ВОДОРОД
Элемент водород (символ Н, от латинского Hydrogenium), порядковый номер 1, электронное строение атома 1s1. Степени окисления в химических соединениях +1 и -1. В Периодической системе водород помещают как в I группу (из-за сходства со щелочными металлами), так и в VII (сходство с галогенами. Электроотрицательность водорода ниже электроотрицательности большинства неметаллов, но выше электроотрицательности металлов, вследствие этого водород в соединениях с неметаллами проявляет чаще всего степень окисления +1, а в соединениях с металлами -1. Элемент водород имеет три изотопа: 1Н - протий, 3Н - дейтерий (часто обозначается символом D) и 3Н - тритий (Т). Большая относительная разница в массе - у дейтерия в 2, а у трития в 3 раза больше, чем у протия - приводит к заметному различию в скоростях пролцессов с участием этих изотопов водорода (это явления называется изотопным эффектом). Молярная доля протия в природном водороде 0,9998, дейтерия - 0,0002. Тритий является радиоактивным изотопом с периодом полураспада 12,5 лет. На Земле водород встречается в виде соединений - воды, ископаемых углеводородов (например нефть, природный газ), причем степень окисления водорода в природных соединениях всегда +1. Массовая доля водорода в земной коре 0,01, молярная - 0,16 (4-е место по распространенности после кислорода, кремния и алюминия). По распространенности во Вселенной водород занимает первое место - массовая доля водорода по оценкам астрономов составляет 0,8.
Водород образует одно простое вещество, которое называют молекулярным водородом или просто водородом, состоящее из двухатомных молекул Н2. Связь между атомами водорода в молекуле ковалентная неполярная, энергия связи велика и составляет 455 кДж/моль. Полная диссоциация молекул на атомы наступает при температурах выше 2000oС.Физические свойства. При обычных условиях водород - бесцветный и безвкусный газ, запаха не имеет, в 14,5 раз легче воздуха. При температуре -252oС сжижается в бесцветную жидкость, которая при -258oС превращается в бесцветные кристаллы. Плотность твердого водорода 0,08 г/см3 - наименьшая для твердых веществ. Газообразный водород обладает высокой теплоемкостью.
Химические свойства.Высокая энергия диссоциации молекул водорода на атомы приводит к тому, что большинство реакций с участием водорода требует продварительной активации - поджигания, нагревания облучения интенсивным светом. Водород реагирует с неметаллами:
а). Галогенами:
- в темноте со взрывом, реакция идет при контакте между газами,
- при поджигании или нагревании до 400oС, при облучении интенсивным светом, на рассеянном свету реакция идет медленно,
- обратимо при температурах
150-400oС.
б). Кислородом:
– при поджигании
смеси газов или нагревании ее до 600oС - о взрывом
(смесь водорода и кислорода в объемном отношении 2 : 1
называется гремучим газом). Реакция сопровождается выделением
большого количества теплоты. Сжигание водорода и кислорода в
специальных горелках позволяет достигать температуры
3000-3500oС.
Серой:
- обратимо при
150-300oС.
в). Азотом:
- при давлении свыше 5000 атмосфер. В промышленных условиях реакция осуществляется при давлении 200-1000 ат и 200-400oС в присутствии катализатора - губчатого (пористого) железа, активированного специальными добавками - оксидом калия, металлическим калием и алюминием. С фосфором и бором водород непосредственно не взаимодействует, однако соответствующие соединения могут быть получены косвенным путем. г). Углеродом:
- при 600-800oС - пропускание водорода через смесь сажи и никелевой пыли.В тех же условиях, но при температуре 1000-1200oС образуется ацетилен:
- обе реакции протекают с низким выходом.С кремнием водород непосредственно не взаимодействует, соответствующие соединения получают косвенным путем. Водород взаимодействует с металлами: д). Щелочными, например:
- при 300oС - образуются гидриды, в которых степень окисления водорода -1. Это белые кристаллические вещества, разлагающиеся водой с выделением водорода:
Гидриды щелочных металлов термически неустойчивы и разлагаются до достижения температуры плавления:
Получение
водорода.
1. Пароводяная конверсия природного газа (метана):
I-я стадия: СН4
+ Н2О = СО + Н2 - при
900оС, катализатор никель,
II-я стадия: СО +
Н2О = СО2 + Н2 - при
450оС, катализатор Fe2O3.
Углекислый газ отделяют от водорода
поглощением водой под давлением или теплым растром карбоната
калия.
2. Конверсия СО:
3. Действием водяного пара на кокс при 1200-1400оС:
Добавляя избыток водяного пара полученный “водяной газ” (смесь СО и водорода) переводят в смесь СО2 и водорода по реакции 2.
4. Коксовый газ - газ, полученный при коксовании каменного угля - содержит 50-60% (по объему) водорода. Водород отделяют от других компонентов коксового газа путем вымораживания примесей.
5. Водород образуется в качестве побочного продукта в процессах крекинга нефти. Разложение нефти при высокой температуре без доступа воздуха приводит к образованию водорода и коксообразного остатка. состоящего в основном из углерода (“пиролиз нефти”):
6. Термическое разложением метана:
- реакция протекает при температуре выше 2000оС и ведется в основном для получения сажи.
7. Электролиз водного раствора хлорида натрия:
8. Перспективными
промышленными методами получения водорода являются:
а).
термическая диссоциация воды при высоких температурах, например
в активной зоне ядерного реактора:
б).
разложение воды с помощью нитрита натрия и иода, процесс
протекает в три стадии:
1. Действием в аппарате Киппа моляной или разбавленной серной кислотой на цинк или железо, например:
2. Взаимодействием кальция с водой:
3. Электролизом водных растворов кислот и щелочей.
В полевых условиях водород получают:
1. Взаимодействием алюминия с водным раствором щелочи:
2. Действием водного раствора щелочи на кремний:
3. Взаимодействием гидрида кальция с водой:
Во всех перечисленных полевых способах получения водорода транспортировка исходных веществ не представляет технических трудностей.
В прошлом веке широко применялся железопаровой способ получения водорода (способ Лавуазье):
В настоящее время этот способ не применяется.
В промышленности и технике водород
применяют:
а) в качестве реагента при получении аммиака,
хлороводорода и соляной кислоты
б) при синтезе
метанола:
в) для очистки нефти гидрированием содержащихся в ней соединений серы
г) для получения твердых пищевых жиров (маргарина)
д) для получения тугоплавких металлов методом водородотермии, например вольфрама:
е) для сварки и резки металлов
ж) в качестве топлива для жидкостных реактивных двигателей
з) для охлаждения мощных электрогенераторов
и) для наполнения метеорологических зондов (аэростатов).
ВОДА
Связи в молекуле воды ковалентные полярные, общие электронные пары смещены в сторону атома кислорода. Валентный угол в молекуле воды составляет 105o:Атом кислорода находится в состоянии sp3 гибридизации и имеет две неподеленные электронные пары. Из-за высокой полярности связей О-Н диэлектрическая проницаемость воды велика. Вода является одним из самых распространенных в природе веществ.
Вода представляет собой бесцветную жидкость с плотностью 1г/см3 (при 4oС), температура плавления 0oС, кипения +100oС. Высокая температура кипения объясняется ассоциацией молекул воды за счет водородных связей. В воде хорошо растворимы вещества с ионными и полярными ковалентными связями (например NaCl и HВr), а также вещества, содержащие в молекуле атомы элементов с высокой электроотрицательностью (например этиловый спирт и сахароза).
Вода обладает свойствами слабого амфотерного электролита, диссоциация воды протекает по схеме:
В окислительно-восстановительных процессах вода может быть окислителем (обычно в щелочной среде):
и восстановителем (обычно в кислй среде):
Термическая устойчивость воды велика, разложение на простые вещества начинается при температурах свыше 2000oС.
Вода реагирует с простыми веществами:
а) Щелочными металлами, например:
б) Щелочноземельными металлами, например:
в) Алюминием:
г) Галогенами - нагретая вода сгорает в атмосфере фтора:
взаимодействие воды с хлором и другими галогенами обратимо:
Вода реагирует со сложными веществами:
д) Основными оксидами, образованными щелочными и щелочноземельными металлами:
С основными оксидами, образованными переходными металлами и амфотерными оксидами вода не реагирует.
е) Кислотными оксидами:
C SiO2 вода не взаимодействует.
ж) С некоторыми кислотами, например:
з) Вода разлагает ионные гидриды, нитриды, фосфиды, карбиды, например:
а также некоторые галогениды:
некоторые сульфиды:
Вода образует кристаллогидраты с солями:
и некоторыми другими веществами, например CH4*nH2O и C2H2Cl*nH2O (такие соединения называются “клатраты”).
Водоподготовкой и водоочисткой называется обработка воды для приведения ее качества в соответствие с требованиями потребителей. Весь процесс может быть разделен на 4 стадии:
1. Фильтрование и осветление - очистка воды от крупных плавающих предметов и мелкого взвешенного материала пропусканием через слой песка.
2. Коагуляция и дезинфекция - осаждение коллоидных частиц и уничтожение микроорганизмов - осуществляется добавлением специальных веществ (коагулянтов) и обработкой хлором (реже - озоном или ультрафиолетовым облучением). После этих двух стадий вода пригодна для бытового использования. Для удаления (в случае необходимости) растворенных солей и газов применяют:
3. Дистиляцию (перегонку). Дистиляция позволяет избавиться от растворенных солей, части растворенных газов. Получаемая вода называется дистилированной. Если очистка воды одной перегонкой недостаточна, воду перегоняют вторично (такая вода называется бидистилированной) - обычно в кварцевой посуде.
4. Ионный обмен - позволяет достичь более высокой , чем при перегонке, степени очистки воды от растворенных солей.
Сверхчистую воду, необходимую для ряда технологических процессов, получают при взаимодействии водорода и кислорода.
Вода применяется в быту и в технологических процессах. В технологии вода применяется в качестве:
а) реагента, например при получении водяного газа из кокса и водяного пара, при получении азотной кислоты и т.д.
б) растворителя, например в производстве соды
в) теплоносителя - водяное отопление, охлаждение двигателей внутреннего сгорания
г) рабочего тела - в паровых турбинах.
ПЕРОКСИД
ВОДОРОДА
Молекулы пероксида водорода содержат пероксидную цепочку, состоящую из двух атомов кислорода: -О-О-. Степень окисления кислорода в пероксиде водорода равна -1, молекула имеет строение, приведенное на рисунке 2. Молекулы пероксида водорода частично димеризованы.
Пероксид водорода - бесцветная вязкая жидкость, плотность 1,45 г/см3, температура плавления -0,43оС, температура кипения +145оС. Растворимость пероксида водорода в воде неограничена.
Пероксид водорода является очень слабой кислотой (окраски индикаторов не меняет):
Диссоциация по второй ступени незначительна.
При взаимодействии со щелочами концентрированных растворов пероксида водорода образуются пероксиды металлов (реакция аналогична реакции нейтрализации), например:Пероксид водорода разлагается:
- разложение ускоряется в присутствии соединений переходных металлов (например MnO2 и KMnO4) и под действием света.
Пероксид водорода может проявлять свойства окислителя, например:
и восстановителя:
- восстанавливает аммиачный раствор оксида серебра
В промышленности пероксид водорода получают электролизом 30%-ного водного раствора серной кислоты. На аноде при этом протекают процессы:
Суммарный процесс запишется так:
Промышленность обычно выпускает пероксид водорода в виде 30%-ного водного раствора, называемого пергидролем.
Пероксид водорода применяется:
а) в производстве ряда органических соединений
б) в качестве дезинфецирующего и консервирующего вещества
в) в реактивной технике - продукты каталитического разложения пероксида водорода (парогаз) используются для привода турбонасосных агрегатов жидкостных реактивных двигателей.