и водородосодержащих газов, как защитных при дуговой сварке, нецелесообразно.

Применяют водород для составления плазмообразующих смесей при плазменной сварке и резке. Так, для защиты сварочной ванны от окисления при плазменной сварке легированной стали, меди, никеля и сплавов на его основе используют смесь аргона с 5-8% водорода.

Аргоно-водородную смесь, имеющую до 20% Н₂, применяют при микроплазменной сварке. Наличие водорода в смеси обеспечивает сжатие столба плазмы, делает его более сконцентрированным. Кроме того, водород создает необходимую в ряде случаев восстановительную атмосферу.

Получение водорода

Основная статья: Производство водорода

См. также: Биотехнологическое получение водорода

В промышленности

Электролиз водных растворов солей:

Пропускание паров воды над раскалённым коксом при температуре около 1000 °C:

Конверсия с водяным паром при 1000 °C:

Каталитическое окисление кислородом:

Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
Из природного газа.

В лаборатории

Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную серную кислоту:

Взаимодействие кальция с водой:

Гидролиз гидридов:

Действие щелочей на цинк или алюминий:

С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

Химические свойства

Поскольку водород может быть в разных ситуациях и окислителем и восстановителем его используют для осуществления реакций и синтезов.

Окислительные свойства водорода взаимодействуют с активными (обычно щелочными и щелочноземельными) металлами, результатом этих взаимодействий является образование гидридов – солеподобных соединений. Впрочем, гидриды образуются и при реакциях водорода с малоактивными металлами.

Восстановительные свойства водорода обладают способностью восстанавливать металлы до простых веществ из их оксидов, в промышленности это называется водородотермией.

Получение водорода

Наиболее распространенным из лабораторных способов получения водорода является его выделение из растворов разведенных серной или соляной кислот действием на них активных металлов (Zn, Fe, Mn, Al): Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2-. Взаимодействием амфотерных металлов или кремния с водными растворами щелочей:

2Al + 6NaOH + 6H2O = 2Na3 + 3H2 ↑;
Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2 ↑.

В промышленности водород получают паровой конверсией метана или легких углеводородов нефти над никелевым катализатором при температуре 800-850 ° С:

затем в отдельном реакторе при 300-350 ° С монооксид углерода восстанавливает воду над железным медным катализатором: CO + H2O CO2 + H2, а также газификацией твердого топлива путем взаимодействия водяного пара с раскаленным углем:

C + H2O = CO + H2.

Водород может быть получен как побочный продукт при производстве хлора и гидроксидов щелочных металлов электролизом растворов их хлоридов.

История открытия

Первым среди ученых водород заметил еще великий алхимик и лекарь средневековья Теофраст Парацельс. В своих алхимических опытах, в надежде отыскать «философский камень» смешивая металлы с кислотами Парацельс получил некий неизвестный до того горючий газ. Правда отделить этот газ от воздуха так и не удалось.

Только спустя полтора века после Парацельса французскому химику Лемери таки удалось отделить водород от воздуха и доказать его горючесть. Правда Лемери так и не понял, что полученный им газ является чистым водородом. Параллельно подобными химическими опытами занимался и русский ученый Ломоносов, но настоящий прорыв в исследовании водорода был сделан английским химиком Генри Кавендишом, которого по праву считают первооткрывателем водорода.

В 1766 году Кавендишу удалось получить чистый водород, который он называл «горючим воздухом». Еще через 20 лет талантливый французский химик Антуан Лавуазье смог синтезировать воду и выделить из нее этот самый «горючий воздух» – водород. И к слову именно Лавуазье предложил водороду его название – «Hydrogenium», он же «водород».

Антуан Лавуазье со своей женой, помогавшей ему проводить химические опыты, в том числе и по синтезу водорода.

Общие сведения:

100	Общие сведения
101	Название	Водород
102	Прежнее название
103	Латинское название	Hydrogenium
104	Английское название	Hydrogen
105	Символ	Н
106	Атомный номер (номер в таблице)	1
107	Тип	Неметалл
108	Группа
109	Открыт	Генри Кавендиш, Великобритания, 1766 г.
110	Год открытия	1766 г.
111	Внешний вид и пр.	Газ без цвета, запаха и вкуса
112	Происхождение	Природный материал
113	Модификации	o-H₂ – ортоводород, p-H₂ — параводород
114	Аллотропные модификации
115	Температура и иные условия перехода аллотропных модификаций друг в друга
116	Конденсат Бозе-Эйнштейна
117	Двумерные материалы
118	Содержание в атмосфере и воздухе (по массе)	0,00008 %
119	Содержание в земной коре (по массе)	0,15 %
120	Содержание в морях и океанах (по массе)	11 %
121	Содержание во Вселенной и космосе (по массе)	75 %
122	Содержание в Солнце (по массе)	75 %
123	Содержание в метеоритах (по массе)	2,4 %
124	Содержание в организме человека (по массе)	10 %

Строение и физические свойства

По строению атом водород наиболее прост по сравнению со всеми другими элементами: одно ядро — один электрон. Потенциал ионизации — энергия связи ядра с электроном — 13,595 электронвольт (eV). Именно из-за простоты этого строения атом водорода удобен как модель в квантовой механике, когда нужно рассчитать энергетические уровни более сложных атомов. В молекуле Н₂ — два атома, которые соединены химической ковалентной связью. Энергия распада очень велика. Атомарный водород может образоваться в химических реакциях, например цинка и соляной кислоты. Однако взаимодействие с водородом практически не происходит — атомарное состояние водорода очень коротко, атомы сразу рекомбинируют в молекулы Н₂.

С физической точки зрения водород легче всех известных веществ — более чем в четырнадцать раз легче воздуха (вспомним улетающие воздушные шарики на праздниках — внутри у них как раз водород). Однако он умеет кипеть, сжижаться, плавиться, затвердевать, и только гелий кипит и плавится при более низких температурах. Сжижать его сложно, нужна температура ниже -240 градусов по Цельсию. Зато теплопроводность он имеет очень высокую. В воде почти не растворяется, зато прекрасно происходит взаимодействие с водородом металлов — он растворяется почти во всех, лучше всего в палладии (на один его объем водорода уходит восемьсот пятьдесят объемов). Жидкий водород лёгок и текуч, а когда растворяется в металлах, часто разрушает сплавы из-за взаимодействия с углеродом (сталь, например), происходит диффузия, декарбонизация.

История открытия

Первым среди ученых, кто заметил водород, был великий алхимик и врач Средневековья Теофраст Парацельс. В своих алхимических экспериментах, надеясь найти «философский камень», смешивая металлы с кислотами, Парацельс получил неизвестный доселе горючий газ. Правда, отделить этот газ от воздуха не удалось.

Всего через полтора века после Парацельса французскому химику Лемери удалось выделить водород из воздуха и проверить его горючесть. Правда, Лемери не понимал, что полученный им газ был чистым водородом. В то же время к подобным химическим экспериментам привлекался и русский ученый Ломоносов, но прорыв в изучении водорода совершил английский химик Генри Кавендиш, по праву считающийся первооткрывателем водорода.

В 1766 году Кавендишу удалось получить чистый водород, который он назвал «горючим воздухом». Еще через 20 лет талантливому французскому химику Антуану Лавуазье удалось синтезировать воду и извлечь из нее этот самый «горючий воздух» — водород. И, кстати, именно Лавуазье предложил название водорода: «Hydrogenium», также известный как «водород».

Физические свойства:

Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия и символы: 1H — протий (Н), 2Н — дейтерий (D), 3Н — тритий (T).
Природный водород содержит 99,99% протия и 0,01% — дейтерия. Тритий содержится в природе в очень малых количествах, он радиоактивен с периодом полураспада 12,32 лет.Простое вещество H₂, самый лёгкий газ, без цвета, запаха и вкуса, температура плавления -259,1, кипения -252,8°C, малорастворим в воде — 18,8 мл/л. Водород хорошо растворим во многих металлах (850 объёмов на 1 объём Pd), способен легко диффундировать через металические мембраны.Тяжелый водород D₂ имеет вдвое большую плотность и несколько более высокие температуры плавления и кипения (-254,5°C и -249,5°C)

Физические свойства

В нормальных условиях простое вещество водород в виде двухатомных молекул является газом, без цвета, у которого отсутствует вкус и запах. Мало растворим в воде и других растворителях.

Температура кристаллизации 259,2оC, температура кипения 252,8оC. Диаметр молекул водорода настолько мал, что они обладают способностью к медленной диффузии через ряд материалов (резина, стекло, металлы). Это свойство находит применение, когда требуется очистить водород от газообразных примесей. При н. у. водород имеет плотность, равную 0,09 кг/м3.

Возможно ли превращение водорода в металл по аналогии с элементами, расположенными в первой группе? Учеными установлено, что водород в условиях, когда давление приближается к 2 млн. атмосфер, начинает поглощать инфракрасные лучи, что свидетельствует о поляризации молекул вещества. Возможно, при еще более высоких давлениях, водород станет металлом.

Это интересно: есть предположение, что на планетах-гигантах, Юпитере и Сатурне, водород находится в виде металла. Предполагается, что в составе земного ядра тоже присутствует металлический твердый водород, благодаря сверхвысокому давлению, создаваемому земной мантией.

Химические свойства водорода

С точки зрения свойств водорода как простого вещества, он, все-таки, имеет больше общего с галогенами. Водород, также как и галогены, является неметаллом и образует аналогично им двухатомные молекулы (H₂).

В обычных условиях водород представляет собой газообразное, малоактивное вещество. Невысокая активность водорода объясняется высокой прочностью связи между атомами водорода в молекуле, для разрыва которой требуется либо сильное нагревание, либо применение катализаторов, либо и то и другое одновременно.

Взаимодействие водорода с простыми веществами

с металлами

Из металлов водород реагирует только с щелочными и щелочноземельными! К щелочным металлам относятся металлы главной подгруппы I-й группы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), а к щелочно-земельным — металлы главной подгруппы II-й группы, кроме бериллия и магния (Ca, Sr, Ba, Ra)

При взаимодействии с активными металлами водород проявляет окислительные свойства, т.е. понижает свою степень окисления. При этом образуются гидриды щелочных и щелочноземельных металлов, которые имеют ионное строение. Реакция протекает при нагревании:

Следует отметить, что взаимодействие с активными металлами является единственным случаем, когда молекулярный водород Н₂ является окислителем.

с неметаллами

Из неметаллов водород реагирует только c углеродом, азотом, кислородом, серой, селеном и галогенами!

Под углеродом следует понимать графит или аморфный углерод, поскольку алмаз — крайне инертная аллотропная модификация углерода.

При взаимодействии с неметаллами водород может выполнять только функцию восстановителя, то есть только повышать свою степень окисления:

Взаимодействие водорода со сложными веществами

с оксидами металлов

Водород не реагирует с оксидами металлов, находящихся в ряду активности металлов до алюминия (включительно), однако, способен восстанавливать многие оксиды металлов правее алюминия при нагревании:

c оксидами неметаллов

Из оксидов неметаллов водород реагирует при нагревании с оксидами азота, галогенов и углерода. Из всех взаимодействий водорода с оксидами неметаллов особенно следует отметить его реакцию с угарным газом CO.

Смесь CO и H₂ даже имеет свое собственное название – «синтез-газ», поскольку из нее в зависимости от условий могут быть получены такие востребованные продукты промышленности как метанол, формальдегид и даже синтетические углеводороды:

c кислотами

С неорганическими кислотами водород не реагирует!

Из органических кислот водород реагирует только с непредельными, а также с кислотами, содержащими функциональные группы способные к восстановлению водородом, в частности альдегидные, кето- или нитрогруппы.

c солями

В случае водных растворов солей их взаимодействие с водородом не протекает. Однако при пропускании водорода над твердыми солями некоторых металлов средней и низкой активности возможно их частичное или полное восстановление, например:

Физические и химические свойства водорода

При обычных условиях водород — бесцветный газ без вкуса и запаха. Из всех известных газов он легкий: в 14,32 раза легче воздуха (при обычных условиях масса 1 л Н2 составляет 0,089 г). Растворим в воде (2 объема водорода в 100 объемах Н2О), лучше — в органических растворителях и хорошо растворяется во многих металлах (Ni, Pt, Pd), лучше растворяется в палладии (850 объемов Н2 в 100 об ‘ объемах Pd). Tпл = 259,1 ° С, t кип = 252,6 ° С. Вследствие прочности молекулы Н2 (Едис = 436 кДж / моль) водород имеет невысокую химическую активность и реагирует только с самыми активными неметаллами: фтором, а при облучении — с хлором. Активность водорода возрастает с повышением температуры. При нагревании он реагирует со многими веществами: кислородом, бромом, йодом, серой и другими неметаллами, в реакциях с которыми В. играет роль восстановителя и окисляется до Н +:

2H2 + O2 = 2H2O;
H2 + S = H2S;
N2 + 3H2 = 2NH3.

Реагирует водород непосредственно с щелочными, щелочно-земельными металлами и другими, проявляя при этом свойства окислителя. Продукты такого взаимодействия называются гидридами. Водород в них проявляет степень окисления -1 (N + aH-, C 2a-H12). Водород реагирует с чистым карбоном с образованием метана:

C + 2H2 = CH4;

с ненасыщенными углеводородами (реакция гидрогенизации): CnH2n + H2 → CnH2n + 2, а также с оксидами (Fe3O4, FeO, CuO, WO3 и т.д.), восстанавливая их к металлам:

Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O.

Значительно более высокую активность по сравнению с молекулярным водородом обнаруживает атомарный Н2. Его добывают пропусканием водорода через зону тихого электрического разряда, при термическом разложении в вольтовой дуге, при действии металлов на кислоты и воду в момент образования (instatu nascenti). Атомарный водород при обычной температуре реагирует с азотом, фосфором, серой, мышьяком, а с кислородом образует пероксид водорода Н2О2 (см. Пероксид водорода).

Нахождение в природе, изучение его свойств

Звездная температура позволяет водороду существовать в виде плазмы. Она составляет около 6000°С. Однако пространство между звездами заполнено отдельными молекулами, атомами и ионами, часто образующими молекулярные скопления различных размеров и форм – облака. Плотность вещества не является постоянной величиной, как и его температура.

В земной коре водород считается десятым по распространенности элементом. Его массовая доля составляет 1%. При этом она достигает 17% по количеству атомов. Это второе место после кислорода, доля которого составляет 52%. Отсюда важная роль водорода в природе, особенно в химических превращениях.

Водород, в отличие от кислорода, не может существовать в свободном состоянии, только в связанном. Исключение составляет атмосфера, в сухом остатке которой находится 0,00005 % простого вещества — водорода.

Все органические вещества содержат водород. Его доля в живых клетках велика (по числу атомов его удельный вес достигает 63%).

В составе воды водород имеет большое значение в ходе геохимических процессов. Поэтому вулканические газы вызывают выделение некоторого количества водорода по разломам (причина — рифтогенез). По этой же причине водород часто встречается в районе угольных месторождений.

Природные минералы могут содержать H2 в виде ионов аммония, гидроксильных ионов и воды.

Причина появления молекул Н2 в атмосфере – разложение формальдегида, участника окисления метана и других органических соединений. Также причиной их образования является неполное сгорание топлива и биомассы, фиксация азота некоторыми микроорганизмами, содержащимися в воздухе.

Молекулы водорода легкие, поэтому они имеют высокую тепловую скорость. Попадая в верхние слои атмосферы, такие молекулы часто улетают в космос, при этом их потери могут достигать 3 кг в секунду.

Водород. Физические и химические свойства, получение

Водород H — самый распространённый элемент во Вселенной (около 75 % по массе), на Земле — девятый по распространенности. Наиболее важным природным соединением водорода является вода.Водород занимает первое место в периодической системе (Z = 1).

Он имеет простейшее строение атома: ядро атома – 1 протон, окружено электронным облаком, состоящим из 1 электрона.В одних условиях водород проявляет металлические свойства (отдает электрон), в других — неметаллические (принимает электрон).

В природе встречаются изотопы водорода: 1Н — протий (ядро состоит из одного протона), 2Н — дейтерий (D — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона), 3Н — тритий (Т — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов).

Простое вещество водород

Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью.Физические свойства. Водород — бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. Молекула водорода не полярна. Поэтому силы межмолекулярного взаимодействия в газообразном водороде малы.

Это проявляется в низких температурах кипения (-252,6 0С) и плавления (-259,2 0С).
Водород легче воздуха, D (по воздуху) = 0,069; незначительно растворяется в воде (в 100 объемах H2O растворяется 2 объема H2).

Поэтому водород при его получении в лаборатории можно собирать методами вытеснения воздуха или воды.

Получение водорода

В лаборатории

5. Электролиз воды. Для увеличения электрической проводимости воды к ней добавляют электролит, например NаОН, Н2SO4 или Na2SO4. На катоде образуется 2 объема водорода, на аноде — 1 объем кислорода.
2H2O → 2H2+О2

Промышленное получение водорода

1. Конверсия метана с водяным паром, Ni 800 °С (самый дешевый):
CH4 + H2O → CO + 3 H2
CO + H2O → CO2 + H2

В сумме:
CH4 + 2 H2O → 4 H2 + CO2

2. Пары воды через раскаленный кокс при 1000оС:
С + H2O → CO + H2
CO +H2O → CO2 + H2

Образующийся оксид углерода (IV) поглощается водой, этим способом получают 50 % промышленного водорода.

Химические свойства водорода

В соединениях водород всегда одновалентен. Для него характерна степень окисления +1, но в гидридах металлов она равна -1.
Молекула водорода состоит из двух атомов. Возникновение связи между ними объясняется образованием обобщенной пары электронов Н:Н или Н2
Благодаря этому обобщению электронов молекула Н2 более энергетически устойчива, чем его отдельные атомы. Чтобы разорвать в 1 моль водорода молекулы на атомы, необходимо затратить энергию 436 кДж: Н2 = 2Н, ∆H° = 436 кДж/моль
Этим объясняется сравнительно небольшая активность молекулярного водорода при обычной температуре.
Со многими неметаллами водород образует газообразные соединения типа RН4, RН3, RН2, RН.

1) С галогенами образует галогеноводороды:
Н2 + Cl2 → 2НСl.При этом с фтором — взрывается, с хлором и бромом реагирует лишь при освещении или нагревании, а с йодом только при нагревании.

2) С кислородом:
2Н2 + О2 → 2Н2О
с выделением тепла. При обычных температурах реакция протекает медленно, выше 550°С — со взрывом. Смесь 2 объемов Н2 и 1 объема О2 называется гремучим газом.

3) При нагревании энергично реагирует с серой (значительно труднее с селеном и теллуром):
Н2 + S → H2S (сероводород),

4) С азотом с образованием аммиака лишь на катализаторе и при повышенных температурах и давлениях:
ЗН2 + N2 → 2NН3

5) С углеродом при высоких температурах:
2Н2 + С → СН4 (метан)

6) С щелочными и щелочноземельными металлами образует гидриды (водород – окислитель):
Н2 + 2Li → 2LiHв гидридах металлов ион водорода заряжен отрицательно (степень окисления -1), то есть гидрид Na+H— построен подобно хлориду Na+Cl—

Со сложными веществами:

7) С оксидами металлов (используется для восстановления металлов):
CuO + H2 → Cu + H2O
Fe3O4 + 4H2 → 3Fe + 4Н2О

с оксидом углерода (II):
CO + 2H2 → CH3OH
Синтез — газ (смесь водорода и угарного газа) имеет важное практическое значение, тк в зависимости от температуры, давления и катализатора образуются различные органические соединения, например НСНО, СН3ОН и другие. 9)Ненасыщенные углеводороды реагируют с водородом, переходя в насыщенные:
СnН2n + Н2 → СnН2n+2

9)Ненасыщенные углеводороды реагируют с водородом, переходя в насыщенные:
СnН2n + Н2 → СnН2n+2.

Страницы

Главная страница
ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ХИМИИ
1.1 Важнейшие классы неорганических веществ
2.1 Вещества. Атомы
2.2 Размеры атомов
2.3 Молекулы. Химические формулы
2.4 Простые и сложные вещества
2.5 Валентность элементов
2.6 Моль. Молярная масса
2.7 Закон Авогадро
2.8 Закон сохранения массы веществ
2.9 Вывод химических формул
3.1 Строение атома. Химическая связь
3.2 Строение атома
3.4 Строение электронной оболочки атома
3.5 Периодическая система химических элементов
3.6 Зависимость свойств элементов
3.7 Химическая связь и строение вещества
3.8 Гибридизация орбиталей
3.9 Донорно-акцепторный механизм образования
3.10 Степени окисления элементов
4.1 Классификация химических реакций
4.2 Тепловые эффекты реакций
4.3 Скорость химических реакций
4.4 Необратимые и обратимые реакции
4.5 Общая классификация химических реакций
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
5.1 Растворы. Электролитическая диссоциация
5.2 Количественная характеристика состава растворов
5.3 Электролитическая диссоциация
5.4 Диссоциация кислот, оснований и солей
5.5 Диссоциация воды
5.6 Реакции обмена в водных растворах электролитов
5.7 Гидролиз солей
6.1 Важнейшие классы неорганических веществ
6.2 Кислоты, их свойства и получение
6.3 Амфотерные гидроксиды
6.4 Соли, их свойства и получение
6.5 Генетическая связь между важнейшими классами
6.6 Понятие о двойных солях
7.1 Металлы и их соединения
7.2 Электролиз
7.3 Общая характеристика металлов
7.4 Металлы главных подгрупп I и II групп
7.5 Алюминий
7.6 Железо
7.7 Хром
7.8 Важнейшие соединения марганца и меди
8.1 Неметаллы и их неорганические соединения
8.2 Водород, его получение
8.3 Галогены. Хлор
8.4 Халькогены. Кислород
8.5 Сера и ее важнейшие соединения
8.6 Азот. Аммиак. Соли аммония
8.7 Оксиды азота. Азотная кислота
8.8 Фосфор и его соединения
8.9 Углерод и его важнейшие соединения
8.10 Кремний и его важнейшие соединения
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
9.1 Основные положения органической химии. Углеводороды
9.2 Электронные эффекты заместителей в органических соединениях
9.3 Предельные углеводороды (алканы)
9.3.1 Насыщенные УВ. Метан
9.4 Понятие о циклоалканах
9.5 Непредельные углеводороды
9.6 Диеновые углеводороды (алкадиены)
9.7 Алкины
9.8 Ароматические углеводороды
9.9 Природные источники углеводородов
10.1 Кислородсодержащие органические соединения
10.2 Фенолы
10.3 Альдегиды
10.4 Карбоновые кислоты
10.5 Сложные эфиры. Жиры
10.6 Понятие о поверхностно-активных веществах
10.7 Углеводы
11.1 Амины. Аминокислоты
11.2 Белки
11.3 Понятие о гетероциклических соединениях
11.4 Нуклеиновые кислоты
12.1 Высокомолекулярные соединения
12.2 Синтетические волокна

Нахождение в природе и получение:

На долю водорода приходится около 92% всех атомов Вселенной. Он основная составная часть вещества звезд и межзвездного газа, в виде соединений образует атмосферу многих планет. На Земле доля атомов водорода 17%, он входит в состав самого распространенного вещества — воды, в состав соединений образующих живые организмы, где доля его атомов около 50%. В то же время массовая доля водорода на Земле (земная кора + гидросфера) около 1,5%

Основным методом получения водорода в лаборатории являются взаимодействие металлов (Zn, Fe) с разбавленными кислотами, а также электролиз растворов щелочей. В промышленности водород получают при электролизе растворов солей (NaCl), конверсией или каталитическим окислением метана, при крекинге или риформинге углеводородов (нефтепереработка).
Конверсия метана: CH₄ + H₂O CO + 3H₂

Наружно

Компрессы и полоскания ещё до создания профессором Неумывакиным его методики были весьма популярны. Все знают, что так же, как и спиртовые компрессы, в чистом виде перекись водорода применять нельзя, потому что получится ожог тканей, а вот бородавки или грибковые поражения смазывают локально и крепким раствором — до пятнадцати процентов.

При кожных высыпаниях, при головных болях тоже делают процедуры, в которых участвует перекись водорода. Компресс нужно делать с помощью хлопковой ткани, смоченной в растворе из двух чайных ложек трёхпроцентной перекиси водорода и пятидесяти миллиграммов чистой воды. Ткань накрыть плёнкой и укутать шерстью или полотенцем. Время действия компресса от четверти часа до полутора часов утром и вечером до выздоровления.

Химические свойства водорода

Доля диссоциировавших молекул водорода

Молекулы водорода достаточно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении:

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

С галогенами образует галогеноводороды:

, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,

, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:

Гидриды— солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

Оксиды восстанавливаются до металлов:

Гидрирование органических соединений

Молекулярный водород широко применяется в органическом синтезе для восстановления органических соединений. Эти процессы называют реакциями гидрирования. Эти реакции проводят в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре. Катализатор может быть как гомогенным (напр. Катализатор Уилкинсона), так и гетерогенным (напр. никель Ренея, палладий на угле).

Так, в частности, при каталитическом гидрировании ненасыщенных соединений, таких как алкены и алкины, образуются насыщенные соединения — алканы.

Получение водорода и его применение

Водород находит широкое применение в технике и лабораторных исследованиях. Мировое промышленное производство водорода из меряется десятками миллионов тонн в год.

Выбор промышленного способа получения простых веществ зависит от того, в какой форме соответствующий элемент находится в природе. Водород находится в природе преимущественно в соединениях с атомами других элементов. Поэтому для его получения необходимо использовать химические методы. Эти же методы применяют для получения водорода и в лабораторной практике.

Получение водорода в лаборатории

В лабораториях водород получают уже известным вам способом, действуя кислотами на металлы: железо, цинк и др. Поместим на дно пробирки три гранулы цинка и прильем небольшой объем соляной кислоты. Там, где кислота соприкасается с цинком (на поверхности гранул), появляются пузырьки бесцветного газа, которые быстро поднимаются к поверхности раствора:

Атомы цинка замещают атомы водорода в молекулах кислоты, в результате чего образуется простое вещество водород Н2, пузырьки которого выделяются из раствора. Для получения водорода таким способом можно использовать не только хлороводородную кислоту и цинк, но и некоторые другие кислоты и металлы.

Соберем водород методом вытеснения воздуха, располагая пробирку вверх дном (объясните почему), или методом вытеснения воды и проверим его на чистоту. Пробирку с собранным водородом наклоняем к пламени спиртовки. Глухой хлопок свидетельствует о том, что водород чистый; «лающий» громкий звук взрыва говорит о загрязненности его примесью воздуха.

Получение водорода в промышленности

Очевидно, что при огромных объемах промышленного производства сырьем для получения водорода должны быть легкодоступные и дешевые вещества. Такими веществами являются природный газ (метан СН4) и вода. Запасы природного газа очень велики, а воды — практически неограниченны.

Самый дешевый способ получения водорода — разложение метана при нагревании:

Эту реакцию проводят при температуре около 1000 °С.

В промышленности водород также получают, пропуская водяные пары над раскаленным углем:

Существуют и другие промышленные способы получения водорода.

Применение водорода

Водород находит широкое практическое применение. Основные области его промышленного использования показаны на рисунке 103.

Значительная часть водорода идет на переработку нефти. Около 25 % производимого водорода расходуется на синтез аммиака NH3. Это один из важнейших продуктов химической промышленности. Производство аммиака и азотных удобрений на его основе осуществляется в нашей стране на ОАО «Гродно Азот». Республика Беларусь поставляет азотные удобрения во многие страны мира.

В большом количестве водород расходуется на получение хлороводородной кислоты. Реакция горения водорода в кислороде используется в ракетных двигателях, выводящих в космос летательные аппараты. Водород применяют и для получения металлов из оксидов. Таким способом получают тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.

В пищевой промышленности водород используют в производстве маргарина из растительных масел. Реакцию горения водорода в кислороде применяют для сварочных работ. Если использовать специальные горелки, то можно повысить температуру пламени до 4000 оС. При такой температуре проводят сварочные работы с самыми тугоплавкими материалами.

В настоящее время в ряде стран начаты исследования по замене невозобновляемых источников энергии (нефти, газа, угля) на водород. При сгорании водорода в кислороде образуется экологически чистый продукт — вода. А углекислый газ, вызывающий парниковый эффект (потепление окружающей среды), не выделяется.

Предполагают, что с середины XXI в. должно быть начато серийное производство автомобилей на водороде. Широкое применение найдут домашние топливные элементы, работа которых также основана на окислении водорода кислородом.