Водород является главной подгруппой группы I и D.I. Он включен в первый период химической периодической таблицы. Менделеев.
Водород
Водород — первый элемент в периодической таблице элементов. Он широко распространен в природе. Самый распространенный изотоп водорода1H катион (и ядро) — протон. Свойства ядра1 H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию для анализа органических материалов.
Три из пяти изотопов водорода имеют собственные названия: 1H — первичный (H), 2H — вторичный (D) и 3H — тритий (T) (T).
Моноводород — H2-это бледный, бесцветный газ. При смешивании с воздухом или кислородом является легковоспламеняющимся и взрывоопасным. Он нетоксичен. Растворим в этаноле и многих металлах (железо, никель, палладий, платина).
История водорода
Выделение горючих газов при взаимодействии кислот с металлами наблюдалось в XVI и XVII веках, на заре становления химии как науки. М.В. Ломоносов не спешил указывать на свое шоу, но он, конечно, знал, что это не огнемет. В 1766 году английский физик и химик Г. Кавендиш исследовал этот газ и назвал его «воздушным топливом». При горении «топливный воздух» выделяет воду, но приверженность Кавендиша к теории пламени помешала ему прийти к правильному выводу. Французский химик А. Лавуазье вместе с инженером Ж. Менье в 1783 году использовал специальный воздухомер для синтеза воды, которая затем анализировалась путем разложения паров нагретым железом. Таким образом, он доказал, что «горючий воздух» является частью воды и может быть получен из нее.
Лавуазье дал водороду название hydrogène («я рождаю» и «я рождаю» — «я рождаю воду»). Русское название «водород», как и ломоносовское «кислород», было предложено химиком М.Ф. Соловьевым в 1824 году.
Распространённость водорода
Во Вселенной
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 92% всех атомов (8% составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1%). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.
Земная кора и живые организмы
Массовая доля водорода в земной коре составляет 1%— это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17% (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~52%). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005% по объёму).
Водород является компонентом почти всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках. В живых клетках водород составляет почти 50 % от индивидуального.
Среди органических кислот водород реагирует только с ненасыщенными кислотами и кислотами, содержащими водородвосстанавливающие функциональные группы, особенно альдегиды, кето- или нитрогруппы.
Водород. Физические и химические свойства, получение
Водород H — самый распространенный элемент во Вселенной (около 75% по массе), но девятый по распространенности на Земле. Самым важным природным соединением водорода является вода. Водород занимает первое место в периодической таблице (Z = 1). Он имеет простейшую атомную структуру: ядро — один протон, окруженное электронным облаком из одного электрона. При определенных условиях водород проявляет металлические свойства (испускает электроны); при других условиях водород проявляет неметаллические свойства (принимает электроны). В природе существуют изотопы водорода: 1H-протий (ядро состоит из одного протона), 2H-дейтерий (ядро D состоит из одного протона и одного нейтрона) и 3H-тритий (ядро T состоит из одного протона и двух нейтронов).
Молекулярный водород состоит из двух атомов, удерживаемых вместе ковалентной неполярной связью. Физические свойства. Водород — это газ без запаха, без вкуса, бесцветный, нетоксичный. Молекулы водорода неполярны. Поэтому сила межмолекулярных взаимодействий в водородном газе мала. Это отражается в его низкой температуре кипения (-252,6°C) и плавления (-259,2°C). Водород легче воздуха, D (в воздухе) = 0,069 — слабо растворим в воде (в 100 раз больший объем H2O растворяет вдвое большее количество H2). Поэтому водород, полученный в лаборатории, может быть собран методами вытеснения воздуха или воды.
Получение водорода
1. действие разбавленной кислоты на металлы: Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 ↑ (↑)
2. взаимодействие щелочей и щелочных металлов с водой: Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2 ↑ (↑)
3. гидролиз гидридов: гидриды металлов легко разлагаются в воде с образованием соответствующей щелочи и водорода: NaH + H2 O → NaOH + H2 ↑CaH2 + 2H2 O = Ca(OH)2 + 2H2 ↑ (↑)
4. действие щелочи на цинк, алюминий или кремний: 2Al + 2NaOH + 6H2 O → 2NaAl(OH)4 + 3H2 ↑Zn + 2KOH + 2H2 O → K2 Цинк (OH)4 + H2 ↑Si+2NaOH + H2 O → Na2 SiO3 + 2H2
5. электролиз воды. Для повышения проводимости воды используют электролиты, такие как NaOH, H2 Итак.4 или Na2 Итак.4. На катоде образуется два объема водорода, а на аноде — один объем кислорода. 2H2 O → 2H2 + А.2
Промышленное производство водорода.
1. конверсия метана паром, Ni 800°C (самая дешевая): CH4 + H2 O → CO + 3 H2 CO + H2 O → CO2 + H2
2. водяной пар, проходящий через прокаленный кокс при 1000°C: C + H2 O → CO + H2 CO + H2 O → CO2 + H2
Образующийся монооксид углерода (IV) поглощается водой, и 50% товарного водорода производится именно таким образом.
3. нагревание метана до 350°C в присутствии железного или никелевого катализатора: CH4 →C+2H2 ↑ (↑)
4. электролизом водных растворов KCl или NaCl в качестве побочного продукта: 2H2 O+2NaCl→Cl2 ↑+H2 ↑+2NaOH
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 Н 2
- Благодаря этому обобщению электронов молекула Н 2 Более энергетически стабильны, чем отдельные атомы. Чтобы разложить молекулу водорода на атомы одного моля водорода, необходимо затратить 436 кДж энергии: H2 = 2Н, ∆H° = 436 кДж/моль
- Этим объясняется сравнительно небольшая активность молекулярного водорода при обычной температуре.
- Со многими неметаллами водород образует газообразные соединения типа РН 4, RH3, RH2, RН.
(1) Галогенированные углеводороды в форме галогенов: H2 + Cl2 → 2HCl; взрывоопасен в случае фтора; реагирует только при облучении или нагревании в случае хлора и брома; реагирует только при нагревании в случае йода.
(2) С кислородом: 2H2 +Ах.2 →2H2 O и выделяется тепло. При комнатной температуре реакция протекает медленно, но при температуре выше 550°C она взрывается. Смесь двух объемов H2 и один объем O2 называется гремучим газом.
(3) При нагревании он сильно реагирует с серой (гораздо труднее с селеном и теллуром): Н2 +S → H2 S (сероводород),.
4) Производство аммиака при высоких температурах и давлении с использованием азота и только катализатора: H2 + N2 → 2NH3
5) Для углерода при высоких температурах: 2H2 +C → CH4 (метан)
6) Щелочные и щелочноземельные металлы образуют гидриды (водород окисляется): Н2 + 2Li → 2LiH В гидридах металлов ионы водорода заряжены отрицательно (степень окисления -1). Это означает, что Na+H-гидриды по своей структуре напоминают Na+Cl-хлориды.
Для сложных веществ:.
(7) Для оксидов металлов (используются для восстановления металлов): CuO + H2 →Cu+H2 O Fe3 O4 + 4H2 F 3Fe + 4H2 O O
8) Для монооксида углерода (II): CO + 2H2 → CH3 Синтез-газ OH (смесь водорода и монооксида углерода) имеет практическое значение, поскольку в зависимости от температуры, давления и катализатора образуются различные органические соединения. Нох, СН3 OH и другие.
(9) Ненасыщенные углеводороды реагируют с водородом с образованием насыщенных состояний: Сn Н2n +Н2 →Сn Н2n + 2 Н 2n + 2 →С n + 2.
Протоны и дейтерий являются стабильными изотопами с массовыми числами 1 и 2. Их содержание в природе составляет 99,9885 ± 0,0070% и 0,0115 ± 0,0070%4 соответственно. Эти соотношения могут незначительно варьироваться в зависимости от источника и метода производства водорода.
Реакции соединения
В реакциях с неметаллами водород является восстановителем. При воспламенении в воздухе водород вступает в реакцию горения или кислорода со взрывом.
2H2 + а.2 = 2H2 O.
При воспламенении водород вступает в реакцию с газообразным хлором Cl2 (который взрывается при ярком свете) и образует газ хлористый водород HCl.
Н2 + C l2 = 2HCl.
Реакция с бромом и йодом обратима и происходит при 400-500°C.
При температуре 150-200°C водород реагирует с серой с образованием сероводородного газа.
При более высоких температурах происходит заметное разложение сероводорода.
Синтез метана, реагирующего с графитом, происходит при высоком давлении и температуре 600 °C. При более высоких температурах преобладает противоположное направление процесса.
Реакция водорода с азотом протекает относительно быстро только при 500°C в присутствии катализатора Fe3O4 катализатора при давлении 20-30 МПа:.
Летучие водородные соединения, формулы которых содержат H в начале, называют, читая формулу справа налево: HCl — хлористый водород, H2S — сульфид водорода, HBg — бромид водорода. Названия веществ CH4 -метан, Нью-Гэмпшир.3 -аммиак.
В реакциях с металлами водород действует как окислитель. При нагревании он реагирует со щелочами и щелочноземельными элементами с образованием гидридов.
В щелочных и щелочноземельных гидридах водород находится в степени окисления -1.
Применение водорода
В прошлом водород использовался для наполнения воздушных шаров и самолетов. Позже от него отказались, поскольку он взрывоопасен и легко воспламеняется. Сегодня водород — это ракетное топливо. Водород необходим для синтеза аммиака NH3 и хлористого водорода HCl. Водород используется в производстве сверхчистых металлов для полупроводниковой технологии. В органической химии водород используется для получения метилового спирта CH3OH, растительных масел и твердых пищевых жиров из синтетического жидкого топлива. Изотопы водорода дейтерий 2D и тритий 3T являются термоядерным топливом.
Обзор курса химии «Химия водорода. Приложения». Выберите дальнейшие действия.
Из металлов водород реагирует только со щелочными и щелочноземельными металлами! Щелочные металлы — это основные цепные металлы группы I (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), а щелочноземельные металлы — это основные цепные металлы группы II, за исключением бериллия и магния (Ca, Sr, Ba, Ra). .
Летучие водородные соединения
Соединения водорода, содержащие неметаллы, являются летучими водородными соединениями.
Строение и физические свойства
Все летучие водородные соединения являются газами (кроме воды).
| CH4 — метан | NH3 — аммиак | H2O — вода | HF –фтороводород |
| SiH4 — силан | PH3 — фосфин | H2S — сероводород | HCl –хлороводород |
| Пепел3 — арсин | H2Se — селеноводород | HBr –бромоводород | |
| H2Te — теллуроводород | HI –иодоводород |
Способы получения силана
Силан образуется при взаимодействии соляной кислоты и магниевых силиконов.
Видеозапись опыта получения силана из силиката магния можно посмотреть здесь.
Способы получения аммиака
В лабораторных условиях аммиак образуется при взаимодействии солей аммония со щелочами. Поскольку аммиак хорошо растворим в воде, для получения чистого аммиака используются твердые вещества.
Например, аммиак может быть получен путем нагревания смеси хлорида аммония и гидроксида кальция. При нагревании смеси образуются соль, аммиак и вода.
Смесь соли и основы хорошо измельчают в ступке и смесь нагревают. Выделившиеся газы собирают в пробирку (аммиак — легкий газ, поэтому пробирку следует перевернуть вверх дном). Влажная каменная бумага синеет в присутствии аммиака.
Видеозапись опыта получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция можно посмотреть здесь.
Другим экспериментальным методом получения аммиака является гидролиз нитридов.
Например, гидролиз нитрида кальция:.
В промышленности аммиак производится по процессу Хабера (прямой синтез водорода и азота).
Этот процесс осуществляется при температуре 500-550°C и в присутствии катализатора. Для синтеза аммиака используется давление 15-30 МПа. Губчатое железо используется в качестве катализатора с добавлением оксидов алюминия, калия, кальция и кремния. Для максимального увеличения объема вводимых веществ нереагировавшие реагенты циркулируют. Непрореагировавшие азот и водород возвращаются в реактор.
Для получения дополнительной информации о технологии производства аммиака нажмите здесь.
Лавуазье дал водороду название hydrogène («я рождаю» и «я рождаю» — «я рождаю воду»). Русское название «водород», как и ломоносовское «кислород», было предложено химиком М.Ф. Соловьевым в 1824 году.
Химические свойства водорода
Водород является газом и находится в верхней части периодической таблицы. Название этого элемента, широко распространенного в природе, в переводе с латыни означает «производящий воду». Итак, какие физические и химические свойства водорода вам известны?
Водород: общая информация
В нормальном состоянии водород не имеет вкуса, запаха или цвета.
Рисунок 1.Типы водорода.
Электронный энергетический уровень атома — это максимум два электрона, поэтому в устойчивом состоянии атом может либо принять электрон (состояние окисления -1), либо отдать электрон (состояние окисления +1), что доказывает постоянную валентность I. Поэтому элементарный водород относят к группе IA (главной подгруппе группы I) вместе со щелочными металлами, а также к группе VIIA (главной подгруппе группы VII) вместе с галогенами. Атомы галогенов также неметаллические, как и водород, потому что им не хватает электронов для заполнения внешней поверхности. Водород проявляет положительную степень окисления в соединениях, в которых он связывается с неметаллическими элементами с высокой электроотрицательностью, и отрицательную степень окисления в соединениях, содержащих металлы.
Рисунок 2.Положение водорода в периодической таблице.
Водород имеет три изотопа, каждый из которых имеет свое название. Это протон, дейтерий и тритий. Последний присутствует на Земле в ничтожно малых количествах.
Химические свойства водорода
Проще говоря, H2 Из-за сильных связей между атомами (энергия связи составляет 436 кДж/моль), активность молекулярного водорода низкая. В обычных условиях он взаимодействует только с очень активными металлами, а единственным неметаллом, с которым реагирует водород, является фтор.
В других простых (металлических и неметаллических) и сложных (оксиды, неопределенные органические соединения) веществах водород реагирует под действием излучения и повышения температуры или в присутствии катализатора.
Водород сгорает в кислороде, выделяя значительное количество тепла.
Смеси водорода и кислорода (два объема водорода и один объем кислорода) известны как гремучий газ, потому что они сильно взрываются при воспламенении. При работе с водородом необходимо соблюдать правила техники безопасности.
Рисунок 3.Гремучий газ.
В присутствии катализатора газ может вступать в реакцию с азотом.
-В результате этой реакции при более высоких температурах и давлениях в промышленности образуется аммиак.
При более высоких температурах водород реагирует с серой, селеном и теллуром, а также со щелочными и щелочноземельными металлами, образуя гидриды.
В этом случае водород действует как окислитель.
Водород обладает свойством восстанавливать оксиды многих металлов с образованием воды при повышении температуры. Например:.
Водород является восстановителем в этом процессе
