Загальна та неорганічна хімія
Лекція 6. Водень та кисень. Вода. Перекис водню.
Водень
Атом водню – найпростіший об'єкт хімії. Строго кажучи, його іон протон ще простіше. Вперше описаний у 1766 р. Кавендішем. Назва від грецьк. "hydro genes" - породжує воду.
Радіус атома водню приблизно 0,5 * 10-10 м, а його іона (протона) - 1,2 * 10-15 м. Або від 50 пм до 1,2 * 10-3 пм або від 50 метрів (діагональ СХА ) До 1 мм.
Наступний 1s елемент – літій змінюється лише від 155 пм до 68 пм у Li+. Така різниця у розмірах атома та його катіону (5 порядків) унікальна.
Завдяки малому розміру протона здійснюється обмінна водневий зв'язок, Насамперед між атомами кисню, азоту і фтору. Міцність водневих зв'язків становить 10-40 кДж/моль, що значно менше енергії розриву більшості звичайних зв'язків (100-150 кДж/моль в органічних молекулах), але більше за середню кінетичну енергію теплового руху при 370 С (4 кДж/моль). У результаті живому організмі водневі зв'язки оборотно розриваються, забезпечуючи перебіг процесів життєдіяльності.
Водень плавиться при 14 К, кипить при 20,3 К (тиск 1 атм), щільність рідкого водню всього 71 г/л (у 14 разів легша за воду).
У розрідженому міжзоряному середовищі виявлено збуджені атоми водню з переходами аж до n 733 → 732 з довжиною хвилі 18 м, що відповідає борівському радіусу (r = n2 * 0,5 * 10-10 м) близько 0,1 мм (!).
Найпоширеніший елемент у космосі (88,6% атомів, 11,3% атомів посідає гелій, і лише 0,1% – атоми від інших елементів) .
4 H → 4 He + 26,7 МеВ 1 еВ = 96,48 кДж/моль
Оскільки протони мають спін 1/2, існують три варіанти молекул водню:
ортоводород про-Н2 з паралельними ядерними спинами, параводень п-Н2 з антипаралельнимиспинами та нормальний н-Н2 – суміш 75% орто-водню та 25% пара-водню. При перетворенні про-Н2 → п-Н2 виділяється 1418 Дж/моль.
Властивості орто- та параводню
Оскільки атомна маса водню – мінімально можлива, його ізотопи – дейтерій D (2 H) та тритій T (3 H) істотно відрізняються від протию 1 Н за фізичними та хімічними властивостями. Наприклад, заміна одного з водень в органічній сполукі на дейтерій помітно відбивається на його коливальному (інфрачервоному) спектрі, що дозволяє встановлювати структуру складних молекул. Подібні заміни ("метод мічених атомів") використовують також для встановлення складних механізмів.
хімічних та біохімічних процесів. Особливо чутливий метод мічених атомів при використанні замість протию радіоактивного тритію (β-розпад, період напіврозпаду 12,5 років).
Властивості протию та дейтерію
Плотн., г/л (20 К) |
|||||||
Основний метод отримання воднюу промисловості – конверсія метану |
|||||||
або гідратація вугілля при 800-11000 С (каталізатор): |
|||||||
CH4 + H2 O = CO + 3 H2 |
вище 10000 С |
||||||
"Водяний газ": C + H2 O = CO + H2 |
|||||||
Потім конверсія CO: CO + H2 O = CO2 + H2 |
4000 C, оксиди кобальту |
||||||
Сумарно: C + 2 H2 O = CO2 + 2 H2
Інші джерела водню.
Коксовий газ: близько 55% водню, 25% метану, до 2% важких вуглеводнів, 4-6%, 2% СО2, 10-12% азоту.
Водень як продукт горіння:
Si + Ca(OH)2 + 2 NaOH = Na2 SiO3 + CaO + 2 H2
На 1 кг піротехнічної суміші виділяється до 370 л водню.
Водень у вигляді простої речовини застосовують для виробництва аміаку та гідрування (затвердіння) рослинних жирів, для відновлення з оксидів деяких металів (молібден, вольфрам), для отримання гідридів (LiH, CaH2,
LiAlH4).
Ентальпія реакції: H. + H. = H2 становить -436 кДж/моль, тому атомарний водень використовується для отримання високотемпературного відновного «полум'я» («пальник Ленгмюра»). Струмінь водню в електричній дузі атомізується при 35000 С на 30%, потім при рекомбінації атомів вдається досягти 50000 С.
Зріджений водень використовується як паливо в ракетах (див. кисень). Перспективне екологічно чисте паливо наземного транспорту; йдуть експерименти щодо використання металгідридних акумуляторів водню. Наприклад, сплав LaNi5 може поглинути в 1,5-2 рази більше водню, ніж його міститься в такому обсязі (як обсяг сплаву) рідкого водню.
Кисень
Згідно з загальноприйнятими зараз даними, кисень відкритий в 1774 р. Дж. Прістлі і незалежно К. Шееле. Історія відкриття кисню – добрий приклад впливу парадигм в розвитку науки (див. Додаток 1).
Очевидно, насправді кисень був відкритий набагато раніше за офіційну дату. У 1620 р. будь-який бажаючий міг покататися Темзою (в Темзі) на підводному човні конструкції Корнеліуса ван Дреббеля. Човен рухався під водою завдяки зусиллям дюжини веслярів. За свідченнями численних очевидців, винахідник підводного човна успішно вирішив проблему дихання, освіжаючи повітря в ньому хімічним способом. Роберт Бойль писав у 1661 р.: “... Крім механічної конструкції човна, у винахідника був хімічний розчин (liquor), що він
вважав головним секретом підводного плавання. І коли час від часу він переконувався в тому, що придатна для дихання частина повітря вже витрачена і ускладнювала дихання людей, що перебувають у човні, він міг, розкупоривши наповнений цим розчином посудину, швидко заповнити повітря таким вмістом життєвих частин, які зробили б його знову придатним для дихання досить тривалий час”.
Здорова людина у спокійному стані за добу прокачує через свої легені близько 7200 л повітря, забираючи безповоротно 720 л кисню. У закритому приміщенні об'ємом 6 м3 може протриматися без вентиляції до 12 годин, а при фізичній роботі 3-4 години. Основна причина утруднення дихання – не брак кисню, а накопичення вуглекислого газуз 0,3 до 2,5%.
Довгий час основним методом отримання кисню був "барієвий" цикл (отримання кисню за методом Бріна):
BaSO4 -t-→ BaO + SO3;
5000 C ->
BaO + 0,5 O2 ====== BaO2<- 7000 C
Секретний розчин Дреббеля міг бути розчином пероксиду водню: BaO2 + H2 SO4 = BaSO4 ↓ + H2 O2
Одержання кисню при горінні пиросуміші: NaClO3 = NaCl + 1,5 O2 + 50,5 кДж
У суміші до 80% NaClO3, до 10% залізного порошку, 4% перекису барію та скловата.
Молекула кисню парамагнітна (практично - бірадикал), тому висока її активність. Органічні речовини повітря окислюються через стадію утворення пероксидів.
Кисень плавиться при 548 К, кипить при 902 К.
Алотропна модифікація елемента кисню – речовина озон O3. Надзвичайно важливий біологічний озоновий захист Землі. На висоті 20-25 км встановлюється рівновага:
УФ<280 нм |
УФ 280-320нм |
||
O2 ----> 2 O* |
O* + O2 + M --> O3 |
O3 ------- |
> O2 + O |
(M - N2, Ar) |
|||
У 1974 р. виявлено, що атомарний хлор, який утворюється з фреонів на висоті більше 25 км, каталізує розпад озону, ніби замінюючи "озоновий" ультрафіолет. Цей УФ здатний викликати рак шкіри (у США на рік до 600 тис. випадків). Заборона на фреони в аерозольних балонах діє США з 1978 р.
З 1990 р. до списку заборонених речовин (у 92 країнах) включено CH3 CCl3 , CCl4 , хлорбромвуглеводні – їх виробництво згортається до 2000 р .
Горіння водню у кисні
Реакція дуже складна (схема в лекції 3), тому на початок практичного застосування знадобилося тривале вивчення.
21 липня 1969 р. перший землянин - Н. Армстронг пройшовся по Місяцю. Ракетоносій "Сатурн-5" (конструктор - Вернер фон Браун) складається з трьох ступенів. У першій гас і кисень, у другій і третій – рідкі водень та кисень. Всього 468 т рідких O2 та H2. Здійснено 13 успішних запусків.
З квітня 1981 р. США здійснює польоти “Спейс шаттл”: 713 т рідких O2 і H2 , і навіть два твердопаливних прискорювача по 590 т (сумарна маса твердого палива 987 т). Перші 40 км підйом на ТТУ, від 40 до 113 км працюють двигуни на водні та кисні.
15 травня 1987 р. перший старт "Енергії", 15 листопада 1988 р. перший і єдиний політ "Бурана". Стартова маса 2400 т., маса палива (гасу в
бічних відсіках, рідких O2 та H2) 2000 т. Потужність двигунів 125000 МВт, корисний вантаж 105 т .
Не завжди горіння було керованим та вдалим.
У 1936 р. був збудований найбільший у світі водневий дирижабль LZ-129 "Гінденбург". Об'єм 200000 м3, довжина близько 250 м, діаметр 41,2 м. Швидкість 135 км/год завдяки 4 двигунам по 1100 к.с., корисне навантаження 88 т. Дирижабль здійснив 37 рейсів через Атлантику та перевіз понад 3 тис. пасажирів.
6 травня 1937 р. при причалюванні США дирижабль вибухнув і згорів. Одна з можливих причин – диверсія.
28 січня 1986 р. на 74-й секунді польоту вибухнув “Челленджер” із сімома космонавтами – 25-й рейс системи “Шаттл”. Причина – дефект твердопаливного прискорювача.
Демонстрація:
вибух гримучого газу (суміші водню з киснем)
Паливні елементи
Технічно важливий варіант цієї реакції горіння - поділ процесу на два:
електроокислення водню (анод): 2 H2 + 4 OH– - 4 e– = 4 H2 O
електровідновлення кисню (катод): O2 + 2 H2 O + 4 e– = 4 OH–
Система, у якій здійснюється таке "горіння" - паливний елемент. ККД набагато вищий, ніж у теплових електростанцій, оскільки відсутня
спеціальна стадія генерації теплоти. Максимальний ККД = ∆ G/∆ H; для горіння водню виходить 94%.
Ефект відомий з 1839, але перші практично працюючі ТЕ реалізовані
наприкінці XX століття в космосі ("Джеміні", "Аполлон", "Шаттл" - США, "Буран" - СРСР).
Перспективи паливних елементів [ 17 ]
Представник фірми Ballard Power Systems, виступаючи на науковій конференції у Вашингтоні, підкреслив, що комерційно виправданим двигун на паливних елементах стане, коли він буде відповідати чотирьом основним критеріям: зниження вартості енергії, що виробляється, підвищення довговічності, зменшення розмірів установки і можливості швидкого запуску в холодну погоду . Вартість одного кіловата енергії, виробленого установкою на паливних елементах, має знизитись до 30 доларів США. Для порівняння, 2004 року аналогічний показник становив 103 доларів, а 2005 очікується на рівні 80 доларів. Для досягнення цієї ціни необхідно випускати щонайменше 500 тисяч двигунів на рік. Європейські вчені обережніші в прогнозах і вважають, що комерційне використання паливних водневих елементів в автопромисловості розпочнеться не раніше 2020 року.
Хімічні властивості водню
За звичайних умов молекулярний Водень порівняно мало активний, безпосередньо з'єднуючись лише з найактивнішими з неметалів (з фтором, але в світла і з хлором). Однак при нагріванні він вступає в реакції з багатьма елементами.
Водень вступає в реакції з простими та складними речовинами:
- Взаємодія водню з металами призводить до утворення складних речовин - гідридів, у хімічних формулах яких атом металу завжди стоїть на першому місці:
За високої температури Водень безпосередньо реагує з деякими металами(лужними, лужноземельними та іншими), утворюючи білі кристалічні речовини - гідриди металів (Li Н, Na Н, КН, СаН 2 та ін.):
Н 2 + 2Li = 2LiH
Гідриди металів легко розкладаються водою з утворенням відповідного лугу та водню:
Са H 2 + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + 2Н 2
- при взаємодії водню з неметалами утворюються леткі водневі сполуки. У хімічній формулі летючого водневого з'єднання атом водню може стояти як на першому так і на другому місці, залежно від місцезнаходження в ПСХЕ (див. табличку в слайді):1). З киснемВодень утворює воду:
Відео "Горіння водню"
2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О + Q
При нормальних температурах реакція протікає вкрай повільно, вище 550 ° С - з вибухом (суміш 2 обсягів Н 2 і 1 обсягу 2 називається гримучим газом)
.
Відео "Вибух гримучого газу"
Відео "Приготування та вибух гримучої суміші"
2). З галогенамиВодень утворює галогеноводи, наприклад:
Н 2 + Cl 2 = 2НСl
При цьому з фтором Водень вибухає (навіть у темряві при -252°С), з хлором і бромом реагує лише при освітленні або нагріванні, а з йодом тільки при нагріванні.
3). З азотомВодень взаємодіє з утворенням аміаку:
ДТ 2 + N 2 = 2NН 3
лише на каталізаторі і при підвищених температурах і тисках.
4). При нагріванні Водень енергійно реагує із сіркою:
Н 2 + S = H 2 S (сірководень),
значно важче з селеном та телуром.
5). З чистим вуглецемВодень може реагувати без каталізатора тільки при високих температурах:
2Н 2 + С (аморфний) = СН 4 (метан)
- Водень входить у реакцію заміщення з оксидами металів При цьому утворюються в продуктах вода і відновлюється метал. Водень - виявляє властивості відновника:
Водень використовується для відновлення багатьох металів, оскільки забирає кисень у їх оксидів:
Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4Н 2 О, і т.д.
Застосування водню
Відео "Застосування водню"
Нині водень отримують у величезних кількостях. Дуже більшу частину його використовують при синтезі аміаку, гідрогенізації жирів та при гідруванні вугілля, олій та вуглеводнів. Крім того, водень застосовують для синтезу соляної кислоти, метилового спирту, синильної кислоти, при зварюванні та куванні металів, а також при виготовленні ламп розжарювання та дорогоцінного каміння. У продаж водень надходить у балонах під тиском понад 150 атм. Вони пофарбовані в темно-зелений колір і мають червоний напис "Водень".
Водень використовується для перетворення рідких жирів у тверді (гідрогенізація), виробництва рідкого палива гідрогенізацією вугілля та мазуту. У металургії водень використовують як відновник оксидів або хлоридів для одержання металів та неметалів (германію, кремнію, галію, цирконію, гафнію, молібдену, вольфраму та ін.).
Практичне застосування водню різноманітне: їм зазвичай заповнюють кулі-зонди, в хімічній промисловості він служить сировиною для отримання багатьох вельми важливих продуктів (аміаку та ін), в харчовій - для вироблення з олії твердих жирів і т. д. Висока температура (до 2600 °С), що виходить при горінні водню в кисні, використовується для плавлення тугоплавких металів, кварцу і т. п. Рідкий водень є одним з найефективніших реактивних палив. Щорічне світове споживання водню перевищує 1 млн т.
ТРЕНАЖИРИ
№2. Водень
ЗАВДАННЯ ДЛЯ ЗАКРІПЛЕННЯ
Завдання №1Складіть рівняння реакцій взаємодії водню з такими речовинами: F 2 , Ca, Al 2 O 3 , оксид ртуті (II), оксид вольфраму (VI). Назвіть продукти реакції, вкажіть типи реакцій.
Завдання №2
Здійсніть перетворення за схемою:
H 2 O -> H 2 -> H 2 S -> SO 2
Завдання №3.
Обчисліть масу води, яку можна одержати при спалюванні 8 г водню?
Кисень— один із найпоширеніших на Землі елементів. Він становить близько половини ваги земної кори, зовнішньої оболонки планети. У поєднанні з воднем він утворює воду, що покриває понад дві третини земної поверхні.
Ми не можемо ні побачити кисень, ні відчути його смак чи запах. Тим не менш, він становить п'яту частину повітря і є життєво необхідним. Щоб жити, нам, як і тваринам і рослинам, треба дихати.
Кисень - неодмінний учасник хімічних реакцій, що йдуть усередині будь-якої мікроскопічної клітини живого організму, в результаті яких розщеплюються поживні речовини та вивільняється енергія, необхідна для життя. Саме тому кисень необхідний кожній живій істоті (за винятком небагатьох видів мікробів).
При горінні речовини з'єднуються з киснем, виділяючи у своїй енергію як тепла і світла.
Водень
Найпоширенішим елементом у Всесвіті є водень. На нього припадає переважна більшість більшості зірок. На Землі переважна більшість водню (хімічний знак Н) пов'язані з киснем (О), утворюючи воду (Н20). Водень є найпростішим і найлегшим хімічним елементом, оскільки кожен його атом складається лише з одного протону та одного електрона.
На початку XX століття воднем наповнювали дирижаблі, великі повітряні судна. Однак водень дуже легко спалахує. Після кількох катастроф, спричинених пожежами, водень у дирижаблях перестали використовувати. Сьогодні в повітроплаванні використовують інший легкий газ — негорючий гелій.
Водень з'єднується з вуглецем та утворює речовини, які називаються вуглеводнями. До них відносяться продукти, що отримуються з природного газу та сирої нафти, наприклад, газоподібні пропан та бутан, або рідкий бензин. Водень також з'єднується з вуглецем та киснем з утворенням вуглеводів. Крохмаль у картоплі та рисі, цукор у буряках є вуглеводами.
Сонце та інші зірки в основному складаються з водню. У центрі зірки жахливі температури та тиску змушують атоми водню зливатися один з одним і перетворюватися на інший газ – гелій. При цьому виділяється величезна кількість енергії у вигляді тепла та світла.
Промислові способи отримання простих речовин залежать від того, в якому вигляді відповідний елемент знаходиться в природі, тобто може бути сировиною для його отримання. Так, кисень, що у вільному стані, отримують фізичним способом - виділенням з рідкого повітря. Водень практично весь перебуває у вигляді сполук, тому для його отримання застосовують хімічні методи. Зокрема, можуть бути використані реакції розкладання. Одним із способів отримання водню є реакція розкладання води електричним струмом.
Основний промисловий спосіб отримання водню – реакція з водою метану, що входить до складу природного газу. Вона проводиться при високій температурі (легко переконатися, що при пропущенні метану навіть через киплячу воду жодної реакції не відбувається):
СН 4 + 2Н 2 0 = CO 2 + 4Н 2 - 165 кДж
У лабораторії для отримання простих речовин використовують не обов'язково природну сировину, а вибирають вихідні речовини, з яких легше виділити необхідну речовину. Наприклад, у лабораторії кисень не отримують із повітря. Це саме стосується і отримання водню. Один з лабораторних способів отримання водню, який застосовується іноді і в промисловості, - розкладання води електрострумом.
Зазвичай у лабораторії водень отримують взаємодією цинку із соляною кислотою.
У промисловості
1.Електроліз водних розчинів солей:
2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2
2.Пропускання парів води над розпеченим коксомпри температурі близько 1000°C:
H 2 O + C ⇄ H 2 + CO
3.Із природного газу.
Конверсія з водяною парою: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Каталітичне окислення киснем: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2
4. Крекінг та реформінг вуглеводнів у процесі переробки нафти.
В лабораторії
1.Дія розведених кислот на метали.Для проведення такої реакції найчастіше використовують цинк та соляну кислоту:
Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2
2.Взаємодія кальцію з водою:
Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
3.Гідроліз гідридів:
NaH + H 2 O → NaOH + H 2
4.Дія лугів на цинк або алюміній:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2
5.За допомогою електролізу.При електролізі водних розчинів лугів або кислот на катоді відбувається виділення водню, наприклад:
2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O
- Біореактор для виробництва водню
Фізичні властивості
Газоподібний водень може існувати у двох формах (модифікаціях) – у вигляді орто- та пара-водню.
У молекулі ортоводороду (т. пл. −259,10 °C, т. кіп. −252,56 °C) ядерні спини спрямовані однаково (паралельні), а у параводню (т. пл. −259,32 °C, т .кіп.
Розділити алотропні форми водню можна адсорбцією на активному вугіллі за нормальної температури рідкого азоту. При дуже низьких температурах рівновага між ортоводородом і параводнем майже націло зрушена у бік останнього. При 80 К співвідношення форм приблизно 1:1. Десорбований параводень при нагріванні перетворюється на ортоводород аж до утворення рівноважної при кімнатній температурі суміші (орто-пара: 75:25). Без каталізатора перетворення відбувається повільно, що дозволяє вивчити властивості окремих алотропних форм. Молекула водню двоатомна - Н₂. За звичайних умов - це газ без кольору, запаху та смаку. Водень - найлегший газ, його щільність набагато менше щільності повітря. Очевидно, що чим менше маса молекул, тим вища їхня швидкість при одній і тій же температурі. Як найлегші, молекули водню рухаються швидше за молекули будь-якого іншого газу і тим швидше можуть передавати теплоту від одного тіла до іншого. Звідси випливає, що водень має найвищу теплопровідність серед газоподібних речовин. Його теплопровідність приблизно в сім разів вища за теплопровідність повітря.
Хімічні властивості
Молекули водню Н₂ досить міцні, і для того, щоб водень міг вступити в реакцію, повинна бути витрачена велика енергія: Н 2 =2Н - 432 кДж. Ca + Н 2 = СаН 2 і з єдиним неметалом - фтором, утворюючи фтороводород: F 2 +H 2 =2HF З більшістю металів і неметалів водень реагує при підвищеній температурі або при іншому впливі, наприклад при освітленні. Він може «віднімати» кисень від деяких оксидів, наприклад: CuO + Н 2 = Cu + Н 2 0 Записане рівняння відображає реакцію відновлення. Реакціями відновлення називають процеси, в результаті яких від з'єднання віднімається кисень; речовини, що забирають кисень, називаються відновниками (при цьому вони самі окислюються). Далі буде дано й інше визначення понять «окислення» та «відновлення». А це визначення, історично перше, зберігає значення й у час, особливо у органічної хімії. Реакція відновлення протилежна реакції окиснення. Обидві ці реакції завжди протікають одночасно як один процес: при окисленні (відновленні) однієї речовини обов'язково одночасно відбувається відновлення (окислення) іншої.
N 2 + 3H 2 → 2 NH 3
З галогенами утворює галогеноводороди:
F 2 + H 2 → 2 HF, реакція протікає з вибухом у темряві та за будь-якої температури, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, реакція протікає з вибухом, тільки на світлі.
З сажею взаємодіє при сильному нагріванні:
C + 2H 2 → CH 4
Взаємодія з лужними та лужноземельними металами
Водень утворює з активними металами гідриди:
Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2
Гідриди- солеподібні, тверді речовини, що легко гідролізуються:
CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2
Взаємодія з оксидами металів (як правило, d-елементів)
Оксиди відновлюються до металів:
CuO + H 2 → Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O
Гідрування органічних сполук
При дії водню на ненасичені вуглеводні у присутності нікелевого каталізатора та підвищеній температурі відбувається реакція гідрування:
CH 2 = CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3
Водень відновлює альдегіди до спиртів:
CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.
Геохімія водню
Водень – основний будівельний матеріал всесвіту. Це найпоширеніший елемент і всі елементи утворюються з нього в результаті термоядерних і ядерних реакцій.
Вільний водень H 2 відносно рідко зустрічається у земних газах, але у вигляді води він бере виключно важливу участь у геохімічних процесах.
До складу мінералів водень може входити у вигляді іону амонію, гідроксил-іона та кристалічної води.
В атмосфері водень безперервно утворюється внаслідок розкладання води сонячним промінням. Він мігрує у верхні шари атмосфери і випаровується в космос.
Застосування
- Воднева енергетика
Атомарний водень використовується для атомно-водневого зварювання.
У харчовій промисловості водень зареєстрований як харчова добавка E949як пакувальний газ.
Особливості звернення
Водень при суміші з повітрям утворює вибухонебезпечну суміш – так званий гримучий газ. Найбільшу вибухонебезпечність цей газ має при об'ємному відношенні водню та кисню 2:1, або водню та повітря приблизно 2:5, оскільки у повітрі кисню міститься приблизно 21%. Також водень пожежонебезпечний. Рідкий водень при попаданні на шкіру може спричинити сильне обмороження.
Вибухонебезпечні концентрації водню з киснем виникають від 4% до 96% об'ємних. При суміші з повітрям від 4% до 75(74) % об'ємних.
Використання водню
У хімічній промисловості водень використовують для виробництва аміаку, мила і пластмас. У харчовій промисловості за допомогою водню з рідких рослинних олій роблять маргарин. Водень дуже легкий і в повітрі завжди піднімається нагору. Колись дирижаблі та повітряні кулі наповнювали воднем. Але в 30-х роках. XX ст. сталося кілька жахливих катастроф, коли дирижаблі вибухали та згоряли. Нині дирижаблі наповнюють газом гелієм. Водень використовують також як ракетне паливо. Колись водень, можливо, будуть широко застосовувати як паливо для легкових та вантажних автомобілів. Водневі двигуни не забруднюють довкілля і виділяють лише водяну пару (щоправда, саме отримання водню призводить до деякого забруднення довкілля). Наше Сонце здебільшого складається з водню. Сонячне тепло та світло – це результат виділення ядерної енергії при злитті ядер водню.
Використання водню як паливо (економічна ефективність)
Найважливішою характеристикою речовин, що використовуються як паливо, є їхня теплота згоряння. З курсу загальної хімії відомо, що взаємодія водню з киснем відбувається із виділенням тепла. Якщо взяти 1 моль H 2 (2 г) і 0,5 моль O 2 (16 г) за стандартних умов і порушити реакцію, то відповідно до рівняння
Н 2 + 0,5 О 2 = Н 2 О
після завершення реакції утворюється 1 моль H 2 O (18 г) з виділенням енергії 285,8 кДж/моль (для порівняння: теплота згоряння ацетилену становить 1300 кДж/моль, пропану - 2200 кДж/моль). 1 м водню важить 89,8 г (44,9 моль). Тому для отримання 1 м водню буде витрачено 12832,4 кДж енергії. З урахуванням того, що 1 кВт·год = 3600 кДж, отримаємо 3,56 кВт·год електроенергії. Знаючи тариф на 1 кВт·год електрики та вартість 1 м³ газу, можна робити висновок про доцільність переходу на водневе паливо.
Наприклад, експериментальна модель Honda FCX 3 покоління із баком водню 156 л (містить 3,12 кг водню під тиском 25 МПа) проїжджає 355 км. Відповідно з 3,12 кг H2 виходить 123,8 кВт · год. На 100 км витрата енергії становитиме 36,97 кВт·год. Знаючи вартість електроенергії, вартість газу чи бензину, їх витрата на 100 км легко підрахувати негативний економічний ефект переходу автомобілів на водневе паливо. Скажімо (Росія 2008), 10 центів за кВт·год електроенергії призводять до того, що 1 м³ водню призводять до ціни 35,6 центу, а з урахуванням ККД розкладання води 40-45 центів, така сама кількість кВт·год від спалювання бензину коштує 12832,4кДж/42000кДж/0,7кг/л*80центов/л=34 цента за роздрібними цінами, тоді як для водню ми вираховували ідеальний варіант, без урахування транспортування, амортизації обладнання тощо. Для метану з енергією згоряння близько 39 МД на м³ результат буде нижчим у два-чотири рази через різницю в ціні (1м³ для України коштує 179$, а для Європи 350$). Тобто еквівалентна кількість метану коштуватиме 10-20 центів.
Однак не слід забувати, що при спалюванні водню ми отримуємо чисту воду, з якої його і видобули. Тобто маємо поновлюваний запасникенергії без шкоди для довкілля, на відміну газу чи бензину, які є первинними джерелами енергії.
Php on line 377 Warning: require(http://www..php): failed to open stream: не надійний брокер може бути в /hsphere/local/home/winexins/сайт/tab/vodorod.php on line 377 Fatal error: require(): Failed opening required "http://www..php" (include_path="..php on line 377
Ціль заняття.На цьому занятті ви дізнаєтеся про, мабуть, найважливіші хімічні елементи для життя на землі – водень і кисень, дізнаєтеся про їх хімічні властивості, а також про фізичні властивості простих речовин, що ними утворюються, дізнаєтеся більше про роль кисню та водню в природі та житті людини.
Водень- Найпоширеніший елемент у Всесвіті. Кисень– найпоширеніший елемент Землі. Разом вони утворюють воду – речовину, яка становить понад половину маси людського тіла. Кисень - газ, необхідний нам для дихання, а без води ми не змогли б прожити й кількох днів, так що, без сумніву, можна вважати кисень і водень найважливішими хімічними елементами, необхідними для життя.
Будова атомів водню та кисню
Таким чином, водень виявляє неметалеві властивості. У природі водень зустрічається у вигляді трьох ізотопів, протию, дейтерію та тритію, ізотопи водню дуже сильно відрізняються один від одного за фізичними властивостями, тому їм навіть присвоєні індивідуальні символи.
Якщо ви не пам'ятаєте або не знаєте, що таке ізотопи, попрацюйте з матеріалами електронного ресурсу «Ізотопи як різновиди атомів одного хімічного елемента». У ньому ви дізнаєтеся, чим відрізняються один від одного ізотопи одного елемента, до чого призводить наявність декількох ізотопів одного елемента, а також познайомитеся з ізотопами декількох елементів.
Таким чином, можливі ступені окислення кисню обмежені значеннями від -2 до +2. Якщо кисень приймає два електрони (стаючи аніоном) або утворює два ковалентні зв'язки з менш електронегативними елементами, він переходить у ступінь окислення -2. Якщо кисень утворює один зв'язок з іншим атомом кисню, а другий з атомом менш негативного елемента, він переходить у ступінь окислення –1. Утворюючи два ковалентні зв'язки з фтором (єдиним елементом з вищим значенням електронегативності), кисень перетворюється на ступінь окислення +2. Утворюючи один зв'язок з іншим атомом кисню, а другий – з атомом фтору – +1. І нарешті, якщо кисень утворює один зв'язок із меншим електронегативним атомом, а другий – з фтором, він перебуватиме в ступені окислення 0.
Фізичні властивості водню та кисню, алотропія кисню
Водень– безбарвний газ без смаку та запаху. Дуже легкий (у 14,5 разів легший за повітря). Температура зрідження водню - -252,8 ° C - майже найнижча серед усіх газів (поступається тільки гелію). Рідкий і твердий водень дуже легкі безбарвні речовини.
Кисень– безбарвний газ без смаку та запаху, трохи важчий за повітря. При температурі -182,9 °C перетворюється на важку рідину блакитного кольору, при -218 °C твердне з утворенням кристалів синього кольору. Молекули кисню є парамагнітними, тобто кисень притягується магнітом. Кисень погано розчинний у воді.
На відміну від водню, що утворює молекули тільки одного типу, кисень виявляє алотропію і утворює молекули двох типів, тобто елемент кисень утворює дві прості речовини: кисень і озон.
Хімічні властивості та отримання простих речовин
Водень.
Зв'язок у молекулі водню – одинарний, проте це один із найміцніших одинарних зв'язків у природі, і щоб розірвати його необхідно витратити багато енергії, тому водень дуже малоактивний при кімнатній температурі, проте при підвищенні температури (або в присутності каталізатора) водень легко взаємодіє з багатьма простими та складними речовинами.
Водень з хімічної точки зору є типовим неметалом. Тобто він здатний взаємодіяти з активними металами з утворенням гідридів, де він виявляє ступінь окислення –1. З деякими металами (літій, кальцій) взаємодія протікає навіть за кімнатної температури, проте досить повільно, тому при синтезі гідридів використовують нагрівання:
,
.
Утворення гідридів прямою взаємодією простих речовин можливе лише для активних металів. Вже алюміній не взаємодіє з воднем безпосередньо, його гідрид отримують обмінними реакціями.
З неметалами водень також реагує тільки при нагріванні. Винятками є галогени хлор та бром, реакція з якими може бути індукована світлом:
.
Реакція з фтором також не вимагає нагрівання, вона протікає з вибухом навіть при сильному охолодженні та в абсолютній темряві.
Реакція з киснем протікає розгалуженим ланцюговим механізмом, тому швидкість реакції стрімко зростає, і в суміші кисню з воднем у співвідношенні 1:2 реакція протікає з вибухом (така суміш носить назву «гримучий газ»):
.
Реакція із сіркою протікає набагато спокійніше, практично без виділення тепла:
.
Реакції з азотом та йодом протікають оборотно:
,
.
Ця обставина дуже ускладнює отримання аміаку в промисловості: процес вимагає використання підвищеного тиску для змішування рівноваги у бік утворення аміаку. Йодоводень прямим синтезом не отримують, оскільки є кілька набагато зручніших способів його синтезу.
З малоактивними неметалами () водень безпосередньо не реагує, хоча його з'єднання з ними відомі.
У реакціях зі складними речовинами водень здебільшого виступає у ролі відновника. У розчинах водень може відновлювати малоактивні метали (розташовуються після водню в ряду напруг) з їх солей:
При нагріванні водень може відновлювати багато металів із їх оксидів. При цьому чим активніший метал, тим складніше його відновити і тим вища для цього потрібна температура:
.
Метали активніші, ніж цинк, практично неможливо відновити воднем.
Водень у лабораторії отримують взаємодією металів із сильними кислотами. Найчастіше використовують цинк та соляну кислоту:
Рідше використовується електроліз води у присутності сильних електролітів:
У промисловості водень отримують як побічний продукт при отриманні їдкого натру електроліз розчину хлориду натрію:
Крім того, водень одержують при переробці нафти.
Отримання водню фотолізом води – один із найбільш перспективних способів у майбутньому, проте на сьогоднішній момент промислове застосування цього методу важко.
Попрацюйте з матеріалами електронних освітніх ресурсів Лабораторна робота «Отримання та властивості водню» та Лабораторна робота «Відновлювальні властивості водню». Вивчіть принцип дії апарату Кіппа та апарату Кірюшкіна. Подумайте, у яких випадках зручніше використовувати апарат Кіппа, а в яких – Кирюшкіна. Які властивості виявляє водень у реакціях?
Кисень.
Зв'язок у молекулі кисню подвійний і дуже міцний. Тому кисень досить малоактивний за кімнатної температури. При нагріванні він, проте, починає виявляти сильні окисні властивості.
Кисень без нагрівання реагує з активними металами (лужними, лужноземельними та деякими лантаноїдами):
При нагріванні кисень взаємодіє з більшістю металів із утворенням оксидів:
,
,
.
Срібло та менш активні метали не окислюються киснем.
Кисень також реагує з більшістю неметалів з утворенням оксидів:
,
,
.
Взаємодія з азотом відбувається лише за дуже високих температур, близько 2000 °C.
З хлором, бромом та йодом кисень не реагує, хоча багато їх оксидів можна отримати непрямим шляхом.
Взаємодія кисню з фтором можна провести при пропущенні електричного розряду через суміш газів:
.
Фторид кисню(II) – нестійка сполука, легко розкладається і є дуже сильним окислювачем.
У розчинах кисень є сильним, хоч і повільним, окислювачем. Як правило, кисень сприяє переходу металів у вищі ступені окислення:
Присутність кисню часто дозволяє розчиняти в кислотах метали, розташовані відразу за воднем у ряді напруг:
При нагріванні кисень може окислювати нижчі оксиди металів:
.
Кисень у промисловості не отримують хімічними способами, його одержують із повітря перегонкою.
У лабораторії використовують реакції розкладання багатих на кисень сполук – нітратів, хлоратів, перманганатів при нагріванні:
Також можна отримати кисень при каталітичному розкладі перекису водню:
Крім того, для отримання кисню може використовуватися наведена реакція електролізу води.
Попрацюйте з матеріалами електронного освітнього ресурсу Лабораторна робота «Отримання кисню та його властивості».
Як називається метод збирання кисню, що використовується в лабораторній роботі? Які ще способи збирання газів існують і які з них підходять для збирання кисню?
Завдання 1. Перегляньте відеофрагмент «Розкладання перманганату калію при нагріванні».
Дайте відповідь на питання:
- Який із твердих продуктів реакції розчинний у воді?
- Який колір має розчин перманганату калію?
- Який колір має розчин калію манганату?
Напишіть рівняння реакцій, що протікають. Зрівняйте їх за допомогою методу електронного балансу.
Обговоріть виконання завдання з учителем на або у відеокімнаті.
Озон.
Молекула озону трихатомна і зв'язки в ній менш міцні, ніж у молекулі кисню, що призводить до більшої хімічної активності озону: озон легко окислює багато речовин у розчинах або сухому вигляді без нагрівання:
Озон здатний легко окислити оксид азоту(IV) до оксиду азоту(V), а оксид сірки(IV) до оксиду сірки(VI) без каталізатора:
Озон поступово розкладається з утворенням кисню:
Для отримання озону використовуються спеціальні прилади - озонатори, в яких через кисень пропускають розряд, що тліє.
У лабораторії для отримання незначних кількостей озону іноді використовують реакції розкладання перокосполук та деяких вищих оксидів при нагріванні:
Попрацюйте з матеріалами електронного освітнього ресурсу Лабораторна робота «Отримання озону та дослідження його властивостей».
Поясніть, чому розчин індиго знебарвлюється. Напишіть рівняння реакцій, що протікають при змішуванні розчинів нітрату свинцю та сульфіду натрію і при пропущенні через озвану озоновану повітря. Для реакції іонного обміну складіть іонні рівняння. Для окисно-відновної реакції складіть електронний баланс.
Обговоріть виконання завдання з учителем на або у відеокімнаті.
Хімічні властивості води
Для кращого ознайомлення з фізичними властивостями води та її значущістю попрацюйте з матеріалами електронних освітніх ресурсів «Аномальні властивості води» та «Вода – найважливіша рідина Землі».
Вода має величезну важливість для будь-яких живих організмів – по суті багато живих організмів складаються з води більш ніж наполовину. Вода одна із найбільш універсальних розчинників (при високих температурах і тисках її можливості як розчинника істотно зростають). З хімічної точки зору вода є оксидом водню, при цьому у водному розчині вона дисоціює (хоча і дуже мало) на катіони водню і гідроксид-аніони:
.
Вода взаємодіє з багатьма металами. З активними (лужними, лужноземельними та деякими лантаноїдами) вода реагує без нагрівання:
З менш активною взаємодія відбувається при нагріванні.