Надо Знать

добавить знаний



Водород


Hydrogen discharge tube.jpg

План:


Введение

Водород (Н) - химический элемент с атомным номером 1, относится к 1-й группы периодической системы элементов. Простое вещество водорода - водород H 2 - бесцветный, без запаха и вкуса газ, самый легкий из всех известных газов.

Изотопы водорода имеют собственные названия: 1 H - протий (Н), 2 H- дейтерий (D) и 3 H- тритий (T).

Водород - один из основных компонентов всех природных органических соединений. Водород реагирует с неметаллами, с металлами образуются гидриды. Смесь водорода с кислородом ( гремучий газ) взрывается при поджигании. Водород - восстановитель. Сырье для промышленного получения водорода - газы нефтепереработки, газы природные, продукты газификации уголь и прочее. Основные лабораторные способы получения водорода: реакция углеводородов с водяным паром, неполное окисление углеводородов, конверсия оксида углерода, электролиз воды.

Водород применяют для синтеза аммиака, метилового спирта, в процессах гидрогенизации, при сварке и резке металлов и. Водород - перспективное газообразное топливо. Дейтерий и тритий нашли применение в атомной энергетике.


1. История

Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках в начале становления химии как науки. Известный английский физик и химик Генри Кавендиш в 1766 году исследовал этот газ и назвал его горючим воздухом". При сжигании "горюче воздуха" давало воду, но соблюдение Кавендишем теории флогистона помешало ему сделать правильные выводы. Французский химик Антуан Лавуазье вместе с инженером Жаном Менье, используя специальные газометры, в 1783 году осуществили синтез воды, а впоследствии ее анализ, разложив водяной пар раскаленным железом. Таким образом они установили, что водород входит в состав воды (H 2 O) и может быть получен из нее.


2. Название элемента

Лавуазье дал название "hydrogene" (от греч. ὕδωρ - Вода и γενναω - Рождаю) - тот, что рождает воду". Украинское название "водород" также отражает вхождение элемента в состав воды. Русское название "водород" - дословный перевод латинского названия hydrogenium .


3. Распространение

В земной коре содержится около 1% по массе, или 17,25 атомных проценты водорода. Относительное содержание водорода в атмосфере увеличивается с высотой. На уровне моря он составляет 0,00005% по объему, верхние же слои (выше 100 км) состоят в основном из него. Свободный водород содержится в горючих газах, выделяемых из земли. Он возникает при гниении и брожении органических веществ и поэтому содержится в кишечных газах человека и животных. Основная масса водорода находится в связанном состоянии в виде различных соединений. Наиболее распространенными из них являются вода, в состав которой входит 11,19% водорода. Известно большое количество соединений водорода с углеродом ( углеводороды). Водород входит в состав нефти, каменного угля, некоторых минералов.

В лабораториях водород получают действием кислот на металлы, например действием серной кислоты на цинк :

H 2 SO 4 + Zn = H 2 + ZnSO 4.

В технике водород получают:


4. Получение

Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, т.е. может быть сырьем для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом - выделением из жидкого воздуха. Водород практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода является реакция разложения воды от действием электрического тока.

Основной промышленный способ получения водорода - реакция метана, который входит в состав природного газа, с водой. Она проводится при высокой температуре:

СН 4 + 2 Н 2 O = CO 2 ↑ + 4Н 2 -165 кДж

Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка соляной кислотой.


5. Изотопы

Водород встречается в виде трех изотопов, которые имеют индивидуальные названия: 1 H - протий (Н), 2 Н - дейтерий (D), 3 Н - тритий (радиоактивный) (T).

Протий и дейтерий является стабильными изотопами с массовыми числами 1 и 2. Содержание их в природе соответственно составляет 99,9885 0,0070% и 0,0115 0,0070% [1]. Это соотношение может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода.

Изотоп водорода 3 Н ( тритий) нестабилен. Его период полураспада составляет 12,32 лет [1]. Тритий находится в природе в очень малых количествах.

Природный водород состоит из молекул H 2 и HD (дейтероводень) в соотношении 3200:1. Содержание чистого дейтерийного водорода D 2 еще меньше. Отношение концентраций HD и D 2, примерно, 6400:1.

Среди изотопов всех химических элементов физические и химические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов [2].

Температура
плавления,
K
Температура
кипения,
K
Тройная
точка,
K / kPa
Критическая
точка,
K / kPa
Плотность
жидкий / газ,
кг / м
H 2 13.96 20,39 13,96 / 7,3 32,98 / 1,31 70,811 / 1,316
HD 16,65 22,13 16,60 / 12,8 35,91 / 1,48 114,80 / 1,802
HT 22,92 17,63 / 17,7 37,13 / 1,57 158,62 / 2,310
D 2 18,65 23,67 18,73 / 17,1 38,35 / 1,67 162,50 / 2,230
DT 24.38 19,71 / 19,4 39,42 / 1,77 211,54 / 2,694
T 2 20,63 25,04 20,62 / 21,6 40,44 / 1,85 260,17 / 3,136

Молекулы дейтерия и трития имеют орто-и пара-модификации: p-D 2, o-D 2, p-T 2, o-T 2, в зависимости от ориентации спинов ядер. Гетероизотопни молекулы HD, HT, DT не имеют орто-и пара-модификаций.


Свойства изотопов [3]

Изотоп Z N Масса, а. о. м. Период полураспада Спин Содержание в природе,% Тип и энергия распада
1 H 1 0 1,007 825 032 07 (10) стабильный 1/2 + 99,9885 (70)
2 H 1 1 2,014 101 777 8 (4) стабильный 1 + 0,0115 (70)
3 H 1 2 3,016 049 277 7 (25) 12,32 (2) года 1/2 + β - 18,591 (1) кэВ
4 H 1 3 4,027 81 (11) 1,39 (10) 10 -22 с 2 - -N 23,48 (10) МэВ
5 H 1 4 5,035 31 (11) более 9,1 -22 С ( 1/2 +) -Nn 21,51 (11) МэВ
6 H 1 5 6,044 94 (28) 2,90 (70) -22 с 2 - -3n 24,27 (26) МэВ
7 H 1 6 7,052 75 (108) 2,3 (6) -23 с 1/2 + -Nn 23,03 (101) МэВ

6. Физические свойства

Линейчатый спектр видимого излучения атома водорода

Водород - самый легкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как легкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород имеет наивысшую теплопроводность среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.

Молекула водорода состоит из двух атомов водорода - Н 2. При нормальных условиях - это газ без цвета, запаха и вкуса с плотностью 0,08987 г / л (н.у.), температурой кипения -252,76 C, теплота сгорания 120,9 Дж / ​​кг. Водород мало растворим в воде - 18,8 мл / л. Водород хорошо растворяется во многих металлах ( Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объемов на 1 объем Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.

Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от -252,76 до -259,2 C. Это бесцветная жидкость, очень легкая (плотность при -253 C - 0,0708 г / см 3) и текучая (вязкость при -253 C - 13,8 пуаз). Критические параметры водорода очень низкие: температура -240,2 C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при сжижения водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79% пара-Н 2 и 0,21% орто-Н 2.

Твердый водород имеет температуру плавления -259,2 C, плотность 0,0807 г / см 3 (при -262 C) - белоснежная масса с кристаллами гексагональной сингонии, пространственная группа - P 6 / mmc, с параметры ячейки a = 0,378 нм и c = 0,6167 нм. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние.

Схематическое изображение спиновых изомеров водорода

Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях) - в виде орто-и пара водорода. В молекуле ортоводню o-H 2 (т. пл. -259,10 C, т. кип. -252,56 C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а в параводню p-H 2 (т. пл. -259,32 C, т. кип. -252,89 C) - противоположно друг другу (антипараллельно). Равновесная смесь o-H 2 и p-H 2 при заданной температуре называется равновесное водород e-H 2.

\ Text {ortho-H} _2 \ \ rightleftarrows \ \ text {para-H} _2 \ qquad \ Delta H_ {R} ^ 0 = -0 {} 08 \ \ mathrm {kJ / mol}
Переход из одной в другую форму происходит соответственно при изменении энергии в системе (отводе или добавлении).
Равновесная мольная концентрация пара-водорода

Разделить аллотропные формы модификации водорода можно адсорбцией на активированном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводнем и параводнем почти нацело сдвинуто в сторону пара. При 80К соотношение форм примерно 1:1. Десорбований параводень при нагревании превращается в ортоводень до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно (в условиях межзвездной среды - с характерными временами до космологических), что дает возможность изучить свойства отдельных модификаций.


6.1. Характеристики молекулы водорода

Межатомные расстояния и энергии диссоциации молекул водорода, его изотопов и молекулярного иона водорода:

Молекула Межатомное расстояние, Энергия диссоциации, Ев
H 2 0,7416 4,477
HD 0,7414 4,512
D 2 0,7416 4,555
DT 0,7416 4,570
T 2 0,7416 4,588
HT 0,7416 4,524
H 2 + 1,06 2,648

Константы реакции диссоциации молекулярного водорода (K p) и степень превращения (α) в зависимости от абсолютной температуры:

T, к 2000 3000 4000 5000 6000 8000
Кр 2,62 10 -6 2,47 10 -2 2,52 4,09 10 2,62 10 2 2,70 10 3
α 8,10 10 -4 7,83 10 -2 0,621 0,954 0,992 0,999

7. Химические свойства

Молекула водорода состоит из двух атомов. Химический Контакт в молекуле водорода - ковалентий неполярный, поскольку она образована атомами с одинаковой елетронегативнистю ( атомами одного вида). Общая электронная пара, образующая связь, находится посредине между ядрами атомов. Через спильнення электронов молекула водорода энергетически устойчива, чем отдельные атомы водорода.

Химическая связь в молекуле водорода прочный, чтобы разорвать все молекулы водорода в 1 моле простого вещества необходимо затратить энергию в 436 к Дж, поэтому активность молекулярного водорода при обычной температуре мала. Для разрыва требуется активация молекулы - увеличение температуры, электрическая искра, свет.


7.1. Взаимодействие с неметаллами

При поджигании или в присутствии платинового катализатора водород реагирует с кислородом

O 2 + 2H 2 = 2H 2 O, реакция протекает со взрывом.

Смесь двух объемов водорода и одного объема кислорода называется гремучим газом.

При нагревании водород обратимо взаимодействует с серой :

S + H 2 ⇔ H 2 S ( сероводород)

С азотом - при нагревании, повышении давления и в присутствии катализатора ( железо):

N 2 + 3H 2 = 2NH 3 ( аммиак)

С галогенами образует галогеноводни:

F 2 + H 2 = 2HF, реакция протекает со взрывом при любой температуре,
Cl 2 + H 2 = 2HCl, реакция протекает только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H 2 = CH 4 ( метан)

7.2. Взаимодействие с щелочными и щелочноземельными металлами

Водород образует с активными металлами гидриды :

2Na + H 2 = 2NaH ( гидрид натрия)
Ca + H 2 = CaH 2 ( гидрид кальция)

Гидриды - солеутворюючи, твердые, легко гидролизуются:

CaH 2 + 2H 2 O = Ca (OH) 2 + 2H 2

7.3. Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)

Оксид восстанавливаются до металлов :

CuO + H 2 = Cu + H 2 O
Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O
WO 3 + 3H 2 = W + 3H 2 O

7.4. Гидрирование органических соединений

При действии водорода на ненасыщенные углеводороды в присутствии никель - катализатора и повышенной температуре, происходит реакция гидрирования:

CH 2 = CH 2 ( этен) + H 2 = CH 3-CH 3 ( этан)

Водород восстанавливает альдегиды до спиртов :

CH 3 CHO (уксусный альдегид) + H 2 = C 2 H 5 OH ( этанол)


8. Применение

Водород находят применения при синтезе аммиака NH 3, хлороводорода HCl, метанола СН 3 ОН, при гидрокрекинзи (крекинг в атмосфере водорода) природных углеводородов, как восстановитель при получении некоторых металлов. Гидрированием природных растительных масел получают твердый жир - маргарин. Жидкий водород применяется как ракетное топливо и как охладитель, поскольку имеет наивысшую теплопроводность из всех газов. Смесь кислорода с водородом используют при сварке.

Очень перспективным направлением является использование водорода как топлива для двигателей нового типа, так называемых топливных элементов. В США и Европе уже существуют водородные заправочные станции, которые обеспечивают водородом автомобили и автобусы, на нем работают. Эта отрасль называется водородная энергетика.


См.. также

Примечания

  1. а б G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and AH Wapstra (2003). "The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties" (Англ.)
  2. Zttel A., Borgschulte A., Schlapbach L. Hydrogen as a Future Energy Carrier. - Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008. - ISBN 978-3-527-30817-0 (Англ.)
  3. "Hydrogen: electronegativities" - www.webelements.com / hydrogen / electronegativity.html. Webelements . http://www.webelements.com/hydrogen/electronegativity.html - www.webelements.com / hydrogen / electronegativity.html . Проверено 2010-07-15 .

Литература


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам