Водород как простое вещество

9 заданий

Самая простая молекула

Водород — самый распространённый элемент Вселенной (около 90 % атомов), но на Земле свободного водорода почти нет: лёгкие молекулы улетучились из атмосферы.

Молекула \(\ce{H2}\) — рекордно короткая (74 пм) и прочная для одинарной связи (436 кДж/моль). Поэтому водород при комнатной температуре реагирует лишь со фтором; остальные реакции требуют нагрева, катализатора или света.

history_edu«Горючий воздух»

Генри Кавендиш в 1766 году собрал газ, выделявшийся при действии кислот на металлы, и назвал его «горючим воздухом». В 1781 году он же показал, что при его горении образуется вода. Лавуазье дал элементу имя hydrogène — «рождающий воду».

auto_awesomeОрто- и параводород

Ядерные спины двух протонов в молекуле \(\ce{H2}\) могут быть параллельны (ортоводород) или антипараллельны (параводород). При комнатной температуре их соотношение 3 : 1, а при охлаждении до 20 К равновесие смещается почти целиком к параводороду — с выделением теплоты, которая испаряет жидкий водород в хранилищах. Поэтому водород перед сжижением пропускают через катализатор, заранее превращая его в пара-форму.

scienceРеакции водорода

\(\ce{H2 + F2 -> 2HF}\) — со взрывом даже в темноте и на холоду.
\(\ce{H2 + Cl2 ->[h\nu] 2HCl}\) — цепная реакция: на свету смесь взрывается.
\(\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}\) — «гремучий газ»; на платине реакция идёт уже при комнатной температуре (огниво Дёберейнера, 1823).
\(\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}\) — только с катализатором и под давлением.

Получение водорода

scienceЛабораторные способы

\(\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 ^}\) — аппарат Киппа.
\(\ce{CaH2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + 2H2 ^}\) — компактный источник.
\(\ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ^}\).
\(\ce{2H2O ->[эл. ток] 2H2 ^ + O2 ^}\) — самый чистый водород.

scienceПромышленные способы

\(\ce{CH4 + H2O <=> CO + 3H2}\) (Ni, 800–900 °C) — паровая конверсия метана, основной способ (около 3/4 мирового водорода).
\(\ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}\) (Fe–Cr, затем Cu–Zn катализатор) — конверсия угарного газа.
\(\ce{C + H2O ->[1000 °C] CO + H2}\) — газификация угля (водяной газ).
\(\ce{2NaCl + 2H2O ->[эл. ток] 2NaOH + H2 + Cl2}\) — попутный продукт хлорщелочного электролиза.

Суммарно паровая конверсия с конверсией \(\ce{CO}\): \(\ce{CH4 + 2H2O -> CO2 + 4H2}\) — из каждой молекулы метана 4 молекулы водорода, половина атомов водорода берётся из воды.

auto_awesomeЦвета водорода

Водород из природного газа без улавливания \(\ce{CO2}\) называют «серым», с улавливанием — «голубым», из электролиза на возобновляемой энергии — «зелёным». Сегодня почти весь водород «серый»: его производство даёт около 2 % мировых выбросов углекислого газа.

boltОткуда атомы водорода

В задачах на конверсию проверяйте баланс по водороду: в \(\ce{CH4 + 2H2O}\) 8 атомов H — ровно 4 молекулы \(\ce{H2}\).

Восстановитель и окислитель

При нагревании водород — хороший восстановитель оксидов малоактивных и средних металлов:

scienceВодород-восстановитель

\(\ce{CuO + H2 ->[t] Cu + H2O}\) — чёрный порошок краснеет.
\(\ce{WO3 + 3H2 ->[t] W + 3H2O}\) — так получают вольфрам и молибден для нитей накаливания: углерод дал бы карбиды.
\(\ce{Fe3O4 + 4H2 <=> 3Fe + 4H2O}\) — обратима; «прямое восстановление» железной руды водородом — путь к «зелёной» стали.
\(\ce{2NO + 2H2 -> N2 + 2H2O}\) — на катализаторах очистки газов.

С активными металлами водород — окислитель, образуя гидрид-ион \(\ce{H-}\): \(\ce{2Na + H2 ->[t] 2NaH}\), \(\ce{Ca + H2 ->[t] CaH2}\).

errorПределы воспламенения

Смесь водорода с воздухом взрывоопасна от 4 до 75 % \(\ce{H2}\) (с кислородом — от 4 до 95 %). Прежде чем поджигать водород, проверяют его чистоту: собранный в пробирку газ подносят к пламени — чистый водород сгорает с тихим хлопком, смесь с воздухом — с лающим звуком.

history_eduГинденбург

6 мая 1937 года дирижабль «Гинденбург», наполненный водородом, загорелся при посадке в Лейкхерсте: за полминуты сгорели 200 000 м³ газа, погибли 36 человек. Эпоха водородных дирижаблей закончилась — сегодня их наполняют гелием.

push_pinГлавное

\(\ce{H2}\): энергия связи 436 кДж/моль — реакции при комнатной температуре медленны, нужны нагрев, катализатор или свет. Лаборатория: \(\ce{Zn + 2HCl}\), гидриды + вода, электролиз. Промышленность: паровая конверсия метана (\(\ce{CH4 + H2O -> CO + 3H2}\), Ni, 800 °C) и конверсия \(\ce{CO}\) (\(\ce{CO + H2O -> CO2 + H2}\)), газификация угля, электролиз воды. Водород восстанавливает оксиды металлов (\(\ce{CuO}\), \(\ce{WO3}\), \(\ce{MoO3}\)) и азот (синтез аммиака); с активными металлами он окислитель (\(\ce{2Na + H2 -> 2NaH}\)). Смеси с воздухом взрывоопасны в интервале 4–75 % \(\ce{H2}\).

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.