Водород

А. Характеристика химического элемента.

1). положение в пс

            Водоро́д (лат. Hydrogenium; обозначается символом H) — первый элемент периодической системы элементов. Он относится к IА группе и одновременно его можно отнести к элементам VIIА группы. Водород является неметаллом.

2). изотопы

            Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия: 1H — протий (Н), 2Н — дейтерий (D), 3Н — тритий (радиоактивный) (T).

            Про́тий — название самого лёгкого изотопа водорода, обозначается символом 1H. Ядро протия состоит из одного протона, отсюда и название изотопа.

            Дейте́рий (лат. deuterium от греч. δεύτερον — «второй, вторичный»), тяжёлый водород, обозначается символами D и 2H — стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2. Ядро (дейтрон) состоит из одного протона и одного нейтрона.

              Три́тий, сверхтяжёлый водород, обозначается символами T и 3H — радиоактивный изотоп водорода. Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов, его называют тритоном и обозначают t.

3). строение атомов

             Атом водорода состоит из ядра, содержащего один протон и вращающегося вокруг него одного электрона

4). валентные возможности, степень окисления

              Валентность водорода постоянная, равная I.

               Водород проявляет степень окисления +1 во всех соединениях, кроме гидридов металлов NaH, CaH2 и т.п., где его степень окисления равна -1;

5). распространение в природе

                Во Вселенной

               Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 92 % всех атомов (8 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~ 6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.

             Земная кора и живые организмы

                Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 % (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~ 52 %). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005 % по объёму).

           Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках. В живых клетках по числу атомов на водород приходится почти         50 %.

 

 

 

 

 

 

Б. Характеристика простого вещества

1). формула, относительная молекулярная масса

               Простое вещество водород — H2, относительная молекулярная масса водорода Мr (Н 2) = 2

2). Физические свойства

                 Водорд – бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса, он в 14,5 раз легче воздуха.Молекула водорода неполярна. Поэтому силы межмолекулярного взаимодействия в газообразном водороде малы. Это проявляется в низких температурах кипения (-252,6⁰ С) и плавления (-259,2⁰С). Водород незначительно растворяется в воде.

3). Химические свойства

                Простое вещество водород проявляет окислительные и восстановительные свойства.

                 Молекулы водорода Н2 довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

                                       Н2 = 2Н − 432 кДж

                  Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, и с единственным неметаллом — фтором:

                                        F2 + H2 = 2HF

                    С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении:

                                         О2 + 2Н2 = 2Н2О

                    Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов

                                       CuO + Н2 = Cu + Н2O 

                   Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

                                         N2 + 3H2 → 2NH3

4) получение в лаборатории и промышленности

            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:

                               СН4 + 2Н2O = CO2↑ + 4Н2 −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 иногда применяется и в промышленности, — разложение воды электротоком.

             Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.

                 В промышленности:

1. Электролиз водных растворов солей:

                                  2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2

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

                                   H2O + C ⇄ H2 + CO

 

3. Из природного газа.

        Конверсия с водяным паром:

                                     CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (1000 °C)

          Каталитическое окисление кислородом:

                                       2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2

4. Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

 

                      В лаборатории

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

                                           Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑

 

2. Взаимодействие кальция с водой:

                                            Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑

3. Гидролиз гидридов:

                                             NaH + H2O → NaOH + H2↑

 

4. Действие щелочей на цинк или алюминий:

                                         2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑

                                         Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + H2↑

 

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

                                        2H3O+ + 2e− → H2↑ + 2H2O

5). применение

               Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.

В химической промышленности при производстве аммиака, метанола, мыла и пластмасс

В пищевой промышленности при производстве маргарина из жидких растительных масел

Водород используют в качестве ракетного  топлива.

Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар.

В водородно-кислородных топливных  элементах используется водород  для непосредственного преобразования энергии химической реакции в  электрическую.

В. Характеристика соединений

1). Бинарное:

      Взаимодействие с оксидами металлов

      Оксиды восстанавливаются до металлов:

                                              CuO + H2 → Cu + H2O

                                              Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O

                                              WO3 + 3H2 → W + 3H2O

При взаимодействии с активными  металлами водород образует гидриды:

                                              2Na + H2 → 2NaH

                                              Ca + H2 → CaH2

                                               Mg + H2 → MgH2

С галогенами образует галогеноводороды:

   F2 + H2 → 2HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,

    Cl2 + H2 → 2HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

                                                C + 2H2 → CH4

2). Гидроксиды:

         Взаимодействие водорода с кислотными остатками приводит к образованию кислот:

                                               H2+SO4 →H2SO4