Общая и неорганическая химия

Лекция 6. Водород и кислород. Вода. Пероксид водорода.

Водород

Атом водорода – простейший объект химии. Строго говоря, его ион – протон – еще проще. Впервые описан в 1766 г. Кавендишем . Название от греч. “hydro genes” – порождающий воду.

Радиус атома водорода примерно 0,5*10-10 м, а его иона (протона) – 1,2*10-15 м. Или же от 50 пм до 1,2*10-3 пм или от 50 метров (диагональ СХА) до 1 мм.

Следующий 1s элемент – литий меняется только от 155 пм до 68 пм у Li+ . Такая разница в размерах атома и его катиона (5 порядков) уникальна.

Благодаря малому размеру протона осуществляется обменная водородная связь , прежде всего между атомами кислорода, азота и фтора. Прочность водородных связей составляет 10-40 кДж/моль, что значительно меньше энергии разрыва большинства обычных связей (100-150 кДж/моль в органических молекулах), но больше средней кинетической энергии теплового движения при 370 С (4 кДж/моль). В результате в живом организме водородные связи обратимо разрываются, обеспечивая протекание процессов жизнедеятельности.

Водород плавится при 14 К, кипит при 20,3 К (давление 1 атм), плотность жидкого водорода всего 71 г/л (в 14 раз легче воды).

В разреженной межзвездной среде обнаружены возбужденные атомы водорода с переходами вплоть до n 733 → 732 с длиной волны 18 м, что соответствует боровскому радиусу (r = n2 *0,5*10-10 м) порядка 0,1 мм (!) .

Самый распространенный элемент в космосе (88,6% атомов, 11,3% атомов приходится на гелий, и только 0,1% – атомы всех остальных элементов) .

4 H → 4 He + 26,7 МэВ 1 эВ = 96,48 кДж/моль

Поскольку протоны имеют спин 1/2, существуют три варианта молекул водорода:

ортоводород о-Н2 с параллельными ядерными спинами, параводород п-Н2 с антипараллельными спинами и нормальный н-Н2 – смесь 75% орто-водорода и 25% пара-водорода. При превращении о-Н2 → п-Н2 выделяется 1418 Дж/моль.

Свойства орто- и параводорода

Так как атомная масса водорода – минимально возможная, его изотопы – дейтерий D (2 H) и тритий T (3 H) существенно отличаются от протия 1 Н по физическим и химическим свойствам. Например, замена одного из водородов в органическом соединении на дейтерий заметно отражается на его колебательном (инфракрасном) спектре, что позволяет устанавливать структуру сложных молекул. Подобные замены (“метод меченых атомов”) используют также для установления механизмов сложных

химических и биохимических процессов. Особенно чувствителен метод меченых атомов при использовании вместо протия радиоактивного трития (β -распад, период полураспада 12,5 лет).

Свойства протия и дейтерия

					Плотн., г/л (20 К)
Основной метод получения водорода в промышленности – конверсия метана
или гидратация угля при 800-11000 С (катализатор):
CH4 + H2 O = CO + 3 H2				выше 10000 С
«Водяной газ»: C + H2 O = CO + H2
Затем конверсия CO: CO + H2 O = CO2 + H2						4000 C, окислы кобальта

Суммарно: C + 2 H2 O = CO2 + 2 H2

Другие источники водорода.

Коксовый газ: около 55% водорода, 25% метана, до 2% тяжелых углеводородов, 4-6% СО, 2% СО2 , 10-12% азота.

Водород, как продукт горения:

Si + Ca(OH)2 + 2 NaOH = Na2 SiO3 + CaO + 2 H2

На 1 кг пиротехнической смеси выделяется до 370 л водорода .

Водород в виде простого вещества применяют для производства аммиака и гидрирования (отверждения) растительных жиров, для восстановления из оксидов некоторых металлов (молибден, вольфрам), для получения гидридов (LiH, CaH2 ,

LiAlH4 ).

Энтальпия реакции: H. + H. = H2 составляет -436 кДж/моль, поэтому атомарный водород используется для получения высокотемпературного восстановительного «пламени» («горелка Ленгмюра»). Струя водорода в электрической дуге атомизируется при 35000 С на 30%, затем при рекомбинации атомов удается достичь 50000 С.

Сжиженный водород используется в качестве топлива в ракетах (см. кислород). Перспективное экологически чистое топливо для наземного транспорта; идут эксперименты по использованию металлгидридных аккумуляторов водорода. Например, сплав LaNi5 может поглотить в 1,5-2 раза больше водорода, чем его содержится в таком же объеме (как объем сплава) жидкого водорода.

Кислород

Согласно общепринятым сейчас данным, кислород открыт в 1774 г. Дж. Пристли и независимо К.Шееле . История открытия кислорода – хороший пример влияния парадигм на развитие науки (см. Дополнение 1).

По-видимому, на самом деле кислород был открыт гораздо раньше официальной даты. В 1620 г. любой желающий мог прокатиться по Темзе (в Темзе) на подводной лодке конструкции Корнелиуса ван Дреббеля . Лодка двигалась под водой благодаря усилиям дюжины гребцов. По свидетельствам многочисленных очевидцев, изобретатель подводной лодки успешно решил проблему дыхания, “освежая” воздух в ней химическим способом. Роберт Бойль писал в 1661 г. : “... Кроме механической конструкции лодки, у изобретателя имелся химический раствор (liquor), который он

считал главным секретом подводного плавания. И когда время от времени он убеждался в том, что пригодная для дыхания часть воздуха уже израсходована и затрудняла дыхание находящихся в лодке людей, он мог, раскупорив наполненный этим раствором сосуд, быстро восполнить воздух таким содержанием жизненных частей, которые сделали бы его вновь пригодным для дыхания на достаточно длительное время”.

Здоровый человек в спокойном состоянии за сутки прокачивает через свои легкие около 7200 л воздуха, забирая безвозвратно 720 л кислорода. В закрытом помещении объемом 6 м3 человек может продержаться без вентиляции до 12 часов, а при физической работе 3-4 часа. Основная причина затруднения дыхания – не недостаток кислорода, а накопление углекислого газа с 0,3 до 2,5% .

Долгое время основным методом получения кислорода был "бариевый" цикл (получение кислорода по методу Брина) :

BaSO4 -t-→ BaO + SO3 ;

5000 C ->

BaO + 0,5 O2 ====== BaO2 <- 7000 C

Секретный раствор Дреббеля мог быть раствором пероксида водорода: BaO2 + H2 SO4 = BaSO4 ↓ + H2 O2

Получение кислорода при горении пиросмеси: NaClO3 = NaCl + 1,5 O2 + 50,5 кДж

В смеси до 80% NaClO3 , до 10% железного порошка, 4% перекиси бария и стекловата.

Молекула кислорода парамагнитна (практически – бирадикал) , поэтому высока ее активность. Органические вещества на воздухе окисляются через стадию образования пероксидов.

Кислород плавится при 54,8 К, кипит при 90,2 К.

Аллотропная модификация элемента кислорода – вещество озон O3 . Чрезвычайно важна биологическая озоновая защита Земли. На высоте 20-25 км устанавливается равновесие:

УФ<280 нм		УФ 280-320нм
O2 ----> 2 O*	O* + O2 + M --> O3	O3 -------	> O2 + O
	(M – N2 , Ar)

В 1974 г обнаружено, что атомарный хлор, который образуется из фреонов на высоте больше 25 км, катализирует распад озона, как бы заменяя "озоновый" ультрафиолет. Этот УФ способен вызывать рак кожи (в США в год до 600 тыс. случаев). Запрет на фреоны в аэрозольных баллонах действует в США с 1978 г.

С 1990 г. в список запрещенных веществ (в 92 странах) включены CH3 CCl3 , CCl4 , хлорбромуглеводороды – их производство сворачивается к 2000 г .

Горение водорода в кислороде

Реакция очень сложная (схема в лекции 3), поэтому до начала практического применения потребовалось длительное изучение.

21 июля 1969 г. первый землянин – Н.Армстронг прошелся по Луне. Ракетаноситель “Сатурн-5” (конструктор – Вернер фон Браун) состоит из трех ступеней. В первой керосин и кислород, во второй и третьей – жидкие водород и кислород. Всего 468 т жидких O2 и H2 . Произведено 13 успешных запусков.

С апреля 1981 г. в США осуществляет полеты “Спейс шаттл”: 713 т жидких O2 и H2 , а также два твердотопливных ускорителя по 590 т (суммарная масса твердого топлива 987 т). Первые 40 км подъем на ТТУ, от 40 до 113 км работают двигатели на водороде и кислороде.

15 мая 1987 г. первый старт “Энергии”, 15 ноября 1988 г. первый и единственный полет “Бурана”. Стартовая масса 2400 т., масса топлива (керосина в

боковых отсеках, жидких O2 и H2 ) 2000 т. Мощность двигателей 125000 МВт, полезный груз 105 т .

Не всегда горение было управляемым и удачным.

В 1936 г. был построен самый большой в мире водородный дирижабль LZ-129 “Гинденбург”. Объем 200000 м3 , длина около 250 м, диаметр 41,2 м. Скорость 135 км/час благодаря 4 двигателям по 1100 л.с., полезная нагрузка 88 т. Дирижабль совершил 37 рейсов через Атлантику и перевез более 3 тыс. пассажиров.

6 мая 1937 г. при причаливании в США дирижабль взорвался и сгорел. Одна из возможных причин – диверсия .

28 января 1986 г. на 74-й секунде полета взорвался “Челленджер” с семью космонавтами – 25-й рейс системы “Шаттл”. Причина – дефект твердотопливного ускорителя.

Демонстрация:

взрыв гремучего газа (смеси водорода с кислородом)

Топливные элементы

Технически важный вариант этой реакции горения – разделение процесса на два:

электроокисление водорода (анод): 2 H2 + 4 OH– - 4 e– = 4 H2 O

электровосстановление кислорода (катод): O2 + 2 H2 O + 4 e– = 4 OH–

Система, в которой осуществляется такое “горение” – топливный элемент . КПД гораздо выше, чем у тепловых электростанций, поскольку отсутствует

специальная стадия генерации теплоты. Максимальный КПД = ∆ G/∆ H; для горения водорода получается 94%.

Эффект известен с 1839 г., но первые практически работающие ТЭ реализованы

в конце XX века в космосе (“Джемини”,“Аполлон”, “Шаттл” – США, “Буран” – СССР) .

Перспективы топливных элементов [ 17 ]

Представитель фирмы Ballard Power Systems, выступая на научной конференции в Вашингтоне, подчеркнул, что коммерчески оправданным двигатель на топливных элементах станет, когда он будет отвечать четырем основным критериям: снижению стоимости вырабатываемой энергии, повышению долговечности, уменьшению размеров установки и возможности быстрого запуска в холодную погоду. Стоимость одного киловатта энергии, выработанного установкой на топливных элементах, должна снизиться до 30 долларов США. Для сравнения, в 2004 году аналогичный показатель составлял 103 долларов, а в 2005 ожидается на уровне 80 долларов. Для достижения данной цены необходимо выпускать не менее 500 тысяч двигателей в год. Европейские ученые более осторожны в прогнозах и считают, что коммерческое использование топливных водородных элементов в автопромышленности начнется не ранее 2020 года.

Химические свойства водорода

При обычных условиях молекулярный Водород сравнительно мало активен, непосредственно соединяясь лишь с наиболее активными из неметаллов (с фтором, а на свету и с хлором). Однако при нагревании он вступает в реакции со многими элементами.

Водород вступает в реакции с простыми и сложными веществами:

- Взаимодействие водорода с металлами приводит к образованию сложных веществ - гидридов, в химических формулах которых атом металла всегда стоит на первом месте:

При высокой температуре Водород непосредственно реагирует с некоторыми металлами (щелочными, щелочноземельными и другими), образуя белые кристаллические вещества - гидриды металлов (Li Н, Na Н, КН, СаН 2 и др.):

Н 2 + 2Li = 2LiH

Гидриды металлов легко разлагаются водой с образованием соответствующей щелочи и водорода:

СаH 2 + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + 2Н 2

- При взаимодействии водорода с неметаллами образуются летучие водородные соединения. В химической формуле летучего водородного соединения, атом водорода может стоять как на первом так и на втором месте, в зависимости от местонахождения в ПСХЭ (см. табличку в слайде):

1). С кислородом Водород образует воду:

Видео "Горение водорода"

2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О + Q

При обычных температурах реакция протекает крайне медленно, выше 550°С - со взрывом (смесь 2 объемов Н 2 и 1 объема О 2 называется гремучим газом ) .

Видео "Взрыв гремучего газа"

Видео "Приготовление и взрыв гремучей смеси"

2). С галогенами Водород образует галогеноводороды, например:

Н 2 + Cl 2 = 2НСl

При этом с фтором Водород взрывается (даже в темноте и при - 252°С), с хлором и бромом реагирует лишь при освещении или нагревании, а с йодом только при нагревании.

3). С азотом Водород взаимодействует с образованием аммиака:

ЗН 2 + N 2 = 2NН 3

лишь на катализаторе и при повышенных температуpax и давлениях.

4). При нагревании Водород энергично реагирует с серой :

Н 2 + S = H 2 S (сероводород),

значительно труднее с селеном и теллуром.

5). С чистым углеродом Водород может реагировать без катализатора только при высоких температуpax:

2Н 2 + С (аморфный) = СН 4 (метан)

- Водород вступает в реакцию замещения с оксидами металлов , при этом образуются в продуктах вода и восстанавливается металл. Водород - проявляет свойства восстановителя:

Водород используется для восстановления многих металлов , так как отнимает кислород у их оксидов:

Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4Н 2 О, и т. д.

Применение водорода

Видео "Применение водорода"

В настоящее время водород получают в огромных количествах. Очень большую часть его используют при синтезе аммиака, гидрогенизации жиров и при гидрировании угля, масел и углеводородов. Кроме того, водород применяют для синтеза соляной кислоты, метилового спирта, синильной кислоты, при сварке и ковке металлов, а также при изготовлении ламп накаливания и драгоценных камней. В продажу водород поступает в баллонах под давлением свыше 150 атм. Они окрашены в тёмно-зелёный цвет и снабжаются красной надписью "Водород".

Водород используется для превращения жидких жиров в твердые (гидрогенизация), производства жидкого топлива гидрогенизацией углей и мазута. В металлургии водород используют как восстановитель оксидов или хлоридов для получения металлов и неметаллов (германия, кремния, галлия, циркония, гафния, молибдена, вольфрама и др.).

Практическое применение водорода многообразно: им обычно заполняют шары-зонды, в химической промышленности он служит сырьём для получения многих весьма важных продуктов (аммиака и др.), в пищевой - для выработки из растительных масел твёрдых жиров и т. д. Высокая температура (до 2600 °С), получающаяся при горении водорода в кислороде, используется для плавления тугоплавких металлов, кварца и т. п. Жидкий водород является одним из наиболее эффективных реактивных топлив. Ежегодное мировое потребление водорода превышает 1 млн. т.

ТРЕНАЖЕРЫ

№2. Водород

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ

Задание №1
Составьте уравнения реакций взаимодействия водорода со следующими веществами: F 2 , Ca, Al 2 O 3 , оксидом ртути (II), оксидом вольфрама (VI). Назовите продукты реакции, укажите типы реакций.

Задание №2
Осуществите превращения по схеме:
H 2 O -> H 2 -> H 2 S -> SO 2

Задание №3.
Вычислите массу воды, которую можно получить при сжигании 8 г водорода?

Кислород — один из самых распространенных на Земле элементов. Он составляет около половины веса земной коры, внешней оболочки планеты. В соединении с водородом он образует воду, покрывающую более двух третей земной поверхности.

Мы не можем ни увидеть кислород, ни ощутить его вкус или запах. Тем не менее, он составляет пятую часть воздуха и является жизненно необходимым. Чтобы жить, нам, так же как животным и растениям, надо дышать.

Кислород — непременный участник химических реакций, идущих внутри любой микроскопической клетки живого организма, в результате которых расщепляются питательные вещества и высвобождается энергия, необходимая для жизни. Именно поэтому кислород так необходим каждому живому существу (за исключением немногих видов микробов).

При горении вещества соединяются с кислородом, выделяя при этом энергию в виде тепла и света.

Водород

Самым распространенным элементом во Вселенной является водород . На него приходится основная масса большинства звезд. На Земле основная часть водорода (химический символ Н) связана с кислородом (О), образуя воду (Н20). Водород — простейший и самый легкий химический элемент, так как каждый его атом состоит лишь из одного протона и одного электрона.

В начале XX века водородом наполняли дирижабли, большие воздушные суда. Однако водород очень легко воспламеняется. После нескольких катастроф, вызванных пожарами, водород в дирижаблях перестали использовать. Сегодня в воздухоплавании используют другой легкий газ — негорючий гелий.

Водород соединяется с углеродом и образует вещества, которые называются углеводородами. К ним относятся продукты, получаемые из природного газа и сырой нефти, например, газообразные пропан и бутан, или жидкий бензин. Водород также соединяется с углеродом и кислородом с образованием углеводов. Крахмал в картофеле и рисе, сахар в свекле являются углеводами.

Солнце и другие звезды в основном состоят из водорода. В центре звезды чудовищные температуры и давления заставляют атомы водорода сливаться друг с другом и превращаться в другой газ - гелий. При этом выделяется огромное количество энергии в виде тепла и света.

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

Цель занятия. На этом занятии вы узнаете о, пожалуй, самых важных химических элементах для жизни на земле – водороде и кислороде, узнаете об их химических свойствах, а также о физических свойствах простых веществ, ими образуемых, узнаете больше о роли кислорода и водорода в природе и жизни человека.

Водород – самый распространённый элемент во Вселенной. Кислород – самый распространённый элемент на Земле. Вместе они образуют воду – вещество, которое составляет больше половины массы человеческого тела. Кислород – газ, необходимый нам для дыхания, а без воды мы не смогли бы прожить и нескольких дней, так что без сомнения можно считать кислород и водород важнейшими химическими элементами, необходимыми для жизни.

Строение атомов водорода и кислорода

Таким образом, водород проявляет неметаллические свойства. В природе водород встречается в виде трёх изотопов, протия , дейтерия и трития , изотопы водорода очень сильно отличаются друг от друга по физическим свойствам, поэтому им даже присвоены индивидуальные символы.

Если вы не помните или не знаете, что такое изотопы, поработайте с материалами электронного образовательного ресурса «Изотопы как разновидности атомов одного химического элемента». В нём вы узнаете, чем отличаются друг от друга изотопы одного элемента, к чему приводит наличие нескольких изотопов у одного элемента, а также познакомитесь с изотопами нескольких элементов.

Таким образом, возможные степени окисления кислорода ограничены значениями от –2 до +2. Если кислород принимает два электрона (становясь анионом) или образует две ковалентные связи с менее электроотрицательными элементами, он переходит в степень окисления –2. Если кислород образует одну связь с другим атомом кислорода, а вторую – с атомом менее электроотрицательного элемента, он переходит в степень окисления –1. Образуя две ковалентные связи со фтором (единственным элементом с более высоким значением электроотрицательности), кислород переходит в степень окисления +2. Образуя одну связь с другим атомом кислорода, а вторую – с атомом фтора – +1. И наконец, если кислород образует одну связь с менее электроотрицательным атомом, а вторую – со фтором, он будет находиться в степени окисления 0.

Физические свойства водорода и кислорода, аллотропия кислорода

Водород – бесцветный газ без вкуса и запаха. Очень лёгкий (в 14,5 раз легче воздуха). Температура сжижения водорода – -252,8 °C – почти самая низкая среди всех газов (уступает только гелию). Жидкий и твёрдый водород – очень лёгкие бесцветные вещества.

Кислород – бесцветный газ без вкуса и запаха, немного тяжелее воздуха. При температуре -182,9 °C превращается в тяжёлую жидкость голубого цвета, при -218 °C затвердевает с образованием кристаллов синего цвета. Молекулы кислорода парамагнитны, то есть кислород притягивается магнитом. Кислород плохо растворим в воде.

В отличие от водорода, образующего молекулы только одного типа, , кислород проявляет аллотропию и образует молекулы двух типов, то есть элемент кислород образует два простых вещества: кислород и озон .

Химические свойства и получение простых веществ

Водород.

Связь в молекуле водорода – одинарная, однако это одна из самых прочных одинарных связей в природе, и чтобы разорвать её необходимо затратить много энергии, по этой причине водород весьма малоактивен при комнатной температуре, однако при повышении температуры (или в присутствии катализатора) водород легко взаимодействует со многими простыми и сложными веществами.

Водород с химической точки зрения является типичным неметаллом. То есть он способен взаимодействовать с активными металлами с образованием гидридов, в которых он проявляет степень окисления –1. С некоторыми металлами (литий, кальций) взаимодействие протекает даже при комнатной температуре, однако довольно медленно, поэтому при синтезе гидридов используют нагревание:

,

.

Образование гидридов прямым взаимодействием простых веществ возможно только для активных металлов. Уже алюминий не взаимодействует с водородом непосредственно, его гидрид получают обменными реакциями.

С неметаллами водород также реагирует только при нагревании. Исключениями являются галогены хлор и бром, реакция с которыми может быть индуцирована светом:

.

Реакция со фтором также не требует нагревания, она протекает со взрывом даже при сильном охлаждении и в абсолютной темноте.

Реакция с кислородом протекает по разветвлённому цепному механизму, поэтому скорость реакции стремительно возрастает, и в смеси кислорода с водородом в соотношении 1:2 реакция протекает со взрывом (такая смесь носит название «гремучий газ»):

.

Реакция с серой протекает гораздо более спокойно, практически без выделения тепла:

.

Реакции с азотом и йодом протекают обратимо:

,

.

Это обстоятельство сильно затрудняет получение аммиака в промышленности: процесс требует использования повышенного давления для смешения равновесия в сторону образования аммиака. Йодоводород прямым синтезом не получают, поскольку имеется несколько гораздо более удобных способов его синтеза.

С малоактивными неметаллами () водород непосредственно не реагирует, хотя его соединения с ними известны.

В реакциях со сложными веществами водород в большинстве случаев выступает в роли восстановителя. В растворах водород может восстанавливать малоактивные металлы (располагающиеся после водорода в ряду напряжений ) из их солей:

При нагревании водород может восстанавливать многие металлы из их оксидов. При этом чем активнее металл, тем сложнее его восстановить и тем более высокая для этого нужна температура:

.

Металлы более активные, чем цинк, практически невозможно восстановить водородом.

Водород в лаборатории получают взаимодействием металлов с сильными кислотами. Чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

Реже используется электролиз воды в присутствии сильных электролитов:

В промышленности водород получают как побочный продукт при получении едкого натра электролизом раствора хлорида натрия:

Кроме того, водород получают при переработке нефти.

Получение водорода фотолизом воды – один из наиболее перспективных способов в будущем, однако на сегодняшний момент промышленное применение этого метода затруднительно.

Поработайте с материалами электронных образовательных ресурсов Лабораторная работа «Получение и свойства водорода» и Лабораторная работа «восстановительные свойства водорода». Изучите принцип действия аппарата Киппа и аппарата Кирюшкина. Подумайте, в каких случаях удобнее использовать аппарат Киппа, а в каких – Кирюшкина. Какие свойства проявляет водород в реакциях?

Кислород.

Связь в молекуле кислорода двойная и весьма прочная. Поэтому кислород довольно малоактивен при комнатной температуре. При нагревании он, однако, начинает проявлять сильные окислительные свойства.

Кислород без нагревания реагирует с активными металлами (щелочными, щелочноземельными и некоторыми лантаноидами):

При нагревании кислород взаимодействует с большинством металлов с образованием оксидов:

,

,

.

Серебро и менее активные металлы не окисляются кислородом.

Кислород также реагирует с большинством неметаллов с образованием оксидов:

,

,

.

Взаимодействие с азотом происходит только при очень высоких температурах, около 2000 °C.

С хлором, бромом и йодом кислород не реагирует, хотя многие их оксиды можно получить косвенным путём.

Взаимодействие кислорода со фтором можно провести при пропускании электрического разряда через смесь газов:

.

Фторид кислорода(II) – нестойкое соединение, легко разлагается и является очень сильным окислителем.

В растворах кислород является сильным, хотя и медленным, окислителем. Как правило, кислород способствует переходу металлов в более высокие степени окисления:

Присутствие кислорода часто позволяет растворять в кислотах металлы, расположенные сразу за водородом в ряду напряжений :

При нагревании кислород может окислять низшие оксиды металлов:

.

Кислород в промышленности не получают химическими способами, его получают из воздуха перегонкой.

В лаборатории используют реакции разложения богатых кислородом соединений – нитратов, хлоратов, перманганатов при нагревании:

Также можно получить кислород при каталитическом разложении перекиси водорода:

Кроме того, для получения кислорода может использоваться приведённая выше реакция электролиза воды.

Поработайте с материалами электронного образовательного ресурса Лабораторная работа «Получение кислорода и его свойства».

Как называется используемый в лабораторной работе метод собирания кислорода? Какие ещё способы собирания газов существуют и какие из них подходят для собирания кислорода?

Задание 1. Посмотрите видеофрагмент «Разложение перманганата калия при нагревании».

Ответьте на вопросы:

1. 1. Какой из твёрдых продуктов реакции растворим в воде?
   2. Какой цвет имеет раствор перманганата калия?
   3. Какой цвет имеет раствор манганата калия?

Напишите уравнения протекающих реакций. Уравняйте их, используя метод электронного баланса.

Обсудите выполнение задания с учителем на или в видеокомнате.

Озон.

Молекула озона трёхатомна и связи в ней менее прочные, чем в молекуле кислорода, что приводит к большей химической активности озона: озон легко окисляет многие вещества в растворах или в сухом виде без нагревания:

Озон способен легко окислить оксид азота(IV) до оксида азота(V), а оксид серы(IV) до оксида серы(VI) без катализатора:

Озон постепенно разлагается с образованием кислорода:

Для получения озона используются специальные приборы – озонаторы, в которых через кислород пропускают тлеющий разряд.

В лаборатории для получения незначительных количеств озона иногда используют реакции разложения пероксосоединений и некоторых высших оксидов при нагревании:

Поработайте с материалами электронного образовательного ресурса Лабораторная работа «Получение озона и исследование его свойств».

Объясните, почему обесцвечивается раствор индиго. Напишите уравнения реакций, протекающих при смешении растворов нитрата свинца и сульфида натрия и при пропускании через полученную взвесь озонированного воздуха. Для реакции ионного обмена составьте ионные уравнения. Для окислительно-восстановительной реакции составьте электронный баланс.

Обсудите выполнение задания с учителем на или в видеокомнате.

Химические свойства воды

Для лучшего ознакомления с физическими свойствами воды и её значимостью поработайте с материалами электронных образовательных ресурсов «Аномальные свойства воды» и «Вода – важнейшая жидкость на Земле».

Вода обладает огромной важностью для любых живых организмов – по сути многие живые организмы состоят из воды более чем наполовину. Вода является одним из наиболее универсальных растворителей (при высоких температурах и давлениях её возможности как растворителя существенно возрастают). С химической точки зрения вода является оксидом водорода, при этом в водном растворе она диссоциирует (хотя и в очень малой степени) на катионы водорода и гидроксид-анионы:

.

Вода взаимодействует со многими металлами. С активными (щелочными, щелочноземельными и некоторыми лантаноидами) вода реагирует без нагревания:

С менее активными взаимодействие происходит при нагревании.