Przemysłowe metody wytwarzania substancji prostych zależą od formy, w jakiej dany pierwiastek występuje w przyrodzie, czyli od tego, co może być surowcem do jego produkcji. W ten sposób tlen, który jest dostępny w stanie wolnym, uzyskuje się fizycznie - poprzez oddzielenie od ciekłego powietrza. Prawie cały wodór występuje w postaci związków, dlatego do jego uzyskania się wykorzystuje metody chemiczne. W szczególności można zastosować reakcje rozkładu. Jednym ze sposobów wytwarzania wodoru jest rozkład wody pod wpływem prądu elektrycznego.

Podstawowy metoda przemysłowa produkcja wodoru - reakcja metanu wchodzącego w skład gazu ziemnego z wodą. Prowadzi się to w wysokiej temperaturze (łatwo sprawdzić, że przy przepuszczaniu metanu nawet przez wrzącą wodę nie zachodzi żadna reakcja):

CH 4 + 2H 2 0 = CO 2 + 4H 2 - 165 kJ

W laboratorium, aby otrzymać proste substancje, niekoniecznie korzystają z surowców naturalnych, ale wybierają te materiały wyjściowe, z których łatwiej jest wyizolować potrzebną substancję. Na przykład w laboratorium tlenu nie uzyskuje się z powietrza. To samo dotyczy produkcji wodoru. Jedną z laboratoryjnych metod wytwarzania wodoru, czasami stosowaną w przemyśle, jest rozkład wody pod wpływem prądu elektrycznego.

Zwykle wodór wytwarza się w laboratorium w wyniku reakcji cynku z kwasem solnym.

W przemyśle

1.Elektroliza roztwory wodne sole:

2NaCl + 2H 2O → H 2 + 2NaOH + Cl2

2.Przepuszczanie pary wodnej nad gorącym koksem w temperaturach około 1000°C:

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.Z gazu ziemnego.

Konwersja parowa: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Utlenianie katalityczne tlenem: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Kraking i reforming węglowodorów podczas rafinacji ropy naftowej.

W laboratorium

1.Wpływ rozcieńczonych kwasów na metale. Do przeprowadzenia tej reakcji najczęściej stosuje się cynk i kwas solny:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

2.Interakcja wapnia z wodą:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Hydroliza wodorków:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Wpływ zasad na cynk lub aluminium:

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

5.Stosowanie elektrolizy. Podczas elektrolizy wodnych roztworów zasad lub kwasów na katodzie wydziela się wodór, np.:

2H 3O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

  • Bioreaktor do produkcji wodoru

Właściwości fizyczne

Wodór gazowy może występować w dwóch postaciach (modyfikacjach) – w postaci orto – i para-wodoru.

W cząsteczce ortowodoru (t.t. -259,10 °C, temperatura wrzenia -252,56 °C) spiny jądrowe są skierowane identycznie (równolegle), a w cząsteczce parawodoru (t.t. -259,32 °C, temperatura wrzenia -252,89 °C) - naprzeciwko siebie (antyrównoległe).

Alotropowe formy wodoru można rozdzielić poprzez adsorpcję na węglu aktywnym w temperaturze ciekłego azotu. W bardzo niskich temperaturach równowaga między ortowodorem i parawodorem jest prawie całkowicie przesunięta w stronę tego drugiego. Przy 80 K stosunek form wynosi w przybliżeniu 1:1. Po podgrzaniu zdesorbowany parawodór przekształca się w ortowodór, aż do uzyskania równowagi w temp temperatura pokojowa mieszaniny (orto-para: 75:25). Bez katalizatora przemiana zachodzi powoli, co umożliwia badanie właściwości poszczególnych form alotropowych. Cząsteczka wodoru jest dwuatomowa - H₂. W normalnych warunkach jest to gaz bezbarwny, bezwonny i pozbawiony smaku. Wodór jest najlżejszym gazem, jego gęstość jest wielokrotnie mniejsza niż gęstość powietrza. Oczywiście im mniejsza masa cząsteczek, tym większa jest ich prędkość w tej samej temperaturze. Jako najlżejsze cząsteczki, cząsteczki wodoru poruszają się szybciej niż cząsteczki jakiegokolwiek innego gazu, dzięki czemu mogą szybciej przenosić ciepło z jednego ciała do drugiego. Wynika z tego, że wodór ma najwyższą przewodność cieplną spośród substancji gazowych. Jego przewodność cieplna jest około siedmiokrotnie większa niż przewodność cieplna powietrza.

Właściwości chemiczne

Cząsteczki wodoru H₂ są dość mocne i aby wodór mógł zareagować, należy wydać dużo energii: H 2 = 2H - 432 kJ Dlatego w zwykłych temperaturach wodór reaguje tylko z bardzo metale aktywne, na przykład z wapniem, tworząc wodorek wapnia: Ca + H 2 = CaH 2 i z jedynym niemetalem - fluorem, tworząc fluorowodór: F 2 + H 2 = 2HF W przypadku większości metali i niemetali wodór reaguje w temperaturze podwyższonych temperaturach lub pod innymi wpływami, na przykład podczas oświetlenia. Może „odbierać” tlen z niektórych tlenków, np.: CuO + H 2 = Cu + H 2 0 Zapisane równanie odzwierciedla reakcję redukcji. Reakcje redukcji to procesy, w których tlen jest usuwany ze związku; Substancje pochłaniające tlen nazywane są reduktorami (sami utleniają się). Następnie podana zostanie inna definicja pojęć „utlenianie” i „redukcja”. A tę definicję, historycznie pierwszy, pozostaje ważny dzisiaj, zwłaszcza w chemii organicznej. Reakcja redukcji jest przeciwieństwem reakcji utleniania. Obie te reakcje zawsze zachodzą jednocześnie jako jeden proces: gdy jedna substancja ulega utlenieniu (redukcji), redukcja (utlenianie) innej substancji musi koniecznie nastąpić jednocześnie.

N 2 + 3H 2 → 2 NH 3

Formy z halogenami halogenowodory:

F 2 + H 2 → 2 HF, reakcja zachodzi wybuchowo w ciemności iw dowolnej temperaturze, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, reakcja zachodzi wybuchowo, tylko w świetle.

Wchodzi w interakcję z sadzą pod wpływem wysokiej temperatury:

C + 2H 2 → CH 4

Interakcja z metalami alkalicznymi i ziem alkalicznych

Wodór tworzy się z aktywnymi metalami wodorki:

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

Wodorki- podobny do soli, ciała stałe, łatwo hydrolizują:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Interakcja z tlenkami metali (zwykle pierwiastkami D)

Tlenki są redukowane do metali:

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

Uwodornienie związków organicznych

Kiedy wodór działa na nienasycone węglowodory w obecności katalizatora niklowego i w podwyższonych temperaturach, zachodzi reakcja uwodornienie:

CH 2 = CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

Wodór redukuje aldehydy do alkoholi:

CH3CHO + H2 → C2H5OH.

Geochemia wodoru

Wodór - zasadowy materiał konstrukcyjny wszechświat. Jest to najpowszechniejszy pierwiastek i wszystkie pierwiastki powstają z niego w wyniku reakcji termojądrowych i jądrowych.

Wolny wodór H2 występuje stosunkowo rzadko w gazach ziemskich, jednak w postaci wody odgrywa niezwykle ważną rolę w procesach geochemicznych.

Wodór może występować w minerałach w postaci jonu amonowego, jonu hydroksylowego i krystalicznej wody.

W atmosferze wodór powstaje w sposób ciągły w wyniku rozkładu wody pod wpływem promieniowania słonecznego. Migruje do górnych warstw atmosfery i ucieka w przestrzeń kosmiczną.

Aplikacja

  • Energia wodorowa

Wodór atomowy służy do spawania wodorem atomowym.

W Przemysł spożywczy wodór jest zarejestrowany jako dodatki do żywności E949 jak gaz opakowaniowy.

Cechy leczenia

Wodór po zmieszaniu z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową – tzw. gaz detonujący. Gaz ten jest najbardziej wybuchowy, gdy stosunek objętościowy wodoru i tlenu wynosi 2:1 lub wodoru i powietrza około 2:5, ponieważ powietrze zawiera około 21% tlenu. Wodór stwarza również zagrożenie pożarowe. Ciekły wodór może spowodować poważne odmrożenia w przypadku kontaktu ze skórą.

Wybuchowe stężenia wodoru i tlenu wynoszą od 4% do 96% objętościowych. Po zmieszaniu z powietrzem od 4% do 75(74)% objętościowych.

Wykorzystanie wodoru

W przemyśle chemicznym wodór wykorzystuje się do produkcji amoniaku, mydła i tworzyw sztucznych. W przemyśle spożywczym margarynę wytwarza się z ciekłych olejów roślinnych za pomocą wodoru. Wodór jest bardzo lekki i zawsze unosi się w powietrzu. Dawno, dawno temu sterowce i Balony napełniony wodorem. Ale w latach 30. XX wiek Miało miejsce kilka strasznych katastrof, gdy sterowce eksplodowały i spłonęły. Obecnie sterowce są napełniane gazowym helem. Wodór jest również używany jako paliwo rakietowe. Pewnego dnia wodór może być powszechnie stosowany jako paliwo do samochodów osobowych i ciężarowych. Silniki wodorowe nie zanieczyszczają środowiska środowisko i uwalniają jedynie parę wodną (chociaż sama produkcja wodoru powoduje pewne zanieczyszczenie środowiska). Nasze Słońce składa się głównie z wodoru. Ciepło i światło słoneczne powstają w wyniku uwolnienia energii jądrowej w wyniku syntezy jąder wodoru.

Wykorzystanie wodoru jako paliwa (opłacalne)

Najważniejszą cechą substancji stosowanych jako paliwo jest ciepło spalania. Z kursu chemia ogólna Wiadomo, że reakcja wodoru z tlenem zachodzi z wydzieleniem ciepła. Jeśli weźmiemy 1 mol H2 (2 g) i 0,5 mol O2 (16 g) w standardowych warunkach i wzbudzimy reakcję, to zgodnie z równaniem

H2 + 0,5 O2 = H2O

po zakończeniu reakcji powstaje 1 mol H2O (18 g) z wydzieleniem energii 285,8 kJ/mol (dla porównania: ciepło spalania acetylenu wynosi 1300 kJ/mol, propanu – 2200 kJ/mol) . 1 m3 wodoru waży 89,8 g (44,9 mol). Zatem na wytworzenie 1 m3 wodoru potrzeba 12832,4 kJ energii. Biorąc pod uwagę fakt, że 1 kWh = 3600 kJ, otrzymujemy 3,56 kWh energii elektrycznej. Znając taryfę za 1 kWh energii elektrycznej oraz koszt 1 m3 gazu, możemy stwierdzić, że wskazane jest przejście na paliwo wodorowe.

Przykładowo eksperymentalny model Hondy FCX 3. generacji ze 156-litrowym zbiornikiem wodoru (zawiera 3,12 kg wodoru pod ciśnieniem 25 MPa) pokonuje 355 km. Odpowiednio z 3,12 kg H2 uzyskuje się 123,8 kWh. Na 100 km zużycie energii wyniesie 36,97 kWh. Znając koszt energii elektrycznej, koszt gazu czy benzyny oraz ich zużycie w przeliczeniu na samochód na 100 km, łatwo jest obliczyć negatywne skutki ekonomiczne przejścia samochodu na paliwo wodorowe. Załóżmy (Rosja 2008), że 10 centów za kWh energii elektrycznej powoduje, że 1 m3 wodoru kosztuje 35,6 centów, a biorąc pod uwagę efektywność rozkładu wody na poziomie 40-45 centów, tyle samo kWh ze spalania benzyny kosztuje 12832,4 kJ/42000 kJ/0,7 kg/l*80 centów/l=34 centów w cenach detalicznych, natomiast dla wodoru obliczyliśmy opcję idealną, nie biorąc pod uwagę transportu, amortyzacji sprzętu itp. Dla metanu z energii spalania około 39 MJ na m3, wynik będzie od dwóch do czterech razy niższy ze względu na różnicę w cenie (1 m3 dla Ukrainy kosztuje 179 dolarów, a dla Europy 350 dolarów). Oznacza to, że równoważna ilość metanu będzie kosztować 10-20 centów.

Nie zapominajmy jednak, że spalając wodór, otrzymujemy czystą wodę, z której został on wydobyty. Oznacza to, że mamy energię odnawialną hoarder energię bez szkody dla środowiska, w przeciwieństwie do gazu czy benzyny, które są podstawowymi źródłami energii.

Php w linii 377 Ostrzeżenie: require(http://www..php): nie udało się otworzyć strumienia: nie można znaleźć odpowiedniego opakowania w /hsphere/local/home/winexins/site/tab/vodorod.php w linii 377 Fatal błąd: require(): wymagane otwarcie „http://www..php” (include_path="..php w linii 377) nie powiodło się

Wodór jest prostą substancją H2 (diwodór, diprot, lekki wodór).

Krótki charakterystyka wodoru:

  • Niemetalowe.
  • Gaz bezbarwny, trudny do skroplenia.
  • Słabo rozpuszczalny w wodzie.
  • Lepiej rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych.
  • Chemisorpcja przez metale: żelazo, nikiel, platyna, pallad.
  • Silny środek redukujący.
  • Oddziałuje (w wysokich temperaturach) z niemetalami, metalami, tlenkami metali.
  • Największą zdolność redukującą posiada wodór atomowy H0, otrzymywany z rozkładu termicznego H2.
  • Izotopy wodoru:
    • 1H - prot
    • 2H - deuter (D)
    • 3H - tryt (T)
  • Względna masa cząsteczkowa = 2,016
  • Gęstość względna stałego wodoru (t=-260°C) = 0,08667
  • Gęstość względna ciekłego wodoru (t=-253°C) = 0,07108
  • Nadciśnienie (liczba) = 0,08988 g/l
  • temperatura topnienia = -259,19°C
  • temperatura wrzenia = -252,87°C
  • Współczynnik objętościowej rozpuszczalności wodoru:
    • (t=0°C) = 2,15;
    • (t=20°C) = 1,82;
    • (t=60°C) = 1,60;

1. Rozkład termiczny wodoru(t=2000-3500°C):
H2 ↔ 2H 0

2. Oddziaływanie wodoru z niemetale:

  • H 2 + F 2 = 2HF (t=-250..+20°C)
  • H 2 + Cl 2 = 2 HCl (po spaleniu lub wystawieniu na działanie światła w temperaturze pokojowej):
    • Cl 2 = 2 Cl 0
    • Cl 0 + H 2 = HCl + H 0
    • H 0 + Cl 2 = HCl + Cl 0
  • H2 +Br2 = 2HBr (t=350-500°C, katalizator platynowy)
  • H 2 + I 2 = 2HI (t=350-500°C, katalizator platynowy)
  • H2+O2 = 2H2O:
    • H2 + O2 = 2OH 0
    • OH 0 + H 2 = H 2 O + H 0
    • H. 0 + O 2 = OH 0 + O 0
    • O 0 + H 2 = OH 0 + H 0
  • H 2 + S = H 2 S (t=150..200°C)
  • 3H 2 + N 2 = 2NH 3 (t=500°C, katalizator żelazowy)
  • 2H 2 +C(koks) = CH 4 (t=600°C, katalizator platynowy)
  • H 2 +2C(koks) = C 2 H 2 (t=1500..2000°C)
  • H 2 +2C(koks)+N 2 = 2HCN (t powyżej 1800°C)

3. Oddziaływanie wodoru z substancje złożone:

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

4. Udział wodoru w reakcje redoks:

  • 2H 0 (Zn, rozcieńczony HCl) + KNO 3 = KNO 2 + H 2 O
  • 8H 0 (Al, stężony KOH)+KNO 3 = NH3 +KOH+2H2O
  • 2H 0 (Zn, rozcieńczony HCl) + EuCl 3 = 2EuCl 2 + 2HCl
  • 2H 0 (Al)+NaOH(stęż.)+Ag 2 S = 2Ag↓+H2O+NaHS
  • 2H 0 (Zn, rozcieńcz. H 2 SO 4) + C 2 N 2 = 2HCN

Związki wodoru

D 2 - dideuter:

  • Ciężki wodór.
  • Gaz bezbarwny, trudny do skroplenia.
  • Dideuter jest zawarty w naturalnym wodorze w ilości 0,012-0,016% (wagowo).
  • W mieszaninie gazowej dideuteru i protu wymiana izotopów zachodzi w wysokich temperaturach.
  • Słabo rozpuszczalny w zwykłej i ciężkiej wodzie.
  • W przypadku zwykłej wody wymiana izotopów jest znikoma.
  • Właściwości chemiczne podobny do lekkiego wodoru, ale dideuter jest mniej reaktywny.
  • Względna masa cząsteczkowa = 4,028
  • Gęstość względna ciekłego dideuteru (t=-253°C) = 0,17
  • temperatura topnienia = -254,5°C
  • temperatura wrzenia = -249,49°C

T2 - ditryt:

  • Superciężki wodór.
  • Bezbarwny gaz radioaktywny.
  • Okres półtrwania 12,34 lat.
  • W naturze dwutryt powstaje w wyniku bombardowania jąder 14 N przez neutrony promieniowania kosmicznego; jego ślady znaleziono w wodach naturalnych.
  • Ditryt powstaje w reaktorze jądrowym w wyniku bombardowania litu powolnymi neutronami.
  • Względna masa cząsteczkowa = 6,032
  • temperatura topnienia = -252,52°C
  • temperatura wrzenia = -248,12°C

HD - wodór deuterowy:

  • Bezbarwny gaz.
  • Nie rozpuszcza się w wodzie.
  • Właściwości chemiczne podobne do H2.
  • Względna masa cząsteczkowa = 3,022
  • Gęstość względna stałego wodoru deuterowego (t=-257°C) = 0,146
  • Nadciśnienie (liczba) = 0,135 g/l
  • temperatura topnienia = -256,5°C
  • temperatura wrzenia = -251,02°C

Tlenki wodoru

H2O - woda:

  • Bezbarwna ciecz.
  • Zgodnie ze składem izotopowym tlenu woda składa się z H 2 16 O z zanieczyszczeniami H 2 18 O i H 2 17 O
  • Według składu izotopowego wodoru woda składa się z 1 H 2 O z domieszką HDO.
  • Woda w stanie ciekłym ulega protolizie (H 3 O + i OH -):
    • Najwięcej jest H 3 O + (kation oksoniowy). mocny kwas w roztworze wodnym;
    • OH - (jon wodorotlenkowy) jest najsilniejszą zasadą w roztworze wodnym;
    • Woda jest najsłabszym protolitem sprzężonym.
  • W przypadku wielu substancji woda tworzy krystaliczne hydraty.
  • Woda jest substancją chemicznie aktywną.
  • Woda jest uniwersalnym ciekłym rozpuszczalnikiem związków nieorganicznych.
  • Względna masa cząsteczkowa wody = 18,02
  • Gęstość względna wody stałej (lód) (t=0°C) = 0,917
  • Gęstość względna wody w stanie ciekłym:
    • (t=0°C) = 0,999841
    • (t=20°C) = 0,998203
    • (t=25°C) = 0,997044
    • (t=50°C) = 0,97180
    • (t=100°C) = 0,95835
  • gęstość (n.s.) = 0,8652 g/l
  • temperatura topnienia = 0°C
  • temperatura wrzenia = 100°C
  • Produkt jonowy wody (25°C) = 1,008·10 -14

1. Rozkład termiczny wody:
2H 2 O ↔ 2H 2 +O 2 (powyżej 1000°C)

D 2 O - tlenek deuteru:

  • Ciężka woda.
  • Bezbarwna, higroskopijna ciecz.
  • Lepkość jest wyższa niż woda.
  • Miesza się ze zwykłą wodą w nieograniczonych ilościach.
  • Wymiana izotopowa wytwarza półciężką wodę HDO.
  • Moc rozpuszczalnika jest niższa niż w przypadku zwykłej wody.
  • Właściwości chemiczne tlenku deuteru są podobne do właściwości chemicznych wody, ale wszystkie reakcje przebiegają wolniej.
  • Ciężka woda występuje w naturalna woda(stosunek masowy do zwykłej wody 1:5500).
  • Tlenek deuteru otrzymuje się poprzez wielokrotną elektrolizę wody naturalnej, w której w pozostałości elektrolitu gromadzi się ciężka woda.
  • Względna masa cząsteczkowa ciężkiej wody = 20,03
  • Gęstość względna ciekłej ciężkiej wody (t=11,6°C) = 1,1071
  • Gęstość względna ciekłej ciężkiej wody (t=25°C) = 1,1042
  • temperatura topnienia = 3,813°C
  • temperatura wrzenia = 101,43°C

T 2 O - tlenek trytu:

  • Bardzo ciężka woda.
  • Bezbarwna ciecz.
  • Lepkość jest wyższa, a siła rozpuszczania niższa niż w przypadku zwykłej i ciężkiej wody.
  • Miesza się z wodą zwykłą i ciężką w nieograniczonych ilościach.
  • Wymiana izotopowa ze zwykłą i ciężką wodą prowadzi do powstania HTO, DTO.
  • Właściwości chemiczne superciężkiej wody są podobne do właściwości chemicznych wody, ale wszystkie reakcje przebiegają jeszcze wolniej niż w ciężkiej wodzie.
  • Ślady tlenku trytu znajdują się w naturalnej wodzie i atmosferze.
  • Wodę superciężką otrzymuje się przez przepuszczenie trytu przez gorący tlenek miedzi CuO.
  • Względna masa cząsteczkowa superciężkiej wody = 22,03
  • temperatura topnienia = 4,5°C

Wodór (H) jest bardzo lekki pierwiastek chemiczny, o zawartości 0,9% wagowo w skorupie ziemskiej i 11,19% w wodzie.

Charakterystyka wodoru

Jest pierwszym wśród gazów pod względem lekkości. Na normalne warunki bez smaku, bezbarwny i całkowicie bezwonny. Kiedy wchodzi do termosfery, ze względu na niewielką wagę leci w przestrzeń kosmiczną.

W całym wszechświecie jest najliczniejszym pierwiastkiem chemicznym (75% całkowitej masy substancji). Tak bardzo, że wiele gwiazd przestrzeń kosmiczna składać się wyłącznie z tego. Na przykład Słońce. Jego głównym składnikiem jest wodór. Ciepło i światło są wynikiem uwolnienia energii podczas łączenia się jąder materiału. Również w kosmosie znajdują się całe chmury jego cząsteczek o różnych rozmiarach, gęstościach i temperaturach.

Właściwości fizyczne

Wysoka temperatura i ciśnienie znacząco zmieniają jego właściwości, ale w normalnych warunkach:

Ma wysoką przewodność cieplną w porównaniu z innymi gazami,

Nietoksyczny i słabo rozpuszczalny w wodzie,

Przy gęstości 0,0899 g/l w temperaturze 0°C i pod ciśnieniem 1 atmosfery,

Zamienia się w ciecz w temperaturze -252,8°C

Staje się twardy w temperaturze -259,1°C.,

Ciepło właściwe spalania 120,9,106 J/kg.

Aby przekształcić się w stan ciekły lub stały, pod wysokim ciśnieniem i bardzo niskie temperatury. W stanie upłynnionym jest płynny i lekki.

Właściwości chemiczne

Pod ciśnieniem i po ochłodzeniu (-252,87 stopnia C) wodór przechodzi w stan ciekły, który jest lżejszy niż jakikolwiek analog. Zajmuje w nim mniej miejsca niż w postaci gazowej.

Jest to typowy niemetal. W laboratoriach wytwarza się go w reakcji metali (takich jak cynk lub żelazo) z rozcieńczonymi kwasami. W normalnych warunkach jest nieaktywny i reaguje tylko z aktywnymi niemetalami. Wodór może oddzielać tlen od tlenków i redukować metale ze związków. On i jego mieszaniny tworzą wiązania wodorowe z niektórymi pierwiastkami.

Gaz jest dobrze rozpuszczalny w etanolu i wielu metalach, zwłaszcza palladzie. Srebro go nie rozpuszcza. Wodór może ulec utlenieniu podczas spalania w tlenie lub powietrzu oraz podczas interakcji z halogenami.

Kiedy łączy się z tlenem, powstaje woda. Jeśli temperatura jest w normie, reakcja przebiega powoli, a powyżej 550°C następuje eksplozja (zamienia się w gaz detonujący).

Znalezienie wodoru w przyrodzie

Choć wodoru na naszej planecie jest dużo, nie jest łatwo znaleźć go w czystej postaci. Niewiele można znaleźć podczas erupcji wulkanów, podczas wydobycia ropy naftowej i podczas rozkładu materii organicznej.

Ponad połowa całkowitej ilości znajduje się w kompozycji z wodą. Wchodzi także w skład ropy naftowej, różnych glinek, gazów palnych, zwierząt i roślin (obecność w każdej żywej komórce wynosi 50% liczby atomów).

Cykl wodorowy w przyrodzie

Każdego roku w zbiornikach wodnych i glebie rozkłada się kolosalna ilość (miliardy ton) pozostałości roślinnych, a rozkład ten uwalnia do atmosfery ogromną masę wodoru. Uwalnia się także podczas wszelkich fermentacji wywołanych przez bakterie, spalania i wraz z tlenem bierze udział w obiegu wody.

Zastosowania wodoru

Pierwiastek jest aktywnie wykorzystywany przez ludzkość w swojej działalności, dlatego nauczyliśmy się pozyskiwać go na skalę przemysłową do:

Meteorologia, produkcja chemiczna;

Produkcja margaryny;

Jako paliwo rakietowe (ciekły wodór);

Przemysł elektroenergetyczny do chłodzenia generatorów elektrycznych;

Spawanie i cięcie metali.

Dużo wodoru wykorzystuje się do produkcji benzyny syntetycznej (w celu poprawy jakości paliwa niskiej jakości), amoniaku, chlorowodoru, alkoholi i innych materiałów. Energia jądrowa aktywnie wykorzystuje swoje izotopy.

Lek „nadtlenek wodoru” ma szerokie zastosowanie w metalurgii, przemyśle elektronicznym, produkcji celulozy i papieru, do wybielania tkanin lnianych i bawełnianych, do produkcji farb i kosmetyków do włosów, polimerów oraz w medycynie do leczenia ran.

„Wybuchowy” charakter tego gazu może stać się śmiercionośną bronią – bomba wodorowa. Jego eksplozji towarzyszy uwolnienie ogromnej ilości substancji radioaktywnych i jest destrukcyjna dla wszystkich żywych istot.

Kontakt ciekłego wodoru ze skórą może spowodować poważne i bolesne odmrożenia.

Wykład 29

Wodór. Woda

Zarys wykładu:

Woda. Właściwości chemiczne i fizyczne

Rola wodoru i wody w przyrodzie

Wodór jako pierwiastek chemiczny

Wodór jest jedynym pierwiastkiem układ okresowy DI Mendelejew, którego lokalizacja jest niejednoznaczna. Jego symbol chemiczny w układzie okresowym jest on zapisywany dwukrotnie: zarówno w grupach IA, jak i VIIA. Wyjaśnia to fakt, że wodór ma szereg właściwości, które łączą go zarówno z metalami alkalicznymi, jak i halogenami (Tabela 14).

Tabela 14

Porównanie właściwości wodoru z właściwościami metale alkaliczne i halogeny

Podobieństwa z metalami alkalicznymi Podobieństwo do halogenów
Na zewnątrz poziom energii Atomy wodoru zawierają jeden elektron. Wodór jest pierwiastkiem Przed osiągnięciem zewnętrznego i jedynego poziomu atomom wodoru, podobnie jak atomom halogenu, brakuje jednego elektronu
Wodór wykazuje właściwości redukujące. W wyniku utlenienia wodór otrzymuje stopień utlenienia najczęściej występujący w jego związkach +1 Wodór, podobnie jak halogeny, w związkach z metalami alkalicznymi i ziem alkalicznych ma stopień utlenienia -1, co potwierdza jego właściwości utleniające.
Zakłada się, że w kosmosie istnieje stały wodór z metalową siecią krystaliczną. Podobnie jak fluor i chlor, wodór w normalnych warunkach jest gazem. Jego cząsteczki, podobnie jak cząsteczki halogenu, są dwuatomowe i utworzone przez kowalencyjne wiązanie niepolarne

W przyrodzie wodór występuje w postaci trzech izotopów o liczbach masowych 1, 2 i 3: prot 1 1 H, deuter 2 1 D i tryt 3 1 T. Pierwsze dwa to izotopy trwałe, a trzeci jest radioaktywny. W naturalnej mieszaninie izotopów dominuje prot. Stosunki ilościowe pomiędzy izotopami H:D:T wynoszą 1:1,46 10 -5:4,00 10 -15.

Związki izotopów wodoru różnią się od siebie właściwościami. Przykładowo temperatury wrzenia i zamarzania lekkiej wody protowej (H 2 O) wynoszą odpowiednio – 100 o C i 0 o C, a wody deuterowej (D 2 O) – 101,4 o C i 3,8 o C. Szybkość reakcji obejmująca woda lekka jest wyższa niż woda ciężka.



We Wszechświecie najpowszechniejszym pierwiastkiem jest wodór – stanowi około 75% masy Wszechświata, czyli ponad 90% wszystkich jego atomów. Wodór jest częścią wody w jej najważniejszej skorupie geologicznej Ziemi – hydrosferze.

Wodór wraz z węglem tworzy wszystkie substancje organiczne, czyli jest częścią żywej skorupy Ziemi - biosfery. W skorupa Ziemska- litosfera - zawartość masowa wodoru wynosi zaledwie 0,88%, co oznacza, że ​​zajmuje 9. miejsce wśród wszystkich pierwiastków. Koperta powietrzna Atmosfera ziemska zawiera mniej niż jedną milionową całkowitej objętości przypadającej na wodór cząsteczkowy. Występuje tylko w górnych warstwach atmosfery.

Produkcja i wykorzystanie wodoru

Wodór został po raz pierwszy uzyskany w XVI wieku przez średniowiecznego lekarza i alchemika Paracelsusa poprzez zanurzenie żelaznej płyty w wodzie. Kwas Siarkowy, a w 1766 roku angielski chemik Henry Cavendish udowodnił, że wodór powstaje nie tylko w wyniku oddziaływania żelaza z kwasem siarkowym, ale także innych metali z innymi kwasami. Cavendish po raz pierwszy opisał także właściwości wodoru.

W laboratorium warunkach otrzymuje się wodór:

1. Oddziaływanie metali z kwasem:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

2. Oddziaływanie metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych z wodą

2Na + 2H 2O → 2NaOH + H2

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

W przemysł Wodór otrzymuje się następującymi sposobami:

1. Elektroliza wodnych roztworów soli, kwasów i zasad. Najczęściej stosowanym roztworem jest sól kuchenna:

2NaCl + 2H 2 O →el. prąd H2 + Cl2 + NaOH

2. Redukcja pary wodnej gorącym koksem:

C + H 2 O → t CO + H 2

Powstałą mieszaninę tlenku węgla i wodoru nazywa się gaz wodny (gaz syntezowy), i jest szeroko stosowany do syntezy różnych produktów chemicznych (amoniak, metanol itp.). Aby oddzielić wodór od gazu wodnego, tlenek węgla pod wpływem ogrzewania z parą wodną przekształca się w dwutlenek węgla:

CO + H 2 → t CO 2 + H 2

3. Metan grzewczy w obecności pary wodnej i tlenu. Ta metoda jest obecnie główną:

2CH 4 + O 2 + 2H 2 O → t 2CO 2 + 6H 2

Wodór jest szeroko stosowany do:

1. przemysłowa synteza amoniaku i chlorowodoru;

2. otrzymywanie metanolu i syntetycznego paliwa ciekłego w ramach gazu syntezowego (2 objętości wodoru i 1 objętość CO);

3. hydrorafinacja i hydrokraking frakcji olejowych;

4. uwodornienie tłuszczów ciekłych;

5. cięcie i spawanie metali;

6. otrzymywanie wolframu, molibdenu i renu z ich tlenków;

7. silniki kosmiczne jako paliwo.

8. W reaktorach termojądrowych jako paliwo wykorzystuje się izotopy wodoru.

Właściwości fizyczne i chemiczne wodoru

Wodór jest gazem bezbarwnym, pozbawionym smaku i zapachu. Gęstość przy nr. 0,09 g/l (14 razy lżejszy od powietrza). Wodór jest słabo rozpuszczalny w wodzie (tylko 2 objętości gazu na 100 objętości wody), ale jest dobrze wchłaniany przez metale d - nikiel, platynę, pallad (w jednej objętości palladu rozpuszcza się do 900 objętości wodoru).

W reakcje chemiczne Wodór wykazuje zarówno właściwości redukujące, jak i utleniające. Najczęściej wodór działa jako środek redukujący.

1. Oddziaływanie z niemetalami. Wodór tworzy lotne związki wodoru z niemetalami (patrz Wykład 25).

Z halogenami szybkość i warunki reakcji są różne w zależności od fluoru i jodu: z fluorem wodór reaguje wybuchowo nawet w ciemności, z chlorem reakcja przebiega dość spokojnie przy niewielkim napromieniowaniu światłem, z bromem i jodem reakcje są odwracalne i zachodzą dopiero po podgrzaniu:

H2 + F2 → 2HF

H 2 + Cl 2 → hν 2HCl

H 2 + I 2 → t 2HI

Z tlenem i wodór siarkowy reagują przy lekkim ogrzewaniu. Nazywa się mieszaniną tlenu i wodoru w stosunku 1:2 wybuchowy gaz:

H 2 + O 2 → t H 2 O

H 2 + S → t H 2 S

Z azotem, fosforem i węglem reakcja zachodzi pod wpływem ciepła, podwyższonego ciśnienia i w obecności katalizatora. Reakcje są odwracalne:

3H 2 + N 2 → kat., p, t2NH 3

2H 2 + 3P → kat., p, t3PH 3

H 2 + C → kat., p, t CH 4

2. Interakcja z substancjami złożonymi. W wysokich temperaturach wodór redukuje metale z ich tlenków:

CuO + H 2 → t Cu + H 2 O

3. Na interakcja z metalami alkalicznymi i ziem alkalicznych Wodór wykazuje właściwości utleniające:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

4. Interakcja z substancje organiczne. Wodór aktywnie oddziałuje z wieloma substancjami organicznymi, reakcje takie nazywane są reakcjami uwodornienia. Reakcje takie zostaną omówione bardziej szczegółowo w części III zbioru „Chemia organiczna”.

Rozpoczynając rozważanie właściwości chemicznych i fizycznych wodoru, należy zauważyć, że w zwykłym stanie ten pierwiastek chemiczny występuje w postaci gazowej. Bezbarwny wodór jest bezwonny i pozbawiony smaku. Po raz pierwszy ten pierwiastek chemiczny nazwano wodorem na cześć naukowca A. Lavoisiera, który przeprowadził eksperymenty z wodą, w wyniku których światowa nauka dowiedziała się, że woda jest wieloskładnikową cieczą zawierającą wodór. Wydarzenie to miało miejsce w 1787 r., jednak na długo przed tą datą wodór był znany naukowcom pod nazwą „gaz łatwopalny”.

Wodór w przyrodzie

Według naukowców wodór zawarty jest w skorupie ziemskiej i wodzie (około 11,2% całkowitej objętości wody). Gaz ten wchodzi w skład wielu minerałów, które ludzkość wydobywa z wnętrzności ziemi od wieków. Niektóre właściwości wodoru są charakterystyczne dla ropy naftowej, gazów ziemnych i gliny oraz organizmów zwierzęcych i roślinnych. Ale w czystej postaci, to znaczy nie w połączeniu z innymi pierwiastkami chemicznymi układu okresowego, gaz ten występuje niezwykle rzadko w przyrodzie. Gaz ten może przedostać się na powierzchnię ziemi podczas erupcji wulkanów. Wolny wodór występuje w atmosferze w znikomych ilościach.

Właściwości chemiczne wodoru

Ponieważ właściwości chemiczne wodoru są niejednorodne, ten pierwiastek chemiczny należy zarówno do grupy I układu Mendelejewa, jak i do grupy VII układu. Jako członek pierwszej grupy, wodór jest zasadniczo metalem alkalicznym, który w większości związków, w których występuje, ma stopień utlenienia +1. Ta sama wartościowość jest charakterystyczna dla sodu i innych metali alkalicznych. Ze względu na te właściwości chemiczne wodór jest uważany za pierwiastek podobny do tych metali.

Jeśli mówimy o wodorkach metali, to jon wodoru ma ujemną wartościowość - jego stopień utlenienia wynosi -1. Na+H- buduje się według tego samego schematu co chlorek Na+Cl-. Fakt ten jest powodem zaliczenia wodoru do VII grupy układu okresowego. Wodór będący w stanie cząsteczkowym, pod warunkiem, że znajduje się w zwykłym środowisku, jest nieaktywny i może łączyć się wyłącznie z niemetalami, które są dla niego bardziej aktywne. Metale te obejmują fluor; w obecności światła wodór łączy się z chlorem. Jeśli wodór zostanie podgrzany, staje się bardziej aktywny, reagując z wieloma pierwiastkami układu okresowego Mendelejewa.

Wodór atomowy wykazuje bardziej aktywne właściwości chemiczne niż wodór molekularny. Cząsteczki tlenu tworzą wodę - H2 + 1/2O2 = H2O. Kiedy wodór oddziałuje z halogenami, powstają halogenowodory H2 + Cl2 = 2HCl, a wodór wchodzi w tę reakcję przy braku światła i w dość wysokich ujemnych temperaturach - do - 252°C. Właściwości chemiczne wodoru pozwalają na wykorzystanie go do redukcji wielu metali, gdyż podczas reakcji wodór pochłania tlen z tlenków metali, na przykład CuO + H2 = Cu + H2O. Wodór bierze udział w tworzeniu amoniaku poprzez oddziaływanie z azotem w reakcji ZH2 + N2 = 2NH3, ale pod warunkiem zastosowania katalizatora oraz zwiększenia temperatury i ciśnienia.

Gwałtowna reakcja zachodzi, gdy wodór reaguje z siarką w reakcji H2 + S = H2S, w wyniku czego powstaje siarkowodór. Oddziaływanie wodoru z tellurem i selenem jest nieco mniej aktywne. Jeśli nie ma katalizatora, reaguje z czystym węglem, wodorem tylko pod warunkiem wytworzenia wysokich temperatur. 2H2 + C (amorficzny) = CH4 (metan). Podczas działania wodoru z niektórymi metalami alkalicznymi i innymi metalami otrzymuje się wodorki, na przykład H2 + 2Li = 2LiH.

Właściwości fizyczne wodoru

Wodór jest bardzo lekki chemiczny. Przynajmniej tak twierdzą naukowcy ten moment, nie ma lżejszej substancji niż wodór. Jego masa jest 14,4 razy lżejsza od powietrza, a gęstość wynosi 0,0899 g/l w temperaturze 0°C. W temperaturze -259,1°C wodór może się stopić – jest to temperatura bardzo krytyczna, nietypowa dla przemian większości związki chemiczne z jednego stanu do drugiego. Tylko pierwiastek taki jak hel przewyższa pod tym względem właściwości fizyczne wodoru. Skroplenie wodoru jest trudne, ponieważ jego temperatura krytyczna wynosi (-240°C). Wodór jest najbardziej przewodzącym ciepło gazem znanym ludzkości. Wszystkie opisane powyżej właściwości są najważniejsze właściwości fizyczne wodór, który jest wykorzystywany przez człowieka do określonych celów. Te właściwości są również najbardziej istotne dla współczesnej nauki.