Что такое водород общие сведения

Что такое водород?

Что такое водород?

Цель сегодняшней публикации – представить неподготовленному читателю исчерпывающие сведения о том, что такое водород, каковы его физические и химические свойства, сфера применения, значение и способы получения.

Мы также проследим историю открытия этого удивительного вещества, изложив теорию по возможности кратко и без использования излишне заумной терминологии.

Что такое водород: общие сведения

Водород – это один из самых распространенных в природе химических элементов. Доля водорода в массе Солнца составляет примерно половину. Во Вселенной же доля атомов водорода приближается к 90 %, являясь основой межзвездного газа и звезд.

Водород присутствует в подавляющем большинстве органических веществ и живых клеток, в которых на его долю приходится почти две трети атомов.

водород. что такое водород, водород это, что такое водород простыми словами, история открытия водорода, происхождение названия водород, распространенность водорода, значение водорода, получение водорода, свойства водорода

Фото 1. Водород считается одним из самых распространенных элементов в природе

В периодической системе элементов Менделеева водород занимает почетную первую позицию с атомным весом, равным единице.

Название «водород» (в латинском варианте – Hydrogenium) ведет происхождение от двух древнегреческих слов: ὕδωρ — «вода» и γεννάω — «рождаю» (буквально – «рождающий воду) и впервые было предложено в 1824 г. русским химиком Михаилом Соловьевым.

Водород является одним из водообразующих (наряду с кислородом) элементов (химическая формула воды H2O).

По физическим свойствам водород характеризуется как бесцветный газ (легче воздуха). При смешении с кислородом или воздухом крайне взрывоопасен и горюч.

Способен растворяться в некоторых металлах (титане, железе, платине, палладии, никеле) и в этаноле, однако очень плохо растворим в серебре.

Молекула водорода состоит из двух атомов и обозначается H2. Водород имеет несколько изотопов: протий (H), дейтерий (D) и тритий (T).

История открытия водорода

Еще в первой половине XVI века при проведении алхимических опытов, смешивая металлы с кислотами, Парацельс заметил доселе неизвестный горючий газ, который отделить от воздуха он так и не смог.

Спустя почти полтора столетия – в конце XVII века – французскому ученому Лемери удалось-таки отделить водород (еще не зная, что это именно водород) от воздуха и доказать его горючесть.

водород. что такое водород, водород это, что такое водород простыми словами, история открытия водорода, происхождение названия водород, распространенность водорода, значение водорода, получение водорода, свойства водорода

Фото 2. Генри Кавендиш — первооткрыватель водорода

Химические опыты в середине XVIII века позволили Михаилу Ломоносову выявить процесс выделения некоего газа в результате некоторых химических реакций, не являющегося, однако, флогистоном.

Настоящий прорыв в исследовании горючего газа удалось совершить английскому химику Генри Кавендишу, которому и приписывается открытие водорода (1766).

Этот газ Кавендиш называл «горючим воздухом». Им же проведена реакция сжигания этого вещества, в результате которой получалась вода.

В 1783 г. французским химикам во главе с Антуаном Лавуазье был осуществлен синтез воды, а впоследствии – разложение воды с выделением «горючего воздуха».

Эти исследования окончательно доказали присутствие водорода в составе воды. Именно Лавуазье предложил именовать новый газ Hydrogenium (1801).

Полезные свойства водорода

Водород легче воздуха в четырнадцать с половиной раз.

Его же отличает и самая высокая теплопроводность среди прочих газов (белее чем в семь раз превышает теплопроводность воздуха).

В былые времена воздушные шары и дирижабли заполняли водородом. После серии катастроф в середине 1930-х, закончившихся взрывами дирижаблей, конструкторам пришлось искать водороду замену.

Теперь для подобных летательных аппаратов используется гелий, который намного дороже водорода, зато не так взрывоопасен.

Водород хорошо зарекомендовал себя в качестве компонента ракетного топлива.

водород. что такое водород, водород это, что такое водород простыми словами, история открытия водорода, происхождение названия водород, распространенность водорода, значение водорода, получение водорода, свойства водорода

Фото 3. Водород применяется для изготовления ракетного топлива

Во многих странах ведутся исследования по созданию экономичных двигателей для легковых и грузовых автомобилей на основе водорода.

Автомобили на водородном топливе значительно экологичнее своих бензиновых и дизельных собратьев.

При обычных условиях (комнатная температура и естественное атмосферное давление) водород неохотно вступает в реакции.

При нагревании смеси водорода и кислорода до 600 °C начинается реакция, завершающаяся образованием молекул воды.

Эту же реакцию можно спровоцировать с помощью электрической искры.

Реакции при участи водорода завершаются, лишь когда участвующие в реакции компоненты будут израсходованы целиком.

Температура горящего водорода достигает 2500-2800 °C.

С помощью водорода производят очистку различных типов топлива на основе нефти и нефтепродуктов.

В живой природе водород заменить нечем, так как он присутствует в любой органике (включая нефть) и во всех белковых соединениях.

Без участия водорода жизнь на Земле была бы невозможна.

Агрегатные состояния водорода

Водород способен пребывать в трех основных агрегатных состояниях:

  • газообразном;
  • жидком;
  • твердом.

Обычное состояние водорода – газ. Понижая его температуру до -252,8 °C, водород превращается в жидкость, а после температурного порога -262 °C водород становится твердым.

водород. что такое водород, водород это, что такое водород простыми словами, история открытия водорода, происхождение названия водород, распространенность водорода, значение водорода, получение водорода, свойства водорода

Фото 4. Уже несколько десятилетий вместо дешевого водорода для наполнения воздушных шаров используют дорогой гелий

Ученые предполагают, что водород способен находиться в дополнительном (четвертом) агрегатном состоянии – металлическом.

Для этого нужно всего лишь создать давление в два с половиной миллиона атмосфер.

Пока, увы, это всего лишь научная гипотеза, так как получить «металлический водород» еще никому не удавалось.

Жидкий водород – из-за своей температуры — при попадании на кожу человека способен вызвать сильное обморожение.

Водород в таблице Менделеева

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

водород. что такое водород, водород это, что такое водород простыми словами, история открытия водорода, происхождение названия водород, распространенность водорода, значение водорода, получение водорода, свойства водорода

Фото 5. В таблице Менделеева водороду отведена ячейка с порядковым номером 1

Правильность такого подхода долгие годы никто не мог ни опровергнуть, ни подтвердить.

С возникновением квантовой физики в начале XX века и, в частности, появлением знаменитых постулатов Нильса Бора, объясняющих с позиций квантовой механики строение атома, удалось доказать справедливость гипотезы Менделеева.

Верно и обратное: именно соответствие постулатов Нильса Бора периодическому закону, лежащему в основе таблицы Менделеева, и стало самым веским доводом в пользу признания их истинности.

Участие водорода в термоядерной реакции

Изотопы водорода дейтерий и тритий являются источниками невероятно мощной энергии, высвобождающейся в процессе термоядерной реакции.

водород. что такое водород, водород это, что такое водород простыми словами, история открытия водорода, происхождение названия водород, распространенность водорода, значение водорода, получение водорода, свойства водорода

Фото 6. Термоядерный взрыв без водорода был бы невозможен

Такая реакция возможна при температуре не ниже 1060 °C и протекают очень быстро – в течение нескольких секунд.

На Солнце термоядерные реакции протекают медленно.

Задача ученых – понять, почему так происходит, чтобы использовать полученные знания для создания новых – практически неисчерпаемых – источников энергии.

Что такое водород (видео):

>

На что влияет увеличение объёма двигателя

Классификация и механизмы творческого воображения

Соперник глаза

Как выбрать курорт Черноморского побережья?

Тигр: портрет хищника

Источник

Расположение водорода в природе

I. Учебный видео-фильм “Водород”

II. Открытие водорода

С древ­них вре­мен людям были из­вест­ны ве­ще­ства, спо­соб­ные рас­тво­рять неко­то­рые ме­тал­лы. Сла­бые рас­тво­ры этих ве­ществ имеют кис­лый вкус, по­это­му их на­зва­ли «кис­ло­ты». На­при­мер, ли­мон­ная кис­ло­та со­дер­жит­ся в ли­моне, яб­лоч­ная кис­ло­та – в яб­ло­ке. Ве­ще­ство с хи­ми­че­ской фор­му­лой H2SO4 на­зы­ва­ет­ся сер­ной кис­ло­той.

Мно­гие ис­сле­до­ва­те­ли по­во­ди­ли опыты с кис­ло­та­ми. Было за­ме­че­но, что при дей­ствии кис­лот на неко­то­рые ме­тал­лы вы­де­ля­ют­ся пу­зырь­ки газа. По­лу­чен­ный газ легко вос­пла­ме­нял­ся, и его на­зва­ли «го­рю­чим воз­ду­хом».

По­дроб­но свой­ства этого газа были изу­че­ны ан­глий­ским уче­ным Г. Ка­вен­ди­шем в 1766г. Он по­ме­щал ме­тал­лы в рас­тво­ры сер­ной и со­ля­ной кис­лот и во всех слу­ча­ях по­лу­чал одно и то же лег­кое га­зо­об­раз­ное ве­ще­ство, ко­то­рое позже на­зва­ли во­до­ро­дом.

На­зва­ние «во­до­род» про­ис­хо­дит от греч. слов «гидор» — вода и «генао» — рож­даю, т.е. «рож­да­ю­щий воду». Дей­стви­тель­но, при го­ре­нии во­до­ро­да об­ра­зу­ет­ся вода. Это на­зва­ние пред­ло­жил А. Ла­ву­а­зьев 1779 г.

III. Общая характеристика водорода как химического элемента по положению его в ПСХЭ

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

IV. Распространённость водорода в природе

Водород — химический элемент

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

АТМОСФЕРА0,0001% по числу атомов

Самый распространённый элемент во вселенной92% от числа всех атомов (основная составная часть звёзд и межзвёздного газа)

Водород – химический

элемент

В соединениях

Н2О – вода (11% по массе)

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.

V. Валентность водорода в соединениях и его физические свойства

Валентность водорода в соединениях равна I.

Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Поэтому, например, мыльные пузыри, наполненные водородом, на воздухе стремятся вверх. 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 120,9·10 6 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 H2 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 сП). 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.

Твёрдый водород, температура плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см³ (при −262 °C) — снегоподобная масса.

Это нтересно:

В 1935 году Уингер и Хунтингтон высказали предположение о том, что при давлении свыше 250 тысяч атм водород может перейти в металлическое состояние. Получение этого вещества в устойчивом состоянии открывало очень заманчивые перспективы его применения — ведь это был бы сверхлегкий металл, компонент легкого и энергоёмкого ракетного топлива. Сейчас (2014 г.) установлено, что при давлении порядка 1,5—2,0 млн атм водород начинает поглощать инфракрасное излучение, а это означает, что электронные оболочки молекул водорода поляризуются. Возможно, при ещё более высоких давлениях водород превратится в металл.

VI. Получение водорода

1. Получение в лаборатории

  • Во­до­род можно по­лу­чить при вза­и­мо­дей­ствии цинка и со­ля­ной кис­ло­ты:

Цинк вы­тес­ня­ет во­до­род из кис­лот, как и все ме­тал­лы, сто­я­щие в ряду на­пря­же­ний левее во­до­ро­да.

Чтобы со­брать во­до­род в про­бир­ку, нужно пе­ре­вер­нуть ее вверх дном, по­то­му что во­до­род – легче воз­ду­ха и стре­мит­ся вверх. Такой метод со­би­ра­ния во­до­ро­да на­зы­ва­ет­ся «ме­то­дом вы­тес­не­ния воз­ду­ха».

Получение водорода и собирание его методом вытеснения воздуха

Рис. 1. По­лу­че­ние во­до­ро­да и со­би­ра­ние его ме­то­дом вы­тес­не­ния воз­ду­ха

В про­бир­ке на­кап­ли­ва­ет­ся во­до­род, но в ней также есть и воз­дух, а зна­чит и кис­ло­род. Во­до­род и кис­ло­род – взры­во­опас­ная смесь. Под­жи­га­ем лу­чин­кой со­бран­ный во­до­род. Про­бир­ка неве­ли­ка, и взрыв во­до­ро­да и кис­ло­ро­да – про­сто рез­кий хло­пок. Чем мень­ше кис­ло­ро­да в смеси, тем тише хло­пок.

Если со­бран­ный в про­бир­ке во­до­род – чи­стый, то мы услы­шим глу­хой хло­пок. Такой во­до­род можно под­жи­гать.

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).

  • Взаимодействие активных металлов с водой:

2. Получение в промышленности

  • В про­мыш­лен­но­сти во­до­род нужно по­лу­чать в боль­ших объ­е­мах из де­ше­во­го сырья. Обыч­но его по­лу­ча­ют в ре­зуль­та­те элек­тро­ли­ти­че­ско­го раз­ло­же­ния воды:

В ре­зуль­та­те элек­тро­ли­за воды об­ра­зу­ют­ся га­зо­об­раз­ные ве­ще­ства – во­до­род и кис­ло­род.

  • 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: 2H2O + С = 2H2 + CO2 (t)

Задание: закончите уравнения химических реакций

Источник



Водород. Физические и химические свойства, получение

водород изотопы положение в таблице периодической

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.

водород получение как собирать газ аппарат киппа

Получение водорода

В лаборатории :

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 → 2H22

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:
2О + 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:
2 + 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:
2 + 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:
СnН2n + Н2 → СnН2n+2.

Источник

Расположение водорода в природе

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 СаНb, 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:

Источник

Adblock
detector