Физические и химические свойства водорода

Водород был открыт во второй половине 18 столетия английским ученым в области физики и химии Г. Кавендишем. Он сумел выделить вещество в чистом состоянии, занялся его изучением и описал свойства.

Такова история открытия водорода. В ходе экспериментов исследователь определил, что это горючий газ, сгорание которого в воздухе дает воду. Это привело к определению качественного состава воды.

Что такое водород

О водороде, как о простом веществе, впервые заявил французский химик А. Лавуазье в 1784 году, поскольку определил, что в состав его молекулы входят атомы одного вида.

Название химического элемента по-латыни звучит как hydrogenium (читается «гидрогениум»), что означает «воду рождающий». Название отсылает к реакции горения, в результате которой образуется вода.

Характеристика водорода

Обозначение водорода Н. Менделеев присвоил этому химическому элементу первый порядковый номер, разместив его в главной подгруппе первой группы и первом периоде и условно в главной подгруппе седьмой  группы.

Атомарный вес (атомная масса) водорода составляет 1,00797. Молекулярная масса H2 равна 2 а. е. Молярная масса численно равна ей.

Представлен тремя изотопами, имеющими специальное название: самый распространенный протий (H), тяжелый дейтерий (D), радиоактивный тритий (Т).

Это первый элемент, который может быть полностью разделен на изотопы простым способом. Основывается он на высокой разнице масс изотопов. Впервые процесс был осуществлен в 1933 году. Объясняется это тем, что лишь в 1932 году был выявлен изотоп с массой 2.

Физические свойства

В нормальных условиях простое вещество водород в виде двухатомных молекул является газом, без цвета, у которого отсутствует вкус и запах. Мало растворим в воде и других растворителях.

Температура  кристаллизации 259,2оC, температура кипения  252,8оC.  Диаметр молекул водорода настолько мал, что они обладают способностью к медленной диффузии через ряд материалов (резина, стекло, металлы). Это свойство находит применение, когда требуется очистить водород от газообразных примесей. При н. у. водород имеет плотность, равную 0,09 кг/м3.

Возможно ли превращение водорода в металл по аналогии с элементами, расположенными в первой группе? Учеными установлено, что водород  в условиях, когда давление приближается к 2 млн. атмосфер, начинает поглощать инфракрасные лучи, что свидетельствует о поляризации молекул вещества. Возможно, при еще более высоких давлениях, водород станет металлом.

Это интересно: есть предположение, что на планетах-гигантах, Юпитере и Сатурне, водород находится в виде металла. Предполагается, что в составе земного ядра тоже присутствует металлический твердый водород, благодаря сверхвысокому давлению, создаваемому земной мантией.

Химические свойства

В химическое взаимодействие с водородом вступают как простые, так и сложные вещества. Но малую активность водорода требуется увеличить созданием соответствующих условий – повышением температуры, применением катализаторов и др.

При нагревании в реакцию с водородом вступают такие простые вещества, как кислород (O2), хлор(Cl2), азот (N2), сера(S).

Если поджечь чистый водород на конце газоотводной трубки в воздухе, он будет гореть ровно, но еле заметно. Если же поместить газоотводную трубку в атмосферу чистого кислорода, то горение продолжится с образованием на стенках сосуда капель воды, как результат реакции:

Горение воды сопровождается выделением большого количества теплоты. Это экзотермическая реакция соединения, в процессе которой водород окисляется кислородом с образованием оксида H2O. Это также и окислительно-восстановительная реакция, в которой водород окисляется, а кислород восстанавливается.

Аналогично происходит реакция с Cl2 с образованием хлороводорода.

Для осуществления взаимодействия азота с водородом требуется высокая температура и повышенное давление, а также присутствие катализатора. Результатом является аммиак.

В результате реакции с серой образуется сероводород, распознавание которого облегчает характерный запах тухлых яиц.

Степень окисления водорода в этих реакциях +1, а в гидридах, описываемых ниже, – 1.

При реакции с некоторыми металлами образуются гидриды, например, гидрид натрия – NaH. Некоторые из этих сложных соединений используются в качестве горючего для ракет, а также в термоядерной энергетике.

Водород реагирует и с веществами из категории сложных. Например, с оксидом меди (II), формула CuO. Для осуществления реакции, водород меди пропускается над нагретым порошкообразным оксидом меди (II). В ходе взаимодействия реагент меняет свой цвет и становится красно-коричневым, а на холодных стенках пробирки оседают капельки воды.

Водород в ходе реакции окисляется, образуя воду, а медь восстанавливается из оксида до простого вещества (Cu).

Области применения

Водород имеет большое значение для человека и находит применение в самых разных сферах:

1. В химическом производстве – это сырье, в других отраслях – топливо. Не обходятся без водорода и предприятия нефтехимии и нефтепереработки.
2. В электроэнергетике это простое вещество выполняет функцию охлаждающего агента.
3. В черной и цветной металлургии водороду отводится роль восстановителя.
4. Сего помощью создают инертную среду при упаковке продуктов.
5. Фармацевтическая промышленность пользуется водородом как реагентом в производстве перекиси водорода.
6. Этим легким газом наполняют метеорологические зонды.
7. Известен этот элемент и в качестве восстановителя топлива для ракетных двигателей.

Ученые единодушно пророчат водородному топливу пальму первенства в энергетике.

Получение в промышленности

В промышленности водород получают методом электролиза, которому подвергают хлориды либо гидроксиды щелочных металлов, растворенные в воде. Также можно получать водород этим способом непосредственно из воды.

Используется в этих целях конверсия кокса или метана с водяным паром. Разложение метана при повышенной температуре также дает водород. Сжижение коксового газа фракционным методом тоже применяется для промышленного получения водорода.

Получение в лаборатории

В лаборатории для получения водорода используют аппарат Киппа.

В качестве реагентов выступают соляная или серная кислота и цинк. В результате реакции образуется водород.

Нахождение водорода в природе

Водород чаще других элементов встречается во Вселенной. Основную массу звезд, в том числе Солнца, и иных космических тел составляет водород.

В земной коре его всего 0,15%. Он присутствует во многих минералах, во всех органических веществах, а также в воде, покрывающей на 3/4 поверхность нашей планеты.

В верхних слоях атмосферы можно обнаружить следы водорода в чистом виде. Находят его и в ряде горючих природных газов.

Интересные факты о водороде

Газообразный водород является самым неплотным, а жидкий – самым плотным веществом на нашей планете. С помощью водорода можно изменить тембр голоса, если вдохнуть его, а на выдохе заговорить.

• В основе действия самой мощной водородной бомбы лежит расщепление самого легкого атома.

Источник: https://tvercult.ru/nauka/vodorod-harakteristika-fizicheskie-i-himicheskie-svoystva

Водород: физические и химические свойства

История открытия водорода

Водород в таблице Менделеева

Строение молекулы водорода

Физические свойства водорода

Химические свойства водорода

Как получить водород?

Применение водорода

Водород, видео

Если кислород является самым распространенным химическим элементом на Земле, то водород – самый распространенный элемент во всей Вселенной. Наше Солнце (и другие звезды) примерно на половину состоит из водорода, а что касается межзвездного газа, то он на 90% состоит из атомов водорода. Немалое место этот химический элемент занимает и на Земле, ведь вместе с кислородом он входит в состав воды, а само его название «водород» происходит от двух древнегреческих слов: «вода» и «рожаю». Помимо воды водород присутствует в большинстве органических веществ и клеток, без него, как и без кислорода, была бы немыслима сама Жизнь.

История открытия водорода

Первым среди ученых водород заметил еще великий алхимик и лекарь средневековья Теофраст Парацельс. В своих алхимических опытах, в надежде отыскать «философский камень» смешивая металлы с кислотами Парацельс получил некий неизвестный до того горючий газ. Правда отделить этот газ от воздуха так и не удалось.

Только спустя полтора века после Парацельса французскому химику Лемери таки удалось отделить водород от воздуха и доказать его горючесть. Правда Лемери так и не понял, что полученный им газ является чистым водородом.

Параллельно подобными химическими опытами занимался и русский ученый Ломоносов, но настоящий прорыв в исследовании водорода был сделан английским химиком Генри Кавендишом, которого по праву считают первооткрывателем водорода.

В 1766 году Кавендишу удалось получить чистый водород, который он называл «горючим воздухом». Еще через 20 лет талантливый французский химик Антуан Лавуазье смог синтезировать воду и выделить из нее этот самый «горючий воздух» – водород. И к слову именно Лавуазье предложил водороду его название – «Hydrogenium», он же «водород».

Антуан Лавуазье со своей женой, помогавшей ему проводить химические опыты, в том числе и по синтезу водорода.

Водород в таблице Менделеева

В основе расположения химических элементов в периодической системе Менделеева лежит их атомный вес, рассчитанный относительно атомного веса водорода.

То есть иными словами водород и его атомный вес является краеугольным камнем таблицы Менделеева, той точкой опоры, на основе которой великий химик создал свою систему.

Поэтому не удивительно, что в таблице Менделеева водород занимает почетное первое место.

Помимо этого водород имеет такие характеристики:

• Атомная масса водорода составляет 1,00795.
• У водорода в наличии три изотопа, каждый из которых обладает индивидуальными свойствами.
• Водород – легкий элемент имеющий малую плотность.
• Водород обладает восстановительными и окислительными свойствами.
• Вступая в химические реакции с металлами, водород принимает их электрон и стает окислителем. Подобные соединения называются гидратами.

Строение молекулы водорода

Водород это газ, молекула его состоит из двух атомов.

Так схематически выглядит молекула водорода.

Молекулярный водород, образованный из таких вот двухатомных молекул взрывается при поднесенной горящей спичке. Молекула водорода при взрыве распадается на атомы, которые превращаются в ядра гелия. Именно таким образом происходят ядерные реакции на Солнце и других звездах – за счет постоянного распадение молекул водорода наше светило горит и обогревает нас своим теплом.

Физические свойства водорода

У водорода в наличие следующие физические свойства:

• Температура кипения водорода составляет 252,76 °C;
• А при температуре 259,14 °C он уже начинает плавиться.
• В воде водород растворяется слабо.
• Чистый водород – весьма опасное взрывчатое и горючее вещество.
• Водород легче воздуха в 14,5 раз.

Химические свойства водорода

Поскольку водород может быть в разных ситуациях и окислителем и восстановителем его используют для осуществления реакций и синтезов.

Окислительные свойства водорода взаимодействуют с активными (обычно щелочными и щелочноземельными) металлами, результатом этих взаимодействий является образование гидридов – солеподобных соединений. Впрочем, гидриды образуются и при реакциях водорода с малоактивными металлами.

Восстановительные свойства водорода обладают способностью восстанавливать металлы до простых веществ из их оксидов, в промышленности это называется водородотермией.

Как получить водород?

Среди промышленных средств получения водорода можно выделить:

• газификацию угля,
• паровую конверсию метана,
• электролиз.

В лаборатории водород можно получить:

• при гидролизе гидридов металлов,
• при реакции с водой щелочных и щелочноземельных металлов,
• при взаимодействии разбавленных кислот с активными металлами.

Применение водорода

Так как водород в 14 раз легче воздуха, то в былые времена им начиняли воздушные шары и дирижабли. Но после серии катастроф произошедших с дирижаблями конструкторам пришлось искать водороду замену (напомним, чистый водород – взрывоопасное вещество, и малейшей искры было достаточно, чтобы случился взрыв).

Взрыв дирижабля Гинденбург в 1937 году, причиной взрыва как раз и стало воспламенение водорода (вследствие короткого замыкания), на котором летал этот огромный дирижабль.

Поэтому для подобных летательных аппаратов вместо водорода стали использовать гелий, который также легче воздуха, получение гелия более трудоемкое, зато он не такой взрывоопасный как водород.

Тем не менее, водород весьма хорошо зарекомендовал себя в качестве одного из компонентов ракетного топлива. А автомобили, работающие на водородном топливе более экологичнее своих дизельных и бензиновых собратьев.

Также с помощью водорода производится очистка различных видов топлива, в особенности на основе нефти и нефтепродуктов.

Водород, видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Источник: https://www.poznavayka.org/himiya/vodorod/

Свойства водорода — урок. Химия, 8–9 класс

Водород имеет молекулярное строение. Его молекула H2 состоит из двух атомов, соединённых ковалентной неполярной связью.

При обычных условиях водород — газ без цвета, запаха и вкуса. Это самое лёгкое вещество на Земле. Его плотность равна примерно (0,9) г/дм³. Водород в (14,5) раз легче воздуха.

В воде водород растворяется плохо (примерно (2) объёма на (100) объёмов воды), но может поглощаться некоторыми металлами. Например, (1) объём палладия может растворить до (900) объёмов водорода.

Температура кипения водорода низкая. Она равна (–253) °С. Ниже температура кипения только у гелия.

Молекулы водорода благодаря своей малой массе и размерам могут проникать сквозь стенки сосуда, в котором он содержится. Заполненный водородом шарик через некоторое время сдувается. При температуре (300)–(600) °С водород способен диффундировать сквозь стенки стеклянного или металлического сосуда.

Химические свойства

1. Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами (кроме фосфора, кремния, инертных газов).

• Водород реагирует с кислородом. При этом образуется вода:

2H2+O2=t2H2O.

Смесь водорода с кислородом или с воздухом взрывоопасна.

• При освещении или нагревании идёт реакция с хлором, и образуется хлороводород:

H2+Cl2=hν2HCl.

Подобным образом водород реагирует и с другими галогенами: фтором, бромом, иодом.

• Если водород пропускать над нагретой серой, то образуется сероводород:

H2+S=tH2S.

• В присутствии катализатора при повышенном давлении водород реагирует с азотом с образованием аммиака:

N2+3H2=t,p,k2NH3.

Обрати внимание!

В реакциях с неметаллами водород является восстановителем.

2. Взаимодействие с простыми веществами-металлами.

• При нагревании водород реагирует со щелочными и щелочноземельными металлами с образованием гидридов:
• 2Na+H2=t2NaH,
• Ca+H2=tCaH2.

Обрати внимание!

В реакциях с металлами водород является окислителем.

3. Взаимодействие со сложными веществами.

• Водород способен реагировать с оксидами металлов (кроме оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, бериллия, магния, алюминия):

WO3+3H2=tW+3H2O,

CuO+H2=tCu+H2O.

• Водород реагирует с угарным газом с образованием метилового спирта:

CO+2H2→CH3OH.

• Водород вступает в реакции со многими органическими веществами.

Источники:

Габриелян О. С. Химия. 9 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2013. — 137 с.

Источник: https://www.yaklass.ru/p/himija/89-klass/khimiia-nemetallov-157456/vodorod-157457/re-bad22516-e7dd-434e-b73c-3f4c37dde76e

Физические и химические свойства водорода, получение и применение

Билет № 14

1. Водород: положение этого химического элемента в периодической системе, строение его атома и молекулы. Физические и химические свойства водорода, получение и применение

Водород находится в 1-м периоде, I группе, главной (А) подгруппе. Химический знак водорода обычно проставляют и в VII группе.

Это связано с тем, что ядро атома водорода представляет из себя протон (элементарную частицу), заряд его равен +1. Электронная оболочка имеет один уровень, на котором расположен один электрон. Водород, как и металлы I группы, легко окисляется. Валентность водорода равна I.

В то же время водороду недостает только одного электрона, чтобы заполнить внешний электронный уровень (т. к. на I уровне может разместиться только 2 электрона). В этом он сходен с галогенами. Водород-простое вещество, как и галогены, является неметаллом. Поэтому химический знак водорода помещают также в VII группу.

Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных ковалентной неполярной связью.

Водород — газ, без цвета и запаха, легче воздуха. Растворимость в воде очень мала.

Химические свойства:

1. Водород горит, образуется вода; смесь водорода с воздухом сгорает со взрывом:
   2H2 + O2 = 2H2O
2. Водород продолжает гореть в атмосфере хлора (т. е. реагирует с хлором при нагревании), образуется хлороводород:
   H2 + Cl2 = 2HCl
   Сходным образом протекают реакции со многими неметаллами.
3. Водород восстанавливает металлы из их оксидов:
   H2 + CuO = Cu + H2O
   В этих трех реакциях водород является восстановителем.

Водород может выступать в роли окислителя при нагревании со щелочными металлами:
2Na + H2 = 2NaH (образуется гидрид натрия)

• В лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой:
• Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑
• Водород собирают в сосуд, перевернутый кверху дном.

Чтобы проверить его на чистоту, пробирку с водородом подносят к пламени спиртовки. Чистый водород сгорает со звонким хлопком. Если
водород смешан с воздухом, сгорает со взрывом.

1. Водород можно получить взаимодействием натрия, кальция с водой:
2. 2Na + 2HOH = 2NaOH + H2↑
3. При отсутствии этих реактивов практикуется получение водорода взаимодействием алюминиевой стружки и воды (с добавлением щелочи, чтобы разрушить оксидную пленку).

В промышленности водород получают при разложении природного газа.

Перспективным считается получение водорода при разложении воды электрическим током, но этот метод дорого обходится из-за больших
затрат электроэнергии.

Применение водорода:

1. Синтез аммиака NH3 (производство азотной кислоты и азотных удобрений), соляной кислоты
2. Получение металлов высокой чистоты (например, порошка железа для школьной химической лаборатории)
3. Газовая резка и сварка металлов

Водород считается перспективным экологически чистым топливом для автомобильного и воздушного транспорта. Запасы нефти и газа на
Земле исчерпаемы, а водород можно получать из воды.

2. Задача. Вычисление количества вещества газа, необходимого для реакции с определенным количеством вещества другого газа.Пример:

Какое количество вещества водорода прореагирует с 4 моль кислорода?

Решение:

1. Записываем уравнение реакции.
2. Записываем над уравнением реакции имеющиеся данные, а под уравнением — число моль согласно уравнению (равно коэффициенту перед веществом):
   x моль   4 моль
   2H2   +   O2   =   2H2O
   2 моль  1 моль
3. Составляем пропорцию:
   x моль — 4 моль

   2 моль — 1 моль

4. Находим x:
   x = 4 моль • 2 моль / 1 моль = 8 моль

Ответ: 8 моль.

автор: Владимир Соколов

Источник: https://staminaon.com/ru/chemistry/chemistry_9-14.htm

Водород

Продажа
Производство
Доставкамарка 4.6марка 5.0марка 6.0марка 7.0технический марка «Б»технический марка «В»чистый I сорттехнический марка «А»технический марка «Б»технический марка «В»

Водород (лат.

 Hydrogenium; обозначается символом H) — первый элемент периодической системы элементов. Широко распространён в природе. Катион (и ядро) самого распространённого изотопа водорода 1H — протон.

Свойства ядра 1H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.

Три изотопа водорода имеют собственные названия: 1H — протий (Н), 2H — дейтерий (D) и 3H — тритий (радиоактивен) (T).

Простое вещество водород — H2 — лёгкий бесцветный газ. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен. Нетоксичен. Растворим в этаноле и рядеметаллов: железе, никеле, палладии, платине.

История

Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Прямо указывал на выделение его и Михаил Васильевич Ломоносов, но уже определённо сознавая, что это не флогистон. Английский физик и химик Генри Кавендиш в 1766 году исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом».

При сжигании «горючий воздух» давал воду, но приверженность Кавендиша теории флогистона помешала ему сделать правильные выводы. Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783 г. осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом.

Таким образом он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.

Происхождение названия

Лавуазье дал водороду название hydrogène — «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году — по аналогии сломоносовским «кислородом».

Распространённость

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.

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 %.

Получение

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):

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.

1. Конверсия с водяным паром:
2. CH4 + H2O ? CO + 3H2 (1000 °C)
3. Каталитическое окисление кислородом:
4. 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

Физические свойства

Водород может существовать в двух формах (модификациях) — в виде орто- и пара- водорода. В молекуле ортоводорода o-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип.

−252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).

Равновесная смесь o-H2 и p-H2 при заданной температуре называется равновесный водород e-H2.

Разделить модификации 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.

Без катализатора превращение происходит медленно (в условиях межзвездной среды — с характерными временами вплоть до космологических), что даёт возможность изучить свойства отдельных модификаций. 

Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. 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. 

Молекула водорода двухатомна — Н2. При нормальных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н.у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания 120.9×106 Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л. Водород хорошо растворим 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).

Практически не растворим в серебре.

Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C 0,0708 г/см3) и текучая (вязкость при −253 °C 13,8 спуаз).

Критические параметры водорода очень низкие: температура −240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79 % пара-Н2, 0,21 % орто-Н2.

Твердый водород, температура плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см3 (при −262 °C) — снегоподобная масса, кристаллы гексогональной сингонии,пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a=3,75 c=6,12. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние.

Изотопы

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

Протий и дейтерий являются стабильными изотопами с массовыми числами 1 и 2. Содержание их в природе соответственно составляет 99,9885 ± 0,0070 % и 0,0115 ± 0,0070 %. Это соотношение может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода.

Изотоп водорода 3Н (тритий) нестабилен. Его период полураспада составляет 12,32 лет. Тритий содержится в природе в очень малых количествах.

В литературе также приводятся данные об изотопах водорода с массовыми числами 4 — 7 и периодами полураспада 10−22 — 10−23 с.

Из всех изотопов химических элементов физические и химические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов.

Температура плавления, K	Температура кипения, K	Тройная точка, K / kPa	Критическая точка, K / kPa	Плотность жидкий / газ, кг/м³
H2	13.96	20,39	13,96 / 7,3	32,98 / 1,31	70,811 / 1,316
D	16,65	22,13	16,60 / 12,8	35,91 / 1,48	114,80 / 1,802
HT	22,92	17,63 / 17,7	37,13 / 1,57	158,62 / 2,310
D2	18,65	23,67	18,73 / 17,1	38,35 / 1,67	162,50 / 2,230
DT	24.38	19,71 / 19,4	39,42 / 1,77	211,54 / 2,694
T2	20,63	25,04	20,62 / 21,6	40,44 / 1,85	260,17 / 3,136

Дейтерий и тритий также имеют орто- и пара- модификации: p-D2, o-D2, p-T2, o-T2. Гетероизотопный водород (HD, HT, DT) не имеют орто- и пара- модификаций.

Химические свойства

• Доля диссоциировавших молекул водорода
• 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, например с кальцием, образуя гидрид кальция:
• Ca + Н2 = СаН2
• и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:
• 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, например:
• CuO + Н2 = Cu + Н2O
• Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.
• N2 + 3H2 → 2NH3
• 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

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

1. При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:
2. 2Na + H2 → 2NaH
3. Ca + H2 → CaH2
4. Mg + H2 → MgH2
5. Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:
6. CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2↑

Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)

• Оксиды восстанавливаются до металлов:
• CuO + H2 → Cu + H2O
• Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O
• WO3 + 3H2 → W + 3H2O

Гидрирование органических соединений

Молекулярный водород широко применяется в органическом синтезе для восстановления органических соединений. Эти процессы называют реакциями гидрирования. Эти реакции проводят в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре. Катализатор может быть как гомогенным (напр.Катализатор Уилкинсона), так и гетерогенным (напр. никель Ренея, палладий на угле).

Так, в частности, при каталитическом гидрировании ненасыщенных соединений, таких как алкены и алкины, образуются насыщенные соединения — алканы.

Геохимия водорода

1. На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем, планетами-гигантами и первичными метеоритами, из чего следует, что во время образования Земля была значительно дегазирована и водород вместе с другими летучими элементами покинул планету во время аккреции или вскоре после неё.
2. Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
3. 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 . Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство.

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 водородпожароопасен. Жидкий водород при попадании 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.

Экономика

Стоимость водорода при крупнооптовых поставках колеблется в диапазоне 2-5$ за кг.

Применение

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.

Химическая промышленность

• При производстве аммиака, метанола, мыла и пластмасс
• При производстве маргарина из жидких растительных масел
• Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 (упаковочный газ)

Пищевая промышленность

Авиационная промышленность

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 несколькокатастроф, в ходе которых дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием, несмотря на его существенно более высокую стоимость.

Топливо

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.

«Жидкий водород»

Источник: https://tgko.ru/spravka/gaz/vodorod

Физические и химические свойства водорода

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Водород является первым элементом Периодической таблицы химических элементов D.I. Менделеев. Символ — Н.

Атомная масса равна 1 а.е.м. Молекула водорода диатомическая — ( mathrm{H} 2 ).

Электронная конфигурация атома водорода равна 1s1. Водород принадлежит к семейству s-элементов. В его соединениях он обнаруживает состояния окисления -1, 0, +1. Природный водород состоит из двух стабильных изотопов — протия 1H (99,98%) и дейтерия 2H (D) (0,015%) — и радиоактивного изотопа трития 3H (T) (следовые количества, период полураспада 12,5 лет).

Химические свойства водорода

В нормальных условиях молекулярный водород обладает относительно низкой реакционной способностью, что объясняется высокой прочностью связей в молекуле.

При нагревании он взаимодействует практически со всеми простыми веществами, образованными элементами основных подгрупп (за исключением благородных газов, В, Si, P, Al).

В химических реакциях он может действовать как в качестве восстановителя (чаще), так и в качестве окислителя (реже).

Водород показывает свойства восстановителя (( mathrm{H} 2 mathrm{O}-2 mathrm{e}
ightarrow 2 mathrm{H}+ )) в следующих реакциях:

1. Реакции взаимодействия с простыми веществами — неметаллами.

Более того, водород реагирует с галогенами, взаимодействуя с фтором в нормальных условиях, в темноте, с взрывом, с хлором — при освещении (или ультрафиолетовом облучении) цепным механизмом с бромом и иодом только при нагревании; кислород (смесь кислорода и водорода в объемном соотношении 2: 1 называется «взрывоопасным газом»), серой, азотом и углеродом:

• ( mathrm{H} 2+mathrm{Hal} 2=2 mathrm{HHal} );
• ( 2 mathrm{H} 2+mathrm{O} 2=2 mathrm{H} 2 mathrm{O}+mathrm{Q}left(mathrm{t}^{circ}
  ight) );
• ( mathrm{H} 2+mathrm{S}=mathrm{H} 2 mathrm{S}left(mathrm{t}^{circ}=150-300^{circ} mathrm{C}
  ight) );
• ( 3 mathrm{H} 2+mathrm{N} 2 leftrightarrow 2 mathrm{NH} 3left(mathrm{t}^{circ}
  ight}=500^{circ} mathrm{C}, mathrm{p}, mathrm{kat}=mathrm{Fe}, mathrm{Pt} ) );
• ( 2 mathrm{H} 2+mathrm{C} leftrightarrow mathrm{CH} 4left(mathrm{t}^{circ}, mathrm{p}, mathrm{kat}
  ight) ).

2. Реакции взаимодействия со сложными веществами. Водород реагирует с оксидами малоактивных металлов и способен восстанавливать только металлы, находящиеся в ряду активности справа от цинка:

1. ( mathrm{CuO}+mathrm{H} 2=mathrm{Cu}+mathrm{H} 2 mathrm{O}left(mathrm{t}^{circ}
   ight) );
2. ( mathrm{Fe} 2 mathrm{O} 3+3 mathrm{H} 2=2 mathrm{Fe}+3 mathrm{H} 2 mathrm{O}left(mathrm{t}^{circ}
   ight) );
3. ( mathrm{WOZ}+3 mathrm{H} 2=mathrm{W}+3 mathrm{H} 2 mathrm{O}left(mathrm{t}^{circ}
   ight) ).
4. Водород реагирует с оксидами неметаллов:
5. ( mathrm{H} 2+mathrm{CO} 2 leftrightarrow mathrm{CO}+mathrm{H} 2 mathrm{O}left(mathrm{t}^{circ}
   ight) );
6. ( 2 mathrm{H} 2+mathrm{CO}
   ightarrow mathrm{CH} 3 mathrm{OH}left(mathrm{t}^{circ}=300^{circ} mathrm{C}, mathrm{p}=250-300 mathrm{атм}, mathrm{kat}=mathrm{ZnO}, mathrm{Cr} 2 mathrm{O} 3
   ight) ).

Водород входит в реакции гидрирования с органическими соединениями класса циклоалканов, алкенов, аренов, альдегидов и кетонов и т. Д. Все эти реакции проводятся при нагревании, под давлением в качестве катализаторов используются платина или никель:

• ( mathrm{CH} 2=mathrm{CH} 2+mathrm{H} 2 leftrightarrow mathrm{CH} 3-mathrm{CH} 3 );
• ( mathrm{C} 6 mathrm{H} 6+3 mathrm{H} 2
  ightarrow mathrm{C} 6 mathrm{H} 12 );
• ( mathrm{C} 3 mathrm{H} 6+mathrm{H} 2 leftrightarrow mathrm{CZH} 8 );
• ( mathrm{CH} 3 mathrm{CHO}+mathrm{H} 2 leftrightarrow mathrm{CH} 3-mathrm{CH} 2-mathrm{OH} );
• ( mathrm{CH} 3-mathrm{CO}-mathrm{CH} 3+mathrm{H} 2
  ightarrow mathrm{CH} 3-mathrm{CH}(mathrm{OH})-mathrm{CHZ} ).

Водород в качестве окислителя (( mathrm{H} 2^{circ}+2 mathrm{e}
ightarrow 2 mathrm{H}- )) выступает в реакциях взаимодействия со щелочными и щелочноземельными металлами. При этом образуются гидриды – кристаллические ионные соединения, в которых водород проявляет степень окисления -1.

1. ( 2 mathrm{Na}+mathrm{H} 2 leftrightarrow 2 mathrm{NaH}left(mathrm{t}^{circ}, mathrm{p}
   ight) ).
2. ( mathrm{Ca}+mathrm{H} 2 leftrightarrow mathrm{CaH} 2left(mathrm{t}^{circ}, mathrm{p}
   ight) ).
3. Физические свойства водорода

Водород – легкий бесцветный газ, без запаха, плотность при н.у. – 0,09 г/л, в 14,5 раз легче воздуха, tкип = -252,8°С, tпл = — 259,2°С. Водород плохо растворим в воде и органически растворителях, хорошо растворим в некоторых металлах: никеле, палладии, платине.

По данным современной космохимии водород является самым распространенным элементом Вселенной. Основная форма существования водорода в космическом пространстве – отдельные атомы.

По распространенности на Земле водород занимает 9 место среди всех элементов. Основное количество водорода на Земле находится в связанном состоянии – в составе воды, нефти, природного газа, каменного угля и т.д.

Получение водорода

Различают лабораторные и промышленные способы получения водорода. К лабораторным способам относят взаимодействие металлов с кислотами (1), а также взаимодействие алюминия с водными растворами щелочей (2). Среди промышленных способов получения водорода большую роль играют электролиз водных растворов щелочей и солей (3) и конверсия метана (4):

• ( mathrm{Zn}+2 mathrm{HCl}=mathrm{ZnCl} 2+mathrm{H} 2 uparrow mathrm{(l} ) );
• ( 2 mathrm{Al}+2 mathrm{NaOH}+6 mathrm{H} 2 mathrm{O}=2 mathrm{Na}[mathrm{Al}(mathrm{OH}) 4]+3 mathrm{H} 2 uparrow(2) );
• ( 2 mathrm{NaCl}+2 mathrm{H} 2 mathrm{O}=mathrm{H} 2 uparrow+mathrm{C}|2 uparrow+2 mathrm{NaOH}(3) );
• ( mathrm{CH} 4+mathrm{H} 2 mathrm{O}
  ightarrow mathrm{CO}+mathrm{H} 2(4) ).
• Примеры решения задач
• ПРИМЕР 1

Задание

При взаимодействии 23,8 г металлического олова с избытком соляной кислоты выделился водород, в количестве, достаточном, чтобы получить 12,8 г металлической меди Определите степень окисления олова в полученном соединении.

Решение

1. Исходя из электронного строения атома олова (…5s25p2) можно сделать вывод, что для олова характерны две степени окисления — +2, +4. На основании этого составим уравнения возможных реакций:
2. ( mathrm{Sn}+2 mathrm{HCl}=mathrm{H} 2+mathrm{SnCl} 2(1) );
3. ( mathrm{Sn}+4 mathrm{HCl}=2 mathrm{H} 2+mathrm{SnCl} 4(2) );
4. ( mathrm{CuO}+mathrm{H} 2=mathrm{Cu}+mathrm{H} 2 mathrm{O}(3) ).
5. Найдем количество вещества меди:
6. ( mathrm{v}(mathrm{Cu})=mathrm{m}(mathrm{Cu}) / mathrm{M}(mathrm{Cu})=12,8 / 64=0,2 ) моль.
7. Согласно уравнению 3, количество вещества водорода:
8. ( mathrm{v}(mathrm{H} 2)=mathrm{v}(mathrm{Cu})=0,2 ) моль.
9. Зная массу олова, найдем его количество вещества:
10. ( mathrm{v}(mathrm{Sn})=mathrm{m}(mathrm{Sn}) / mathrm{M}(mathrm{Sn})=23,8 / 119=0,2 )моль.
11. Сравним количества вещества олова и водорода по уравнения 1 и 2 и по условию задачи:
12. ( mathrm{vl}(mathrm{Sn}) : mathrm{vl}(mathrm{H} 2)=1 : 1 (уравнение 1) );
13. ( mathrm{v} 2(mathrm{Sn}) : mathrm{v} 2(mathrm{H} 2)=1 : 2 (уравнение 2) );

( v(S n) : v(H 2)=0,2 : 0,2=1.1 (условия задачи) ).

Следовательно, олово взаимодействует с соляной кислотой по уравнению 1 и степень окисления олова равна +2.

Ответ

• Степень окисления олова равна +2.
• ПРИМЕР 2

Задание

Газ, выделившийся при действии 2,0 г цинка на 18,7 мл 14,6%-ной соляной кислоты (плотность раствора 1,07 г/мл), пропустили при нагревании над 4,0 г оксида меди (II). Чему равна масса полученной твердой смеси?

Решение

1. При действии цинка на соляную кислоту выделяется водород:
2. ( mathrm{Zn}+2 mathrm{HCl}=mathrm{ZnCl} 2+mathrm{H} 2 uparrow mathrm{(l} ) ),
3. который при нагревании восстанавливает оксид меди (II) до меди (2):
4. ( mathrm{CuO}+mathrm{H} 2=mathrm{Cu}+mathrm{H} 2 mathrm{O} ).
5. Найдем количества веществ в первой реакции:
6. ( m(p-p a H C l)=18,71,07=20,0 г );
7. ( mathrm{m}(mathrm{HCl})=20,0.0,146=2,92 mathrm{г} );
8. ( mathrm{v}(mathrm{HCl})=2,92 / 36,5=0,08 mathrm{monb}моль );
9. ( mathrm{v}(mathrm{Zn})=2,0 / 65=0,031 mathrm{моль} ).
10. Цинк находится в недостатке, поэтому количество выделившегося водорода равно:
11. ( mathrm{v}(mathrm{H} 2)=mathrm{v}(mathrm{Zn})=0,031 mathrm{моль} ).
12. Во второй реакции в недостатке находится водород, поскольку:

( mathrm{v}(mathrm{CuO})=4,0 / 80=0,05 mathrm{моль.} ).

• В результате реакции 0,031 моль СuО превратится в 0,031 моль Сu, и потеря массы составит:
• ( mathrm{m}(mathrm{CuO})-mathrm{m}(mathrm{Cu})=0,031 imes 8 mathrm{O}-0,031 imes 64=0,50 mathrm{г} ).
• Масса твердой смеси ( mathrm{CuO} ) с ( mathrm{Cu} ) после пропускания водорода составит:
• 4,0-0,5 = 3,5 г.

Ответ

Масса твердой смеси ( mathrm{CuO} ) с ( mathrm{Cu} ) равна 3,5 г.

Источник: https://sciterm.ru/spravochnik/fizicheskie-i-himicheskie-svojstva-vodoroda/