Химические реакции водорода. Водород

Водород является самым первым элементом в Периодической системе химических элементов, имеет атомный номер 1 и относительную атомную массу 1,0079. Каковы физические свойства водорода?

Физические свойства водорода

В переводе с латыни водород означает «рождающий воду». Еще в 1766 году английский ученый Г. Кавендиш собрал выделяющийся при действии кислот на металлы «горючий воздух» и стал исследовать его свойства. В 1787 году А. Лавуазье определил этот «горючий воздух» как новый химический элемент, который входит в состав воды.

Рис. 1. А. Лавуазье.

У водорода существуют 2 стабильных изотопа – протий и дейтерий, а также радиоактивный – тритий, количество которого на нашей планете очень мало.

Водород является самым распространенным элементом в космосе. Солнце и большинство звезд имеют водород в своем составе в качестве основного элемента. Также этот газ входит в состав воды, нефти, природного газа. Общее содержание водорода на Земле составляет 1%.

Рис. 2. Формула водорода.

В состав атома этого вещества входит ядро и один электрон. Когда у водорода теряется электрон, он образует положительно заряженный ион, то есть проявляет металлические свойства. Но также атом водорода способен не только терять, но и присоединять электрон. В этом он очень похож на галогены. Поэтому водород в Периодической системе относится и к I и к VII группе. Неметаллические свойства водорода выражены у него в большей степени.

Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной связью

Водород при обычных условиях является бесцветным газообразным элементом, который не имеет запаха и вкуса. Он в 14 раз легче воздуха, а его температура кипения составляет -252,8 градусов по Цельсию.

Таблица «Физические свойства водорода»

Кроме физических свойств водород обладает и рядом химических свойств. водород при нагревании или под действием катализаторов вступает в реакции с металлами и неметаллами, серой, селеном, теллуром, а также может восстанавливать оксиды многих металлов.

Получение водорода

Из промышленных способов получения водорода (кроме электролиза водных растворов солей) следует отметить следующие:

• пропускание паров воды через раскаленный уголь при температуре 1000 градусов:

• конверсия метана водяным паром при температуре 900 градусов:

CH 4 +2H 2 O=CO 2 +4H 2

Водород - простое вещество H 2 (диводород, дипротий, легкий водород).

Краткая характеристика водорода :

• Неметалл.
• Бесцветный газ, трудно поддающийся сжижению.
• Плохо растворяется в воде.
• Лучше растворяется в органических растворителях.
• Хемосорбируется металлами: железом, никелем, платиной, палладием.
• Сильный восстановитель.
• Взаимодействует (при высоких температурах) с неметаллами, металлами, оксидами металлов.
• Наибольшей восстановительной способностью обладает атомный водород H 0 , получаемый при термическом разложении H 2 .
• Изотопы водорода:
  • 1 H - протий
  • 2 H - дейтерий (D)
  • 3 H - тритий (Т)
• Относительная молекулярная масса = 2,016
• Относительная плотность твердого водорода (t=-260°C) = 0,08667
• Относительная плотность жидкого водорода (t=-253°C) = 0,07108
• Избыточное давление (н.у.) = 0,08988 г/л
• t плавления = -259,19°C
• t кипения = -252,87°C
• Объемный коэффициент растворимости водорода:
  • (t=0°C) = 2,15;
  • (t=20°C) = 1,82;
  • (t=60°C) = 1,60;

1. Термическое разложение водорода (t=2000-3500°C):
H 2 ↔ 2H 0

2. Взаимодействие водорода с неметаллами :

• H 2 +F 2 = 2HF (t=-250..+20°C)
• H 2 +Cl 2 = 2HCl (при сжигании или на свету при комнатной температуре):
  • Cl 2 = 2Cl 0
  • Cl 0 +H 2 = HCl+H 0
  • H 0 +Cl 2 = HCl+Cl 0
• H 2 +Br 2 = 2HBr (t=350-500°C, катализатор платина)
• H 2 +I 2 = 2HI (t=350-500°C, катализатор платина)
• H 2 +O 2 = 2H 2 O:
  • H 2 +O 2 = 2OH 0
  • OH 0 +H 2 = H 2 O+H 0
  • H 0 +O 2 = OH 0 +O 0
  • O 0 +H 2 = OH 0 +H 0
• H 2 +S = H 2 S (t=150..200°C)
• 3H 2 +N 2 = 2NH 3 (t=500°C, катализатор железо)
• 2H 2 +C(кокс) = CH 4 (t=600°C, катализатор платина)
• H 2 +2C(кокс) = C 2 H 2 (t=1500..2000°C)
• H 2 +2C(кокс)+N 2 = 2HCN (t более 1800°C)

3. Взаимодействие водорода со сложными веществами :

• 4H 2 +(Fe II Fe 2 III)O 4 = 3Fe+4H 2 O (t более 570°C)
• H 2 +Ag 2 SO 4 = 2Ag+H 2 SO 4 (t более 200°C)
• 4H 2 +2Na 2 SO 4 = Na 2 S+4H 2 O (t = 550-600°C, катализатор Fe 2 O 3)
• 3H 2 +2BCl 3 = 2B+6HCl (t = 800-1200°C)
• H 2 +2EuCl 3 = 2EuCl 2 +2HCl (t = 270°C)
• 4H 2 +CO 2 = CH 4 +2H 2 O (t = 200°C, катализатор CuO 2)
• H 2 +CaC 2 = Ca+C 2 H 2 (t более 2200°C)
• H 2 +BaH 2 = Ba(H 2) 2 (t до 0°C, раствор)

4. Участие водорода в окислительно-восстановительных реакциях :

• 2H 0 (Zn, разб. HCl)+KNO 3 = KNO 2 +H 2 O
• 8H 0 (Al, конц. KOH)+KNO 3 = NH 3 +KOH+2H 2 O
• 2H 0 (Zn, разб. HCl)+EuCl 3 = 2EuCl 2 +2HCl
• 2H 0 (Al)+NaOH(конц.)+Ag 2 S = 2Ag↓+H 2 O+NaHS
• 2H 0 (Zn, разб. H 2 SO 4)+C 2 N 2 = 2HCN

Водородные соединения

D 2 - дидейтерий :

• Тяжелый водород.
• Бесцветный газ, трудно поддаваемый сжижению.
• Дидейтерия содержится в природной водороде 0,012-0,016% (по массе).
• В газовой смеси дидейтерия и протия изотопный обмен протекает при высоких температурах.
• Плохорастворим в обычной и тяжелой воде.
• С обычной водой изотопный обмен незначителен.
• Химические свойства аналогичны легкому водороду, но дидейтерий обладает меньшей реакционной способностью.
• Относительная молекулярная масса = 4,028
• Относительная плотность жидкого дидейтерия (t=-253°C) = 0,17
• t плавления = -254,5°C
• t кипения = -249,49°C

T 2 - дитритий :

• Сверхтяжелый водород.
• Бесцветный радиоактивный газ.
• Период полураспада 12,34 года.
• В природе дитритий образуется в результате бомбардировки нейтронами космического излучения ядер 14 N, следы дитрития обнаружены в природных водах.
• Получают дитритий в ядерном реакторе бомбардировкой лития медленными нейтронами.
• Относительная молекулярная масса = 6,032
• t плавления = -252,52°C
• t кипения = -248,12°C

HD - дейтериоводород :

• Бесцветный газ.
• Не растворяется в воде.
• Химические свойства аналогичны H 2 .
• Относительная молекулярная масса = 3,022
• Относительная плотность твердого дейтериоводорода (t=-257°C) = 0,146
• Избыточное давление (н.у.) = 0,135 г/л
• t плавления = -256,5°C
• t кипения = -251,02°C

Оксиды водорода

H 2 O - вода :

• Бесцветная жидкость.
• По изотопному составу кислорода вода состоит из H 2 16 O с примесями H 2 18 O и H 2 17 O
• По изотопному составу водорода вода состоит из 1 H 2 O с примесью HDO.
• Жидкая вода подвергается протолизу (H 3 O + и OH -):
  • H 3 O + (катион оксония) является самой сильной кислотой в водном растворе;
  • OH - (гидроксид-ион) является самым сильным основанием в водном растворе;
  • Вода - самый слабый сопряженный протолит.
• Со многими веществами вода образует кристаллогидраты.
• Вода является химически активным веществом.
• Вода является универсальным жидким растворителем неорганических соединений.
• Относительная молекулярная масса воды = 18,02
• Относительная плотность твердой воды (льда) (t=0°C) = 0,917
• Относительная плотность жидкой воды:
  • (t=0°C) = 0,999841
  • (t=20°C) = 0,998203
  • (t=25°C) = 0,997044
  • (t=50°C) = 0,97180
  • (t=100°C) = 0,95835
• плотность (н.у.) = 0,8652 г/л
• t плавления = 0°C
• t кипения = 100°C
• Ионное произведение воды (25°C) = 1,008·10 -14

1. Термическое разложение воды:
2H 2 O ↔ 2H 2 +O 2 (выше 1000°C)

D 2 O - оксид дейтерия :

• Тяжелая вода.
• Бесцветная гигроскопичная жидкость.
• Вязкость выше, чем у воды.
• Смешивается с обычной водой в неограниченных количествах.
• При изотопном обмене образуется полутяжелая вода HDO.
• Растворяющая способность ниже, чем у обычной воды.
• Химические свойства оксида дейтерия аналогичны химическим свойствам воды, но все реакции протекают медленнее.
• Тяжелая вода присутствует в природной воде (массовое отношение к обычной воде 1:5500).
• Оксид дейтерия получают многократным электролизом природной воды, при котором тяжелая вода накапливается в остатке электролита.
• Относительная молекулярная масса тяжелой воды = 20,03
• Относительная плотность жидкой тяжелой воды (t=11,6°C) = 1,1071
• Относительная плотность жидкой тяжелой воды (t=25°C) = 1,1042
• t плавления = 3,813°C
• t кипения = 101,43°C

T 2 O - оксид трития :

• Сверхтяжелая вода.
• Бесцветная жидкость.
• Вязкость выше, а растворяющая способность ниже, чем у обычной и тяжелой воды.
• Смешивается с обычной и тяжелой водой в неограниченных количествах.
• Изотопный обмен с обычной и тяжелой водой приводит к образованию HTO, DTO.
• Химические свойства сверхтяжелой воды аналогичны химическим свойствам воды, но все реакции протекают еще медленнее, чем в тяжелой воде.
• Следы оксида трития находят в природной воде и атмосфере.
• Получают сверхтяжелую воду пропусканием трития над раскаленным оксидом меди CuO.
• Относительная молекулярная масса сверхтяжелой воды = 22,03
• t плавления = 4,5°C

В периодической системе водород располагается в двух абсолютно противоположных по своим свойствам группах элементов. Данная особенность делают его совершенно уникальным. Водород не просто представляет собой элемент или вещество, но также является составной частью многих сложных соединений, органогенным и биогенным элементом. Поэтому рассмотрим его свойства и характеристики более подробно.

Выделение горючего газа в процессе взаимодействия металлов и кислот наблюдали еще в XVI веке, то есть во время становления химии как науки. Известный английский ученый Генри Кавендиш исследовал вещество, начиная с 1766 года, и дал ему название «горючий воздух». При сжигании этот газ давал воду. К сожалению, приверженность ученого теории флогистона (гипотетической «сверхтонкой материи») помешала ему прийти к правильным выводам.

Французский химик и естествоиспытатель А. Лавуазье вместе с инженером Ж. Менье и при помощи специальных газометров в 1783 г. провел синтез воды, а после и ее анализ посредством разложения водяного пара раскаленным железом. Таким образом, ученые смогли прийти к правильным выводам. Они установили, что «горючий воздух» не только входит в состав воды, но и может быть получен из нее.

В 1787 году Лавуазье выдвинул предположение, что исследуемый газ является простым веществом и, соответственно, относится к числу первичных химических элементов. Он назвал его hydrogene (от греческих слов hydor - вода + gennao - рождаю), т. е. «рождающий воду».

Русское название «водород» в 1824 году предложил химик М. Соловьев. Определение состава воды ознаменовало конец «теории флогистона». На стыке XVIII и XIX веков было установлено, что атом водорода очень легкий (по сравнению с атомами прочих элементов) и его масса была принята за основную единицу сравнения атомных масс, получив значение, равное 1.

Физические свойства

Водород является легчайшим из всех известных науке веществ (он в 14,4 раз легче воздуха), его плотность составляет 0,0899 г/л (1 атм, 0 °С). Данный материал плавится (затвердевает) и кипит (сжижается), соответственно, при -259,1 °С и -252,8 °С (только гелий обладает более низкими t° кипения и плавления).

Критическая температура водорода крайне низка (-240 °С). По этой причине его сжижение - довольно сложный и затратный процесс. Критическое давление вещества - 12,8 кгс/см², а критическая плотность составляет 0,0312 г/см³. Среди всех газов водород имеет наибольшую теплопроводность: при 1 атм и 0 °С она равняется 0,174 вт/(мхК).

Удельная теплоемкость вещества в тех же условиях - 14,208 кДж/(кгхК) или 3,394 кал/(гх°С). Данный элемент слабо растворим в воде (около 0,0182 мл/г при 1 атм и 20 °С), но хорошо - в большинстве металлов (Ni, Pt, Pa и прочих), особенно в палладии (примерно 850 объемов на один объем Pd).

С последним свойством связана его способность диффундирования, при этом диффузия через углеродистый сплав (к примеру, сталь) может сопровождаться разрушением сплава из-за взаимодействия водорода с углеродом (этот процесс называется декарбонизация). В жидком состоянии вещество очень легкое (плотность - 0,0708 г/см³ при t° = -253 °С) и текучее (вязкость - 13,8 спуаз в тех же условиях).

Во многих соединениях этот элемент проявляет валентность +1 (степень окисления), подобно натрию и прочим щелочным металлам. Обычно он рассматривается в качестве аналога этих металлов. Соответственно он возглавляет I группу системы Менделеева. В гидридах металлов ион водорода проявляет отрицательный заряд (степень окисления при этом -1), то есть Na+H- имеет структуру, подобную хлориду Na+Cl-. В соответствии с этим и некоторыми другими фактами (близость физических свойств элемента «H» и галогенов, способность его замещения галогенами в органических соединениях) Hydrogene относят к VII группе системы Менделеева.

В обычных условиях молекулярный водород имеет низкую активность, непосредственно соединяясь только с самыми активными из неметаллов (с фтором и хлором, с последним - на свету). В свою очередь, при нагревании он взаимодействует со многими химическими элементами.

Атомарный водород имеет повышенную химическую активность (если сравнивать с молекулярным). С кислородом он образует воду по формуле:

Н₂ + ½О₂ = Н₂О,

выделяя 285,937 кДж/моль тепла или 68,3174 ккал/моль (25 °С, 1 атм). В обычных температурных условиях реакция протекает довольно медленно, а при t° >= 550 °С - неконтролируемо. Пределы взрывоопасности смеси водород + кислород по объему составляют 4–94 % Н₂, а смеси водород + воздух - 4–74 % Н₂ (смесь из двух объемов Н₂ и одного объема О₂ называют гремучим газом).

Данный элемент используют для восстановления большинства металлов, так как он отнимает кислород у оксидов:

Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4Н₂О,

CuO + H₂ = Cu + H₂O и т. д.

С разными галогенами водород образует галогеноводороды, к примеру:

Н₂ + Cl₂ = 2НСl.

Однако при реакции с фтором водород взрывается (это происходит и в темноте, при -252 °С), с бромом и хлором реагирует только при нагревании или освещении, а с йодом - исключительно при нагревании. При взаимодействии с азотом образуется аммиак, но лишь на катализаторе, при повышенных давлениях и температуре:

ЗН₂ + N₂ = 2NН₃.

При нагревании водород активно реагирует с серой:

Н₂ + S = H₂S (сероводород),

и значительно труднее - с теллуром или селеном. С чистым углеродом водород реагирует без катализатора, но при высоких температурах:

2Н₂ + С (аморфный) = СН₄ (метан).

Данное вещество непосредственно реагирует с некоторыми из металлов (щелочными, щелочноземельными и прочими), образуя гидриды, например:

Н₂ + 2Li = 2LiH.

Немаловажное практическое значение имеют взаимодействия водорода и оксида углерода (II). При этом в зависимости от давления, температуры и катализатора образуются разные органические соединения: НСНО, СН₃ОН и пр. Ненасыщенные углеводороды в процессе реакции переходят в насыщенные, к примеру:

С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.

Водород и его соединения играют в химии исключительную роль. Он обусловливает кислотные свойства т. н. протонных кислот, склонен образовывать с разными элементами водородную связь, оказывающую значительное влияние на свойства многих неорганических и органических соединений.

Получение водорода

Основными видами сырья для промышленного производства этого элемента являются газы нефтепереработки, природные горючие и коксовые газы. Его также получают из воды посредством электролиза (в местах с доступной электроэнергией). Одним из важнейших методов производства материала из природного газа считается каталитическое взаимодействие углеводородов, в основном метана, с водяным паром (т. н. конверсия). Например:

СН₄ + H₂О = СО + ЗН₂.

Неполное окисление углеводородов кислородом:

СН₄ + ½О₂ = СО + 2Н₂.

Синтезированный оксид углерода (II) подвергается конверсии:

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂.

Водород, производимый из природного газа, является самым дешевым.

Для электролиза воды применяется постоянный ток, который пропускается через раствор NaOH или КОН (кислоты не используют во избежание коррозии аппаратуры). В лабораторных условиях материал получают электролизом воды или в результате реакции между соляной кислотой и цинком. Однако чаще применяют готовый заводской материал в баллонах.

Из газов нефтепереработки и коксового газа данный элемент выделяют путем удаления всех остальных компонентов газовой смеси, так как они легче сжижаются при глубоком охлаждении.

Промышленным образом этот материал стали получать еще в конце XVIII века. Тогда его использовали для наполнения воздушных шаров. На данный момент водород широко применяют в промышленности, главным образом - в химической, для производства аммиака.

Массовые потребители вещества - производители метилового и прочих спиртов, синтетического бензина и многих других продуктов. Их получают синтезом из оксида углерода (II) и водорода. Hydrogene используют для гидрогенизации тяжелого и твердого жидкого топлива, жиров и пр., для синтеза HCl, гидроочистки нефтепродуктов, а также в резке/сварке металлов. Важнейшими элементами для атомной энергетики являются его изотопы - тритий и дейтерий.

Биологическая роль водорода

Около 10 % массы живых организмов (в среднем) приходится на этот элемент. Он входит в состав воды и важнейших групп природных соединений, включая белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы. Для чего он служит?

Этот материал играет решающую роль: при поддержании пространственной структуры белков (четвертичной), в осуществлении принципа комплиментарности нуклеиновых кислот (т. е. в реализации и хранении генетической информации), вообще в «узнавании» на молекулярном уровне.

Ион водорода Н+ принимает участие в важных динамических реакциях/процессах в организме. В том числе: в биологическом окислении, которое обеспечивает живые клетки энергией, в реакциях биосинтеза, в фотосинтезе у растений, в бактериальном фотосинтезе и азотфиксации, в поддержании кислотно-щелочного баланса и гомеостаза, в мембранных процессах транспорта. Наряду с углеродом и кислородом он образует функциональную и структурную основы явлений жизни.

Водород – это газ, именно он находится на первом месте в Периодической системе. Название этого широко распространенного в природе элемента в переводе с латыни означает «порождающий воду». Так какие физические и химические свойства водорода нам известны?

Водород: общая информация

При обычных условиях водород не имеет ни вкуса, ни запаха, ни цвета.

Рис. 1. Формула водорода.

Поскольку атом имеет один энергетический электронный уровень, на котором могут находиться максимум два электрона, то для устойчивого состояния атом может как принять один электрон (степень окисления -1), так и отдать отдать один электрон (степень окисления +1), проявляя постоянную валентность I. Именно поэтому символ элемента водорода помещают не только в IA группу (главную подгруппу I группы) вместе со щелочными металлами, но и в VIIA группу (главную подгруппу VII группы) вместе с галогенами. Атомам галогенов тоже не хватает одного электрона до заполнения внешнего уровня, и они, как и водород, являются неметаллами. Водород проявляет положительную степень окисления в соединениях, где он связан с более электроотрицательными элементами-неметаллами, а отрицательную степень окисления – в соединениях с металлами.

Рис. 2. Расположение водорода в периодической системе.

У водорода есть три изотопа, каждый из которых имеет собственное название: протий, дейтерий, тритий. Количество последнего на Земле ничтожно.

Химические свойства водорода

В простом веществе H 2 связь между атомами прочная (энергия связи 436 кДж/моль), поэтому активность молекулярного водорода невелика. При обычных условиях он взаимодействует только с очень активными металлами, а единственным неметаллом, с которым водород вступает в реакцию, является фтор:

F 2 +H 2 =2HF (фтороводород)

С другими простыми (металлами и неметаллами) и сложными (оксидами, органическими неопределенными соединениями) веществами водород реагирует либо при облучении и повышении температуры, либо в присутствии катализатора.

Водород горит в кислороде с выделением значительного количества теплоты:

2H 2 +O 2 =2H 2 O

Смесь водорода с кислородом (2 объема водорода и 1 объем кислорода) при поджигании сильно взрывается и поэтому носит название гремучего газа. При работе с водородом следует соблюдать правила техники безопасности.

Рис. 3. Гремучий газ.

В присутствии катализаторов газ может реагировать с азотом:

3H 2 +N 2 =2NH 3

– по этой реакции при повышенных температурах и давлении в промышленности получают аммиак.

В условиях высокой температуры водород способен реагировать с серой, селеном, теллуром. а при взаимодействии с щелочными и щелочноземельными металлами происходит образование гидридов:4.3 . Всего получено оценок: 186.