Водород. Физические и химические свойства, получение

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.

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↑

4.Действие щелочей на цинк  или алюминий или кремний:
2Al +2NaOH +6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] +3H₂↑
Zn +2KOH +2H₂O → K₂[Zn(OH)₄] +H₂↑
Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂

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 → 2H₂+О₂

Промышленное получение водорода

1. Конверсия метана с водяным паром, Ni 800 °С (самый дешевый):
CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂   
CO + H₂O → CO₂ + H₂

В сумме:
CH₄ + 2 H₂O → 4 H₂ + CO₂

2. Пары воды через раскаленный кокс при 1000^оС:
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:
2Н₂О + 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:
2Н₂ + 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:
2Н₂ + 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:
С_nН_2n + Н₂ → С_nН_2n+2.