Водень – це газ, саме він знаходиться на першому місці у Періодичній системі. Назва цього широко поширеного в природі елемента в перекладі з латини означає «що породжує воду». Тож які фізичні та хімічні властивості водню нам відомі?

Водень: загальна інформація

За звичайних умов водень немає ні смаку, ні запаху, ні кольору.

Рис. 1. Формула водню.

Оскільки атом має один енергетичний електронний рівень, на якому можуть знаходитися максимум два електрони, то для стійкого стану атом може прийняти як один електрон (ступінь окислення -1), так і віддати один електрон (ступінь окислення +1), проявляючи постійну валентність I. Саме тому символ елементу водню поміщають не тільки в IA групу (головну підгрупу I групи) разом із лужними металами, а й у VIIA групу (головну підгрупу VII групи) разом із галогенами. Атомам галогенів теж не вистачає одного електрона до заповнення зовнішнього рівня, і вони, як водень, є неметалами. Водень виявляє позитивний ступінь окислення в сполуках, де він пов'язаний з електронегативними елементами-неметалами, а негативний ступіньокиснення - у з'єднаннях з металами.

Рис. 2. Розташування водню у періодичній системі.

Водень має три ізотопи, кожен з яких має власну назву: протий, дейтерій, тритій. Кількість останнього Землі мізерна.

Хімічні властивості водню

У простій речовині H 2 зв'язок між атомами міцна (енергія зв'язку 436 кДж/моль), тому активність молекулярного водню невелика. За звичайних умов він взаємодіє лише з дуже активними металами, а єдиним неметалом, з яким водень входить у реакцію, є фтор:

F 2 +H 2 =2HF (фторівник)

З іншими простими (металами та неметалами) та складними (оксидами, органічними невизначеними сполуками) речовинами водень реагує або при опроміненні та підвищенні температури, або в присутності каталізатора.

Водень горить у кисні з виділенням значної кількості теплоти:

2H 2 +O 2 =2H 2 O

Суміш водню з киснем (2 об'єму водню та 1 об'єм кисню) при підпалюванні сильно вибухає і тому зветься гримучого газу. При роботі з воднем слід дотримуватись правил техніки безпеки.

Рис. 3. Гримучий газ.

У присутності каталізаторів газ може реагувати з азотом:

3H 2 +N 2 =2NH 3

– за цією реакцією при підвищених температурах та тиску в промисловості одержують аміак.

В умовах високої температури водень здатний реагувати із сіркою, селеном, телуром. а при взаємодії з лужними та лужноземельними металами відбувається утворення гідридів:

– у даному випадкуводень грає роль окислювача.

Водень має особливість у разі підвищення температури відновлювати оксиди багатьох металів, у результаті утворюється вода. Наприклад:

CuO+H 2 =H 2 O+Cu

- У цьому процесі водень є відновником4.3. Усього отримано оцінок: 70.

Промислові способи отримання простих речовин залежать від того, в якому вигляді відповідний елемент знаходиться в природі, тобто може бути сировиною для його отримання. Так, кисень, що у вільному стані, отримують фізичним способом - виділенням з рідкого повітря. Водень ж практично весь знаходиться у вигляді сполук, тому для його отримання застосовують хімічні методи. Зокрема, можуть бути використані реакції розкладання. Одним із способів отримання водню є реакція розкладання води електричним струмом.

Основний промисловий спосіб отримання водню – реакція з водою метану, що входить до складу природного газу. Вона проводиться при високій температурі (легко переконатися, що при пропущенні метану навіть через киплячу воду жодної реакції не відбувається):

СН 4 + 2Н 2 0 = CO 2 + 4Н 2 - 165 кДж

У лабораторії для отримання простих речовин використовують не обов'язково природну сировину, а вибирають вихідні речовини, з яких легше виділити необхідну речовину. Наприклад, у лабораторії кисень не отримують із повітря. Це саме стосується і отримання водню. Один з лабораторних способів отримання водню, який застосовується іноді і в промисловості, - розкладання води електрострумом.

Зазвичай у лабораторії водень отримують взаємодією цинку із соляною кислотою.

У промисловості

1.Електроліз водних розчинів солей:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Пропускання парів води над розпеченим коксомпри температурі близько 1000°C:

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.Із природного газу.

Конверсія з водяною парою: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Каталітичне окислення киснем: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Крекінг та реформінг вуглеводнів у процесі переробки нафти.

В лабораторії

1.Дія розведених кислот на метали.Для проведення такої реакції найчастіше використовують цинк та соляну кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Взаємодія кальцію з водою:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Гідроліз гідридів:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Дія лугів на цинк або алюміній:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.За допомогою електролізу.При електролізі водних розчинів лугів або кислот на катоді відбувається виділення водню, наприклад:

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

• Біореактор для виробництва водню

Фізичні властивості

Газоподібний водень може існувати у двох формах (модифікаціях) – у вигляді орто- та пара-водню.

У молекулі ортоводороду (т. пл. −259,10 °C, т. кіп. −252,56 °C) ядерні спини спрямовані однаково (паралельні), а у параводню (т. пл. −259,32 °C, т кіп −252,89 °C) - протилежно один одному (антипаралельні).

Розділити алотропні форми водню можна адсорбцією на активному вугіллі за нормальної температури рідкого азоту. При дуже низьких температурахрівновага між ортоводородом і параводнем майже націло зрушена в бік останнього. При 80 К співвідношення форм приблизно 1:1. Десорбований параводень при нагріванні перетворюється на ортоводород аж до утворення рівноважної при кімнатній температурісуміші (орто-пара: 75:25). Без каталізатора перетворення відбувається повільно, що дозволяє вивчити властивості окремих алотропних форм. Молекула водню двоатомна - Н₂. За звичайних умов - це газ без кольору, запаху та смаку. Водень - найлегший газ, його щільність набагато менше щільності повітря. Очевидно, що чим менше маса молекул, тим вища їхня швидкість при одній і тій же температурі. Як найлегші, молекули водню рухаються швидше за молекули будь-якого іншого газу і тим швидше можуть передавати теплоту від одного тіла до іншого. Звідси випливає, що водень має найвищу теплопровідність серед газоподібних речовин. Його теплопровідність приблизно в сім разів вища за теплопровідність повітря.

Хімічні властивості

Молекули водню Н₂ досить міцні, і для того, щоб водень міг вступити в реакцію, має бути витрачена велика енергія: Н 2 =2Н - 432 кДж. звичайних температурахводень реагує тільки з дуже активними металами, наприклад з кальцієм, утворюючи гідрид кальцію: Ca + Н 2 = СаН 2 і з єдиним неметалом - фтором, утворюючи фтороводород: F 2 +H 2 =2HF З більшістю металів і неметалів водень реагує при підвищеній температуріабо при іншій дії, наприклад, при освітленні. Він може «віднімати» кисень від деяких оксидів, наприклад: CuO + Н 2 = Cu + Н 2 0 Записане рівняння відображає реакцію відновлення. Реакціями відновлення називають процеси, в результаті яких від з'єднання віднімається кисень; речовини, що забирають кисень, називаються відновниками (при цьому вони самі окислюються). Далі буде дано й інше визначення понять «окислення» та «відновлення». А дане визначення, історично перше, зберігає значення й у час, особливо у органічної хімії. Реакція відновлення протилежна реакції окиснення. Обидві ці реакції завжди протікають одночасно як один процес: при окисленні (відновленні) однієї речовини обов'язково одночасно відбувається відновлення (окислення) іншої.

N 2 + 3H 2 → 2 NH 3

З галогенами утворює галогеноводороди:

F 2 + H 2 → 2 HF, реакція протікає з вибухом у темряві та за будь-якої температури, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, реакція протікає з вибухом, тільки на світлі.

З сажею взаємодіє при сильному нагріванні:

C + 2H 2 → CH 4

Взаємодія з лужними та лужноземельними металами

Водень утворює з активними металами гідриди:

Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2

Гідриди- солеподібні, тверді речовини, що легко гідролізуються:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Взаємодія з оксидами металів (як правило, d-елементів)

Оксиди відновлюються до металів:

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

Гідрування органічних сполук

При дії водню на ненасичені вуглеводні у присутності нікелевого каталізатора та підвищеній температурі відбувається реакція гідрування:

CH 2 = CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

Водень відновлює альдегіди до спиртів:

CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.

Геохімія водню

Водень - основний будівельний матеріалвсесвіту. Це найпоширеніший елемент і всі елементи утворюються з нього в результаті термоядерних і ядерних реакцій.

Вільний водень H 2 відносно рідко зустрічається у земних газах, але у вигляді води він бере виключно важливу участь у геохімічних процесах.

До складу мінералів водень може входити у вигляді іону амонію, гідроксил-іона та кристалічної води.

В атмосфері водень безперервно утворюється внаслідок розкладання води сонячним випромінюванням. Він мігрує у верхні шари атмосфери і випаровується в космос.

Застосування

• Воднева енергетика

Атомарний водень використовується для атомно-водневого зварювання.

У харчовій промисловості водень зареєстрований як харчової добавки E949як пакувальний газ.

Особливості звернення

Водень при суміші з повітрям утворює вибухонебезпечну суміш – так званий гримучий газ. Найбільшу вибухонебезпечність цей газ має при об'ємному відношенні водню та кисню 2:1, або водню та повітря приблизно 2:5, оскільки у повітрі кисню міститься приблизно 21%. Також водень пожежонебезпечний. Рідкий водень при попаданні на шкіру може спричинити сильне обмороження.

Вибухонебезпечні концентрації водню з киснем виникають від 4% до 96% об'ємних. При суміші з повітрям від 4% до 75(74) % об'ємних.

Використання водню

У хімічної промисловостіводень використовують при виробництві аміаку, мила та пластмас. У харчовій промисловості за допомогою водню з рідких рослинних олійроблять маргарин. Водень дуже легкий і в повітрі завжди піднімається нагору. Колись дирижаблі та повітряні кулінаповнювали воднем. Але в 30-х роках. XX ст. сталося кілька жахливих катастроф, коли дирижаблі вибухали та згоряли. Нині дирижаблі наповнюють газом гелієм. Водень використовують також як ракетне паливо. Колись водень, можливо, будуть широко застосовувати як паливо для легкових та вантажних автомобілів. Водневі двигунине забруднюють довкілляі виділяють лише водяну пару (щоправда, саме одержання водню призводить до деякого забруднення навколишнього середовища). Наше Сонце здебільшого складається з водню. Сонячне тепло та світло - це результат виділення ядерної енергіїпри злитті ядер водню.

Використання водню як паливо (економічна ефективність)

Найважливішою характеристикою речовин, що використовуються як паливо, є їхня теплота згоряння. З курсу загальної хіміївідомо, що взаємодія водню з киснем відбувається із тепла. Якщо взяти 1 моль H 2 (2 г) та 0,5 моль O 2 (16 г) за стандартних умов і порушити реакцію, то відповідно до рівняння

Н 2 + 0,5 О 2 = Н 2 О

після завершення реакції утворюється 1 моль H 2 O (18 г) з виділенням енергії 285,8 кДж/моль (для порівняння: теплота згоряння ацетилену становить 1300 кДж/моль, пропану - 2200 кДж/моль). 1 м водню важить 89,8 г (44,9 моль). Тому для отримання 1 м водню буде витрачено 12832,4 кДж енергії. З урахуванням того, що 1 кВт·год = 3600 кДж, отримаємо 3,56 кВт·год електроенергії. Знаючи тариф на 1 кВт·год електрики та вартість 1 м³ газу, можна робити висновок про доцільність переходу на водневе паливо.

Наприклад, експериментальна модель Honda FCX 3 покоління із баком водню 156 л (містить 3,12 кг водню під тиском 25 МПа) проїжджає 355 км. Відповідно з 3,12 кг H2 виходить 123,8 кВт · год. На 100 км витрата енергії становитиме 36,97 кВт·год. Знаючи вартість електроенергії, вартість газу чи бензину, їхню витрату для автомобіля на 100 км легко підрахувати негативний економічний ефект переходу автомобілів на водневе паливо. Скажімо (Росія 2008), 10 центів за кВт·год електроенергії призводять до того, що 1 м³ водню призводять до ціни 35,6 центу, а з урахуванням ККД розкладання води 40-45 центів, така ж кількість кВт·год від спалювання бензину коштує 12832,4кДж/42000кДж/0,7кг/л*80центів/л=34 центи за роздрібними цінами, тоді як для водню ми вираховували ідеальний варіант, без урахування транспортування, амортизації обладнання і т. д. Для метану з енергією згоряння близько 39 МДж на м³ результат буде нижчим у два-чотири рази через різницю в ціні (1м³ для України коштує 179$, а для Європи 350$) . Тобто еквівалентна кількість метану коштуватиме 10-20 центів.

Однак не слід забувати, що при спалюванні водню ми отримуємо чисту воду, з якої його і видобули. Тобто маємо поновлюваний запасникенергії без шкоди для довкілля, на відміну газу чи бензину, які є первинними джерелами енергії.

Php on line 377 Warning: require(http://www..php): failed to open stream: не надійний брокер може бути в /hsphere/local/home/winexins/сайт/tab/vodorod.php on line 377 Fatal error: require(): Failed opening required "http://www..php" (include_path="..php on line 377

10.1. Водень

Назва "водень" відноситься і до хімічного елемента, і до простої речовини. Елемент воденьскладається з атомів водню. Проста речовина воденьскладається із молекул водню.

а) Хімічний елемент водень

У ряді елементів порядковий номер водню – 1. У системі елементів водень перебуває у першому періоді в IA чи VIIA групі.

Водень – один із найпоширеніших елементів на Землі. Молярна частка атомів водню в атмосфері, гідросфері та літосфері Землі (все разом це називається земною корою) дорівнює 0,17. Він входить до складу води, багатьох мінералів, нафти, природного газу, рослин та тварин. У тілі людини у середньому міститься близько семи кілограмів водню.

Існують три ізотопи водню:
а) легкий водень - протий,
б) важкий водень - дейтерій(D),
в) надважкий водень - тритій(Т).

Тритій нестійкий (радіоактивний) ізотоп, у природі він мало зустрічається. Дейтерій стійкий, але дуже мало: w D = 0,015% (від маси всього земного водню). Тому атомна маса водню дуже мало відрізняється від 1 Дн (1,00794 Дн).

б) Атом водню

З попередніх розділівкурсу хімії вам відомі такі характеристики атома водню:

Валентні можливості атома водню визначаються наявністю одного електрона єдиної валентної орбіталі. Велика енергія іонізації робить атом водню не схильний до віддачі електрона, а не надто висока енергія спорідненості до електрона призводить до незначної схильності його приймати. Отже, у хімічних системах утворення катіону Н неможливе, а сполуки з аніоном Н не надто стійкі. Таким чином, для атома водню найбільш характерним є утворення з іншими атомами ковалентного зв'язку за рахунок свого одного неспареного електрона. І у разі утворення аніону, і у разі утворення ковалентного зв'язку атом водню одновалентний.
У простій речовині ступінь окиснення атомів водню дорівнює нулю, у більшості сполук водень виявляє ступінь окиснення +I, і тільки в гідридах найменш електронегативних елементів у водню ступінь окиснення -I.
Відомості про валентні можливості атома водню наведені в таблиці 28. Валентний стан атома водню, пов'язаного одним ковалентним зв'язком з будь-яким атомом, у таблиці позначено символом "H-".

Таблиця 28Валентні можливості атома водню

в) Молекула водню

Двохатомна молекула водню Н 2 утворюється при зв'язуванні атомів водню єдиним можливим для них ковалентним зв'язком. Зв'язок утворюється за обмінним механізмом. За способом перекриття електронних хмар це s-зв'язок (рис. 10.1 а). Оскільки атоми однакові, зв'язок неполярний.

Межатомна відстань (точніше рівноважна міжатомна відстань, адже атоми коливаються) в молекулі водню r(H-H) = 0,74 A (рис.10.1 в), що значно менше від суми орбітальних радіусів (1,06 A). Отже, електронні хмари атомів, що зв'язуються, перекриваються глибоко (рис. 10.1 б), і зв'язок у молекулі водню міцний. Про це говорить і досить велике значенняенергії зв'язку (454 кДж/моль).
Якщо охарактеризувати форму молекули граничною поверхнею (аналогічною граничній поверхні електронної хмари), то можна сказати, що молекула водню має форму деформованої (витягнутої) кулі (рис. 10.1). г).

г) Водень (речовина)

За звичайних умов водень – газ без кольору та запаху. У невеликих кількостях він нетоксичний. Твердий водень плавиться при 14 К (-259 ° С), а рідкий водень кипить при 20 К (-253 ° С). Низькі температури плавлення та кипіння, дуже маленький температурний інтервал існування рідкого водню (всього 6 °С), а також невеликі значення молярних теплот плавлення (0,117 кДж/моль) та пароутворення (0,903 кДж/моль) говорять про те, що міжмолекулярні зв'язки у водні дуже слабкі.
Щільність водню r(Н2) = (2 г/моль):(22,4 л/моль) = 0,0893 г/л. Для порівняння: середня густина повітря дорівнює 1,29 г/л. Тобто водень у 14,5 рази "легший" за повітря. У воді він практично нерозчинний.
При кімнатній температурі водень є малоактивним, але при нагріванні реагує з багатьма речовинами. У цих реакціях атоми водню можуть як підвищувати, і знижувати свій рівень окислення: Н 2 + 2 е- = 2Н -I, Н 2 - 2 е- = 2Н + I .
У першому випадку водень є окислювачем, наприклад, у реакціях з натрієм або кальцієм: 2Na + H 2 = 2NaH, ( t) Ca + H 2 = CaH 2 . ( t)
Але найбільш характерні для водню відновлювальні властивості: O 2 + 2H 2 = 2H 2 O, ( t)
CuO + H 2 = Cu + H 2 O. ( t)
При нагріванні водень окислюється як киснем, а й деякими іншими неметалами, наприклад, фтором, хлором, сіркою і навіть азотом.
У лабораторії водень одержують у результаті реакції

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2.

Замість цинку можна використовувати залізо, алюміній та деякі інші метали, а замість сірчаної кислоти – деякі інші розведені кислоти. Водень, що утворюється, збирають у пробірку методом витіснення води (див. рис. 10.2 б) або просто в перевернуту колбу (рис. 10.2 а).

У промисловості у великих кількостях водень одержують із природного газу (в основному це метан) при взаємодії його з парами води при 800 °С у присутності нікелевого каталізатора:

CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 +CO 2 ( t, Ni)

або обробляють при високій температурі парами води вугілля:

2H 2 O + C = 2H 2 + CO 2 . ( t)

Чистий водень одержують із води, розкладаючи її електричним струмом (піддаючи електролізу):

2H 2 O = 2H 2 + O 2 (електроліз).

д) З'єднання водню

Гідриди (бінарні сполуки, що містять водень) поділяються на два основні типи:
а) леткі (молекулярні) гідриди,
б) солеподібні (іонні) гідриди.
Елементи IVА – VIIA груп та бор утворюють молекулярні гідриди. З них стійкі лише гідриди елементів, що утворюють неметали:

B 2 H 6; CH 4; NH 3; H 2 O; HF
SiH 4; PH 3; H 2 S; HCl
AsH 3; H 2 Se; HBr
H 2 Te; HI
За винятком води, всі ці сполуки за кімнатної температури – газоподібні речовини, звідси їх назва – "летючі гідриди".
Деякі з елементів, що утворюють неметали, входять до складу і складніших гідридів. Наприклад, вуглець утворює сполуки із загальними формулами C n H 2 n+2, C n H 2 n, C n H 2 n-2 та інші, де nможе бути дуже велике (ці сполуки вивчає органічна хімія).
До іонних гідридів відносяться гідриди лужних, лужноземельних елементів та магнію. Кристали цих гідридів складаються з аніонів Н і катіонів металу вищою мірою окислення Ме або Ме 2 (залежно від групи системи елементів).

І іонні, і багато молекулярні гідриди (крім Н 2 Про і НF) є відновниками, але іонні гідриди виявляють відновлювальні властивості значно сильніше, ніж молекулярні.
Крім гідридів, водень входить до складу гідроксидів та деяких солей. З властивостями цих, складніших, сполук водню ви познайомитеся у наступних розділах.
Головними споживачами водню, що отримується в промисловості, є заводи з виробництва аміаку і азотних добрив, де аміак отримують безпосередньо з азоту та водню:

N 2 +3H 2 2NH 3 ( Р, t, Pt - каталізатор).

У великих кількостях водень використовують для отримання метилового спирту (метанолу) по реакції 2Н 2 + СО = СН 3 ВІН ( t, ZnO – каталізатор), а також у виробництві хлороводню, який отримують безпосередньо з хлору та водню:

H 2 + Cl 2 = 2HCl.

Іноді водень використовують у металургії як відновник при отриманні чистих металів, наприклад: Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.

1.З яких частинок складаються ядра а) протию, б) дейтерію, в) тритію?
2.Порівняйте енергію іонізації атома водню з енергією іонізації атомів інших елементів. До якого елемента за цією характеристикою водень найближчий?
3. Проробіть те саме для енергії спорідненості до електрона
4.Порівняйте напрямок поляризації ковалентного зв'язку та ступінь окислення водню в сполуках: а) BeH 2 ,CH 4 , NH 3 , H 2 O, HF; б) CH 4 SiH 4 GeH 4 .
5.Запишіть найпростішу, молекулярну, структурну та просторову формулу водню. Яка з них найчастіше використовується?
6. Часто кажуть: "Водень легший за повітря". Що під цим мається на увазі? У яких випадках цей вираз можна розуміти буквально, а в яких ні?
7.Складіть структурні формули гідридів калію та кальцію, а також аміаку, сірководню та бромоводню.
8. Знаючи молярні теплоти плавлення та пароутворення водню, визначте значення відповідних питомих величин.
9. Для кожної з чотирьох реакцій, що ілюструють основні хімічні властивості водню, складіть електронний баланс. Позначте окислювачі та відновники.
10.Визначте масу цинку, необхідного для одержання 4,48 л водню лабораторним способом.
11.Визначте масу та об'єм водню, який можна отримати з 30 м 3 суміші метану та парів води, взятих в об'ємному відношенні 1:2, при виході 80 %.
12.Складіть рівняння реакцій, що протікають при взаємодії водню а) зі фтором, б) із сіркою.
13.Наведені нижче схеми реакцій ілюструють основні хімічні властивості іонних гідридів:

а) MH + O 2 MOH ( t); б) MH + Cl 2 MCl + HCl ( t);
в) MH + H 2 O MOH + H 2; г) MH + HCl(p) MCl + H 2
Тут М – це літій, натрій, калій, рубідій чи цезій. Складіть рівняння відповідних реакцій, якщо М – натрій. Проілюструйте рівняння реакцій хімічні властивості гідриду кальцію.
14. Використовуючи метод електронного балансу, складіть рівняння наступних реакцій, що ілюструють відновлювальні властивості деяких молекулярних гідридів:
а) HI + Cl 2 HCl + I 2 ( t); б) NH 3 + O 2 H 2 O + N 2 ( t); в) CH 4 + O 2 H 2 O + CO 2 ( t).

Як і у випадку водню, слово "кисень" є назвою і хімічного елемента, і простої речовини. Крім простої речовини кисень"(дикисень) хімічний елемент кисень утворює ще одну просту речовину, яка називається " озон"(Трикисень). Це алотропні модифікації кисню. Речовина кисень складається з молекул кисню O 2 а речовина озон складається з молекул озону O 3 .

а) Хімічний елемент кисень

У ряді елементів порядковий номер кисню – 8. У системі елементів кисень перебуває у другому періоді у VIA групі.
Кисень – найпоширеніший елемент Землі. У земної корикожен другий атом - атом кисню, тобто молярна частка кисню в атмосфері, гідросфері та літосфері Землі - близько 50%. Кисень (речовина) – складова частинаповітря. Об'ємна частка кисню повітря –21 %. Кисень (елемент) входить до складу води, багатьох мінералів, а також рослин та тварин. У тілі людини міститься у середньому 43 кг кисню.
Природний кисень складається з трьох ізотопів (16 Про, 17 Про і 18 Про), з яких найбільш поширений найлегший ізотоп 16 Про. Тому атомна маса кисню близька до 16 Дн (15,9994 Дн).

б) Атом кисню

Вам відомо наступні характеристики атома кисню.

Таблиця 29Валентні можливості атома кисню

* Ці оксиди можна розглядати і як іонні сполуки.
** Атоми кисню в молекулі не перебувають у даному валентному стані; це лише приклад речовини зі ступенем окислення атомів кисню, що дорівнює нулю.
Велика енергія іонізації (як у водню) виключає утворення атома кисню простого катіону. Енергія спорідненості до електрона досить велика (майже вдвічі більше, ніж у водню), що забезпечує більшу схильність атома кисню до приєднання електронів і здатність утворювати аніони 2A. Але енергія спорідненості до електрона в атома кисню все ж таки менша, ніж у атомів галогенів і навіть інших елементів VIA групи. Тому аніони кисню ( оксид-іони) існують лише у сполуках кисню з елементами, атоми яких дуже легко віддають електрони.
Узагальнюючи два неспарені електрони, атом кисню може утворити два ковалентні зв'язки. Дві неподілені пари електронів через неможливість збудження можуть вступати лише у донорно-акцепторну взаємодію. Таким чином, без урахування кратності зв'язку та гібридизації атом кисню може перебувати в одному з п'яти валентних станів (табл. 29).
Найбільш характерний для атома кисню валентний стан з Wдо = 2, тобто утворення двох ковалентних зв'язків за рахунок двох неспарених електронів.
Дуже висока електронегативність атома кисню (вище - тільки у фтору) призводить до того, що в більшості своїх сполук кисень має ступінь окислення -II. Існують речовини, в яких кисень виявляє інші значення ступеня окислення, деякі з них наведені в таблиці 29 як приклади, а порівняльна стійкість показана на рис. 10.3.

в) Молекула кисню

Експериментально встановлено, що двоатомна молекула кисню 2 містить два неспарені електрони. Використовуючи метод валентних зв'язків, таку електронну будову цієї молекули неможливо пояснити. Тим не менш, зв'язок у молекулі кисню близька за властивостями до ковалентного. Молекула кисню неполярна. Межатомна відстань ( r o–o = 1,21 (A = 121 нм) менше, ніж відстань між атомами, пов'язаними простим зв'язком. Молярна енергія зв'язку досить велика і становить 498 кДж/моль.

г) Кисень (речовина)

За звичайних умов кисень – газ без кольору та запаху. Твердий кисень плавиться при 55 К (-218 ° С), а рідкий кисень кипить при 90 К (-183 ° С).
Міжмолекулярні зв'язки у твердому та рідкому кисні дещо міцніші, ніж у водні, про що свідчить більший температурний інтервал існування рідкого кисню (36 °С) та більші, ніж у водню, молярні теплоти плавлення (0,446 кДж/моль) та пароутворення (6, 83 кДж/моль).
Кисень незначно розчинний у воді: при 0 ° С у 100 об'ємах води (рідкої!) Розчиняється всього 5 обсягів кисню (газу!).
Висока схильність атомів кисню до приєднання електронів і висока електронегативність призводять до того, що кисень виявляє лише окисні властивості. Ці властивості особливо яскраво виявляються за високої температури.
Кисень реагує з багатьма металами: 2Ca + O 2 = 2CaO, 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 ( t);
неметалами: C + O 2 = CO 2, P 4 + 5O 2 = P 4 O 10
та складними речовинами: CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O, 2H 2 S + 3O 2 = 2H 2 O + 2SO 2 .

Найчастіше в результаті таких реакцій виходять різні оксиди (див. гл. II § 5), але активні лужні метали, наприклад натрій, згоряючи, перетворюються на пероксиди:

2Na + O2 = Na2O2.

Структурна формула пероксиду натрію (Na ) 2 ( O-O ), що вийшов.
Тліюча лучинка, поміщена в кисень, спалахує. Це зручний та простий спосіб виявлення чистого кисню.
У промисловості кисень отримують з повітря шляхом ректифікації (складної розгонки), а в лабораторії - піддаючи термічного розкладання деякі кисневмісні сполуки, наприклад:
2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200 °С);
2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 (150 ° С, MnO 2 - каталізатор);
2KNO 3 = 2KNO 2 + 3O 2 (400 °С)
і, крім того, шляхом каталітичного розкладання пероксиду водню за кімнатної температури: 2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (MnO 2 –каталізатор).
Чистий кисень використовують у промисловості для інтенсифікації тих процесів, у яких відбувається окислення, та для створення високотемпературного полум'я. У ракетній техніці як окислювач використовується рідкий кисень.
Велике значення має кисень для підтримки життєдіяльності рослин, тварин та людини. У звичайних умовах людині достатньо дихання кисню повітря. Але в умовах, коли повітря не вистачає, або він взагалі відсутній (у літаках, при водолазних роботах, космічних корабляхі т. п.), для дихання готують спеціальні газові суміші, що містять кисень. Застосовують кисень і в медицині при захворюваннях, що викликають утруднення дихання.

д) Озон та його молекули

Озон O3 – друга алотропна модифікація кисню.
Трихатомна молекула озону має кутову структуру, середню між двома структурами, що відображаються такими формулами:

Озон – темно-синій газ із різким запахом. Через свою сильну окислювальну активність він отруйний. Озон у півтора рази "важчий" кисню і трохи більше, ніж кисень, розчинний у воді.
Озон утворюється в атмосфері з кисню при електричних грозових розрядах:

3О 2 = 2О 3 ().

За нормальної температури озон повільно перетворюється на кисень, а при нагріванні цей процес протікає з вибухом.
Озон міститься в так званому озоновому шарі земної атмосфери, оберігаючи все живе на Землі від шкідливого впливу сонячного випромінювання.
У деяких містах озон використовується замість хлору для дезінфекції (знезараження) питної води.

Зобразіть структурні формули наступних речовин: OF 2 , H 2 O, H 2 O 2 , H 3 PO 4 , (H 3 O) 2 SO 4 , BaO, BaO 2 , Ba(OH) 2 . Назвіть ці речовини. Опишіть валентні стани атомів кисню у цих сполуках.
Визначте валентність та ступінь окислення кожного з атомів кисню.
2.Складіть рівняння реакцій згоряння в кисні літію, магнію, алюмінію, кремнію, червоного фосфору і селену (атоми селену окислюються до ступеня окиснення +IV, атоми інших елементів – до вищого ступеня окиснення). До яких класів оксидів належать продукти цих реакцій?
3. Скільки літрів озону можна отримати (за нормальних умов) а) з 9 л кисню, б) з 8 г кисню?

Вода – найпоширеніша у земній корі речовина. Маса земної води оцінюється у 10 18 тонн. Вода - основа гідросфери нашої планети, крім того, вона міститься в атмосфері, у вигляді льоду утворює полярні шапки Землі та високогірні льодовики, а також входить до складу різних гірських порід. Масова частка води в організмі людини становить близько 70 %.
Вода – єдина речовина, яка має у всіх трьох агрегатних станах свої особливі назви.

Електронна будова молекули води (рис. 10.4) а) нами було детально вивчено раніше (див. § 7.10).
Через полярність зв'язків О–Н та кутової форми молекула води є електричний диполь.

Для характеристики полярності електричного диполя використовується фізична величина, яка називається " електричний момент електричного диполяабо просто " дипольний момент".

У хімії дипольний момент вимірюють у дебаях: 1 Д = 3,34. 10 -30 Кл. м

У молекулі води – два полярні ковалентні зв'язки, тобто два електричні диполі, кожен з яких має свій дипольний момент (і ). Загальний дипольний момент молекули дорівнює векторній сумі цих двох моментів (рис. 10.5):

(Н 2 О) = ,

де q 1 і q 2 – часткові заряди (+) на атомах водню, а й – міжатомні відстані ПРО – Н у молекулі. Так як q 1 = q 2 = q, а , то

Експериментально певні дипольні моменти молекули води та деяких інших молекул наведено у таблиці.

Таблиця 30Дипольні моменти деяких полярних молекул

Враховуючи дипольний характер молекули води, її часто схематично зображують так:
Чиста вода – безбарвна рідина без смаку та запаху. Деякі основні фізичні характеристики води наведено у таблиці.

Таблиця 31Деякі фізичні характеристики води

Великі значення молярних теплот плавлення та пароутворення (на порядок більше, ніж у водню та кисню) свідчать про те, що молекули води, як у твердій, так і рідкій речовині, досить міцно пов'язані між собою. Ці зв'язки називають " водневими зв'язками".

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ДИПОЛЬ, ДИПОЛЬНИЙ МОМЕНТ, ПОЛЯРНІСТЬ ЗВ'ЯЗКУ, ПОЛЯРНІСТЬ МОЛЕКУЛИ.
Скільки валентних електронів атома кисню бере участь в утворенні зв'язків у молекулі води?
2.При перекриванні яких орбіталей утворюються зв'язки між воднем і киснем у молекулі води?
3.Складіть схему утворення зв'язків у молекулі пероксиду водню H 2 O 2 . Що ви можете сказати про просторову будову цієї молекули?
4.Межатомні відстані в молекулах HF, HCl та HBr рівні, відповідно, 0,92; 1,28 та 1,41. Використовуючи таблицю дипольних моментів, розрахуйте та порівняйте між собою часткові заряди на атомах водню у цих молекулах.
5. Межатомні відстані S - H в молекулі сірководню рівні 1,34, а кут між зв'язками 92 °. Визначте значення часткових зарядів на атомах сірки та водню. Що ви можете сказати про гібридизацію валентних орбіталей атома сірки?

Як ви вже знаєте, через суттєву різницю в електронегативності водню і кисню (2,10 і 3,50) у атома водню в молекулі води виникає великий позитивний частковий заряд ( qгод = 0,33 е), а атома кисню – ще більший негативний частковий заряд ( qгод = -0,66 е). Згадаймо також, що атом кисню має дві неподілені пари електронів на sp 3-гібридних АТ. Атом водню однієї молекули води притягується до атома кисню іншої молекули, і, крім того, напівпорожня 1s-АТ атома водню частково акцептує пару електронів атома кисню. Внаслідок цих взаємодій між молекулами виникає особливий вид міжмолекулярних зв'язків – водневий зв'язок.
У разі води утворення водневого зв'язку може бути схематично представлено таким чином:

В останній структурній формулі трьома точками (пунктирний штрих, а не електрони!) Показано водневий зв'язок.

Водневий зв'язок існує не лише між молекулами води. Вона утворюється, якщо дотримуються дві умови:
1) у молекулі є сильно полярний зв'язок Н–Е (Е – символ атома досить електронегативного елемента),
2) у молекулі є атом Е з великим негативним частковим зарядом та неподіленою парою електронів.
Як елемент Е може бути фтор, кисень і азот. Суттєво слабші водневі зв'язки, якщо Е – хлор чи сірка.
Приклади речовин з водневим зв'язком між молекулами: фтороводород, твердий або рідкий аміак, етиловий спирт та багато інших.

У рідкому фтороводороді його молекули пов'язані водневими зв'язками в досить довгі ланцюги, а рідкому і твердому аміаку утворюються тривимірні сітки.
За міцністю водневий зв'язок – проміжний між хімічним зв'язком та іншими видами міжмолекулярних зв'язків. Молярна енергія водневого зв'язку зазвичай лежить у межах від 5 до 50 кДж/моль.
У твердій воді (тобто в кристалах льоду) всі атоми водню пов'язані водневими зв'язками з атомами кисню, причому кожен атом кисню утворює по два водневі зв'язки (використовуючи обидві неподілені пари електронів). Така структура робить лід більш "пухким" порівняно з рідкою водою, де частина водневих зв'язків виявляється розірваною, і молекули отримують можливість дещо щільніше "упаковуватися". Ця особливість структури льоду пояснює, чому, на відміну більшості інших речовин, вода у твердому стані має меншу щільність, ніж у рідкому. Максимальної щільності вода досягає при 4 ° С - при цій температурі рветься досить багато водневих зв'язків, а теплове розширення ще не дуже позначається на щільності.
Водневі зв'язки мають дуже велике значення у нашому житті. Уявімо на хвилину, що водневі зв'язки перестали утворюватися. Ось деякі наслідки:

• вода при кімнатній температурі стала б газоподібною, оскільки її температура кипіння знизилася до приблизно –80 °С;
• всі водоймища стали б промерзати з дна, оскільки щільність льоду була б більшою за щільність рідкої води;
• перестала б існувати подвійна спіраль ДНК та багато іншого.

Наведених прикладів достатньо, щоб зрозуміти, що в цьому випадку природа на нашій планеті стала б зовсім іншою.

Водневий зв'язок, УМОВИ ЇЇ ОСВІТИ.
Формула етилового спирту СН 3 -СН 2 -О-Н. Між якими атомами різних молекул цієї речовини утворюються водневі зв'язки? Складіть структурні формули, що ілюструють їх освіту.
2. Водневі зв'язки існують не тільки в індивідуальних речовинах, а й у розчинах. Покажіть за допомогою структурних формул, як утворюються водневі зв'язки у водному розчині а) аміаку; б) фтороводню; в) етанолу (етилового спирту). = 2Н2О.
Обидві ці реакції протікають у воді постійно і з рівною швидкістю, отже, у воді існує рівновага: 2Н 2 О AН 3 О + ВІН .
Ця рівновага називається рівновагою автопротолізуводи.

Пряма реакція цього оборотного процесу ендотермічна, тому при нагріванні автопротоліз посилюється, при кімнатній температурі рівновагу зсунуто вліво, тобто концентрація іонів Н 3 Про і ВІН мізерні. Чому вони рівні?
За законом діючих мас

Але через те, що кількість молекул води, що прореагували, порівняно із загальним числом молекул води незначна, можна вважати, що концентрація води при автопротолізі практично не змінюється, і 2 = const Така низька концентрація різноіменно заряджених іонів у чистій водіпояснює, чому ця рідина, хоч і погано, але все ж таки проводить електричний струм.

АВТОПРОТОЛІЗ ВОДИ, КОНСТАНТУ АВТОПРОТОЛІЗУ (ІОННИЙ ТВІР) ВОДИ.
Іонний добуток рідкого аміаку (температура кипіння –33 °С) дорівнює 2·10 –28 . Складіть рівняння автопротолізу аміаку. Визначте концентрацію іонів амонію в чистому рідкому аміаку. Електропровідність якої речовини більша, води чи рідкого аміаку?

1. Отримання водню та його горіння (відновлювальні властивості).
2. Отримання кисню та горіння речовин у ньому (окисні властивості).

Рідкий

Водень(Лат. Hydrogenium; позначається символом H) - Перший елемент періодичної системи елементів. Широко поширений у природі. Катіон (і ядро) найпоширенішого ізотопу водню 1H - протон. Властивості ядра H дозволяють широко використовувати ЯМР-спектроскопію в аналізі органічних речовин.

Три ізотопи водню мають власні назви: 1 H - протий (Н), 2 H - дейтерій (D) і 3 H - тритій (радіоактивний) (T).

Проста речовина водень – H 2 – легкий безбарвний газ. У суміші з повітрям або киснем горючий і вибухонебезпечний. Нетоксичний. Розчинний в етанолі та ряді металів: залозі, нікелі, паладії, платині.

Історія

Виділення пального газу при взаємодії кислот та металів спостерігали у XVI та XVII століттяхна зорі становлення хімії як науки. Прямо вказував на виділення його і Михайло Ломоносов, але вже безперечно усвідомлюючи, що це не флогістон. Англійський фізик і хімік Генрі Кавендіш в 1766 досліджував цей газ і назвав його «горючим повітрям». При спалюванні «горюче повітря» давало воду, але відданість Кавендіша теорії флогістона завадила йому зробити правильні висновки. Французький хімік Антуан Лавуазьє разом з інженером Ж. Менье, використовуючи спеціальні газометри, в 1783 р. здійснив синтез води, та був і її аналіз, розклавши водяну пару розжареним залізом. Таким чином він встановив, що «горюче повітря» входить до складу води і може бути отримано з неї.

походження назви

Лавуазьє дав водню назву hydrogène - "що народжує воду". Російське найменування «водень» запропонував хімік М. Ф. Соловйов в 1824 - за аналогією сломоносівським «киснем».

Поширеність

Водень - найпоширеніший елемент у Всесвіті. На його частку припадає близько 92% всіх атомів (8% становлять атоми гелію, частка решти разом узятих елементів — менше 0,1%). Таким чином, водень - основна складова зірок і міжзоряного газу. В умовах зоряних температур (наприклад, температура поверхні Сонця ~ 6000 °C) водень існує у вигляді плазми, у міжзоряному просторі цей елемент існує у вигляді окремих молекул, атомів та іонів і може утворювати молекулярні хмари, які значно різняться за розмірами, щільністю та температурою.

Земна кора та живі організми

Масова частка водню в земній корі становить 1% - це десятий за поширеністю елемент. Однак його роль у природі визначається не масою, а числом атомів, частка яких серед інших елементів становить 17% (друге місце після кисню, частка атомів якого дорівнює ~52%). Тому значення водню в хімічних процесах, що відбуваються на Землі, майже так само велике, як і кисню. На відміну від кисню, що існує на Землі та у зв'язаному, і у вільному станах, практично весь водень на Землі знаходиться у вигляді сполук; Тільки дуже незначному кількості водень як простої речовини міститься у атмосфері (0,00005 % за обсягом).

Водень входить до складу практично всіх органічних речовин і присутній у всіх живих клітинах. У живих клітинах за кількістю атомів водень припадає майже 50 %.

Отримання

Промислові способи отримання простих речовин залежать від того, в якому вигляді відповідний елемент знаходиться в природі, тобто може бути сировиною для його отримання. Так, кисень, що у вільному стані, отримують фізичним способом - виділенням з рідкого повітря. Водень практично весь перебуває у вигляді сполук, тому для його отримання застосовують хімічні методи. Зокрема, можуть бути використані реакції розкладання. Одним із способів отримання водню є реакція розкладання води електричним струмом.

Основний промисловий спосіб одержання водню – реакція з водою метану, що входить до складу природного газу. Вона проводиться при високій температурі (легко переконатися, що при пропущенні метану навіть через киплячу воду жодної реакції не відбувається):

СН 4 + 2Н 2 O = CO 2 + 4Н 2 −165 кДж

У лабораторії для отримання простих речовин використовують не обов'язково природну сировину, а вибирають вихідні речовини, з яких легше виділити необхідну речовину. Наприклад, у лабораторії кисень не отримують із повітря. Це саме стосується і отримання водню. Один із лабораторних способів одержання водню, який іноді застосовується і в промисловості, — розкладання води електрострумом.

Зазвичай у лабораторії водень отримують взаємодією цинку із соляною кислотою.

У промисловості

1.Електроліз водних розчинів солей:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Пропускання пар води над розпеченим коксом при температурі близько 1000 °C:

H 2 O + C? H 2 + CO

3.З природного газу.

Конверсія з водяною парою:

CH 4 + H 2 O? CO + 3H 2 (1000 °C)

Каталітичне окиснення киснем:

2CH 4 + O 2? 2CO + 4H 2

4. Крекінг та риформінг вуглеводнів у процесі переробки нафти.

В лабораторії

1.Дія розведених кислот на метали.Для проведення такої реакції найчастіше використовують цинк та розведену соляну кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Взаємодія кальцію з водою:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Гідроліз гідридів:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Дія лугів на цинк або алюміній:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2

Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.За допомогою електролізу.При електролізі водних розчинів лугів або кислот на катоді відбувається виділення водню, наприклад:

2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O

Фізичні властивості

Водень може існувати у двох формах (модифікаціях) — у вигляді орто- та пароводню. У молекулі ортоводороду o-H 2 (т. пл. −259,10 °C, т. кіп. −252,56 °C) ядерні спини спрямовані однаково (паралельні), а у параводню p-H 2 (т. пл. -259,32 ° C, т. Кіп. -252,89 ° C) - протилежно один одному (антипаралельні). Рівноважна суміш o-H 2 та p-H 2 при заданій температуріназивається рівноважний водень e-H 2 .

Розділити модифікації водню можна адсорбцією на активному вугіллі при температурі рідкого азоту. При дуже низьких температурах рівновага між ортоводородом і параводнем майже націло зрушена у бік останнього. При 80 К співвідношення форм приблизно 1:1. Десорбований параводень при нагріванні перетворюється на ортоводород аж до утворення рівноважної при кімнатній температурі суміші (орто-пара: 75:25). Без каталізатора перетворення відбувається повільно (в умовах міжзоряного середовища – з характерними часами аж до космологічних), що дає можливість вивчити властивості окремих модифікацій.

Водень - найлегший газ, він легший за повітря в 14,5 разів. Очевидно, що чим менше маса молекул, тим вища їхня швидкість при одній і тій же температурі. Як найлегші, молекули водню рухаються швидше за молекули будь-якого іншого газу і тим швидше можуть передавати теплоту від одного тіла до іншого. Звідси випливає, що водень має найвищу теплопровідність серед газоподібних речовин. Його теплопровідність приблизно в сім разів вища за теплопровідність повітря.

Молекула водню двоатомна - Н2. За нормальних умов - це газ без кольору, запаху та смаку. Щільність 0,08987 г/л (н.у.), температура кипіння –252,76 °C, питома теплота згоряння 120.9×10 6 Дж/кг, малорозчинний у воді – 18,8 мл/л. Водень добре розчинний у багатьох металах (Ni, Pt, Pd та ін), особливо в паладії (850 об'ємів на 1 об'єм Pd). З розчинністю водню в металах пов'язана його здатність дифундувати через них; дифузія через вуглецевий сплав (наприклад, сталь) іноді супроводжується руйнуванням сплаву внаслідок взаємодії водню з вуглецем (так звана декарбонізація). Практично не розчинний у срібло.

Рідкий воденьіснує у дуже вузькому інтервалі температур від -252,76 до -259,2 °C. Це безбарвна рідина, дуже легка (щільність при −253 °C 0,0708 г/см 3 ) та текуча (в'язкість при −253 °C 13,8 спуаз). Критичні параметри водню дуже низькі: температура -240,2 ° C і тиск 12,8 атм. Цим пояснюються проблеми при зрідженні водню. У рідкому стані рівноважний водень складається з 99,79% пара-Н2, 0,21% орто-Н2.

Твердий водень, температура плавлення −259,2 °C, щільність 0,0807 г/см 3 (при −262 °C) — снігоподібна маса, кристали гексогональної сингонії, просторова група P6/mmc, параметри комірки a=3,75 c=6,12. При високому тискуводень перетворюється на металевий стан.

Ізотопи

Водень зустрічається в вигляді трьохізотопів, які мають індивідуальні назви: 1 H – протий (Н), 2 Н – дейтерій (D), 3 Н – тритій (радіоактивний) (T).

Протий та дейтерій є стабільними ізотопами з масовими числами 1 і 2. Зміст їх у природі відповідно становить 99,9885 ± 0,0070 % та 0,0115 ± 0,0070 %. Це співвідношення може змінюватись в залежності від джерела і способу отримання водню.

Ізотоп водню 3 Н (тритій) нестабільний. Його період напіврозпаду становить 12,32 років. Тритій міститься у природі у дуже малих кількостях.

У літературі також наводяться дані про ізотопи водню з масовими числами 4 - 7 та періодами напіврозпаду 10 -22 - 10 -23 с.

Природний водень складається з молекул H 2 і HD (Дейтероводород) у співвідношенні 3200:1. Зміст чистого дейтерійного водню D2 ще менше. Відношення концентрацій HD і D 2 приблизно 6400:1.

З усіх ізотопів хімічних елементів фізичні та хімічні властивості ізотопів водню відрізняються один від одного найсильніше. Це з найбільшим відносним зміною мас атомів.

Дейтерій та тритій також мають орто- та пара-модифікації: p-D 2 , o-D 2 , p-T 2 o-T 2 . Гетероізотопний водень (HD, HT, DT) не мають орто-і пара-модифікацій.

Хімічні властивості

Частка молекул, що диссоціювали, водню

Молекули водню Н 2 досить міцні, і для того, щоб водень міг вступити в реакцію, має бути витрачена велика енергія:

Н 2 = 2Н − 432 кДж

Тому при звичайних температурах водень реагує тільки з дуже активними металами, наприклад, з кальцієм, утворюючи гідрид кальцію:

Ca + Н 2 = СаН 2

і з єдиним неметалом - фтором, утворюючи фтороводород:

З більшістю металів і неметалів водень реагує при підвищеній температурі або при іншій дії, наприклад при освітленні:

Про 2 + 2Н2 = 2Н2О

Він може «віднімати» кисень від деяких оксидів, наприклад:

CuO + Н 2 = Cu + Н 2 O

Записане рівняння відбиває відновлювальні властивості водню.

N 2 + 3H 2 → 2NH 3

З галогенами утворює галогеноводороди:

F 2 + H 2 → 2HF, реакція протікає з вибухом у темряві та за будь-якої температури,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, реакція протікає із вибухом, тільки на світлі.

З сажею взаємодіє при сильному нагріванні:

C + 2H 2 → CH 4

Взаємодія з лужними та лужноземельними металами

При взаємодії з активними металами водень утворює гідриди:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H 2 → MgH 2

Гідриди- солеподібні, тверді речовини, що легко гідролізуються:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Взаємодія з оксидами металів (як правило, d-елементів)

Оксиди відновлюються до металів:

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

Гідрування органічних сполук

Молекулярний водень широко застосовується в органічному синтезі відновлення органічних сполук. Ці процеси називають реакціями гідрування. Ці реакції проводять у присутності каталізатора при підвищених тиску та температурі. Каталізатор може бути як гомогенним (напр.Каталізатор Уїлкінсона), так і гетерогенним (напр. нікель Ренея, паладій на вугіллі).

Так, зокрема, при каталітичному гідруванні ненасичених сполук, таких як алкени та алкіни, утворюються насичені сполуки – алкани.

Геохімія водню

Вільний водень H 2 відносно рідко зустрічається у земних газах, але у вигляді води він бере виключно важливу участь у геохімічних процесах.

До складу мінералів водень може входити у вигляді іону амонію, гідроксил-іона та кристалічної води.

В атмосфері водень безперервно утворюється внаслідок розкладання води сонячним промінням. Маючи малу масу, молекули водню мають високу швидкість дифузійного руху (вона близька до другої космічної швидкості) і, потрапляючи у верхні шари атмосфери, можуть полетіти в космічний простір.

Особливості звернення

Водень при суміші з повітрям утворює вибухонебезпечну суміш - так званий гримучий газ. Найбільшу вибухонебезпечність цей газ має при об'ємному відношенні водню та кисню 2:1, або водню та повітря приблизно 2:5, оскільки у повітрі кисню міститься приблизно 21 %. Також водень пожежонебезпечний. Рідкий водень при попаданні на шкіру може спричинити сильне обмороження.

Вибухонебезпечні концентрації водню з киснем виникають від 4 до 96% об'ємних. При суміші з повітрям від 4 до 75 (74) % об'ємних.

Економіка

Вартість водню при великооптових поставках коливається в діапазоні 2-5 $ за кг.

Застосування

Атомарний водень використовується для атомно-водневого зварювання.

Хімічна промисловість

• При виробництві аміаку, метанолу, мила та пластмас
• При виробництві маргарину з рідких рослинних олій
• Зареєстрований як харчова добавка E949(Пакувальний газ)

Харчова промисловість

Авіаційна промисловість

Водень дуже легкий і в повітрі завжди піднімається нагору. Колись дирижаблі та повітряні кулі наповнювали воднем. Але в 30-х роках. XX ст. сталося кількакатастроф, під час яких дирижаблі вибухали та згоряли. В наш час дирижаблі наповнюють гелієм, незважаючи на його суттєво вищу вартість.

Паливо

Водень використовують як ракетне паливо.

Ведуться дослідження щодо застосування водню як палива для легкових та вантажних автомобілів. Водневі двигуни не забруднюють навколишнього середовища і виділяють лише водяну пару.

У воднево-кисневих паливних елементах використовується водень для безпосереднього перетворення енергії хімічної реакціїв електричну.

«Рідкий водень»(«ЖВ») — рідкий агрегатний стан водню, з низькою питомою густиною 0.07 г/см³ та кріогенними властивостями з точкою замерзання 14.01 K (−259.14 °C) та точкою кипіння 20.28 K (−252.87 °C). Є безбарвною рідиною без запаху, яка при змішуванні з повітрям відноситься до вибухонебезпечних речовин з діапазоном коефіцієнта займання 4-75%. Спинове співвідношення ізомерів у рідкому водні становить: 99,79% - паводок; 0,21% - ортоводород. Коефіцієнт розширення водню при зміні агрегатного стану газоподібне становить 848:1 при 20°C.

Як і будь-якого іншого газу, зрідження водню призводить до зменшення його обсягу. Після зрідження "ЖВ" зберігається в термічно ізольованих контейнерах під тиском. Рідкий водень (англ. Liquid hydrogen, LH2, LH 2) активно використовується в промисловості, як форма зберігання газу, і в космічній галузі, як ракетне паливо.

Історія

Перше документоване використання штучного охолодження у 1756 році було здійснено англійським ученим Вільямом Калленом, Гаспар Монж першим отримав рідкий стан оксиду сірки у 1784 році, Майкл Фарадей першим отримав скраплений аміак, американський винахідник Олівер Еванс першим розробив холодильний компресорв 1805 році, Яків Перкінс першим запатентував машину, що охолоджує, в 1834 році і Джон Горі першим в США запатентував кондиціонер в 1851 році. Вернер Сіменс запропонував концепцію регенеративного охолодження в 1857 році, Карл Лінде запатентував обладнання для отримання рідкого повітря з використанням каскадного ефекту розширення Джоуля - Томсона і регенеративного охолодження в 1876 році. У 1885 році польський фізик та хімік Зигмунд Вро?блевський опублікував критичну температуруводню 33 K, критичне тиск 13.3 атм. і точку кипіння при 23 K. Вперше водень був зріджений Джеймсом Дьюаром в 1898 з використанням регенеративного охолодження і свого винаходу, суду Дьюара. Перший синтез стабільного ізомеру рідкого водню — параводню — було здійснено Полом Хартеком та Карлом Бонхеффером у 1929 році.

Спинові ізомери водню

Водень при кімнатній температурі складається здебільшого зі спинового ізомеру, ортоводороду. Після виробництва рідкий водень знаходиться в метастабільному стані і повинен бути перетворений на параводневу форму, щоб уникнути вибухонебезпечної екзотермічної реакції, яка має місце при його зміні при низьких температурах. Перетворення на параводневу фазу зазвичай проводиться з використанням таких каталізаторів, як оксид заліза, оксид хрому, активоване вугілля, покритих платиною азбестів, рідкісноземельних металів або шляхом використання уранових або нікелевих добавок.

Використання

Рідкий водень може бути використаний як форма зберігання палива для двигунів. внутрішнього згоряннята паливних елементів. Різні підводні човни (проекти «212А» та «214», Німеччина) та концепти водневого транспорту були створені з використанням цієї агрегатної форми водню (див. наприклад «DeepC» або «BMW H2R»). Завдяки близькості конструкцій, творці техніки на «ЖВ» можуть використовувати або модифікувати системи, що використовують скраплений природний газ («СПГ»). Однак через нижчу об'ємну щільність енергії для горіння потрібно більший обсяг водню, ніж природного газу. Якщо рідкий водень використовується замість «СПГ» у поршневих двигунах, зазвичай потрібно більш громіздка Паливна система. При прямому впорскуванні втрати, що збільшилися, у впускному тракті зменшують наповнення циліндрів.

Рідкий водень використовується для охолодження нейтронів в експериментах з нейтронного розсіювання. Маси нейтрону та ядра водню практично рівні, тому обмін енергією при пружному зіткненні найефективніший.

Переваги

Перевагою використання водню є "нульова емісія" його застосування. Продуктом взаємодії з повітрям є вода.

Перешкоди

Один літр «ЖВ» важить лише 0.07 кг. Тобто його питома щільність становить 70.99 г/л при 20 K. Рідкий водень потребує кріогенної технології зберігання, такої як спеціальні термічно ізольовані контейнери і вимагає особливого поводження, що властиво всім кріогенних матеріалів. Він близький у цьому відношенні до рідкого кисню, але вимагає більшої обережності через пожежну небезпеку. Навіть у випадку з контейнерами з тепловою ізоляцією його важко утримувати при тій низькій температурі, яка потрібна для його збереження в рідкому стані (зазвичай він випаровується зі швидкістю 1% на день). При поводженні з ним також слід дотримуватися звичайних заходів безпеки під час роботи з воднем — він досить холодний для зрідження повітря, що є вибухонебезпечним.

Ракетне паливо

Рідкий водень є поширеним компонентом ракетних палив, що використовується для реактивного прискорення ракет-носіїв та космічних апаратів. У більшості рідинних ракетних двигунахна водні він спочатку застосовується для регенеративного охолодження сопла та інших частин двигуна, перед його змішуванням з окислювачем і спалюванням для отримання тяги. Використовувані сучасні двигунина компонентах H 2 /O 2 споживають перезбагачену воднем паливну сумішщо призводить до деякої кількості незгорілого водню у вихлопі. Крім збільшення питомого імпульсу двигуна за рахунок зменшення молекулярної ваги, це ще скорочує ерозію сопла та камери згоряння.

Такі перешкоди використання «ЖВ» в інших областях, як кріогенна природа і мала щільність, є також фактором стримування для використання в даному випадку. На 2009 рік існує лише одна ракета-носій (РН «Дельта-4»), яка цілком є ​​водневою ракетою. В основному "ЖВ" використовується або на верхніх щаблях ракет, або на блоках, які значну частину роботи з виведення корисного навантаження в космос виконують у вакуумі. Як один із заходів щодо збільшення щільності цього виду палива існують пропозиції використання шугоподібного водню, тобто напівзамерзлої форми «ЖВ».

Водень є першим елементом у Періодичній системі хімічних елементів, має атомний номер 1 і відносну атомну масу 1,0079. Які фізичні властивості водню?

Фізичні властивості водню

У перекладі з латині водень означає «що народжує воду». Ще в 1766 році англійський вчений Г. Кавендіш зібрав виділяється при дії кислот на метали «горюче повітря» і став досліджувати його властивості. У 1787 році А. Лавуазьє визначив це «горюче повітря» як новий хімічний елемент, що входить до складу води.

Рис. 1. А. Лавуазьє.

У водню існують 2 стабільні ізотопи – протий і дейтерій, а також радіоактивний – тритій, кількість якого на нашій планеті дуже мала.

Водень є найпоширенішим елементом у космосі. Сонце та більшість зірок мають водень у своєму складі як основний елемент. Також цей газ входить до складу води, нафти, газу. Загальний змістводню Землі становить 1%.

Рис. 2. Формула водню.

До складу атома цієї речовини входить ядро ​​та один електрон. Коли у водню втрачається електрон, він утворює позитивно заряджений іон, тобто виявляє металеві властивості. Але атом водню здатний як втрачати, а й приєднувати електрон. У цьому він дуже схожий на галогени. Тому водень у Періодичній системі відноситься і до І та до VII групи. Неметалічні властивості водню виражені в нього більшою мірою.

Молекула водню складається з двох атомів, пов'язаних між собою ковалентним зв'язком.

Водень за звичайних умов є безбарвним газоподібним елементом, який не має запаху та смаку. Він у 14 разів легший за повітря, а його температура кипіння становить -252,8 градусів за Цельсієм.

Таблиця "Фізичні властивості водню"

Крім фізичних властивостейводень має і низку хімічних властивостей. водень при нагріванні або під дією каталізаторів вступає в реакції з металами та неметалами, сіркою, селеном, телуром, а також може відновлювати оксиди багатьох металів.

Одержання водню

З промислових способів отримання водню (крім електролізу водних розчинів солей) слід зазначити такі:

• пропускання парів води через розпечене вугілля при температурі 1000 градусів:

• конверсія метану водяною парою при температурі 900 градусів:

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

Рис. 3. Парова конверсія метану.

• розкладання метану в присутності каталізатора (Ni) при температурі 400 градусів: