Получение водорода способом вытеснения

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:

1 2 H 2 → 2 H — 432 к Д Ж

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:

1. В 14,5 раз легче воздуха. Поэтому молекулы движутся быстрее других молекул газов, передавая тепло.
2. Имеет высокую теплопроводность (в 7 раз выше, чем у воздуха).
3. Двухатомная молекула.
4. Плотность — 0,08987 г/л, температура кипения-252,76оС, удельная теплота сгорания — 120,9*106Дж/кг, растворимость в воде — 18,8 мл/л

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:

1 2 2 H 2 O → 4 e — 2 H 2 ↑ + O 2 ↑

а также путем крекинга и риформинга углеводородов при переработке нефти.

Существуют способы получения Н2 лабораторными способами:

1. Металл + разбавленная кислота: 1 2 Z n + H 2 S O 4 → Z n S O 4 + H 2 ↑
2. Реакция кальция с водой: 1 2 C a + 2 H 2 O → C a ( O H ) 2 + H 2 ↑
3. Гидролиз гидридов металлов: 1 2 N a H + H 2 O → N a O H + H 2 ↑
4. Взаимодействие щелочи с цинком (алюминием): 1 2 2 A l + 2 N a O H + 6 H 2 O → 2 N a ( A l ( O H ) 4 ) + 3 H 2
5. В результате электролиза водных растворов щелочей либо кислот: 1 2 2 H 3 O + + 2 e — → 2 H 2 O + H 2 ↑

В промышленности используется очистка водорода из сырья, которое содержит углерод (в частности — водородсодержащий газ ВСГ). Методы следующие:

1. ВСГ придают температуру конденсации метана и этана -158оС и давление 4МПа. При концентрации в сырье 40% процент очищенного водорода доходит до 93-94%. Такой метод называется низкотемпературной конденсацией.
2. Адсорбционное выделение на цеолитах.
3. Абсорбционное выделение жидкими растворителями.
4. Мембранное концентрирование.
5. Селективное поглощение металлами.

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.

Источник

Урок Практическая работа «Получение водорода и исследование его свойств.»

Урок 31 Класс 8 —

Тема: Практическая работа № 4 Получение водорода и исследование его свойств.

МБОУ «С(К)ОШ №16», учитель химии Березинская А.А.

совершенствовать экспериментальные умения — приемы работы с лабораторным оборудованием и веществами; умения наблюдать, делать выводы, оформлять результаты практической работы в тетрад;

работа над развитием навыков умелого обращения с огнем, опасными веществами.

умение составлять уравнения химических реакций, умение делать выводы, соблюдать правила техники безопасности;

расширение кругозора обучающихся, формирование уважения к истории науки.

развитие представлений о здоровом образе жизни в блоках: «Химия в быту — безопасное поведение».

Коррекционные цели: коррекция и развитие связной устной и письменной речи, коррекция и развитие моторной памяти, развитие умений делать выводы.

лабораторный штатив с лапкой, держатель для пробирок, штатив для пробирок, ложка-дозатор, фильтровальная бумага

автоматический прибор Кирюшкина для получения газов, 3 пробирки, кристаллизатор с водой

гранулы цинка, соляная кислота (разб.), оксид меди (II).

Тип урока : урок- практикум (виртуальная лаборатория)

Правила техники безопасности : Работа со спиртовкой; р абота со стеклом; Проверка прибора на герметичность.

I. Подготовка к проведению практической работы.

Инструктаж по технике безопасности при работе с сухим горючим.

Технический инструктаж о проведении практической работы.

II. Актуализация знаний

Какие исходные вещества будем использовать мы для получения водорода?

Необходимо ли нагревать реакционную смесь?

На что обратить внимание при записи наблюдений?

Какой прибор будем использовать для получения водорода?

Какими способами можно собрать водород, почему?

Знакомство с инструкцией: учебник стр. ________

III. Проведение практической работы (просмотр видео: Получение водорода.)

III. Закрепление знаний, умений, навыков.

После проведения работы сделать вывод, записать все результаты в тетрадь.

Домашнее задание: § ________.

Практическая работа № 4.Получение водорода и исследование его свойств.

С правилами ТБ ознакомлен (а)

Цель: научиться получать, собирать водород; изучить физические и химические свойства водорода.

лабораторный штатив с лапкой, держатель для пробирок, штатив для пробирок, ложка-дозатор, фильтровальная бумага,спиртовка, спички, автоматический прибор Кирюшкина для получения газов, 3 пробирки, кристаллизатор с водой.

Реактивы: гранулы цинка, соляная кислота (разб.), оксид меди (II).

1. Способ получения водорода – взаимодействие активных металлов с кислотами.

Zn + 2HCl = ZnCl ₂ + Н ₂ ↑ + Q — при обычных условиях

реакция взаимодействия гранул цинка с соляной кислотой идет сначала медленно, затем очень бурно, пробирка разогревается

из газоотводной трубки выделяется бесцветный газ

при упаривании полученного раствора на стеклянной пластинке остается белый порошок

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.

– следовательно, водород легче воздуха

3. Обнаружение водорода – проверка его на чистоту

при сжигании первой порции газа раздается резкий лающий звук

при сжигании второй порции газа слышен легкий хлопок Рисунок 5 «п-пах»

4. Свойство водорода – активный восстановитель

порошок меняет цвет с черного на медный

на стенках пробирки появляются бесцветные капельки жидкости

Одним из способов получения водорода в лаборатории является взаимодействие цинка с разбавленной 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.

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

• Сейчас обучается 801 человек из 76 регионов

Курс профессиональной переподготовки

Методическая работа в онлайн-образовании

• Сейчас обучается 24 человека из 13 регионов

Курс повышения квалификации

Современные педтехнологии в деятельности учителя

• Курс добавлен 23.09.2021
• Сейчас обучается 46 человек из 23 регионов

Ищем педагогов в команду «Инфоурок»

Номер материала: ДБ-446860

Международная дистанционная олимпиада Осень 2021

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Безлимитный доступ к занятиям с онлайн-репетиторами

Выгоднее, чем оплачивать каждое занятие отдельно

Попова предложила изменить школьную программу по биологии

Время чтения: 1 минута

Российский совет олимпиад школьников намерен усилить требования к олимпиадам

Время чтения: 2 минуты

Рособрнадзор откажется от ОС Windows при проведении ЕГЭ до конца 2024 года

Время чтения: 1 минута

Минпросвещения разрабатывает образовательный минимум для подготовки педагогов

Время чтения: 2 минуты

Минпросвещения будет стремиться к унификации школьных учебников в России

Время чтения: 1 минута

В 16 регионах ввели обязательную вакцинацию для студентов старше 18 лет

Время чтения: 1 минута

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Источник