Водород. Свойства, получение, применение

Водород. Физические и химические свойства, получение

Водород H — самый распространённый элемент во Вселенной (около 75 % по массе), на Земле — девятый по распространенности. Наиболее важным природным соединением водорода является вода.
Водород занимает первое место в периодической системе (Z = 1). Он имеет простейшее строение атома: ядро атома – 1 протон, окружено электронным облаком, состоящим из 1 электрона.
В одних условиях водород проявляет металлические свойства (отдает электрон), в других — неметаллические (принимает электрон).
В природе встречаются изотопы водорода: 1Н — протий (ядро состоит из одного протона), 2Н — дейтерий (D — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона), 3Н — тритий (Т — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов).

Простое вещество водород

Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью.
Физические свойства. Водород — бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. Молекула водорода не полярна. Поэтому силы межмолекулярного взаимодействия в газообразном водороде малы. Это проявляется в низких температурах кипения (-252,6 0С) и плавления (-259,2 0С).
Водород легче воздуха, D (по воздуху) = 0,069; незначительно растворяется в воде (в 100 объемах H2O растворяется 2 объема H2). Поэтому водород при его получении в лаборатории можно собирать методами вытеснения воздуха или воды.

Получение водорода

1.Действие разбавленных кислот на металлы:
Zn +2HCl → ZnCl₂ +H₂↑

2.Взаимодействие щелочных и щ-з металлов с водой:
Ca +2H₂O → Ca(OH)₂ +H₂↑

3.Гидролиз гидридов: гидриды металлов легко разлагаются водой с образованием соответствующей щелочи и водорода:
NaH +H₂O → NaOH +H₂↑
СаH₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + 2Н₂↑

5. Электролиз воды. Для увеличения электрической проводимости воды к ней добавляют электролит, например NаОН, Н₂SO₄ или Na₂SO₄. На катоде образуется 2 объема водорода, на аноде — 1 объем кислорода.
2H₂O → 2H₂+О₂

Промышленное получение водорода

1. Конверсия метана с водяным паром, Ni 800 °С (самый дешевый):
CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂
CO + H₂O → CO₂ + H₂

2. Пары воды через раскаленный кокс при 1000 о С:
С + H₂O → CO + H₂
CO +H₂O → CO₂ + H₂

Образующийся оксид углерода (IV) поглощается водой, этим способом получают 50 % промышленного водорода.

3. Нагреванием метана до 350°С в присутствии железного или нике­левого катализатора:
СH₄ → С + 2Н₂↑

4. Электролизом водных растворов KCl или NaCl, как побочный продукт:
2Н₂О + 2NaCl→ Cl₂↑ + H₂↑ + 2NaOH

Химические свойства водорода

• В соединениях водород всегда одновалентен. Для него характерна степень окисления +1, но в гидридах металлов она равна -1.
• Молекула водорода состоит из двух атомов. Возникновение связи между ними объясняется образованием обобщен­ной пары электронов Н:Н или Н₂
• Благодаря этому обобщению электронов молекула Н₂ более энергети­чески устойчива, чем его отдельные атомы. Чтобы разорвать в 1 моль водорода молекулы на атомы, необходимо затратить энергию 436 кДж: Н₂ = 2Н, ∆H° = 436 кДж/моль
• Этим объясняется сравнительно небольшая активность молекулярного водорода при обычной температуре.
• Со многими неметаллами водород образует газообразные соедине­ния типа RН₄, RН₃, RН₂, RН.

1) С галогенами образует галогеноводороды:
Н₂ + Cl₂ → 2НСl.
При этом с фтором — взрывается, с хлором и бромом реагирует лишь при освещении или нагревании, а с йодом только при нагревании.

2) С кислородом:
2Н₂ + О₂ → 2Н₂О
с выделением тепла. При обычных температурах реакция протекает медленно, выше 550°С — со взрывом. Смесь 2 объемов Н₂ и 1 объема О₂ называется гремучим газом.

3) При нагревании энергично реагирует с серойь(значительно труднее с селеном и теллуром):
Н₂ + S → H₂S (сероводород),

4) С азотом с образованием аммиака лишь на катализаторе и при повышенных температурах и давлениях:
ЗН₂ + N₂ → 2NН₃

5) С углеродом при высоких температурах:
2Н₂ + С → СН₄ (метан)

6) С щелочными и щелочноземельными металлами образует гидриды (водород – окислитель):
Н₂ + 2Li → 2LiH
в гидридах металлов ион водорода заряжен отрицательно (степень окисления -1), то есть гидрид Na + H — построен подобно хлориду Na + Cl —

Со сложными веществами:

7) С оксидами металлов (используется для восстановления металлов):
CuO + H₂ → Cu + H₂O
Fe₃O₄ + 4H₂ → 3Fe + 4Н₂О

8) с оксидом углерода (II):
CO + 2H₂ → CH₃OH
Синтез — газ (смесь водорода и угарного газа) имеет важное практическое значение, тк в зависимости от температуры, давления и катализатора образуются различные органические соединения, например НСНО, СН₃ОН и другие.

9)Ненасыщенные углеводороды реагируют с водородом, переходя в насыщенные:
С_nН_2n + Н₂ → С_nН_2n+2.

Водород. Свойства, получение, применение

Ключевые слова конспекта: характеристика элемента водород, физические свойства водорода, получение водорода.

Водород — первый, самый легкий элемент Периодической системы элементов. Массовая доля водорода в земной коре менее 1%.

Степень окисления водорода +1 — в составе воды, кислот, оснований, кислых солей. Степень окисления -1 встречается редко, в гидридах щелочных и щелочноземельных металлов: NaH, СаН₂.

Изотопы водорода различаются массовыми числами: протий 1 Н, дейтерий 2 Н (D), тритий 3 Н (Т).

Практически весь водород в природе находится в виде соединений. Это — вода Н₂О, природный газ метан СН₄, углеводороды вида С_аН_b, например газ пропан С₃Н₈ и компонент нефти октан C₈H₁₈, соляная кислота НСl в нашем желудке. Водород в виде воды и органических соединений — важнейший элемент растительных и животных организмов, например в составе сахара С₁₂Н₂₂О₁₁.

Физические свойства водорода Н₂. Газ без цвета, вкуса и запаха, значительно легче воздуха, плотность 0,09 г/л — это самый легкий газ, температура сжижения -253°С, в воде практически нерастворим (в 100 г воды при н.у. растворяется 2,15 мл Н₂).

Получение водорода. В лаборатории водород получают при взаимодействии соляной кислоты НСl или разбавленной серной кислоты H₂SO₄(p-p) с цинком Zn:

2НСl + Zn = ZnCl₂ + Н₂↑,
H₂SO₄(p-p) + Zn = ZnSO₄ + H₂↑.

Другой способ — разложение воды электрическим током:

В промышленности взаимодействие метана (и родственных ему углеводородов) с кислородом в присутствии паров воды называют конверсией. Так, из метана СН₄ взаимодействием с кислородом в присутствии избытка паров воды получают водород:

2СН₄ + O₂ + 2Н₂O = 6Н₂ + 2СO₂.

Для отделения углекислого газа образовавшуюся смесь газов под давлением пропускают через холодную воду. Углекислый газ в воде растворяется, а водород нет.

Иногда конверсию метана проводят при недостатке водяного пара:

CH₄ + Н₂O = CO +3H₂.

Образующуюся смесь оксида углерода(II) с водородом <синтез-газ) используют в органическом синтезе.

Разложение воды электрическим током из-за дорогой стоимости электричества в больших масштабах невыгодно.

Также водород получают при взаимодействии водяного пара с раскаленным углем:

С + Н₂O = СО + Н₂.

Образующуюся смесь называют водяным газом.

В промышленности используют водород, выделяющийся в реакциях разложения при нагревании каменного угля или нефти без доступа воздуха.

Конспект урока по химии «Водород: характеристика, получение». Выберите дальнейшее действие:

Водород. Свойства, получение, применение

Владельцы сайта

• Галина Пчёлкина

Урок №24. Водород, его общая характеристика и нахождение в природе. Получение водорода и его физические свойства

Обобщающая схема «ВОДОРОД»

I . Водород – химический элемент

а) Положение в ПСХЭ

• порядковый номер №1
• период 1
• группа I (главная подгруппа «А»)
• относительная масса Ar( Н )=1
• латинское название Hydrogenium (рождающий воду)

б) Распространённость водорода в природе

Водород – химический элемент.

В земной коре (литосфера и гидросфера) – 1% по массе (10 место среди всех элементов)

АТМОСФЕРА – 0,0001% по числу атомов

Самый распространённый элемент во вселенной – 92% от числа всех атомов (основная составная часть звёзд и межзвёздного газа)

СН₄ – газ метан (25% по массе)

Органические вещества (нефть, горючие природные газы и других)

В организмах животных и растений (то есть в составе белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других)

В теле человека в среднем содержится около 7 килограммов водорода.

в) Валентность водорода в соединениях

газ легче воздуха

II . Водород – простое вещество (Н₂)

1.Лаборатория (аппарат Киппа)

А) Взаимодействие металлов с кислотами:

Б) Взаимодействие активных металлов с водой:

2 Na + 2H ₂ O = 2NaOH + H ₂↑

· Из природного газа

Нахождение водорода в природе.

Водород широко распространен в природе, его содержание в земной коре (литосфера и гидросфера) составляет по массе 1%, а по числу атомов 16%. Водород входит в состав самого распространенного вещества на Земле – воды (11,19% Водорода по массе), в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, глины, а также организмы животных и растений (то есть в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других). 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 распространенным элементом. В виде плазмы он составляет около половины массы Солнца и большинства звезд, основную часть газов межзвездной среды и газовых туманностей. Водород присутствует в атмосфере ряда планет и в кометах в виде свободного Н₂, метана СН₄, аммиака NH₃, воды Н₂О, радикалов. В виде потока протонов Водород входит в состав корпускулярного излучения Солнца и космических лучей.

Существуют три изотопа водорода:
а) легкий водород – протий,
б) тяжелый водород – дейтерий (D),
в) сверхтяжелый водород – тритий (Т).

Тритий неустойчивый (радиоактивный) изотоп, поэтому в природе он практически не встречается. Дейтерий устойчив, но его очень мало: 0,015% (от массы всего земного водорода).

Валентность водорода в соединениях

В соединениях водород проявляет валентность I .

Физические свойства водорода

Простое вещество водород (Н₂) – это газ, легче воздуха, без цвета, без запаха, без вкуса, t_кип = – 253 0 С, водород в воде нерастворим , горюч. Собирать водород можно путем вытеснения воздуха из пробирки или воды. При этом пробирку нужно перевернуть вверх дном.

В лаборатории водород получают в результате реакции

Вместо цинка можно использовать железо, алюминий и некоторые другие металлы, а вместо серной кислоты – некоторые другие разбавленные кислоты. Образующийся водород собирают в пробирку методом вытеснения воды (см. рис. 10.2 б) или просто в перевернутую колбу (рис. 10.2 а).

В промышленности в больших количествах водород получают из природного газа (в основном это метан) при взаимодействии его с парами воды при 800 °С в присутствии никелевого катализатора:

или обрабатывают при высокой температуре парами воды уголь:

Чистый водород получают из воды, разлагая ее электрическим током (подвергая электролизу):

Источники:

Водород. Физические и химические свойства, получение

Водород: характеристика, получение

http://www.sites.google.com/site/himulacom/zvonok-na-urok/8-klass/urok-no24-vodorod-ego-obsaa-harakteristika-i-nahozdenie-v-prirode-polucenie-vodoroda-i-ego-fiziceskie-svojstva