Водородът е открит през втората половина на 18 век от английския учен в областта на физиката и химията Г. Кавендиш. Той успява да изолира вещество в чисто състояние, започва да го изучава и описва свойствата му.

Такава е историята на откриването на водорода. По време на експериментите изследователят установи, че това е горим газ, чието изгаряне във въздуха дава вода. Това доведе до определяне на качествения състав на водата.

Какво е водород

Водородът, като просто вещество, е обявен за първи път от френския химик А. Лавоазие през 1784 г., тъй като той установява, че неговата молекула съдържа атоми от същия тип.

Името на химичния елемент на латински звучи като хидрогений (прочетете "хидрогениум"), което означава "раждане на вода". Името се отнася до реакцията на горене, която произвежда вода.

Характеризиране на водорода

Обозначаването на водород Н. Менделеев приписва първия сериен номер на този химичен елемент, поставяйки го в основната подгрупа на първата група и първия период и условно в основната подгрупа на седмата група.

Атомното тегло (атомна маса) на водорода е 1,00797. Молекулното тегло на Н2 е 2 а. д. Моларната маса е числено равна на него.

Представен е от три изотопа със специално наименование: най-често срещаният протий (H), тежък деутерий (D) и радиоактивен тритий (T).

Това е първият елемент, който може да бъде напълно разделен на изотопи. по прост начин. Основава се на голямата масова разлика на изотопите. Процесът е извършен за първи път през 1933 г. Това се обяснява с факта, че едва през 1932 г. е открит изотоп с маса 2.

Физически свойства

При нормални условия простото вещество водород под формата на двуатомни молекули е газ, без цвят, който няма вкус и мирис. Слабо разтворим във вода и други разтворители.

Температура на кристализация - 259,2 o C, точка на кипене - 252,8 o C.Диаметърът на водородните молекули е толкова малък, че те имат способността да дифундират бавно през редица материали (каучук, стъкло, метали). Това свойство се използва, когато се изисква пречистване на водорода от газообразни примеси. При n. г. водородът има плътност 0,09 kg/m3.

Възможно ли е водородът да се превърне в метал по аналогия с елементите, разположени в първата група? Учените са установили, че водородът при условия, когато налягането се доближава до 2 милиона атмосфери, започва да абсорбира инфрачервени лъчи, което показва поляризацията на молекулите на веществото. Може би при още по-високо налягане водородът ще се превърне в метал.

Интересно е:има предположение, че на гигантските планети Юпитер и Сатурн водородът е под формата на метал. Предполага се, че метален твърд водород присъства и в състава на земното ядро, поради свръхвисокото налягане, създавано от земната мантия.

Химични свойства

AT химично взаимодействиес водорода влизат както прости, така и сложни вещества. Но ниската активност на водорода трябва да се увеличи чрез създаване на подходящи условия - повишаване на температурата, използване на катализатори и т.н.

При нагряване прости вещества като кислород (O 2), хлор (Cl 2), азот (N 2), сяра (S) реагират с водород.

Ако запалите чист водород в края на газовата тръба във въздуха, той ще гори равномерно, но едва забележимо. Ако обаче изходната тръба за газ се постави в атмосфера на чист кислород, тогава горенето ще продължи с образуване на водни капки по стените на съда, в резултат на реакцията:

Изгарянето на водата е съпроводено с отделяне на голямо количество топлина. Това е екзотермична комбинирана реакция, при която водородът се окислява от кислород, за да се образува оксидът H 2 O. Това е също редокс реакция, при която водородът се окислява и кислородът се редуцира.

По същия начин реакцията с Cl 2 протича с образуването на хлороводород.

Взаимодействието на азота с водорода изисква висока температура и високо налягане, както и наличието на катализатор. Резултатът е амоняк.

В резултат на реакцията със сярата се образува сероводород, чието разпознаване улеснява характерната миризма на развалени яйца.

Степента на окисление на водорода в тези реакции е +1, а в хидридите, описани по-долу, е 1.

При взаимодействие с някои метали се образуват хидриди, например натриев хидрид - NaH. Някои от тези сложни съединения се използват като гориво за ракети, както и в термоядрен синтез.

Водородът реагира и с вещества от категорията на комплекса. Например, с меден (II) оксид, формулата CuO. За да се осъществи реакцията, медният водород се прекарва върху нагрят прахообразен меден (II) оксид. В процеса на взаимодействие реагентът променя цвета си и става червено-кафяв, а капчици вода се утаяват върху студените стени на епруветката.

По време на реакцията водородът се окислява до образуване на вода, а медта се редуцира от оксид до просто вещество (Cu).

Области на използване

Водородът има голямо значениеза хората и намира приложение в различни области:

1. AT химическо производство- това е суровина, в други отрасли - гориво. Не правете без водород и предприятията от нефтохимията и нефтопреработката.
2. В електроенергетиката това просто вещество действа като охлаждащ агент.
3. В черната и цветната металургия водородът играе ролята на редуциращ агент.
4. С тази помощ се създава инертна среда при опаковането на продуктите.
5. Фармацевтичната индустрия използва водород като реагент при производството на водороден пероксид.
6. Метеорологичните сонди са пълни с този лек газ.
7. Този елемент е известен също като редуциращ агент за гориво за ракетни двигатели.

Учените единодушно прогнозират, че водородното гориво ще бъде лидер в енергийния сектор.

Получаване в индустрията

В промишлеността водородът се произвежда чрез електролиза, която се подлага на хлориди или хидроксиди на алкални метали, разтворени във вода. Също така е възможно да се получи водород по този начин директно от водата.

За тази цел се използва превръщането на кокс или метан с пара. Разлагането на метана при повишена температура също произвежда водород. Използва се и втечняване на коксовия газ по фракционния метод промишлено производствоводород.

Получаване в лабораторията

В лабораторията се използва апарат на Kipp за получаване на водород.

Като реагенти действат солна или сярна киселина и цинк. В резултат на реакцията се образува водород.

Откриване на водород в природата

Водородът е най-често срещаният елемент във Вселената. По-голямата част от звездите, включително Слънцето и други космически телаобразува водород.

AT земната коратя е само 0,15%. Съдържа се в много минерали, във всички органични вещества, както и във водата, която покрива 3/4 от повърхността на нашата планета.

В горните слоеве на атмосферата могат да бъдат намерени следи от чист водород. Среща се и в редица горими природни газове.

Газообразният водород е най-тънкият, а течният водород е най-плътното вещество на нашата планета. С помощта на водород можете да промените тембъра на гласа, ако го вдишвате, и да говорите, докато издишвате.

В основата на действието на най-мощния водородна бомбалежи разделянето на най-лекия атом.

В периодичната система водородът се намира в две групи елементи, които са абсолютно противоположни по свойства. Тази функция го прави напълно уникален. Водородът е не само елемент или вещество, но и интегрална частмного сложни съединения, органогенни и биогенни елементи. Затова разглеждаме неговите свойства и характеристики по-подробно.

Отделянето на горим газ по време на взаимодействието на метали и киселини се наблюдава още през 16 век, тоест по време на формирането на химията като наука. Известният английски учен Хенри Кавендиш изучава веществото от 1766 г. и му дава името "горим въздух". При изгаряне този газ произвежда вода. За съжаление, придържането на учения към теорията за флогистона (хипотетична „свръхфина материя“) му попречи да стигне до правилни заключения.

Френският химик и естествоизпитател А. Лавоазие, заедно с инженера Ж. Мьоние и с помощта на специални газометри, през 1783 г. извършват синтеза на вода, а след това и нейния анализ чрез разлагане на водни пари с нажежено желязо. Така учените успяха да стигнат до правилните заключения. Те открили, че "горимият въздух" е не само част от водата, но може да се получи и от нея.

През 1787 г. Лавоазие предполага, че изследваният газ е просто вещество и съответно е един от основните химически елементи. Той го нарече водород (от гръцки думи hydor - вода + gennao - раждам), тоест „раждане на вода“.

Руското име "водород" е предложено през 1824 г. от химика М. Соловьов. Определянето на състава на водата бележи края на "флогистоновата теория". В началото на 18-ти и 19-ти век беше установено, че водородният атом е много лек (в сравнение с атомите на други елементи) и неговата маса беше взета като основна единица за сравняване на атомните маси, като се получи стойност, равна на 1.

Физически свойства

Водородът е най-лекото от всички известни на науката вещества (той е 14,4 пъти по-лек от въздуха), плътността му е 0,0899 g/l (1 atm, 0 °C). Този материал се топи (втвърдява) и кипи (втечнява) съответно при -259,1 ° C и -252,8 ° C (само хелият има по-ниско кипене и t ° на топене).

Критичната температура на водорода е изключително ниска (-240 °C). Поради тази причина втечняването му е доста сложен и скъп процес. Критичното налягане на веществото е 12,8 kgf / cm², а критичната плътност е 0,0312 g / cm³. Сред всички газове водородът има най-висока топлопроводимост: при 1 atm и 0 ° C е равно на 0,174 W / (mxK).

Специфичният топлинен капацитет на веществото при същите условия е 14,208 kJ / (kgxK) или 3,394 cal / (gh ° C). Този елемент е слабо разтворим във вода (около 0,0182 ml / g при 1 atm и 20 ° C), но добре - в повечето метали (Ni, Pt, Pa и други), особено в паладий (около 850 обема на обем Pd ) .

Последното свойство е свързано със способността му да дифузира, докато дифузията през въглеродна сплав (например стомана) може да бъде придружена от разрушаване на сплавта поради взаимодействието на водород с въглерод (този процес се нарича декарбонизация). В течно състояние веществото е много леко (плътност - 0,0708 g / cm³ при t ° \u003d -253 ° C) и течност (вискозитет - 13,8 градуса при същите условия).

В много съединения този елемент проявява +1 валентност (степен на окисление), подобно на натрия и други алкални метали. Обикновено се счита за аналог на тези метали. Съответно той оглавява I група от системата на Менделеев. В металните хидриди водородният йон има отрицателен заряд (степента на окисление е -1), т.е. Na + H- има структура, подобна на Na + Cl- хлорид. В съответствие с това и някои други факти (близостта на физичните свойства на елемента "Н" и халогените, способността да се замества с халогени в органичните съединения), водородът се причислява към VII група на системата на Менделеев.

При нормални условия молекулярният водород има ниска активност, директно се свързва само с най-активните неметали (с флуор и хлор, с последния - на светлина). От своя страна, когато се нагрява, той взаимодейства с много химични елементи.

Атомарният водород има повишена химическа активност (в сравнение с молекулярния водород). С кислорода образува вода по формулата:

Н₂ + ½О₂ = Н₂О,

отделяйки 285,937 kJ/mol топлина или 68,3174 kcal/mol (25°C, 1 atm). При нормални температурни условия реакцията протича доста бавно и при t ° >= 550 ° С е неконтролирана. Границите на експлозия на смес от водород + кислород по обем са 4–94% H₂, а смесите от водород + въздух са 4–74% H₂ (смес от два обема H₂ и един обем O₂ се нарича експлозивен газ).

Този елемент се използва за редуциране на повечето метали, тъй като отнема кислород от оксидите:

Fe3O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4Н₂О,

CuO + H₂ = Cu + H2O и т.н.

С различни халогени водородът образува водородни халиди, например:

H2 + Cl2 = 2HCl.

Въпреки това, когато реагира с флуор, водородът експлодира (това се случва и на тъмно, при -252 ° C), реагира с бром и хлор само при нагряване или осветяване и с йод само при нагряване. При взаимодействие с азот се образува амоняк, но само на катализатор, при повишено налягане и температура:

ZN₂ + N2 = 2NH3.

При нагряване водородът активно реагира със сярата:

H₂ + S = H₂S (сероводород),

и много по-трудно - с телур или селен. Водородът реагира с чист въглерод без катализатор, но при високи температури:

2H₂ + C (аморфен) = CH4 (метан).

Това вещество реагира директно с някои от металите (алкални, алкалоземни и други), образувайки хидриди, например:

Н₂ + 2Li = 2LiH.

От не малко практическо значение са взаимодействията на водорода и въглеродния оксид (II). В този случай, в зависимост от налягането, температурата и катализатора, се образуват различни органични съединения: HCHO, CH₃OH и др. Ненаситените въглеводороди се превръщат в наситени по време на реакцията, например:

С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.

Водородът и неговите съединения играят изключителна роля в химията. Това условия киселинни свойстват.нар. протични киселини, има тенденция да образува водородна връзка с различни елементи, което има значителен ефект върху свойствата на много неорганични и органични съединения.

Получаване на водород

Основните видове суровини за промишлено производствоот този елемент са газовете от рафиниране на петрол, природните горими и коксовите газове. Получава се и от вода чрез електролиза (на места с достъпно електричество). Един от основни методиПроизводството на материал от природен газ се счита за каталитично взаимодействие на въглеводороди, главно метан, с водна пара (т.нар. конверсия). Например:

CH₄ + H2O = CO + ZH₂.

Непълно окисляване на въглеводороди с кислород:

CH₄ + ½O₂ \u003d CO + 2H₂.

Синтезираният въглероден оксид (II) претърпява преобразуване:

CO + H₂O = CO₂ + H₂.

Водородът, произведен от природен газ, е най-евтиният.

За електролиза на вода се използва постоянен ток, който преминава през разтвор на NaOH или KOH (киселини не се използват, за да се избегне корозия на оборудването). В лабораторни условия материалът се получава чрез електролиза на вода или в резултат на реакцията между солна киселинао, и цинк. Въпреки това, по-често се използва готов фабричен материал в цилиндри.

От газовете от рафинирането на нефт и коксовия газ този елемент се изолира чрез отстраняване на всички останали компоненти газова смес, тъй като при дълбоко охлаждане се втечняват по-лесно.

Индустриално този материал започва да се получава обратно през края на XVIIIвек. След това се използва за пълнене на балони. В момента водородът се използва широко в промишлеността, главно в химическата промишленост, за производството на амоняк.

Масовите потребители на веществото са производители на метилов и други алкохоли, синтетичен бензин и много други продукти. Те се получават чрез синтез от въглероден оксид (II) и водород. Водородът се използва за хидрогениране на тежки и твърди течни горива, мазнини и др., за синтез на HCl, хидротретиране на петролни продукти, както и при рязане/заваряване на метали. Основни елементиза ядрената енергия са нейните изотопи – тритий и деутерий.

Биологичната роля на водорода

Около 10% от масата на живите организми (средно) се пада на този елемент. Той е част от водата и най-важните групи природни съединения, включително протеини, нуклеинови киселини, липиди, въглехидрати. За какво служи?

Това нещо играе решаваща роля: при запазване на пространствената структура на протеините (кватернерни), при прилагане на принципа на комплементарност нуклеинова киселина(т.е. в внедряването и съхранението на генетична информация), като цяло в "разпознаването" на молекулярно ниво.

Водородният йон H+ участва във важни динамични реакции/процеси в тялото. Включително: в биологично окисление, който осигурява на живите клетки енергия, в реакциите на биосинтеза, във фотосинтезата в растенията, в бактериалната фотосинтеза и фиксирането на азота, в поддържането на киселинно-алкалния баланс и хомеостазата, в процесите на мембранен транспорт. Заедно с въглерода и кислорода, той формира функционалната и структурна основа на явленията на живота.

Лекция 29

Водород. вода

План на лекцията:

вода. Химични и физични свойства

Ролята на водорода и водата в природата

Водородът като химичен елемент

Водородът е единственият елемент периодична системаД. И. Менделеев, чието местоположение е двусмислено. Неговата химически символв периодичната таблица се записва два пъти: както в IA, така и в VIIA групи. Това се обяснява с факта, че водородът има редица свойства, които го комбинират както с алкални метали, така и с халогени (Таблица 14).

Таблица 14

Сравнение на свойствата на водорода със свойствата на алкалните метали и халогените

Сходство с алкални метали	Прилика с халогени
На външно енергийно ниво водородните атоми съдържат един електрон. Водородът принадлежи към s-елементите	За да завършат външното и единствено ниво, на водородните атоми, подобно на халогенните атоми, липсва един електрон
Водородът проявява редуциращи свойства. В резултат на окислението водородът получава най-често срещаното състояние на окисление в своите съединения +1	Водородът, подобно на халогените, в съединения с алкални и алкалоземни метали има степен на окисление -1, което потвърждава неговата окислителни свойства.
Предполага се наличието в космоса на твърд водород с метална кристална решетка.	Подобно на флуора и хлора, водородът е газ при нормални условия. Молекулите му, подобно на молекулите на халогените, са двуатомни и се образуват от ковалентна неполярна връзка

В природата водородът съществува под формата на три изотопа с масови числа 1, 2 и 3: протий 1 1 H, деутерий 2 1 D и тритий 3 1 T. Първите два са стабилни изотопи, а третият е радиоактивен. Естествената смес от изотопи е доминирана от протия. Количествените съотношения между изотопите H: D: T са 1: 1,46 10 -5 : 4,00 10 -15 .

Съединенията на водородните изотопи се различават по свойства едно от друго. Така например точките на кипене и замръзване на леката протиева вода (H 2 O) са съответно равни на - 100 o C и 0 o C, а на деутерия (D 2 O) - 101,4 o C и 3,8 o C. Скоростта на реакцията с участието на лека вода е по-висока от тежката вода.

Водородът е най-често срещаният елемент във Вселената - той представлява около 75% от масата на Вселената или над 90% от всички нейни атоми. Водородът е част от водата в нейната най-важна геоложка обвивка на Земята – хидросферата.

Водородът образува заедно с въглерода всички органични вещества, т.е. той е част от живата обвивка на Земята - биосферата. В земната кора - литосферата - масовото съдържание на водород е само 0,88%, т.е. той заема 9-то място сред всички елементи. Въздушната обвивка на Земята - атмосферата съдържа по-малко от една милионна част от общия обем, който се дължи на молекулярния водород. Среща се само в горните слоеве на атмосферата.

Получаване и използване на водород

Водородът е получен за първи път през 16 век от средновековния лекар и алхимик Парацелз, когато желязна плоча е била потопена в сярна киселина, а през 1766 г. английският химик Хенри Кавендиш доказва, че водородът се получава не само при взаимодействието на желязо със сярна киселина, но и на други метали с други киселини. Кавендиш описва за първи път и свойствата на водорода.

AT лаборатория се получават водородни условия:

1. Взаимодействие на метали с киселина:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2. Взаимодействие на алкални и алкалоземни метали с вода

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

AT индустрия водородът се получава по следните начини:

1. Електролиза на водни разтвори на соли, киселини и основи.Най-често използваният солен разтвор е:

2NaCl + 2H 2 O → ел. ток H 2 + Cl 2 + NaOH

2. Възстановяване на водна пара чрез нажежен кокс:

C + H 2 O → t CO + H 2

Получената смес от въглероден окис и водород се нарича воден газ (синтезен газ),и се използва широко за синтеза на различни химически продукти (амоняк, метанол и др.). За извличане на водород от воден газ въглероден окиспревръща се във въглероден диоксид при нагряване с водна пара:

CO + H 2 → t CO 2 + H 2

3. Отопление на метанв присъствието на водни пари и кислород. Този метод в момента е основният:

2CH 4 + O 2 + 2H 2 O → t 2CO 2 + 6H 2

Водородът се използва широко за:

1. промишлен синтез на амоняк и хлороводород;

2. получаване на метанол и синтетично течно гориво като част от синтезния газ (2 обема водород и 1 обем CO);

3. хидроочистване и хидрокрекинг на нефтени фракции;

4. хидрогениране на течни мазнини;

5. рязане и заваряване на метали;

6. получаване на волфрам, молибден и рений от техните оксиди;

7. космически двигатели като гориво.

8. Термоядрените реактори използват водородни изотопи като гориво.

Физически и Химични свойстваводород

Водородът е газ без цвят, вкус и мирис. Плътност при н.о. 0,09 g/l (14 пъти по-лек от въздуха). Водородът е слабо разтворим във вода (само 2 обема газ на 100 обема вода), но се абсорбира добре от d-метали - никел, платина, паладий (в един обем паладий се разтварят до 900 обема водород).

При химични реакции водородът проявява както редуциращи, така и окислителни свойства. Най-често водородът действа като редуциращ агент.

1. Взаимодействие с неметали. Водородът с неметалните образува летливи водородни съединения(вижте лекция 25).

С халогенискоростта на реакцията и условията на потока се променят от флуор към йод: водородът реагира с флуор с експлозия дори на тъмно, с хлор реакцията протича доста спокойно с малко излагане на светлина, с бром и йод реакциите са обратими и протичат само при нагряване:

H 2 + F 2 → 2HF

H 2 + Cl 2 → hν 2HCl

H 2 + I 2 → t 2HI

С кислороди сярният водород реагира с леко нагряване. Нарича се смес от кислород и водород в съотношение 1:2 експлозивен газ:

H 2 + O 2 → t H 2 O

H 2 + S → t H 2 S

С азот, фосфор и въглеродреакцията възниква при нагряване високо кръвно наляганеи при наличие на катализатор. Реакциите са обратими:

3H 2 + N 2 → кат., p, t2NH 3

2H 2 + 3P → кат., p, t3PH 3

H 2 + C → cat., p, t CH 4

2. Взаимодействие със сложни вещества.При високи температури водородът редуцира металите от техните оксиди:

CuO + H 2 → t Cu + H 2 O

3. При взаимодействие с алкални и алкалоземни металиводородът проявява окислителни свойства:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

4. Взаимодействие с органични вещества.Водородът активно взаимодейства с много органични вещества, такива реакции се наричат ​​реакции на хидрогениране. Подобни реакции ще бъдат разгледани по-подробно в част III на сборника "Органична химия".

Най-разпространеният елемент във Вселената е водородът. В материята на звездите той има формата на ядра - протони - и е материал за термоядрени процеси. Почти половината от масата на Слънцето също се състои от H 2 молекули. Съдържанието му в земната кора достига 0,15%, а атомите присъстват в състава на нефта, природния газ и водата. Заедно с кислорода, азота и въглерода, той е органогенен елемент, който е част от всички живи организми на Земята. В нашата статия ще проучим физичните и химичните свойства на водорода, ще определим основните области на неговото приложение в промишлеността и значението му в природата.

Позиция в периодичната система на химичните елементи на Менделеев

Първият елемент, който отваря периодичната таблица, е водородът. Атомната му маса е 1,0079. Има два стабилни (протий и деутерий) и един радиоактивен изотоп (тритий). Физически свойствасе определят от мястото на неметала в таблицата на химичните елементи. При нормални условия водородът (формулата му е Н2) е газ, който е почти 15 пъти по-лек от въздуха. Структурата на атома на елемента е уникална: той се състои само от ядро ​​и един електрон. Молекулата на веществото е двуатомна, частиците в нея са свързани чрез ковалентна неполярна връзка. Неговата енергийна интензивност е доста висока - 431 kJ. Това обяснява ниската химическа активност на съединението при нормални условия. Електронната формула на водорода е: H:H.

Веществото също има редица свойства, които нямат аналози сред другите неметали. Нека разгледаме някои от тях.

Разтворимост и топлопроводимост

Металите провеждат топлина най-добре, но водородът се доближава до тях по топлопроводимост. Обяснението на феномена се крие в много високата скорост топлинно движениелеки молекули на вещество, следователно във водородна атмосфера нагрят обект се охлажда 6 пъти по-бързо, отколкото във въздуха. Съединението може да се разтвори добре в метали, например почти 900 обема водород могат да бъдат абсорбирани от един обем паладий. Металите могат да влизат в химични реакции с Н2, в които се проявяват окислителните свойства на водорода. В този случай се образуват хидриди:

2Na + H 2 \u003d 2 NaH.

При тази реакция атомите на даден елемент приемат електрони от метални частици, превръщайки се в аниони с единичен отрицателен заряд. Просто вещество H 2 в този случайе окислител, което обикновено не е характерно за него.

Водородът като редуциращ агент

Това, което обединява металите и водорода, е не само високата топлопроводимост, но и способността на техните атоми да химически процесидаряват собствените си електрони, тоест окисляват. Например основните оксиди реагират с водород. Редокс реакцията завършва с освобождаване на чист метал и образуване на водни молекули:

CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O.

Взаимодействието на веществото с кислорода по време на нагряване също води до производството на водни молекули. Процесът е екзотермичен и е съпроводен с отделяне на голямо количество топлинна енергия. Ако газова смес от H 2 и O 2 реагира в съотношение 2: 1, тогава тя се нарича, защото експлодира при запалване:

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

Водата е и играе важна роля във формирането на хидросферата, климата и времето на Земята. Осигурява кръговрата на елементите в природата, поддържа всички жизнени процеси на организмите – обитателите на нашата планета.

Взаимодействие с неметали

Най-важните химични свойства на водорода са неговите реакции с неметални елементи. При нормални условия те са доста химически инертни, така че веществото може да реагира само с халогени, например с флуор или хлор, които са най-активни сред всички неметали. И така, смес от флуор и водород експлодира на тъмно или на студено, а с хлор - при нагряване или на светлина. Продуктите на реакцията ще бъдат водородни халиди, чиито водни разтвори са известни като флуоридни и хлоридни киселини. С взаимодейства при температура 450-500 градуса, налягане 30-100 MPa и в присъствието на катализатор:

N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH3.

Разгледаните химични свойства на водорода са от голямо значение за индустрията. Например, можете да получите ценен химически продукт - амоняк. Той е основна суровина за производство на нитратна киселина и азотни торове: урея, амониев нитрат.

органична материя

Между въглерод и водород води до производството на най-простия въглеводород - метан:

C + 2H 2 = CH 4.

Веществото е най-важният компонент на естественото вещество и се използва като ценен вид гориво и суровина за индустрията на органичния синтез.

В химията на въглеродните съединения елементът е включен в огромен брой вещества: алкани, алкени, въглехидрати, алкохоли и др. Известни са много реакции на органични съединения с Н2 молекули. Те са известни като хидрогениране или хидрогениране. Така че алдехидите могат да бъдат редуцирани с водород до алкохоли, ненаситените въглеводороди - до алкани. Например, етиленът се превръща в етан:

C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6.

От голямо практическо значение са такива химични свойства на водорода, като например хидрогенирането на течни масла: слънчогледово, царевично и рапично. Това води до производството на твърда мазнина - свинска мас, която се използва в производството на глицерин, сапун, стеарин, твърди сортове маргарин. За подобряване на външния вид и вкуса хранителен продукткъм него се добавят мляко, животински мазнини, захар, витамини.

В нашата статия проучихме свойствата на водорода и разбрахме неговата роля в природата и човешкия живот.

Водородът H е химичен елемент, един от най-разпространените в нашата Вселена. Масата на водорода като елемент в състава на веществата е 75% от общото съдържание на атоми от друг вид. Включен е в най-важната и жизненоважна връзка на планетата – водата. Отличителна чертаводород е и фактът, че той е първият елемент в периодичната система на химичните елементи на Д. И. Менделеев.

Откриване и изследване

Първите споменавания на водород в писанията на Парацелз датират от шестнадесети век. Но изолирането му от газовата смес на въздуха и изследването на горимите свойства са направени още през седемнадесети век от учения Лемери. Водородът е подробно проучен от английски химик, физик и натуралист, който експериментално доказва, че масата на водорода е най-малка в сравнение с други газове. В следващите етапи от развитието на науката много учени са работили с него, по-специално Лавоазие, който го нарича "раждащ вода".

Характеристика според длъжността в PSCE

Елементът, който отваря периодичната таблица на Д. И. Менделеев, е водород. Физическите и химичните свойства на атома показват известна двойственост, тъй като водородът едновременно се отнася към първата група, основната подгрупа, ако се държи като метал и отдава един електрон в процеса химическа реакция, и до седмия - в случай на пълно запълване на валентната обвивка, тоест приемането на отрицателна частица, което я характеризира като подобна на халогените.

Характеристики на електронната структура на елемента

Имоти сложни вещества, в който е включен, и най-простото вещество Н 2 се определят основно от електронната конфигурация на водорода. Частицата има един електрон с Z= (-1), който се върти по своята орбита около ядрото, съдържащ един протон с единична маса и положителен заряд (+1). Електронната му конфигурация е записана като 1s 1, което означава наличието на една отрицателна частица в първата и единствена s-орбитала за водорода.

Когато един електрон се отдели или отдаде и атом на този елемент има такова свойство, че е свързан с металите, се получава катион. Всъщност водородният йон е положителна елементарна частица. Следователно водородът, лишен от електрон, се нарича просто протон.

Физически свойства

Накратко описвайки водорода, той е безцветен, слабо разтворим газ с роднина атомна масаравен на 2, 14,5 пъти по-лек от въздуха, с температура на втечняване от -252,8 градуса по Целзий.

Лесно може да се види от опит, че H2 е най-лекият. За да направите това, достатъчно е да напълните три топки с различни вещества - водород, въглероден диоксид, обикновен въздух - и едновременно да ги освободите от ръката си. Пълният с CO 2 ще достигне земята по-бързо от всеки друг, след което ще се спусне надут с въздушна смес, а съдържащият H 2 ще се издигне до тавана.

Малката маса и размер на водородните частици оправдават способността му да прониква различни вещества. На примера на същата топка това е лесно да се провери, след няколко дни тя ще се издуе, тъй като газът просто ще премине през гумата. Също така, водородът може да се натрупва в структурата на някои метали (паладий или платина) и да се изпари от него, когато температурата се повиши.

Свойството на ниска разтворимост на водорода се използва в лабораторната практика за изолирането му по метода на изместване на водорода (таблицата по-долу съдържа основните параметри), определящи обхвата на неговото приложение и методите на производство.

Параметър на атом или молекула на просто вещество	Значение
атомна маса ( моларна маса)	1,008 g/mol
Електронна конфигурация	1s 1
Кристална клетка	Шестоъгълна
Топлопроводимост	(300 K) 0,1815 W/(m K)
Плътност при n. г.	0,08987 g/l
Температура на кипене	-252,76°C
Специфична топлина на изгаряне	120.9 106 J/kg
Температура на топене	-259,2°C
Разтворимост във вода	18,8 ml/l

Изотопен състав

Подобно на много други представители на периодичната система от химични елементи, водородът има няколко естествени изотопа, тоест атоми с еднакъв брой протони в ядрото, но различен брой неутрони - частици с нулев заряд и единица маса. Примери за атоми, които имат подобно свойство, са кислород, въглерод, хлор, бром и други, включително радиоактивни.

Физичните свойства на водорода 1 H, най-често срещаният от представителите на тази група, се различават значително от същите характеристики на неговите колеги. По-специално, характеристиките на веществата, в които са включени, се различават. И така, има обикновена и деутерирана вода, която съдържа в състава си, вместо водороден атом с един протон, деутерий 2 Н - неговият изотоп с два елементарни частици: положителен и незареден. Този изотоп е два пъти по-тежък от обикновения водород, което обяснява фундаменталната разлика в свойствата на съединенията, които изграждат. В природата деутерият е 3200 пъти по-рядък от водорода. Третият представител е тритий 3 H, в ядрото има два неутрона и един протон.

Методи за получаване и изолиране

Лабораторните и индустриалните методи са много различни. Така че в малки количества газът се получава главно чрез реакции, в които участват минерали, а в мащабното производство в по-голяма степен се използва органичен синтез.

В лабораторията се използват следните химични взаимодействия:

В промишлени интереси газът се получава по такива методи като:

1. Термично разлагане на метан в присъствието на катализатор до неговите съставки прости вещества(350 градуса достига стойността на такъв индикатор като температура) - водород Н 2 и въглерод С.
2. Преминаване на парообразна вода през кокс при 1000 градуса по Целзий, за да се образува въглероден двуокис CO 2 и H 2 (най-често срещаният метод).
3. Превръщане на газообразен метан върху никелов катализатор при температура, достигаща 800 градуса.
4. Водородът е страничен продукт при електролизата на водни разтвори на калиеви или натриеви хлориди.

Химични взаимодействия: общи положения

Физичните свойства на водорода до голяма степен обясняват поведението му в реакционни процеси с едно или друго съединение. Валентността на водорода е 1, тъй като се намира в първата група в периодичната таблица, а степента на окисление показва различна. Във всички съединения, с изключение на хидридите, водородът в s.o. = (1+), в молекули като XH, XH 2, XH 3 - (1-).

Молекулата на водородния газ, образувана чрез създаване на обобщена електронна двойка, се състои от два атома и е доста стабилна енергийно, поради което при нормални условия е донякъде инертна и влиза в реакции при промяна на нормалните условия. В зависимост от степента на окисление на водорода в състава на други вещества, той може да действа както като окислител, така и като редуциращ агент.

Вещества, с които реагира и образува водород

Елементни взаимодействия за образуване на сложни вещества (често при повишени температури):

1. Алкални и алкалоземен метал+ водород = хидрид.
2. Халоген + Н 2 = халогеноводород.
3. Сяра + водород = сероводород.
4. Кислород + Н 2 = вода.
5. Въглерод + водород = метан.
6. Азот + Н 2 = амоняк.

Взаимодействие със сложни вещества:

1. Получаване на синтез газ от въглероден окис и водород.
2. Възстановяване на метали от техните оксиди с Н2.
3. Насищане с водород на ненаситени алифатни въглеводороди.

водородна връзка

Физическите свойства на водорода са такива, че когато се комбинира с електроотрицателен елемент, той му позволява да образува специален тип връзка със същия атом от съседни молекули, които имат несподелени електронни двойки (например кислород, азот и флуор). Най-ясният пример, на който е по-добре да се разгледа подобно явление, е водата. Може да се каже, че е свързан с водородни връзки, които са по-слаби от ковалентните или йонните, но поради факта, че има много от тях, те оказват значително влияние върху свойствата на веществото. По същество водородното свързване е електростатично взаимодействие, което свързва водните молекули в димери и полимери, което води до нейната висока точка на кипене.

Водородът в състава на минералните съединения

Всички съдържат протон - катион на атом като водород. Вещество, чийто киселинен остатък има степен на окисление, по-голяма от (-1), се нарича многоосновно съединение. Съдържа няколко водородни атома, което води до дисоциация водни разтворимногостепенен. Всеки следващ протон се откъсва от останалата киселина все по-трудно. По количественото съдържание на водороди в средата се определя нейната киселинност.

Приложение в човешката дейност

Цилиндрите с вещество, както и контейнерите с други втечнени газове, като кислород, имат специфичен външен вид. Те са боядисани в тъмно зелено с яркочервен надпис „Водород“. Газът се изпомпва в цилиндър под налягане от около 150 атмосфери. Физични свойства на водорода, по-специално лекотата на газообразно състояние агрегатно състояние, използва се за пълнене на балони, балони и др., смесени с хелий.

Водородът, чиито физични и химични свойства хората са се научили да използват преди много години, в момента се използва в много индустрии. Повечето от тях отиват за производството на амоняк. Водородът също участва в (хафний, германий, галий, силиций, молибден, волфрам, цирконий и други) от оксиди, действащи в реакцията като редуциращ агент, циановодородна и солна киселина, както и изкуствено течно гориво. хранително-вкусовата промишленостизползва го, за да превърне растителните масла в твърди мазнини.

Определихме химичните свойства и използването на водорода в различни процеси на хидрогениране и хидрогениране на мазнини, въглища, въглеводороди, масла и мазут. С него те произвеждат скъпоценни камъни, лампи с нажежаема жичка, извършват коване и заваряване на метални изделия под въздействието на кислородно-водороден пламък.