Водород как простое вещество
Самая простая молекула
Водород — самый распространённый элемент Вселенной: на него приходится около 90 % атомов. На Земле он входит в состав многих веществ, но свободного водорода здесь почти нет: его лёгкие молекулы улетучивались из атмосферы.
Расстояние между ядрами в молекуле \(\ce{H2}\) составляет всего 74 пм, а энергия одинарной связи достигает 436 кДж/моль. Прочная связь затрудняет начало химических реакций. При комнатной температуре без света и катализатора водород реагирует только со фтором. Для других реакций обычно требуются нагревание, освещение или катализатор.
history_edu«Горючий воздух»
В 1766 году Генри Кавендиш собрал газ, который выделялся при действии кислот на металлы, и назвал его «горючим воздухом». В 1781 году он показал, что при горении этого газа образуется вода. Позднее Лавуазье дал элементу имя hydrogène — «рождающий воду».
auto_awesomeОрто- и параводород
Ядерные спины двух протонов в молекуле \(\ce{H2}\) могут быть параллельны или антипараллельны. Молекулы первого вида называют ортоводородом, второго — параводородом. При комнатной температуре их соотношение составляет 3 : 1, а при охлаждении до 20 К равновесие смещается почти целиком к параводороду. Превращение сопровождается выделением теплоты: если оно продолжается уже в хранилище, часть жидкого водорода испаряется. Поэтому при сжижении охлаждаемый водород пропускают через катализатор, ускоряя его превращение в параводород.
scienceРеакции водорода с неметаллами
- \(\ce{H2 + F2 -> 2HF}\) — реакция протекает со взрывом даже в темноте и на холоду.
- \(\ce{H2 + Cl2 ->[h\nu] 2HCl}\) — под действием света начинается цепная реакция, и смесь может взорваться.
- \(\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}\) — смесь водорода с кислородом называют гремучим газом; на платине реакция идёт уже при комнатной температуре, что использовали в огниве Дёберейнера в 1823 году.
- \(\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}\) — реакция образования аммиака протекает в присутствии катализатора под давлением.
Получение водорода
В лаборатории водород получают реакциями металлов с кислотами, взаимодействием некоторых веществ с водой или электролизом воды. Выбор способа зависит, в частности, от того, требуется ли получать газ по мере необходимости или особенно важна его чистота.
scienceЛабораторные способы получения водорода
- \(\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 ^}\) — реакцию цинка с соляной кислотой проводят, например, в аппарате Киппа.
- \(\ce{CaH2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + 2H2 ^}\) — реакция гидрида кальция с водой позволяет использовать его как компактный источник водорода.
- \(\ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ^}\) — при взаимодействии алюминия с раствором щёлочи выделяется водород.
- \(\ce{2H2O ->[эл. ток] 2H2 ^ + O2 ^}\) — электролиз воды позволяет получить наиболее чистый водород.
Для производства больших количеств водорода используют прежде всего природный газ. При паровой конверсии метана он реагирует с водяным паром; затем образовавшийся угарный газ также превращают в водород реакцией с водой. Этот второй этап называют конверсией угарного газа.
scienceПромышленные способы получения водорода
- \(\ce{CH4 + H2O <=> CO + 3H2}\) — паровую конверсию метана проводят при 800–900 °C на катализаторе Ni; этим основным способом получают около 3/4 мирового водорода.
- \(\ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}\) — конверсию угарного газа проводят сначала на катализаторе Fe–Cr, затем на катализаторе Cu–Zn.
- \(\ce{C + H2O ->[1000 °C] CO + H2}\) — при газификации угля образуется смесь, которую называют водяным газом.
- \(\ce{2NaCl + 2H2O ->[эл. ток] 2NaOH + H2 + Cl2}\) — при хлорщелочном электролизе водород получают как попутный продукт.
Если сложить уравнения паровой конверсии метана и конверсии \(\ce{CO}\), получится суммарное уравнение \(\ce{CH4 + 2H2O -> CO2 + 4H2}\). Следовательно, из одной молекулы метана образуются четыре молекулы водорода: половина атомов водорода в них поступает из воды.
auto_awesomeЦвета водорода
Водород, полученный из природного газа без улавливания \(\ce{CO2}\), называют «серым», с улавливанием — «голубым», а полученный электролизом с использованием возобновляемой энергии — «зелёным». Сегодня почти весь водород «серый»: его производство даёт около 2 % мировых выбросов углекислого газа.
boltПроверка баланса атомов водорода
При решении задач на конверсию проверяйте сохранение числа атомов: в \(\ce{CH4 + 2H2O}\) содержатся 8 атомов H, которые входят ровно в 4 молекулы \(\ce{H2}\).
Восстановитель и окислитель
В реакциях с оксидами малоактивных и некоторых металлов средней активности водород при нагревании выступает восстановителем: он отнимает кислород у оксида, образуя воду. Восстановительные свойства водорода используют для получения металлов и очистки газов.
scienceВосстановительные свойства водорода
- \(\ce{CuO + H2 ->[t] Cu + H2O}\) — при восстановлении чёрного оксида меди образуется красноватая медь.
- \(\ce{WO3 + 3H2 ->[t] W + 3H2O}\) — восстановлением оксида получают вольфрам для нитей накаливания; сходным способом получают молибден, поскольку при использовании углерода могли бы образоваться карбиды.
- \(\ce{Fe3O4 + 4H2 <=> 3Fe + 4H2O}\) — реакция обратима; прямое восстановление железной руды водородом рассматривают как путь к производству «зелёной» стали.
- \(\ce{2NO + 2H2 -> N2 + 2H2O}\) — реакция протекает на катализаторах при очистке газов.
В реакциях с активными металлами роль водорода меняется: он выступает окислителем, а в продуктах образуется гидрид-ион \(\ce{H-}\). Например, так протекают реакции \(\ce{2Na + H2 ->[t] 2NaH}\) и \(\ce{Ca + H2 ->[t] CaH2}\).
errorПределы воспламенения
Смесь водорода с воздухом взрывоопасна при содержании от 4 до 75 % \(\ce{H2}\), а смесь с кислородом — от 4 до 95 %. Перед поджиганием водорода проверяют чистоту небольшой порции газа, собранной в пробирку. Её подносят к пламени: чистый водород сгорает с глухим хлопком, а смесь с воздухом взрывается с резким лающим звуком.
history_eduГинденбург
6 мая 1937 года наполненный водородом дирижабль «Гинденбург» загорелся при посадке в Лейкхерсте. Его газовые отсеки вмещали 200 000 м³ водорода; пожар охватил дирижабль примерно за полминуты. Погибли 36 человек. После этой катастрофы эпоха водородных дирижаблей закончилась; сегодня дирижабли наполняют гелием.
push_pinГлавное
Прочная связь в молекуле \(\ce{H2}\) с энергией 436 кДж/моль объясняет, почему для большинства реакций водорода нужны нагревание, катализатор или свет. В лаборатории водород получают, в частности, реакцией цинка с кислотой (\(\ce{Zn + 2HCl}\)), взаимодействием гидридов с водой и электролизом. В промышленности важны паровая конверсия метана (\(\ce{CH4 + H2O -> CO + 3H2}\), Ni, 800 °C) с последующей конверсией \(\ce{CO}\) (\(\ce{CO + H2O -> CO2 + H2}\)), газификация угля и электролиз воды. Водород восстанавливает оксиды металлов, в том числе \(\ce{CuO}\), \(\ce{WO3}\) и \(\ce{MoO3}\), а также азот при синтезе аммиака; с активными металлами он является окислителем (\(\ce{2Na + H2 -> 2NaH}\)). Смеси с воздухом взрывоопасны при содержании 4–75 % \(\ce{H2}\), поэтому перед поджиганием газа проверяют его чистоту.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.