Водород и его свойства
Что такое водород
Водород — самый легкий химический элемент, занимающий в периодической таблице Менделеева начальное место.
Его атомный номер — единица. На одноатомную форму водорода приходится около 75% барионной массы, она считается самым распространенным веществом во всей Вселенной. Водородная плазма — основное вещество звезд, за исключением компактных.
У водорода три изотопа:
К общим характеристикам относятся следующие свойства: не имеет цвета запаха, вкуса. Двухатомная форма ( Н 2 ) нетоксична, однако в соединении с воздухом (или О 2 ) пожароопасна и склонна к взрывам. Взрывоопасность также проявляется в присутствии прочих газов-окислителей, например, фтора, хлора.
На Земле водород присутствует в составе молекулярных соединений, например, вода. Его роль в кислотно-основных реакциях трудно переоценить.
Нахождение в природе, изучение его свойств
Звездная температура позволяет существовать водороду в виде плазмы. Это примерно 6000оС. Однако пространство между звездами заполнено отдельными молекулами, атомами и ионами, которые зачастую образовывают молекулярные скопления различных размеров и форм — облака. Плотность вещества при этом не является постоянной величиной, как и его температура.
В коре Земли водород считается десятым по распространенности элементом. Его массовая доля равна 1%. В то же время по числу атомов он достигает 17%. Это второе место после кислорода, доля которого равна 52%. Отсюда и значительная роль водорода в природе, особенно в химических превращениях.
Водород, в отличие от кислорода, не может существовать в свободном состоянии, только в связанном. Исключение составляет атмосфера, в сухом остатке которой 0,00005% простого вещества — водорода.
Все органические вещества включают в свой состав водород. Велика его доля в живых клетках (по количеству атомов его удельный вес достигает 63%).
В составе воды водород имеет большое значение в протекании геохимических процессов. Так, вулканические газы вызывают истечение определенных количестве водорода вдоль разломов (причина — рифтогенез). По этой же причине часто обнаруживают водород в районе угольных месторождений.
Натуральные минералы могут содержать Н2 в виде ионов аммония, гидроксил-ионов и воды.
Причина появления молекул Н2 в атмосфере — разложение формальдегида — участника окисления метана и прочих органических соединений. Кроме того, причина его образования — неполное сгорание топлива и биомассы, фиксация азота некоторыми микроорганизмами, содержащимися в воздухе.
Молекулы водорода легкие, поэтому имеют высокую тепловую скорость. При попадании в верхние слои атмосферы такие молекулы часто улетают в космос, при этом их потери могут достигать 3 кг каждую секунду.
Химические и физические свойства
Начиная говорить о химических свойствах водорода, нужно отметить чрезвычайную прочность его двухатомной молекулы. Для того, чтобы она распалась и атомы могли провзаимодействовать с другими участниками химической реакции, необходима энергия:
Обычные температурные условия обеспечивают протекание реакций только с металлами высокой активности, к примеру, с кальцием:
1 2 C a + H 2 → C a H 2
Исключение составляет реакция с фтором, продуктом которой является фтороводород:
1 2 F 2 + H 2 → 2 H F
Если имеется возможность повышения температуры (либо при другом воздействии, к примеру, освещении), водород может вступать в реакцию с большинством металлов и неметаллов:
1 2 O 2 + 2 H 2 → 2 H 2 O
В реакциях с галогенами образуются галогеноводороды:
1 2 H 2 + F 2 → 2 H F (в темноте происходит взрыв)
1 2 H 2 + C l 2 → 2 H C l (на свету происходит взрыв)
В реакции с оксидами водород проявляет восстановительные свойства:
1 2 C u O + H 2 → H 2 O + C u
Высокая температура делает возможной реакцию с сажей:
1 2 C + 2 H 2 → C H 4
Когда активные металлы соединяются с водородом, образуются гидриды, например гидрид натрия (NaH), гидрид кальция (CaH2), гидрид магния (MgH2). Эти солеобразные твердые, легко гидролизирующиеся вещества:
1 2 C a H 2 + 2 H 2 → C a ( O H ) 2 + 2 H 2
Оксиды металлов, реагируя с водородом, восстанавливаются с выделением воды:
1 2 F e 2 O 3 + 3 H 2 → 2 F e + 3 H 2 O
Благодаря свойствам водорода, он нашел применение для восстановления органических веществ. Протекают реакции с участием катализатора, а также при высоких параметрах давления и температуры. К примеру, насыщенные алканы образуются в результате гидрирования ненасыщенных алкенов и алкинов.
Физические свойства водорода:
Хорошо растворяется в металлах, поэтому способен диффундировать в них. В серебре не растворим.
Получение водорода, как добыть вытеснением из воды
Потребление в мире водорода составляет порядка 75 млн т. Основная масса приходится на нефтепереработку и производство аммиака. Получение водорода для таких промышленных нужд происходит в основном из природного газа (его расход составляет 205 млрд м3). Оставшуюся часть берут из угля. Примерно 100 тыс т вырабатывают с помощью реакции электролиза.
Получение водорода сопровождается поступлением в атмосферу 830 млн т углекислого газа. Стоимость получения водорода из газа составляет от полутора до трех долларов за каждый кг.
Получение водорода методом электролиза в химии выглядит так:
1 2 2 N a C l + 2 H 2 O → 2 N a O H + C l 2 + H 2
Метод конверсии метана при температуре 1000оС с водяными парами:
1 2 C H 4 + H 2 O ↔ C O + 3 H 2
Следующий способ получения — пропускание водяных паров над горящим коксом (температура не менее 1000оС):
1 2 H 2 O + С ↔ С O + H 2
Свободный водород выделяется в результате реакции катализа окислением кислородом:
1 2 2 C H 4 + O 2 ↔ 2 C O + 4 H 2
В промышленности H2 часто получают путем электролиза водных растворов активных металлов:
а также путем крекинга и риформинга углеводородов при переработке нефти.
Существуют способы получения Н2 лабораторными способами:
В промышленности используется очистка водорода из сырья, которое содержит углерод (в частности — водородсодержащий газ ВСГ). Методы следующие:
Получение и собирание водорода в домашних условиях, техника безопасности
Реальным способом получения водорода в домашних условиях является реакция щелочи с алюминием. Газ получается гораздо чище, чем в реакции с кислотой. Схема следующая. В качестве алюминия используют фольгу, щелочного раствора — средство «Крот».
Берем стеклянную емкость, засыпаем в нее немного средства против засора «Крот» и наливаем 100 г воды обычной температуры. Перемешиваем до полного растворения и помещаем сюда же фольгу, скатанную в небольшие шарики. Выделение тепла свидетельствует о начале реакции, после чего ее скорость активируется. Через 20-60 секунд можно добавить новую порцию фольги.
Чтобы образовавшийся водород собрать, можно закрыть банку крышкой, сделав в ней отверстие, в которое вставить трубку. Второй конец трубки закрепить в воздушном шарике.
Поскольку водород является взрывоопасным веществом, делать это нужно крайне осторожно, начиная от момента возможного вытеснения крышки до конца процесса. Попадание водорода в воду приведет к образованию вещества, способного вызвать обморожение.
Особенности применения водорода
Водород используется во многих производственных сферах, что отражено в таблице:
| Применение | Доля |
| Производство аммиака | 54 % |
| Нефтепереработка и химическая промышленность | 35 % |
| Производство электроники | 6 % |
| Металлургия и стекольная промышленность | 3 % |
| Пищевая промышленность | 2 % |
В химической промышленности активный водород идет на производство аммиака (50%), метанола (8%). В нефтеперерабатывающей — для гидрокрекинга и гидроочистки. На эти цели расходуется около 37% всего водорода, что производится.
Пищевая и косметическая промышленность «пользуется» водородом для производства пищевых добавок, а также саломаса, маргарина, мыла, косметических продуктов.
Для химических лабораторий водород — газ-носитель для газовой хроматографии, а для метеорологии — наполнитель оболочек метеозондов.
Водород — ценное ракетное топливо, однако, ввиду незначительного диапазона температур, используется смесь жидкой и твердой фаз.
В электроэнергетике водород применяют для охлаждения электрогенераторов. Его высокая теплопроводность позволяет использовать газ для заполнения сфер гирокомпасов и колб LED-лампочек.
Получение водорода
История открытия водорода История водорода начинается с XVI века, когда было замечено, что при действии кислот на железо и другие металлы выделяется некий неизвестный газ. Первоначально его назвали «горючим воздухом». Такое название газ получил из-за способности гореть. Во второй половине XVIII века английский ученый Генри Кавендиш получил водород при действии соляной кислоты HCl на цинк:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
Что же такое кислота с точки зрения химии? Кислота – это сложное вещество, в состав которого всегда входят атомы водорода. В формулах кислот атомы водорода принято писать на первом месте. Атомы, следующие в формуле за водородом, называют кислотным остатком. Так, в соляной кислоте HCl кислотный остаток – Cl.
Например, в серной кислоте H2SO4, кислотный остаток – SO4. Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток Генри Кавендиш изучил свойства «горючего воздуха». Он установил, что этот газ намного легче воздуха, а при сгорании на воздухе образует прозрачные капли жидкости. Этой жидкостью оказалась вода.
Генри Кавендиша считают первооткрывателем водорода. Вывод о том, что «горючий воздух» представляет собой простое вещество, был сделан в 1784 году французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье. Антуан Лоран Лавуазье дал этому веществу латинское название (Hydrogenium), которое происходило от греческих слов «хюдор» – вода и «геннао» – рождаю. В те годы под элементами подразумевали простые вещества, которые нельзя далее разложить на составные части. Поэтому у химического элемента водорода такое же название, как и у просто вещества H2. Русское слово водород – это точный перевод латинского названия Hydrogenium.
Получение водорода в лаборатории
Современный лабораторный способ получения водорода не отличается от того, которым его получал Генри Кавендиш. Это реакции металлов с кислотами. В лаборатории водород получают в аппарате Киппа (рисунок 152).
Аппарат Киппа изготовляется из стекла и состоит из нескольких частей:
Реакционная колба имеет верхнюю шарообразную часть с отверстием, в которое вставляется газоотводная трубка, снабженная краном или зажимом, и нижний резервуар в виде полусферы. Нижний резервуар и реакционная колба разделены резиновой или пластиковой прокладкой с отверстием, через которое проходит в нижний резервуар длинная трубка воронки, доходящая почти до дна. На прокладку через боковое отверстие шпателем насыпают твёрдые вещества (мрамор, цинк). Отверстие закрывается пробкой с газоотводной трубкой. Затем при открытом кране или зажиме в верхнюю воронку заливается раствор кислоты. Когда уровень жидкости достигает вещества на прокладке, начинается химическая реакция с выделением газа. При закрытии крана давление выделяющегося газа выдавливает жидкость из реактора в верхнюю часть воронки. Реакция прекращается. Открытие крана приводит к возобновлению реакции. Поместим в реакционную колбу кусочки цинка. В качестве кислоты воспользуемся серной кислотой. При контакте цинка и серной кислоты протекает реакция:
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
Водородом можно заполнить мыльный пузырь.
Для этого необходимо опустить газоотводную трубку в мыльный раствор. На конце трубки начнется формирование мыльного пузыря, заполненного водородом; со временем пузырь отрывается и улетает вверх, что доказывает легкость водорода. Соберем выделяющийся водород. С учетом того, что водород намного легче воздуха, для сбора водорода сосуд, в котором собирается газ, необходимо располагать вверх дном, или производить собирание методом вытеснения воды. Как обнаружить водород? Заполним пробирку водородом, держа ее вверх дном, по отношению к газоотводной трубке. Поднесем пробирку отверстием к пламени спиртовки – слышится характерный хлопок.
Хлопок – это признак того, что в пробирке содержится водород. При поднесении пробирки к пламени водород вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в воздухе. При малых количествах реакция кислорода и водорода сопровождается хлопком. Более подробно об этой реакции будет рассказано в следующем параграфе.
Получение водорода в промышленности
Одним из промышленных способов получения водорода является реакция разложения воды под действием электрического тока:
2H2O эл.ток → 2H2 + O2.
Данный метод позволяет получить чистый водород и кислород. Процесс превращения химических веществ в другие вещества под действием электричества называется электролизом.
Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока Проведем электролиз воды. В стакан наполненный водой, опустим металлические электроды. Поверх электродов опустим в стакан пробирки, заполненные водой. Подсоединим электроды к источнику тока – батарейке. В пробирках наблюдается выделение газов – водорода и кислорода, которые вытесняют воду. Наблюдая за процессом электролиза, можно заметить, что в одной из пробирок газа собирается в два раза больше, чем в другой. Проанализировав уравнение реакции электролиза воды, можно сделать вывод, в какой пробирке выделяется водород, а в какой – кислород. Попробуйте это сделать самостоятельно.
Существуют и другие способы получения водорода. Железо-паровой метод долгое время широко применялся в промышленности. Через электрическую трубчатую печь проходит трубка из нержавеющей стали, заполненная железными стружками. Через трубку с железными стружками пропускают водяной пар. При температуре около 800°С пары воды взаимодействуют с железом, образуя оксид Fe3O4 (железную окалину) и газообразный водород:
3Fe + 4Н2О = 4Н2 + Fe3O4.
Можно получить Н2, пропуская Н2О через слой раскаленного угля. При этом образуется смесь двух газов – СО и Н2 (водяной газ):
Н2О + С = CO + Н2
В настоящее время водород получают взаимодействием углеводородов (в основном метана, СН4) с водяным паром или неполным окислением метана кислородом:
2СН4 + О2 = 2СО + 4Н2
Итог статьи:
Водород нельзя собрать вытеснением воды
Из курса химии вам известно, что при получении газообразных веществ в лаборатории собирать получаемый газ можно двумя способами: вытеснением воды и вытеснением воздуха.
На рисунках 1–3 изображены приборы для получения и собирания различных газов.
Известно, что кислород — газ тяжелее воздуха и плохо растворим в воде. Какие из приведённых на рисунках методов можно использовать для собирания кислорода? Укажите, какое свойство кислорода учитывается при использовании каждого способа.
Ответ запишите в таблицу.
| Метод собирания кислорода | Номер рисунка | Свойство кислорода |
| Вытеснение воздуха | ||
| Вытеснение воды |
Установка, позволяющая собрать газ методом вытеснения воздуха, показана на рисунке № 1. Таким образом можно собрать кислород ввиду того, что он тяжелее воздуха.
Установка, позволяющая собрать газ методом вытеснения воды, показана на рисунке № 3. Таким образом можно собрать кислород ввиду того, что он плохо растворим в воде.
Ответ: Вытеснение воздуха — рисунок № 1 — тяжелее воздуха, вытеснение воды — рисунок № 3 — плохо растворим в воде.
Класс: 8
Презентации к уроку
Место урока: 8 класс. Тема II: Кислород, водород, вода как растворитель.
Тип урока: практическая работа
Задачи:
Планируемые результаты обучения:
Оборудование:
Методы и приемы:
Ход урока
(курсивом описаны действия учеников и учителя, особенности методики урока; обычным шрифтом – речь учителя)
I. Организационный момент (1 мин.)
отметить наличие халатов у всех учеников, проверить свободны ли от сумок проходы, убраны ли волосы у девочек. На столах оставить только ручки, калькуляторы и тетради.
II. Активизация знаний, необходимых для выполнения практической работы (13 мин.)
Слайд 1:
На этом уроке мы получим водород в лабораторных условиях. Это газообразное вещество; является взрывоопасным, если загрязнено воздухом, и поэтому требует к себе повышенного внимания.
Ученики одновременно с обсуждением расписываются в журнале техники безопасности.
Слайд 2:
Ознакомление с планом урока. I.
На предыдущем уроке была проведена подготовка учеников к данной практической работе (Презентация 1) и задано домашнее задание:
Слайд 3:
Слайд проявляется постепенно, в соответствии с беседой
Вопросы:
Слайд 4:
Слайд проявляется постепенно, в соответствии с беседой
Вопросы:
Просмотр двух видеороликов.
При проверке водорода на чистоту сжигают небольшой его объем (около 15 мл).
Возможный микровзрыв к травме привести не может.
Правило ТБ: пока нет убежденности, что газ из прибора выделяется чистый, держать отверстие газоотводной трубки подальше от пламени спиртовки.
Слайд 5:
Демонстрация результатов нарушений правил ТБ: пробирка с растресканным дном
Правило ТБ: нагревать пробирку необходимо в том месте, где находится твердое вещество, а не выше – где воздух. От неравномерного нагрева пробирка треснет.
пробирка со следами соляной кислоты в смеси с оксидом меди (II)
Правило ТБ: при зарядке автоматического прибора соляной кислотой нужно следить, чтобы не перелить кислоту (max 2 мл), иначе избыток от экзотермичности и бурного течения процесса попадет в газоотводную трубку.
III. Демонстрация эксперимента учителем (7 мин.)
Слайд 6 
Слово учителя с элементами беседы
1. Взять ложкой-дозатором небольшое количество черного порошка оксида меди (II), поместить в пробирку, оставить в штативе для пробирок до проведения опыта по изучению восстановительных свойств водорода.
2. Закрепить автоматический прибор для получения газов в лапке штатива. Зарядить прибор исходными веществами: 4-5 гранул цинка поместить на резиновый кружок, через воронку прилить соляную кислоту так, чтобы ее слой над цинком был не более 2 мл. Прибор закрыть максимально герметично.
3. Для проверки газа на чистоту, мне приходится приготовить спиртовку заранее. Вы работаете вдвоем и зажжете спиртовку после того, как наберете газ в пробирку- приемник.
Правила ТБ: работа со спиртовкой
а) прежде чем зажечь спиртовку, нужно проверить плотно ли диск прилегает к отверстию резервуара (иначе искра может попасть в резервуар и весь объем спирта воспламенится)
б) зажигать только спичкой (нельзя использовать зажигалку, другую спиртовку)
в) спичку класть в лоток следует, убедившись, что она затушена (демонстрация нарушения правил ТБ – прожженный лоток)
г) чтобы погасить пламя, ее следует закрыть колпачком (задувать нельзя)
Выделяющийся водород собрать методом вытеснения воздуха, держа пробирку-приёмник вверх дном. Проверить газ на чистоту: зажать отверстие пробирки пальцем и поднести пробирку к пламени спиртовки, открыть ее.
4. Затем выделяющийся водород собрать методом вытеснения воды: набрать полную пробирку воды, перевернуть ее в кристаллизаторе и подвести к отверстию газоотводную трубку. Когда пробирка-приемник полностью заполнится водородом, зажать отверстие пальцем под водой. Убедиться в чистоте газа.
5. Закрепить пробирку с оксидом меди (II) в держателе.
Правила ТБ: закрепление пробирки в держателе
а) пробирку закрепляют в верхней третьей части ближе к отверстию
б) пробирка не должна выпадать, но проворачиваться (иначе при нагревании стекло расширяется и пробирка может лопнуть)
в) чтобы вынуть пробирку из держателя, нужно ослабить зажим.
Прогреть пробирку на пламени спиртовки 2-3 раза, далее нагревать ее в верхней части пламени, в том месте, где находится оксид меди (II). Внести газоотводную трубку с выделяющимся водородом.
После окончания опыта дать пробирке остыть, затем поставить в штатив для пробирок.
6. Потушить спиртовку, перекрыть зажимом выделение водорода.
Основное правило ТБ: работать уверенными руками!
IV. Выполнение практической работы, оформление результатов, уборка рабочего места (23 мин.)
Слайд 6 
1. Ученики выполняют практическую работу самостоятельно. Учитель следит за правиль-ностью выполнения техники эксперимента и соблюдением правил ТБ.
2. Уборка рабочего места: после окончания опыта по изучению восстановительных свойств водорода:
1-й ученик: потушить спиртовку, дать пробирке-реактору остыть, затем поставить ее в штатив для пробирок.
2-й ученик: перекрыть выделение газа в автоматическом приборе, вынуть воронку, остатки цинка поместить на фильтровальную бумагу. Вынуть прибор из лапки штатива, слить отра-ботанный раствор в «СКЛЯНКУ ДЛЯ СЛИВА», сдать прибор учителю.
учитель: собирает лотки и кристаллизаторы с водой.
3. Демонстрационный опыт: изучение продукта реакции цинка с соляной киcлотой
Отработанный раствор слить в стакан и несколько капель с помощью стеклянной палочки перенести на стеклянную пластинку. Укрепить пластинку в тигельных щипцах и упарить раствор на пламени
4. Оформить результаты эксперимента: сформулировать и записать наблюдения, вывод (что узнали про газообразное вещество водород на практической работе), сдать тетрадь.
Проведение урока (Фото-фильм)
Использованные электронные пособия:
Оформление работы в тетради ученика:
Практическая работа 5: Получение водорода и изучение его свойств
1. Способ получения водорода – взаимодействие активных металлов с кислотами.
2. Приборы для получения и собирания водорода
Рис. Прибор для получения водорода – автоматический, который позволяет в любой момент остановить реакцию с помощью зажима (прибор Кирюшкина).
Собирание газа методом вытеснения воды – возможно, т.к. водород малорастворим в ней.
Рис. Собирание газа методом вытеснения воздуха – держа пробирку-приемник вверх дном, т.к.
– следовательно, водород легче воздуха
3. Обнаружение водорода – проверка его на чистоту
4. Свойство водорода – активный восстановитель
Вывод:
Одним из способов получения водорода в лаборатории является взаимодействие цинка с разб. соляной кислотой, при этом образуется соль (хлорид цинка) и водород. Водород – бесцветный газ, без запаха, малорастворим в воде, легче воздуха, в смеси с воздухом взрывоопасен, восстанавливает металлы из их оксидов.
