Физические и химические свойства водорода

Лекция 29

Водород. Вода

План лекции:

Водород как химический элемент

Получение и применение водорода

Физические и химические свойства водорода

Вода. Химические и физические свойства

Роль водорода и воды в природе

Водород как химический элемент

Водород — это единствен­ный элемент периодической системы Д. И. Менделеева, мес­тоположение которого неоднозначно. Его химический символ в таблице Менделеева записан дважды: и в IA,и в VIIAгруппах. Это объясняется тем, что водород имеет ряд свойств, объединяющих его как с щелочными металлами, так и с галогенами (табл. 14).

Таблица 14

Сравнение свойств водорода со свойствами щелочных металлов и галогенов

Сходство с щелочными металлами	Сходство с галогенами
На внешнем энергетическом уровне атомы водорода содержат один элект­рон. Водород относится к s-элемен­там	До завершения внешнего и единственного уровня атомам водорода, как и атомам гало­генов, недостает одного элект­рона
Водород проявляет восстано­вительные свойства. В резуль­тате окисления водород полу­чает наиболее часто встречаю­щуюся в его соединениях степень окисления +1	Водород, как и галогены, в соединениях с щелочными и щелочноземельными метал­лами имеет степень окисле­ния —1, что подтверждает его окислительные свойства.
Предполагается наличие в космосе твердого водорода с металлической кристалличе­ской решеткой.	Подобно фтору и хлору, водо­род при обычных условиях является газом. Его молеку­лы, как и молекулы галоге­нов, двухатомны и образованы за счет ковалентной неполяр­ной связи

В природе водород существует в виде трех изотопов с мас­совыми числами 1, 2 и 3: протий ¹₁Н, дейтерий ²₁D и три­тий ³₁Т. Первые два являются стабильными изотопами, а тре­тий — радиоактивен. В природной смеси изотопов преобла­дает протий. Количественные соотношения между изотопа­ми Н : D : Т составляют 1 : 1,46 • 10^-5 : 4,00 • 10^-15.

Соединения изотопов водорода отличаются по свойствам друг от друга. Так, например, температура кипения и замерзания легкой протиевой воды (H₂O) соответственно равны – 100^оС и 0^оС, а дейтериевой (D₂O) – 101,4^оС и 3,8^оС. Скорость протекания реакций с участием легкой воды выше, чем тяжелой.

Во Вселенной водород является самым распространенным элементом — на его долю приходит­ся около 75% массы Вселенной или свыше 90% всех ее атомов. Водород входит в состав воды в ее важнейшую геологиче­скую оболочку Земли — гидросферу.

Водород образует, наряду с углеродом, все органические ве­щества, т. е. входит в состав живой оболочки Земли — био­сферы. В земной коре — литосфере — массовое содержание водо­рода составляет всего лишь 0,88%, т. е. он занимает 9-е мес­то среди всех элементов. Воздушная оболочка Земли — атмосфера содержит менее миллионной части общего объема, приходящейся на долю молекулярного водорода. Он встречается только в верхних слоях атмосферы.

Получение и применение водорода

Впервые водород был получен в XVI веке средневековым врачом и алхимиком Парацельсом, при погружении железной пластины в серную кислоту, а в 1766 году английским химиком Генри Кавендишом было доказано, что водород получается не только при взаимодействии железа с серной кислотой, но и других металлов с другими кислотами. Кавендиш также описал впервые свойства водорода.

В лабораторных условиях водород получают:

1. Взаимодействием металлов с кислотой:

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

2. Взаимодействием щелочных и щелочноземельных металлов с водой

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂

В промышленности водород получают следующими способами:

1. Электролиз водных растворов солей, кислот и щелочей. Чаще всего используют раствор поваренной соли:

2NaCl + 2H₂O →эл. ток H₂ + Cl₂ + NaOH

2. Восстановление водяного пара раскаленным коксом:

С + Н₂О → t СО + Н₂

Образующаяся смесь угарного газа и водорода называется водяным газом (синтез газ), и широко используется для синтеза различных химических продуктов (аммиака, метанола и др.). Для выделения водорода из водяного газа угарный газ превращают в углекислый, при нагревании с парами воды:

СО + Н₂ → t СО₂ + Н₂

3. Нагревание метана в присутствии паров воды и кислорода. Этот способ в настоящее время является основным:

2СН₄ + О₂ + 2Н₂О → t 2СО₂ + 6Н₂

Водород широко применяется для:

1. промышленного синтеза аммиака и хлороводорода;

2. получения метанола и синтетического жидкого топлива в составе синтез-газа (2 объема водорода и 1 объем СО);

3. гидроочистки и гидрокрекинга нефтяных фрак­ций;

4. гидрогенизации жидких жиров;

5. резки и сварки металлов;

6. получения вольфрама, молибдена и рения из их оксидов;

7. космических двигателей в качестве топлива.

8. в термоядерных реакторах в качестве топлива использу­ются изотопы водорода.

Физические и химические свойства водорода

Водород – газ без цвета, вкуса и запаха. Плотность при н.у. 0,09 г/л (в 14 раз легче воздуха). Водород плохо растворим в воде (только 2 объема газа на 100 объемов воды), однако хорошо поглощается d-метал­лами — никелем, платиной, палладием (в одном объеме пал­ладия растворяется до 900 объемов водорода).

В химических реакциях водород проявляет как восстановительные, так и окислительные свойства. Чаще всего водород выступает в качестве восстановителя.

1. Взаимодействие с неметаллами. Водород с неметаллами образует летучие водородные соединения (см. лекция 25).

С галогенами скорость реакции и условия протекания изменяются от фтора к иоду: с фтором водород реагирует со взрывом даже в темноте, с хлором реакция идет довольно спокойно при небольшом облучении светом, с бромом и иодом реакции обратимы и идут только при нагревании:

H₂ + F₂ → 2HF

H₂ + Cl₂ → hν 2HCl

H₂ + I₂ → t 2HI

С кислородом и серой водород реагирует при небольшом нагревании. Смесь кислорода и водорода в соотношении 1:2 называется гремучим газом:

Н₂ + О₂ → t Н₂О

H₂ + S → t H₂S

С азотом, фосфором и углеродом реакция происходит при нагревании, повышенном давлении и в присутствии катализатора. Реакции обратимы:

3H₂ + N₂ →кат., р, t2NH₃

2H₂ + 3P →кат., р, t3PH₃

H₂ + C →кат., p, t CH₄

2. Взаимодействие со сложными веществами. При высокой температуре водород восстанавливает металлы из их оксидов:

CuO + H₂ → t Cu + H₂O

3. При взаимодействие со щелочными и щелочноземельными металлами водород проявляет окислительные свойства:

2Na + H₂ → 2NaH

Ca + H₂ → CaH₂

4. Взаимодействие с органическими веществами. Водород активно взаимодействует с со многими органическими веществами, такие реакции называются реакциями гидрирования. Подобные реакции более подробно будут рассмотрены в III части сборника «Органическая химия».