Водень - малюнок

Водень — властивості, отримання, застосування



Водень – це хімічний елемент, який займає перше місце в таблиці Менделєєва та позначається буквою H. Він виконує важливу роль в окислювально-відновних реакціях.

Водень входить до складу більшості сполук і вважається одним з найпоширеніших речовин у Всесвіті, тому людям так важливо знати хімічні властивості цього елементу.

Властивості атому водню

Фізичні характеристики

Водень має 3 ізотопи. Ізотопи – це речовини з однаковим порядковим номером і зарядом, при цьому вони розрізняються по атомарній масі і числу нейтронів. Вони мають власні назви: протій, дейтерій і тритій – по числу нейтронів в складі. Найпоширенішим є протій, саме його мають на увазі під назвою водень в хімії.

При нормальних умовах водень – це газ без кольору, запаху і смаку. Він погано розчиняється в органічних розчинниках і воді, але відмінно в етанолі і деяких металах.

Водень добре розчиняється наприклад в:

  • платині;
  • залізі;
  • нікелі.

Температури кипіння і плавлення максимальні – 252,87 та 259,14°C відповідно). У суміші з повітрям і такими окислювачами, як фтор, хлор і кисень є вкрай вибухонебезпечним.

Хімічні властивості водню

Взаємодія з іншими елементами

У нормальних умовах водень слабо реагує з іншими речовинами, але при нагріванні і в присутності каталізаторів починає взаємодіяти з усіма простими елементами головних підгруп в списку, крім:

  • бору;
  • фосфору;
  • кремнію;
  • алюмінію;
  • благородних газів.

У ролі окислювача водень виступає при взаємодії з лужними і лужноземельними металами, утворюючи сполуки, звані гідридами. У цих реакціях водень має ступінь окислення -1.

Крім цього, він присутній в реакціях гідрування з такими класами органічних сполук, як:

  • алкени;
  • арени;
  • альдегіди;
  • циклоалкани.

Для проведення реакцій потрібен нагрів, підвищений тиск і присутність каталізаторів. Найчастіше в його ролі виступають платина і нікель.

Термодинамічні властивості водню

Реакції з неметалами

Водень взаємодіє з елементами 17 групи (VII групи головної підгрупи), найбільш відомими як галогени та з більшістю інших неметалів. Іноді для реакції потрібні каталізатори або зміна температури:

  • H+F= 2HF. Реакція протікає з вибухом, виділяючи велику кількість енергії.
  • H + Cl= 2HCL. При кімнатній температурі без освітлення хлор погано взаємодіє з воднем, але при нагріванні або сонячному світлі або уф-опроміненні відбувається ланцюгова реакція.

  • H+ S = H2S.
  • 3H₂ + N = 2NH3. Реакція цієї формули оборотна, для її проведення необхідно тиск 10-1000 атмосфер і температура від 500 °C із застосуванням каталізатора у вигляді пористого заліза з домішками.

Більшість реакцій протікає з виділенням енергії, оскільки потрібно розірвати молекулярний зв’язок.

Формули окислення

Водень вступає в реакцію з оксидами неметалів і слабоактивними металами, відновлюючи тільки ті з них, що знаходяться правіше цинку в ряду активності.

  • CuO + H= Cu + HO.
  • H + CO= CO + hO, реакція оборотна.
  • 2H+ CO = CHOH. Зазначена реакція також оборотна, для неї необхідний тиск у 250-300 атм, нагрів до 300 °C і присутність оксидів цинку які каталізатора.

Кристалічна ґратка водню

Галузь застосування

Водень застосовується в багатьох промислових сферах. Наприклад, в хімічній промисловості 54% від світового запасу витрачається на виробництві аміаку, за допомогою якого отримують деякі пластмаси, добрива, вибухівку.

При перероблюванні продуктів нафти водень – це невід’ємна складова гідрокрекінгу і очищення, що призводять до поліпшення характеристик одержуваних продуктів. Для цих цілей витрачається практично 40% всього світового запасу.

Крім цього, особливу участь водень бере в ролі палива для ракет, часто виступаючи там в суміші з киснем, а ізотопи зустрічаються в атомній промисловості.

Схематичне зображення спінових ізомерів водню
Схематичне зображення спінових ізомерів водню

Способи отримання

Механізм виробництва водню залежить від технології. У лабораторії – це продукт реакції металів з кислотами, водних розчинів лугів з алюмінієм і гідролізу гідридів.

Крім цього, існує спосіб електролізу води без домішок (хімічно чистий), при цьому, крім водню, утворюється і кисень. Цей метод обумовлений тим, що при відсутності більш розташованих до електролізу елементів, які знаходяться в складі звичайної води, водень і кисень будуть дисоціюватися і сходити по катоду і аноду відповідно.

У промисловості ж водень отримують електролізом водного розчину лугів та солей.

Але більш популярні способи – це конверсія метану з водяною парою або взаємодія пари з розпеченим коксом. Обидві ці реакції вимагають нагріву до 1000 °C, а викид CO в атмосферу при подібному способі отримання досягає близько 800 млн тонн на рік.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *