Соединения водорода и их применение. Большая энциклопедия нефти и газа

Соединения водорода и их применение

Водород — это не только химический элемент, но и простое вещество, являющееся частью самых разнообразных соединений. Соединения водорода — это сложные вещества, которые содержат атомы водорода. Разнообразие подобных соединений очень велико. Они могут быть как естественными, природными, так и искусственно полученными человеком. И в том и другом случае, соединения водорода имеют колоссальное значение.

Соединения водорода

С хлором соединение водорода происходит с большой скоростью под действием света; кислород с водородом (такое соединение называется — гремучий газ) при обыкновенной температуре совершенно не реагирует, но под действием искры или местного нагревания взрывается с большой силой. При его сгорании грамм-молекулы (2,02 г) водорода выделяется 68,4 больших калорий. При повышенной температуре водород соединяется с целым рядом элементов, например, с серой, фосфором, бромом, щелочными и щелочно-земельными металлами, а при достаточно высокой температуре образует и с углеродом соответствующие водородистые соединения.

Окислы меди, свинца, железа, никеля и некоторых других металлов при нагревании в струе водорода восстанавливаются в соответствующие металлы. Активность водорода чрезвычайно возрастает в присутствии некоторых катализаторов, а также при повышении давления. При обыкновенной температуре такими катализаторами являются в особенности мелкораздробленные металлы — палладий, платина и никель.

В присутствии этих катализаторов водород легко присоединяется к ненасыщенным органическим соединениям; на этом именно основан большой ряд процессов, имеющих большое техническое значение, как, например, получение твердых жиров из жидких, содержащих ненасыщенные жирные кислоты, которые, присоединяя в присутствии никеля водород, переходят в насыщенные.

Реакция соединения водорода с кислородом настолько ускоряется платиной, что губчатая платина, насыщенная водородом, самопроизвольно раскаляется на воздухе (водородное огниво). Весьма вероятно, что действие этих катализаторов основано на их способности растворять водород, причем водород переходит в этом случае в атомарное состояние. Количество водорода, поглощаемое металлом, особенно значительно в случае палладия.

Целый ряд других важнейших реакций, при которых выполняется присоединение водорода: синтез аммиака по Габеру, получение метилового спирта из окиси углерода, получение синтетической нефти по Фишеру, протекает также только в присутствии соответствующих катализаторов, и осуществление их сделалось возможным только тогда, когда эти катализаторы были найдены и были определены условия их действия.

Применение водорода

Высокое давление также чрезвычайно увеличивает активность водорода: так, при высоком давлении водород вытесняет медь и другие металлы из растворов их солей; на применении высоких давлений основан и способ Бергиуса, при котором уголь под действием водорода превращается в смесь жидких углеводородов. Из числа указанных выше каталитических процессов реакции образования аммиака и метилового спирта также требуют применения высоких давлений.

Технические использование водорода основаны частью на его малом удельном весе (например, наполнение воздушных шаров), частью на высокой температуре, получающейся при горении водорода (например, применение водорода при пайке свинца и при автогенной сварке металлов). Далее идут многочисленные реакции гидрирования и восстановления, в первую очередь — гидрирование жидких жиров и получение синтетического метилового спирта.

Из других реакций этого рода очень важно еще гидрирование нафталина и получение из уксусного альдегида этилового спирта. Однако, наибольшее количество водорода потребляется в настоящее время заводами, производящими синтетический аммиак по Габеру; огромные количества водорода потребуются также и для изготовления топлива синтетического жидкого, когда способы Бергиуса и Фишера получат техническое осуществление.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Чистая информация !

Большая Энциклопедия Нефти и Газа. Помощь !

— Куда я попал(-а)?

Это очень большой сборник статей, созданный специально для пользователей. Здесь можно найти практически любую информацию от рецепта простокваши до способов промывки нефтяных шламов. Все абсолютно бесплатно.
Название «Большая Энциклопедия нефти и газа» было дано в честь электронной библиотеки «Нефть-Газ», которая стала основой для этой энциклопедии.

Это необычные статьи

Статья не представляет собой целостный текст. Каждый параграф — это отрывок из отдельной книги, в котором рассказывается о предмете данной статьи. Причем вы можете просмотреть целиком страницу, из которой взят этот отрывок.

Это можно представить, как если бы вы пришли в библиотеку, нашли там всю литературу по интересующему вас предмету, сфотографировали только нужные страницы и принесли фотографии домой.

Статьи построены таким образом, что в начале идут самые информативные тексты. Это фрагменты из энциклопедий и справочников. В них предмет статьи описывается наиболее емко. Далее идут тексты, в которых описываются отдельные черты и свойства предмета.

Источники

Если ваш браузер поддерживает обработку скриптов JavaScript , то после каждого параграфа вы увидите ссылку на источник. Ссылка приведет вас вниз страницы к соответствующей форме.

После того, как вы введете число и нажмете «ОК», откроется окно. Если у вас установлен плагин для просмотра файлов в формате DJVU , то в окне вы увидите автора и название книги, прямую ссылку на страницу , ссылку на книгу в электронной библиотеке «Нефть-Газ» и саму страницу.

Если плагина у вас нет, то окно появится, но страницу из книги вы там не увидите. Плагин можно скачать у нас .

Может случиться так, что новое окно у вас не откроется. Причиной тому, может быть либо ваш файервол , либо настройки браузера, запрещающие открытие всплывающих окон.

Как искать статьи?

Вы можете прочитать о поиске или сразу перейти к примеру.

На главной странице, а также на страницах с результатами поиска наверху вы увидите поисковую форму.

Методика поиска отличается от того, что вы видели в Яндексе и других поисковых системах.
Во-первых, поиск ведется только по названиям статей , он не полнотекстовый.
Во-вторых, искать можно только по одному ключевому слову за раз . Это должно быть существительное из названия статьи. То есть, если вы ищете статью о получении витаминов, вы сможете найти ее, если введете слово «витамин» или слово »получение». Но если вы ищете статью об азотной кислоте, то найти ее можно будет только по слову «кислота». Если вы введете прилагательное «азотная», то ничего не найдете.

Если ваш браузер поддерживает JavaScript , то, когда вы будете вводить ключевое слово, будет всплывать окошко со списком возможных ключевых слов, для которых есть статьи.
В этом окошке можно сразу выбрать нужное ключевое слово, не вводя с клавиатуры полностью.

Если, набрав начало слова, вы увидели окошко со словами «нет вариантов», значит, в энциклопедии нет статей, в названии которых были бы существительные, начинающиеся таким образом. Это также может означать, что вы допустили ошибку в написании слова.

В результатах поиска вам будут предложены все статьи, в которых встречается ключевое слово.

В результатах поиска появляется возможность искать «в найденном». Для этого надо поставить галочку под полем для поискового запроса. В результате следующий поиск будет производится среди статей, которые вы уже нашли . Это удобно, когда вы ищете статьи со сложными названиями. Например, если вы ищете статью о загрязнении среды обитания человека, то можно сначала искать по слову “загрязнение”. При этом вы получите 443 статьи, в названии которых встречается данное слово. В этом случае стоит уточнить запрос поиском по слову “среда”, “человек” или “обитание” в найденном. Тогда результаты поиска значительно сократятся.

В энциклопедии используется особая форма записи названий статей.
Существительные записываются друг за другом в начальной форме через тире , а зависимые прилагательные идут после существительных в квадратных скобках в обратном порядке. Ниже несколько примеров.

В результатах поиска статьи сортируются особым образом.
Сортировка сперва ведется по числу слов в названии , затем по существительным, затем по зависимым прилагательным. Это означает, что в списках сначала идут статьи с одним существительным в названии , затем с двумя и так далее . Например, статья о человеке (Человек) будет идти в списке значительно раньше статьи о человеке в будущем (Человек — Будущее).

Среди статей с одинаковым числом существительных сортировка ведется по существительным в алфавитном порядке. Это значит, что статья о получении метана (Получение — Метан) окажется раньше статьи о получении пентана (Получение — Пентан), а статья о человечности (Человечность) будет идти позже статьи о человеке (Человек).

Последовательность в списке статей с одинаковыми существительными определяется наличием зависимых прилагательных. Статьи о голосовом , двигательном, зрительном и слуховом аппаратах человека будут идти в списке друг за другом (Аппарат [голосовой] — Человек; Аппарат [двигательный] — Человек; Аппарат [зрительный] — Человек; Аппарат [слуховой] — Человек).

Сложная система сортировки дает максимальное облегчение поиска статей.
Так, например, практически идентичные статьи «Взрослый человек» и «Здоровый взрослый человек» в результатах поиска оказываются рядом и визуально видна их однозначность (Сравните: «Человек [взрослый]» и »Человек [взрослый здоровый]»). При обычном способе сортировки они бы оказались очень далеко друг от друга . То же можно сказать о терминах «Духовная жизнь человека» и «Социальная жизнь человека».

Подобный способ поиска сначала может показаться сложным и неудобным, но у него есть очень важное преимущество. Заключается оно в том , что если вы ищете информацию, и она есть в библиотеке , то вы ее обязательно найдете. Кроме того, вы, скорее всего, найдете еще множество другой информации по близкой тематике.

Единый жесткий стандарт записи, поэтапный поиск и наличие постоянной обратной связи с пользователем максимально упрощают процесс поиска и лишают вас возможности что-то не найти .

Пример

Предположим, я ищу информацию о фильтрах периодического действия. Я могу искать только по существительным , которые должны быть в названии искомых статей. В данной ситуации можно искать по словам «фильтр» и «действие». Лучше искать по слову «фильтр», так как, по смыслу оно является главным. Тогда в результате поиска я могу найти еще другие статьи, подходящие по смыслу .

Набираю в строке поиска слово «фильтр». Попутно появляется окошко со списком возможных ключевых слов. Набрав слово «фильтр», нахожу его в списке на первом месте. Помимо простого фильтра, оказывается, есть еще множество других — будет полезно при дальнейшем поиске информации о фильтрах .

Нажимаю кнопку «Найти». Поисковик выдает 850 результатов, значит, есть 850 статей, в которых встречается слово «фильтр». Довольно много, чтобы искать нужное пересмотром найденного.

Необходимо уточнить запрос. Ставлю галочку под строкой запроса. Это нужно, чтобы поисковик искал только среди уже найденных статей. Набираю слово «действие».

В результате получаю восемь статей, в которых есть слова «фильтр» и «действие».

Среди них мне подходят четвертая и восьмая статья. Перейти к ним я могу по соответствующим ссылкам «смотреть статью».

Автор: Мавлютов Руслан oillibrary @ mail . ru

Водород

Водор о д (лат. Hydrogenium), Н, химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Менделеева; атомная масса 1,00797. При обычных условиях водород — газ; не имеет цвета, запаха и вкуса.

Историческая справка. В трудах химиков 16 и 17 вв. неоднократно упоминалось о выделении горючего газа при действии кислот на металлы. В 1766 Г. Кавендиш собрал и исследовал выделяющийся газ, назвав его «горючий воздух». Будучи сторонником теории флогистона, Кавендиш полагал, что этот газ и есть чистый флогистон. В 1783 А. Лавуазье путём анализа и синтеза воды доказал сложность её состава, а в 1787 определил «горючий воздух» как новый химический элемент (водород) и дал ему современное название hydrog è ne (от греч. h ý d ō r — вода и genn á ō — рождаю), что означает «рождающий воду»; этот корень употребляется в названиях соединений водорода и процессов с его участием (например, гидриды, гидрогенизация). Современное русское наименование «водород» было предложено М. Ф. Соловьёвым в 1824.

Распространённость в природе. Водород широко распространён в природе, его содержание в земной коре (литосфера и гидросфера) составляет по массе 1%, а по числу атомов 16%. Водород входит в состав самого распространённого вещества на Земле — воды (11,19% водорода по массе), в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, глины, а также организмы животных и растений (т. е. в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и др.). В свободном состоянии водород встречается крайне редко, в небольших количествах он содержится в вулканических и других природных газах. Ничтожные количества свободного водорода (0,0001% по числу атомов) присутствуют в атмосфере. В околоземном пространстве водород в виде потока протонов образует внутренний («протонный») радиационный пояс Земли. В космосе водород является самым распространённым элементом. В виде плазмы он составляет около половины массы Солнца и большинства звёзд, основную часть газов межзвёздной среды и газовых туманностей. Водород присутствует в атмосфере ряда планет и в кометах в виде свободного H₂, метана CH₄, аммиака NH₃, воды H₂O, радикалов типа CH, NH, OH, SiH, PH и т.д. В виде потока протонов водород входит в состав корпускулярного излучения Солнца и космических лучей.

Изотопы, атом и молекула. Обыкновенный водород состоит из смеси 2 устойчивых изотопов: лёгкого водорода, или протия ( 1 H), и тяжёлого водорода, или дейтерия ( 2 H, или D). В природных соединениях водорода на 1 атом 2 H приходится в среднем 6800 атомов 1 H. Искусственно получен радиоактивный изотоп — сверхтяжёлый водород, или тритий ( 3 H, или Т), с мягким β-излучением и периодом полураспада T_1/2 = 12,262 года. В природе тритий образуется, например, из атмосферного азота под действием нейтронов космических лучей; в атмосфере его ничтожно мало (4 · 10 -15 % от общего числа атомов водорода). Получен крайне неустойчивый изотоп 4 H. Массовые числа изотопов 1 H, 2 H, 3 H и 4 H, соответственно 1,2, 3 и 4, указывают на то, что ядро атома протия содержит только 1 протон, дейтерия — 1 протон и 1 нейтрон, трития — 1 протон и 2 нейтрона, 4 H — 1 протон и 3 нейтрона. Большое различие масс изотопов водорода обусловливает более заметное различие их физических и химических свойств, чем в случае изотопов других элементов.

Атом водорода имеет наиболее простое строение среди атомов всех других элементов: он состоит из ядра и одного электрона. Энергия связи электрона с ядром (потенциал ионизации) составляет 13,595 эв. Нейтральный атом водорода может присоединять и второй электрон, образуя отрицательный ион Н – ; при этом энергия связи второго электрона с нейтральным атомом (сродство к электрону) составляет 0,78 эв. Квантовая механика позволяет рассчитать все возможные энергетические уровни атома водорода, а следовательно, дать полную интерпретацию его атомного спектра. Атом водород используется как модельный в квантовомеханических расчётах энергетических уровней других, более сложных атомов. Молекула водорода H₂ состоит из двух атомов, соединённых ковалентной химической связью. Энергия диссоциации (т. е. распада на атомы) составляет 4,776 эв (1 эв = 1,60210 · 10 -19 дж). Межатомное расстояние при равновесном положении ядер равно 0,7414 · Å . При высоких температурах молекулярный водород диссоциирует на атомы (степень диссоциации при 2000°С 0,0013, при 5000°С 0,95). Атомарный водород образуется также в различных химических реакциях (например, действием Zn на соляную кислоту). Однако существование водорода в атомарном состоянии длится лишь короткое время, атомы рекомбинируют в молекулы H₂.

Физические и химические свойства. Водород — легчайшее из всех известных веществ (в 14,4 раза легче воздуха), плотность 0,0899 г/л при 0°С и 1 атм. водород кипит (сжижается) и плавится (затвердевает) соответственно при —252,6°С и —259,1°С (только гелий имеет более низкие температуры плавления и кипения). Критическая температура водорода очень низка (—240°С), поэтому его сжижение сопряжено с большими трудностями; критическое давление 12,8 кгс/см 2 (12,8 атм), критическая плотность 0,0312 г/см 3 . Из всех газов водород обладает наибольшей теплопроводностью, равной при 0°С и 1 атм 0,174 вт/(м · К), т. е. 4,16 · 0 -4 кал/(с · см · °С). Удельная теплоёмкость водорода при 0°С и 1 атм С_р 14,208 · 10 3 дж/(кг · К), т. е. 3,394 кал/(г · °С). Водород мало растворим в воде (0,0182 мл/г при 20°С и 1 атм), но хорошо — во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Жидкий водород очень лёгок (плотность при —253°С 0,0708 г/см 3 ) и текуч (вязкость при — 253°С 13,8 спуаз).

В большинстве соединений водород проявляет валентность (точнее, степень окисления) +1, подобно натрию и другим щелочным металлам; обычно он и рассматривается как аналог этих металлов, возглавляющий 1 гр. системы Менделеева. Однако в гидридах металлов ион водорода заряжен отрицательно (степень окисления —1), т. е. гидрид Na + H – построен подобно хлориду Na + Cl – . Этот и некоторые другие факты (близость физических свойств водорода и галогенов, способность галогенов замещать водород в органических соединениях) дают основание относить водород также и к VII группе периодической системы (подробнее см. Периодическая система элементов). 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. Атомарный водород обладает повышенной химической активностью по сравнению с молекулярным. С кислородом водород образует воду: H₂ + 1 /₂O₂ = H₂O с выделением 285,937 · 10 3 дж/моль, т. е. 68,3174 ккал/моль тепла (при 25°С и 1 атм). При обычных температурах реакция протекает крайне медленно, выше 550°С — со взрывом. Пределы взрывоопасности водородо-кислородной смеси составляют (по объёму) от 4 до 94% H₂, а водородо-воздушной смеси — от 4 до 74% H₂ (смесь 2 объёмов H₂ и 1 объёма О₂ называется гремучим газом). Водород используется для восстановления многих металлов, так как отнимает кислород у их окислов:

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 иодом только при нагревании. С азотом водород взаимодействует с образованием аммиака: 3H₂ + N₂ = 2NH₃ лишь на катализаторе и при повышенных температурах и давлениях. При нагревании водород энергично реагирует с серой: H₂ + S = H₂S (сероводород), значительно труднее с селеном и теллуром. С чистым углеродом водород может реагировать без катализатора только при высоких температурах: 2H₂ + С (аморфный) = CH₄ (метан). Водород непосредственно реагирует с некоторыми металлами (щелочными, щёлочноземельными и др.), образуя гидриды: H₂ + 2Li = 2LiH. Важное практическое значение имеют реакции водорода с окисью углерода, при которых образуются в зависимости от температуры, давления и катализатора различные органические соединения, например HCHO, CH₃OH и др. (см. Углерода окись). Ненасыщенные углеводороды реагируют с водородом, переходя в насыщенные, например: C_nH_2n + H₂ = C_nH_2n+2 (см. Гидрогенизация).

Роль водорода и его соединений в химии исключительно велика. Водород обусловливает кислотные свойства так называемых протонных кислот (см. Кислоты и основания). Водород склонен образовывать с некоторыми элементами так называемую водородную связь, оказывающую определяющее влияние на свойства многих органических и неорганических соединений.

Получение. Основные виды сырья для промышленного получения водорода — газы природные горючие, коксовый газ (см. Коксохимия) и газы нефтепереработки, а также продукты газификации твёрдых и жидких топлив (главным образом угля). Водород получают также из воды электролизом (в местах с дешёвой электроэнергией). Важнейшими способами производства водорода из природного газа являются каталитическое взаимодействие углеводородов, главным образом метана, с водяным паром (конверсия): CH₄ + H₂O = CO + 3H₂, и неполное окисление углеводородов кислородом: CH₄ + 1 /₂O₂ = CO + 2H₂. Образующаяся окись углерода также подвергается конверсии: CO + H₂O = CO₂ + H₂. Водород, добываемый из природного газа, самый дешёвый. Очень распространён способ производства водорода из водяного и паровоздушного газов, получаемых газификацией угля. Процесс основан на конверсии окиси углерода. Водяной газ содержит до 50% H₂ и 40% CO; в паровоздушном газе, кроме H₂ и CO, имеется значительное количество N₂, который используется вместе с получаемым водородом для синтеза NH₃. Из коксового газа и газов нефтепереработки водород выделяют путём удаления остальных компонентов газовой смеси, сжижаемых более легко, чем водород, при глубоком охлаждении. Электролиз воды ведут постоянным током, пропуская его через раствор KOH или NaOH (кислоты не используются во избежание коррозии стальной аппаратуры). В лабораториях водород получают электролизом воды, а также по реакции между цинком и соляной кислотой. Однако чаще используют готовый заводской водород в баллонах.

Применение. В промышленном масштабе водород стали получать в конце 18 в. для наполнения воздушных шаров. В настоящее время водород широко применяют в химической промышленности, главным образом для производства аммиака. Крупным потребителем водорода является также производство метилового и других спиртов, синтетического бензина (синтина) и других продуктов, получаемых синтезом из водорода и окиси углерода. Водород применяют для гидрогенизации твёрдого и тяжёлого жидкого топлив, жиров и др., для синтеза HCl, для гидроочистки нефтепродуктов, в сварке и резке металлов кислородо-водородным пламенем (температура до 2800°С) и в атомно-водородной сварке (до 4000°С). Очень важное применение в атомной энергетике нашли изотопы водорода — дейтерий и тритий.

Лит.: Некрасов Б. В., Курс общей химии, 14 изд., М., 1962; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1963; Егоров А. П., Шерешевский Д. И., Шманенков И. В., Общая химическая технология неорганических веществ, 4 изд., М., 1964; Общая химическая технология. Под ред. С. И. Вольфковича, т. 1, М., 1952; Лебедев В. В., Водород, его получение и использование, М., 1958; Налбандян А. Б., Воеводский В. В., Механизм окисления и горения водорода, М. — Л., 1949; Краткая химическая энциклопедия, т. 1, М., 1961, с. 619—24.

Источники:

Соединения водорода и их применение

http://www.ngpedia.ru/howto.html

http://www.xumuk.ru/bse/517.html