Окислительные свойства водорода. Все о водороде и водородной воде

ВОДОРОД, Н (лат. hydrogenium; а. hydrogen; н. Wasserstoff; ф. hydrogene; и. hidrogeno), — химический элемент периодической системы элементов Менделеева, который относят одновременно к I и VII группам, атомный номер 1, атомная масса 1,0079. Природный водород имеет стабильные изотопы — протий (1 Н), дейтерий (2 Н, или D) и радиоактивный — тритий (3 Н, или Т). Для природных соединений среднее отношение D/Н = (158±2).10 -6 Равновесное содержание 3 Н на Земле ~5.10 27 атомов.

Физические свойства водорода

Водород впервые описал в 1766 английский учёный Г. Кавендиш. При обычных условиях водород — газ без цвета, запаха и вкуса. В природе в свободном состоянии находится в форме молекул Н 2 . Энергия диссоциации молекулы Н 2 — 4,776 эВ; потенциал ионизации атома водорода 13,595 эВ. Водород — самое лёгкое вещество из всех известных, при 0°С и 0,1 МПа 0,0899 кг/м 3 ; t кипения- 252,6°С, t плавления — 259,1°С; критические параметры: t — 240°С, давление 1,28 МПа, плотность 31,2 кг/ м 3 . Наиболее теплопроводный из всех газов — 0,174 Вт/(м.К) при 0°С и 1 МПа, удельная теплоёмкость 14,208.10 3 Дж(кг.К).

Химические свойства водорода

Жидкий водород очень лёгок (плотность при -253°С 70,8 кг/м 3) и текуч ( при -253°С равна 13,8 сП). В большинстве соединений водород проявляет степень окисления +1 (подобен щелочным металлам), реже -1 (подобен гидридам металлов). В обычных условиях молекулярный водород малоактивен; растворимость в воде при 20°С и 1 МПа 0,0182 мл/г; хорошо растворим в металлах — Ni, Pt, Pd и др. С кислородом образует воду с выделением тепла 143,3 МДж/кг (при 25°С и 0,1 МПа); при 550°С и выше реакция сопровождается взрывом. При взаимодействии с фтором и хлором реакции идут также со взрывом. Основные соединения водорода: Н 2 О, аммиак NH 3 , сероводород Н 2 S, CH 4 , гидриды металлов и галогенов CaH 2 , HBr, Hl, а также органические соединения С 2 Н 4 , HCHO, CH 3 OH и др.

Водород в природе

Водород — широко распространённый в природе элемент, содержание его в 1 % (по массе). Главный резервуар водорода на Земле — вода (11,19%, по массе). Водород — один из основных компонентов всех природных органических соединений. В свободном состоянии присутствует в вулканических и других природных газах, в (0,0001%, по числу атомов). Составляет основную часть массы Солнца, звёзд, межзвёздного газа, газовых туманностей. В атмосферах планет присутствует в форме Н 2 , CH 4 , NH 3 , Н 2 О, CH, NHOH и др. Входит в состав корпускулярного излучения Солнца (потоки протонов) и космических лучей (потоки электронов).

Получение и применение водорода

Сырьё для промышленного получения водорода — газы нефтепереработки, продукты газификации и др. Основные способы получения водорода: реакция углеводородов с водяным паром, неполное окисление углеводородов , конверсия окиси , электролиз воды. Водород применяют для производства аммиака, спиртов, синтетического бензина, соляной кислоты, гидроочистки нефтепродуктов, резки металлов водородно-кислородным пламенем.

Водород — перспективное газообразное горючее. Дейтерий и тритий нашли применение в атомной энергетике.

Водород был открыт во второй половине 18 столетия английским ученым в области физики и химии Г. Кавендишем. Он сумел выделить вещество в чистом состоянии, занялся его изучением и описал свойства.

Такова история открытия водорода. В ходе экспериментов исследователь определил, что это горючий газ, сгорание которого в воздухе дает воду. Это привело к определению качественного состава воды.

Что такое водород

О водороде, как о простом веществе, впервые заявил французский химик А. Лавуазье в 1784 году, поскольку определил, что в состав его молекулы входят атомы одного вида.

Название химического элемента по-латыни звучит как hydrogenium (читается «гидрогениум»), что означает «воду рождающий». Название отсылает к реакции горения, в результате которой образуется вода.

Характеристика водорода

Обозначение водорода Н. Менделеев присвоил этому химическому элементу первый порядковый номер, разместив его в главной подгруппе первой группы и первом периоде и условно в главной подгруппе седьмой группы.

Атомарный вес (атомная масса) водорода составляет 1,00797. Молекулярная масса H 2 равна 2 а. е. Молярная масса численно равна ей.

Представлен тремя изотопами, имеющими специальное название: самый распространенный протий (H), тяжелый дейтерий (D), радиоактивный тритий (Т).

Это первый элемент, который может быть полностью разделен на изотопы простым способом. Основывается он на высокой разнице масс изотопов. Впервые процесс был осуществлен в 1933 году. Объясняется это тем, что лишь в 1932 году был выявлен изотоп с массой 2.

Физические свойства

В нормальных условиях простое вещество водород в виде двухатомных молекул является газом, без цвета, у которого отсутствует вкус и запах. Мало растворим в воде и других растворителях.

Температура кристаллизации — 259,2 о C, температура кипения — 252,8 о C. Диаметр молекул водорода настолько мал, что они обладают способностью к медленной диффузии через ряд материалов (резина, стекло, металлы). Это свойство находит применение, когда требуется очистить водород от газообразных примесей. При н. у. водород имеет плотность, равную 0,09 кг/м3.

Возможно ли превращение водорода в металл по аналогии с элементами, расположенными в первой группе? Учеными установлено, что водород в условиях, когда давление приближается к 2 млн. атмосфер, начинает поглощать инфракрасные лучи, что свидетельствует о поляризации молекул вещества. Возможно, при еще более высоких давлениях, водород станет металлом.

Это интересно: есть предположение, что на планетах-гигантах, Юпитере и Сатурне, водород находится в виде металла. Предполагается, что в составе земного ядра тоже присутствует металлический твердый водород, благодаря сверхвысокому давлению, создаваемому земной мантией.

Химические свойства

В химическое взаимодействие с водородом вступают как простые, так и сложные вещества. Но малую активность водорода требуется увеличить созданием соответствующих условий – повышением температуры, применением катализаторов и др.

При нагревании в реакцию с водородом вступают такие простые вещества, как кислород (O 2), хлор(Cl 2), азот (N 2), сера(S).

Если поджечь чистый водород на конце газоотводной трубки в воздухе, он будет гореть ровно, но еле заметно. Если же поместить газоотводную трубку в атмосферу чистого кислорода, то горение продолжится с образованием на стенках сосуда капель воды, как результат реакции:

Горение воды сопровождается выделением большого количества теплоты. Это экзотермическая реакция соединения, в процессе которой водород окисляется кислородом с образованием оксида H 2 O. Это также и окислительно-восстановительная реакция, в которой водород окисляется, а кислород восстанавливается.

Аналогично происходит реакция с Cl 2 с образованием хлороводорода.

Для осуществления взаимодействия азота с водородом требуется высокая температура и повышенное давление, а также присутствие катализатора. Результатом является аммиак.

В результате реакции с серой образуется сероводород, распознавание которого облегчает характерный запах тухлых яиц.

Степень окисления водорода в этих реакциях +1, а в гидридах, описываемых ниже, – 1.

При реакции с некоторыми металлами образуются гидриды, например, гидрид натрия – NaH. Некоторые из этих сложных соединений используются в качестве горючего для ракет, а также в термоядерной энергетике.

Водород реагирует и с веществами из категории сложных. Например, с оксидом меди (II), формула CuO. Для осуществления реакции, водород меди пропускается над нагретым порошкообразным оксидом меди (II). В ходе взаимодействия реагент меняет свой цвет и становится красно-коричневым, а на холодных стенках пробирки оседают капельки воды.

Водород в ходе реакции окисляется, образуя воду, а медь восстанавливается из оксида до простого вещества (Cu).

Области применения

Водород имеет большое значение для человека и находит применение в самых разных сферах:

1. В химическом производстве – это сырье, в других отраслях – топливо. Не обходятся без водорода и предприятия нефтехимии и нефтепереработки.
2. В электроэнергетике это простое вещество выполняет функцию охлаждающего агента.
3. В черной и цветной металлургии водороду отводится роль восстановителя.
4. Сего помощью создают инертную среду при упаковке продуктов.
5. Фармацевтическая промышленность — пользуется водородом как реагентом в производстве перекиси водорода.
6. Этим легким газом наполняют метеорологические зонды.
7. Известен этот элемент и в качестве восстановителя топлива для ракетных двигателей.

Ученые единодушно пророчат водородному топливу пальму первенства в энергетике.

Получение в промышленности

В промышленности водород получают методом электролиза, которому подвергают хлориды либо гидроксиды щелочных металлов, растворенные в воде. Также можно получать водород этим способом непосредственно из воды.

Используется в этих целях конверсия кокса или метана с водяным паром. Разложение метана при повышенной температуре также дает водород. Сжижение коксового газа фракционным методом тоже применяется для промышленного получения водорода.

Получение в лаборатории

В лаборатории для получения водорода используют аппарат Киппа.

В качестве реагентов выступают соляная или серная кислота и цинк. В результате реакции образуется водород.

Нахождение водорода в природе

Водород чаще других элементов встречается во Вселенной. Основную массу звезд, в том числе Солнца, и иных космических тел составляет водород.

В земной коре его всего 0,15%. Он присутствует во многих минералах, во всех органических веществах, а также в воде, покрывающей на 3/4 поверхность нашей планеты.

В верхних слоях атмосферы можно обнаружить следы водорода в чистом виде. Находят его и в ряде горючих природных газов.

Газообразный водород является самым неплотным, а жидкий – самым плотным веществом на нашей планете. С помощью водорода можно изменить тембр голоса, если вдохнуть его, а на выдохе заговорить.

В основе действия самой мощной водородной бомбы лежит расщепление самого легкого атома.

Атом водорода по сравнению с атомами других элементов имеет простейшую структуру: он состоит из одного протона.

образующего атомное ядро, и одного электрона, расположенно­го на ls-орбитали. Уникальность атома водорода заключается в том, что его единственный валентный электрон находится не­посредственно в поле действия ядра атома, поскольку он не экранируется другими электронами. Это обеспечивает ему специ­фические свойства. Он может в химических реакциях отдавать свой электрон, образуя катион Н + (подобно атомам щелочных металлов), или присоединять электрон от партнера с образо­ванием аниона Н- (подобно атомам галогенов). Поэтому водород в периодической системе помещают чаще в IA группе, иногда в VIIA группе, но встречаются варианты таблиц, где водород не принадлежит ни к одной из групп периодической таблицы.

Молекула водорода двухатомна - Н2. Водород - самый лег­кий из всех газов. Вследствие неполярности и большой прочно­сти молекулы Н2 (Е св = 436 кДж/моль) при нормальных усло­виях водород активно взаимодействует только со фтором, а при освещении также с хлором и бромом. При нагревании реагиру­ет со многими неметаллами, хлором, бромом, кислородом, се­рой, проявляя восстановительные свойства, а вступая во взаи­модействие со щелочными и щелочноземельными металлами, является окислителем и образует гидриды этих металлов:

Среди всех органогенов у водорода наименьшая относитель­ная электроотрицательность (0Э0 = 2,1), поэтому в природных соединениях водород всегда проявляет степень окисления +1. С позиции химической термодинамики водород в живых систе­мах, содержащих воду, не может образовывать ни молекуляр­ный водород (Н 2), ни гидрид-ион (Н~). Молекулярный водород при обычных условиях химически малоактивен и при этом сильно летуч, из-за чего он не может удерживаться организмом и участвовать в обмене веществ. Гидрид-ион химически чрез­вычайно активен и сразу взаимодействует даже с очень малым количеством воды с образованием молекулярного водорода. По­этому водород в организме находится или в виде соединений с другими органогенами, или в виде катиона Н + .

Водород с элементами-органогенами образует только ковалентные связи. По степени полярности эти связи располагаются в сле­дующий ряд:

Этот ряд очень важен для химии природных соединений, так как полярность этих связей и их поляризуемость предопре­деляют кислотные свойства соединений, т. е. диссоциацию с образованием протона.

Кислотные свойства. В зависимости от природы элемента, образующего связь Х-Н, выделяют 4 типа кислот:

ОН-кислоты (карбоновые кислоты, фенолы, спирты);

SH-кислоты (тиолы);

NH-кислоты (амиды, имиды, амины);

СН-кислоты (углеводороды и их производные).

С учетом высокой поляризуемости связи S-Н можно соста­вить следующий ряд кислот по способности к диссоциации:

Концентрация катионов водорода в водной среде определяет ее кислотность, которая выражается с помощью водородного показателя рН = -lg (разд. 7.5). Большинство физиологиче­ских сред организма имеет реакцию, близкую к нейтральной (рН = 5,0-7,5), только у желудочного сока рН = 1,0-2,0. Это обеспечивает, с одной стороны, противомикробное действие, уби­вая многие микроорганизмы, занесенные в желудок с пищей; с другой стороны, кислая среда оказывает каталитическое дейст­вие при гидролизе белков, полисахаридов и других биосубстра­тов, способствуя получению необходимых метаболитов.

Окислительно-восстановительные свойства. Вследствие боль­шой плотности положительного заряда катион водорода являет­ся довольно сильным окислителем (ф° = 0 В), окисляя актив­ные и средней активности металлы при взаимодействии с ки­слотами и водой:

В живых системах таких сильных восстановителей нет, а окислительная способность катионов водорода в нейтральной среде (рН = 7) значительно понижена (ф° = -0,42 В). Поэтому в организме катион водорода не проявляет окислительных свойств, но активно участвует в окислительно-восстановительных реак­циях, способствуя превращению исходных веществ в продукты реакции:

Во всех приведенных примерах атомы водорода своей степе­ни окисления +1 не изменили.

Восстановительные свойства характерны для молекулярного и особенно для атомарного водорода, т. е. водорода в момент ныделения непосредственно в реакционной среде, а также для гидрид-иона:

Однако в живых системах таких восстановителей (Н2 или Н-) нет, и поэтому нет подобных реакций. Встречающееся в литера­туре, в том числе и в учебниках, мнение, что водород является носителем восстановительных свойств органических соединений, не соответствует действительности; так, в живых системах вос­становителем биосубстратов выступает восстановленная форма кофермента дегидрогеназы, в которой донором электронов явля­ются атомы углерода, а не атомы водорода (разд. 9.3.3).

Комплексообразующие свойства. Вследствие наличия у ка­тиона водорода свободной атомной орбитали и высокого поляри­зующего действия самого катиона Н + он является активным ионом-комплексообразователем. Так, в водной среде катион водоро­да образует ион гидроксония Н3О + , а при наличии аммиака -ион аммония NH4:

Склонность к образованию ассоциатов. Атомы водорода силь­нополярных связей О-Н и N--Н образуют водородные связи (разд. 3.1). Прочность водородной связи (от 10 до 100 кДж/моль) зависит от величины локализованных зарядов и длины водородной связи, т. е. от расстояния между атомами электро­отрицательных элементов, участвующих в ее образовании. Для аминокислот, углеводов, белков, нуклеиновых кислот харак­терны следующие длины водородных связей, пм:

Благодаря водородным связям возникают обратимые меж­молекулярные взаимодействия между субстратом и ферментом, между отдельными группами в природных полимерах, опре­деляющие их вторичную, третичную и четвертичную структуру (разд. 21.4, 23.4). Ведущую роль водородная связь играет в свойствах воды как растворителя и реагента.

Вода и ее свойства. Вода - важнейшее соединение водорода. Все химические реакции в организме протекают только в водной среде, жизнь без воды невозможна. Вода как растворитель рас­сматривалась в разд. 6.1.

Кислотно-основные свойства. Вода как реагент с по­зиции кислотно-основных свойств является истинным амфолитом (разд. 8.1). Это проявляется и при гидролизе солей (разд. 8.3.1), и при диссоциации кислот и оснований в водной среде (разд. 8.3.2).

Количественной характеристикой кислотности водных сред яв­ляется водородный показатель рН.

Вода как кислотно-основной реагент участвует в реакциях гидролиза биосубстратов. Например, гидролиз аденозинтрифосфата служит источником запасенной энергии для организма, ферментативный гидролиз ненужных белков служит для получения аминокислот, являющихся исходным материалом для син­теза необходимых белков. При этом катионы Н + или анионы ОН- являются кислотно-основными катализаторами реакций гидролиза биосубстратов (разд. 21.4, 23.4).

Окислительно-восстановительные свойства. В молекуле воды и водород, и кислород находятся в устойчи­вых степенях окисления. Поэтому вода не проявляет ярко вы­раженных окислительно-восстановительных свойств. Окислитель­но-восстановительные реакции возможны при взаимодействии воды только с очень активными восстановителями или очень активными окислителями, или в условиях сильной активации реагентов.

Вода может быть окислителем за счет катионов водорода при взаимодействии с сильными восстановителями, например щелоч­ными и щелочноземельными металлами или их гидридами:

При высоких температурах возможно взаимодействие воды с менее активными восстановителями:

В живых системах их компонент вода никогда не выступает как окислитель, поскольку это привело бы к уничтожению этих систем из-за образования и необратимого удаления молекуляр­ного водорода из организмов.

Вода может выступать в роли восстановителя за счет атомов кислорода например при взаимодействии с таким сильнейшим окислителем, как фтор:

Под действием света и при участии хлорофилла в растени­ях протекает процесс фотосинтеза с образованием О2 из воды (разд. 9.3.6):

Кроме непосредственного участия в окислительно-восстано­вительных превращениях вода и продукты ее диссоциации Н + и ОН- принимают участие как среда, которая способствует про­теканию многих окислительно-восстановительных реакций вследствие ее высокой полярности ( = 79) и участия образуемых ею ионов в превращениях исходных веществ в конечные (разд. 9.1).

Комплексообразующие свойства. Молекула во­ды из-за наличия у атома кислорода двух неподеленных элек­тронных пар является достаточно активным монодентатным лигандом, который с катионом водорода образует комплексный ион оксония Н 3 0 + , а с катионами металлов в водных растворах -достаточно устойчивые аквакомплексы, например [Са(Н 2 0) 6 ] 2+ , [ Fe(H 2 0) 6 ] 3+ , 2+ . В этих комплексных ионах молекулы ноды ковалентно связаны с комплексообразователями достаточ­но прочно. Катионы щелочных металлов аквакомплексов не обра­зуют, а за счет электростатических сил образуют гидратированные катионы. Время оседлой жизни молекул воды в гидратных обо­лочках этих катионов не превышает 0,1 с, а их состав по числу молекул воды может легко изменяться.

Склонность к образованию ассоциатов. Вслед­ствие большой полярности, способствующей электростатическому взаимодействию и образованию водородных связей, молекулы воды даже в чистой воде (разд. 6.1) образуют межмолекулярные ассоциаты, различающиеся по структуре, числу молекул и вре­мени их оседлой жизни в ассоциатах, а также времени жизни самих ассоциатов. Таким образом, чистая вода является откры­той сложной динамической системой. Под действием внешних факторов: радиоактивное, ультрафиолетовое и лазерное излуче­ния, упругие волны, температура, давление, электрические, маг­нитные и электромагнитные поля от искусственных и естествен­ных источников (космос, Солнце, Земля, живые объекты) - вода изменяет свои структурно-информационные свойства, а следова­тельно, изменяются ее биологические и физиологические функ­ции.

Кроме самоассоциации молекулы воды гидратируют ионы, по­лярные молекулы и макромолекулы, образуя вокруг них гидратные оболочки, тем самым стабилизируют их в растворе и способ­ствуют их растворению (разд. 6.1). Вещества, молекулы которых неполярны и имеют относительно небольшие размеры, способны только незначительно растворяться в воде, заполняя пустоты ее ассоциатов с определенной структурой. При этом в результате гидрофобного взаимодействия неполярные молекулы структу­рируют окружающую их гидратную оболочку, превращая ее в структурированный ассоциат, обычно с льдоподобной структурой, внутри которого расположена данная неполярная молекула.

В живых организмах можно выделить две категории воды -"связанную" и "свободную", последняя, по-видимому, есть только в межклеточной жидкости (разд. 6.1). Связанная вода, в свою очередь, подразделяется на "структурированную" (прочносвязанную) и "деструктурированную" (слабосвязанную или рых­лую) воду. Вероятно, все перечисленные выше внешние факто­ры влияют на состояние воды в организме, изменяя соотноше­ния: "структурированная"/ "деструктурированная" и "связанная"/ "свободная" вода, а также ее структурно-динамические пара­метры. Это проявляется в изменениях физиологического со­стояния организма. Не исключено, что внутриклеточная вода непрерывно претерпевает регулируемые, в основном белками, пульсационные переходы из "структурированного" в "деструктурированное" состояние. Эти переходы взаимосвязаны с выталки­ванием из клетки отслуживших метаболитов (шлаков) и всасы­ванием необходимых веществ. С современной точки зрения вода участвует в формировании единой внутриклеточной структуры, благодаря которой достигается упорядоченность процессов жиз­недеятельности. Поэтому, по образному выражению А. Сент-Дьёрдьи, вода в организме является "матрицей жизни".

Вода в природе. Вода - самое важное и распространен­ное вещество на Земле. Поверхность земного шара на 75 % по­крыта водой. Объем Мирового океана составляет 1,4 млрд. км 3 . Столько же воды находится в минералах в виде кристаллиза­ционной воды. Атмосфера содержит 13 тыс. км 3 воды. В то же время запасы пресной воды, пригодной для питья и бытовых нужд, довольно ограничены (объем всех пресноводных водоемов составляет 200 тыс. км 3). Пресная вода, употребляемая в быту, содержит различные примеси от 0,05 до 1 г/л, чаще всего это соли: гидрокарбонаты, хлориды, сульфаты, - в том числе рас­творимые соли кальция и магния, присутствие которых делает воду жесткой (разд. 14.3). В настоящее время охрана водных ресурсов и очистка сточных вод являются наиболее актуальны­ми экологическими проблемами.

В обычной воде присутствует около 0,02 % тяжелой воды D2O (D - дейтерий). Она накапливается при испарении или электролизе обычной воды. Тяжелая вода токсична. Тяжелую воду применяют для изучения движения воды в живых орга­низмах. С ее помощью установлено, что скорость движения во­ды в тканях некоторых растений достигает 14 м/ч, а вода, вы­питая человеком, за 2 ч полностью распределяется по его органам и тканям и лишь через две недели полностью выводится из организма. Живые организмы содержат от 50 до 93 % воды, которая является непременным участником всех процессов жиз­недеятельности. Без воды жизнь невозможна. При продолжи­тельности жизни 70 лет человек с пищей и питьем потребляет около 70 т воды.

В научной и медицинской практике широко используется дистиллированная вода - бесцветная прозрачная жидкость без запаха и вкуса, рН = 5,2-6,8. Это фармакопейный препарат для приготовления многих лекарственных форм.

Вода для инъекций (апирогенная вода) - также фармако­пейный препарат. Эта вода не содержит пирогенных веществ. Пирогены - вещества бактериального происхождения - метабо­литы или продукты жизнедеятельности бактерий, которые, по­падая в организм, вызывают озноб, повышение температуры тела, головные боли, нарушение сердечно-сосудистой деятельности. Приготавливают апирогенную воду двойной перегонкой ноды (бидистиллят) с соблюдением асептических условий и ис­пользуют в течение 24 ч.

Заканчивая раздел, необходимо подчеркнуть особенности водорода как биогенного элемента. В живых системах водород всегда проявляет степень окисления +1 и встречается или свя­занным полярной ковалентной связью с другими биогенными элементами, или в виде катиона Н + . Катион водорода является носителем кислотных свойств и активным комплексообразователем, взаимодействующим со свободными электронными па­рами атомов других органогенов. С позиции окислительно-восстановительных свойств связанный водород в условиях ор­ганизма не проявляет свойств ни окислителя, ни восстановите­ля, однако катион водорода активно участвует во многих окис­лительно-восстановительных реакциях, не изменяя при этом своей степени окисления, но способствуя превращению биосуб­стратов в продукты реакции. Водород, связанный с электроот­рицательными элементами, образует водородные связи.

Лекция 29

Водород. Вода

План лекции:

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 1 1 Н, дейтерий 2 1 D и три­тий 3 1 Т. 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 (H 2 O) соответственно равны – 100 о С и 0 о С, а дейтериевой (D 2 O) – 101,4 о С и 3,8 о С. 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 → ZnCl 2 + H 2

2. Взаимодействием щелочных и щелочноземельных металлов с водой

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

В промышленности водород получают следующими способами:

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

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

2. Восстановление водяного пара раскаленным коксом:

С + Н 2 О → t СО + Н 2

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 + Н 2 → t СО 2 + Н 2

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

2СН 4 + О 2 + 2Н 2 О → t 2СО 2 + 6Н 2

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:

H 2 + F 2 → 2HF

H 2 + Cl 2 → hν 2HCl

H 2 + I 2 → t 2HI

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

Н 2 + О 2 → t Н 2 О

H 2 + S → t H 2 S

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

3H 2 + N 2 →кат., р, t2NH 3

2H 2 + 3P →кат., р, t3PH 3

H 2 + C →кат., p, t CH 4

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

CuO + H 2 → t Cu + H 2 O

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

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

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».

Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом - выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.

Основной промышленный способ получения водорода - реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре (легко убедиться, что при пропускании метана даже через кипящую воду никакой реакции не происходит):

СН 4 + 2Н 2 0 = CO 2 + 4Н 2 - 165 кДж

В лаборатории для получения простых веществ используют не обязательно природное сырьё, а выбирают те исходные вещества, из которых легче выделить необходимое вещество. Например, в лаборатории кислород не получают из воздуха. Это же относится и к получению водорода. Один из лабораторных способов получения водорода, который применяется иногда и в промышленности,- разложение воды электротоком.

Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.

В промышленности

1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.Из природного газа.

Конверсияс водяным паром: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

В лаборатории

1.Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Взаимодействие кальция с водой:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Гидролиз гидридов:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Действие щелочей на цинк или алюминий:

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

5.С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

• Биореактор для производства водорода

Физические свойства

Газообразный водород может существовать в двух формах (модификациях) - в виде орто - и пара-водорода.

В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) - противоположно друг другу (антипараллельны).

Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно, что даёт возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм. Молекула водорода двухатомна - Н₂. При обычных условиях - это газ без цвета, запаха и вкуса. Водород - самый лёгкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства

Молекулы водорода Н₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия: Н 2 =2Н - 432 кДж Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция: Ca + Н 2 = СаН 2 и с единственным неметаллом - фтором, образуя фтороводород: F 2 +H 2 =2HF С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении. Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, наприме: CuO + Н 2 = Cu + Н 2 0 Записанное уравнение отражает реакцию восстановления. Реакциями восстановления называются процессы, в результате которых от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются). Далее будет дано и другое определение понятиям «окисление» и «восстановление». А данное определение, исторически первое, сохраняет значение и в настоящее время, особенно в органической химии. Реакция восстановления противоположна реакции окисления. Обе эти реакции всегда протекают одновременно как один процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

N 2 + 3H 2 → 2 NH 3

С галогенами образует галогеноводороды :

F 2 + H 2 → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H 2 → CH 4

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

Водород образует с активными металлами гидриды :

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

Гидриды - солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)

Оксиды восстанавливаются до металлов:

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

Гидрирование органических соединений

При действии водорода на ненасыщенные углеводороды в присутствии никелевого катализатора и повышенной температуре происходит реакция гидрирования :

CH 2 =CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

Водород восстанавливает альдегиды до спиртов:

CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.

Геохимия водорода

Водород - основной строительный материал вселенной. Это самый распространённый элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.

Свободный водород H 2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.

В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.

В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением. Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Применение

• Водородная энергетика

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.

В пищевой промышленности водород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 , как упаковочный газ.

Особенности обращения

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь - так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%. Также водород пожароопасен. Жидкий водород при попадении на кожу может вызвать сильное обморожение.

Взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4% до 96 % объёмных. При смеси с воздухом от 4% до 75(74) % объёмных.

Использование водорода

В химической промышленности водород используют при производстве аммиака, мыла и пластмасс. В пищевой промышленности с помощью водорода из жидких растительных масел делают маргарин. Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько ужасных катастроф, когда дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют газом гелием. Водород используют также в качестве ракетного топлива. Когда-нибудь водород, возможно, будут широко применять как топливо для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар (правда, само получение водорода приводит к некоторому загрязнению окружающей среды). Наше Солнце в основном состоит из водорода. Солнечное тепло и свет - это результат выделения ядерной энергии при слиянии ядер водорода.

Использование водорода в качестве топлива (экономическая эффективность)

Важнейшей характеристикой веществ, используемых в качестве топлива, является их теплота сгорания. Из курса общей химии известно, что реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла. Если взять 1 моль H 2 (2 г) и 0,5 моль O 2 (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению

Н 2 + 0,5 О 2 = Н 2 О

после завершения реакции образуется 1 моль H 2 O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль (для сравнения: теплота сгорания ацетилена составляет 1300 кДж/моль, пропана - 2200 кДж/моль). 1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль). Поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии. С учётом того, что 1 кВт·ч = 3600 кДж, получим 3,56 кВт·ч электроэнергии. Зная тариф на 1 кВт·ч электричества и стоимость 1 м³ газа, можно делать вывод о целесообразности перехода на водородное топливо.

Например, экспериментальная модель Honda FCX 3 поколения с баком водорода 156 л (содержит 3,12 кг водорода под давлением 25 МПа) проезжает 355 км. Соответственно из 3,12 кг H2 получается 123,8 кВт·ч. На 100 км расход энергии составит 36,97 кВт·ч. Зная стоимость электроэнергии, стоимость газа или бензина, их расход для автомобиля на 100 км легко подсчитать отрицательный экономический эффект перехода автомобилей на водородное топливо. Скажем (Россия 2008), 10 центов за кВт·ч электроэнергии приводят к тому, что 1 м³ водорода приводят к цене 35,6 цента, а с учётом КПД разложения воды 40-45 центов, такое же количество кВт·ч от сжигания бензина стоит 12832,4кДж/42000кДж/0,7кг/л*80центов/л=34 цента по розничным ценам, тогда как для водорода мы высчитывали идеальный вариант, без учёта транспортировки, амортизации оборудования и т. д. Для метана с энергией сгорания около 39 МДж на м³ результат будет ниже в два-четыре раза из-за разницы в цене (1м³ для Украины стоит 179$, а для Европы 350$). То есть эквивалентное количество метана будет стоить 10-20 центов.

Однако не следует забывать того, что при сжигании водорода мы получаем чистую воду, из которой его и добыли. То есть имеем возобновляемый запасатель энергии без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина, которые являются первичными источниками энергии.

Php on line 377 Warning: require(http://www..php): failed to open stream: no suitable wrapper could be found in /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