Водород (содержание в природе, физические, химические и биологические свойства, применение, получение)
Терминология, определение, общая характеристика
Водород (лат. Hydrogenium <греч. Hydor - вода + genоs - род) (Н2) - это простое вещество, состоящее из двух атомов водорода. Водород - это элемент I группы первого периода периодической системы элементов Д.И. Менделеева, порядковый номер 1, атм. м. 1,00797. Водород открытый Г. Кавендишем в 1766, который установил свойства, определил различие его от других газов и назвал его горючим воздухом.
Содержание в земной коре и Вселенной
Общее содержание водорода в земной коре (литосфере и гидросфере) составляет около 1% по массе, а по числу атомов - 16%. Водород один из самых распространенных элементов не только на нашей планете, но и во Вселенной. В Космосе его содержание достигает 90%. В виде плазмы водород составляет почти половину массы Солнца, является основной составляющей планет Сатурна и Юпитера. В природе водород встречается в виде соединений и довольно редко - в свободном состоянии (в вулканических и природных газах, а также входит в состав воздуха, нефти, угля, органических веществ, глины, а также веществ, из которых состоят растительные и животные организмы. он является составной частью всех биологических жидкостей, белков, аминокислот, витаминов, гормонов и пр.
Биологическая роль водорода
Роль водорода и его соединений очень велика. С некоторыми элементами водород образует водородную связь, обуславливающий свойства многих органических и неорганических соединений. Водород образует внутримокулярные водородные связи в белках, нуклеиновых кислотах. В молекулах белка возникает много сотен водородных связей, которые скручивают молекулы и придают им большую прочность. Ион Н + (точнее Н3О +) обуславливает кислотные свойства так называемых протонных кислот.
Получение водорода
Наиболее распространенным из лабораторных способов получения водорода является его выделение из растворов разведенных серной или соляной кислот действием на них активных металлов (Zn, Fe, Mn, Al): Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2-. Взаимодействием амфотерных металлов или кремния с водными растворами щелочей:
- 2Al + 6NaOH + 6H2O = 2Na3 [Al (OH) 6] + 3H2 ↑;
- Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2 ↑.
В промышленности водород получают паровой конверсией метана или легких углеводородов нефти над никелевым катализатором при температуре 800-850 ° С:
- CH4 + H2O D CO + 3H2- ↑;
затем в отдельном реакторе при 300-350 ° С монооксид углерода восстанавливает воду над железным медным катализатором: CO + H2O CO2 + H2, а также газификацией твердого топлива путем взаимодействия водяного пара с раскаленным углем:
- C + H2O = CO + H2.
Водород может быть получен как побочный продукт при производстве хлора и гидроксидов щелочных металлов электролизом растворов их хлоридов.
Физические и химические свойства водорода
При обычных условиях водород - бесцветный газ без вкуса и запаха. Из всех известных газов он легкий: в 14,32 раза легче воздуха (при обычных условиях масса 1 л Н2 составляет 0,089 г). Растворим в воде (2 объема водорода в 100 объемах Н2О), лучше - в органических растворителях и хорошо растворяется во многих металлах (Ni, Pt, Pd), лучше растворяется в палладии (850 объемов Н2 в 100 об ' объемах Pd). Tпл = 259,1 ° С, t кип = 252,6 ° С. Вследствие прочности молекулы Н2 (Едис = 436 кДж / моль) водород имеет невысокую химическую активность и реагирует только с самыми активными неметаллами: фтором, а при облучении - с хлором. Активность водорода возрастает с повышением температуры. При нагревании он реагирует со многими веществами: кислородом, бромом, йодом, серой и другими неметаллами, в реакциях с которыми В. играет роль восстановителя и окисляется до Н +:
- 2H2 + O2 = 2H2O;
- H2 + S = H2S;
- N2 + 3H2 = 2NH3.
Реагирует водород непосредственно с щелочными, щелочно-земельными металлами и другими, проявляя при этом свойства окислителя. Продукты такого взаимодействия называются гидридами. Водород в них проявляет степень окисления -1 (N + aH-, C 2a-H12). Водород реагирует с чистым карбоном с образованием метана:
- C + 2H2 = CH4;
с ненасыщенными углеводородами (реакция гидрогенизации): CnH2n + H2 → CnH2n + 2, а также с оксидами (Fe3O4, FeO, CuO, WO3 и т.д.), восстанавливая их к металлам:
- Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O.
Значительно более высокую активность по сравнению с молекулярным водородом обнаруживает атомарный Н2. Его добывают пропусканием водорода через зону тихого электрического разряда, при термическом разложении в вольтовой дуге, при действии металлов на кислоты и воду в момент образования (instatu nascenti). Атомарный водород при обычной температуре реагирует с азотом, фосфором, серой, мышьяком, а с кислородом образует пероксид водорода Н2О2 (см. Пероксид водорода).
Применение водорода
В больших количествах водород используют в химической промышленности для получения аммиака, хлорида водорода, в производстве метилового и других спиртов, синтетического бензина. Реакцией гидрогенизации масел получают маргарин, мыла. Водород в качестве восстановителя используют в фармацевтическом и токсикологическом анализе. На восстановлении атомарным водородом соединений мышьяка базируется реакция Марша - качественная реакция обнаружения соединений мышьяка:
- As2O3 + 12 [H] → 2AsH3 + 3H2O;
- 2AsH3 → tо 2As + 3H2.
Черный блестящий налет
Литература
- Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. - М., 1988;
- Реми Г. Курс неорганической химии. - М., 1988. - Т. 1.