Способ получения водорода лавуазье

Способ получения водорода лавуазье

§ 7.2 Получение водорода.

В земных условиях водород встречается преимущественно в связанном состоянии. Многие его соединения нам уже известны: Н 2 О, HCl, HF и т.д. В этих соединениях водород имеет степень окисления +1, поскольку его электроотрицательность (2,2) меньше, чем электроотрицательность кислорода (3,44), хлора (3,16) и фтора (3,98).

Когда водород уже находится в степени окисления +1, он может отбирать электрон у многих элементов – особенно металлов, которые склонны отдавать электроны. Поэтому способы получения водорода часто основаны на реакции какого-либо металла с одним из соединений водорода, например:

Реакцию между цинком и водным раствором хлористого водорода (соляной кислотой) наиболее часто используют для получения водорода в лаборатории.

А реакция между железом и водяным паром при нагревании имеет историческое значение – когда-то её использовали для наполнения водородом воздушных шаров. Интересные подробности об этом вы можете узнать из трактата начала XIX века, который называется «О разложении воды в весьма огромном снаряде посредством раскаленного железа. Сочинение Якова Захарова».

** Вместо цинка в реакции с HCl можно использовать другие металлы (хотя и не любые) – например, железо, олово, магний. Поэтому получающийся при этом легкий газ когда-то называли «горючим воздухом из металлов». Упоминание о таком «воздухе» есть в сочинениях знаменитого алхимика Иоганна Парацельса, жившего в XVI веке.

Англичанин Роберт Бойль, наблюдавший выделение газа при растворении железных опилок в соляной кислоте, дал ему в 1671 году еще более поэтичное название – летучая сера Марса. «Летучей серой» Бойль назвал этот газ потому, что наблюдал его горение, а «серой Марса» – потому, что считал его выходящим из железа, символом которого был Марс – бог войны.

Вероятно, многие исследователи еще до XVIII века имели дело с этим элементом, но просто не догадывались о том, что полученный ими газ имеет какое-то отношение к воде. Первым это выяснил английский физик и химик Г. Кавендиш, который в 1766 году всесторонне исследовал «горючий воздух» и убедился в том, что это вовсе не воздух, а совершенно особый газ.

Кавендиш взвесил этот газ, что потребовало большого искусства и определил – во сколько раз он легче воздуха. Именно Кавендиш, сжигая полученный газ в кислороде, нашел объемы, в которых эти газы реагируют между собой и доказал, что в результате такого сжигания получается вода.

Современное имя водороду дал знаменитый французский химик Лавуазье, придумав латинское название «hydrogen» из слов «hydro» (вода) и «genes» (рождающий).

Движущей силой подобных реакций получения водорода является не только стремление металлов отдать электрон атому Н в степени окисления +1, но и большой энергетический выигрыш при связывании образующихся при этом нейтральных атомов водорода в молекулу Н 2 . Поэтому в реакции такого типа вступают даже неметаллы:

Эта реакция – промышленный процесс. Водяной пар пропускают над раскаленным добела коксом (углем, нагреваемым без доступа воздуха). В результате получается смесь оксида углерода с водородом, которую называют «водяным газом».

Водород может получаться и при сильном нагревании метана:

Поэтому в промышленности большое количество водорода получают именно из метана, добавляя к нему при высокой температуре перегретый водяной пар:

1) CH 4 + H 2 O = CO + 3 H 2

2) CO + H 2 O = CO 2 + H 2

В сумме этот процесс можно записать уравнением:

CH 4 + 2 H 2 O = 4 H 2 + CO 2

Смесь газов охлаждают и промывают водой под давлением. При этом СО 2 растворяется, а малорастворимый в воде водород идет на промышленные нужды.

Наиболее чистый водород в промышленности получают электролизом воды:

** При электролизе атом водорода Н (+1) принимает 1 электрон с отрицательного электрода, превращаясь в водород со степенью окисления (0), а атом кислорода О (-2) отдает 2 электрона положительно заряженному электроду, также превращаясь в атомарный кислород. Атомов водорода в 2 раза больше, поэтому электронный баланс обеспечен.

Этот способ требует больших затрат энергии, поэтому распространен меньше, чем высокотемпературная реакция кокса или метана с водой. Существуют и другие способы получения водорода.

7.2. Сколько граммов цинка нужно взять для реакции с соляной кислотой HСl, чтобы получить 1,12 л водорода при нормальных условиях?

7.3. Между собой прореагировали 23 г Na и 1018 мл воды. Сколько граммов NaOH растворено в 1л полученного раствора? Сколько литров водорода (при н.у.) выделилось?

7.4. Сколько литров водорода (при н.у.) теоретически можно получить в реакции 448 л метана CH 4 с перегретым паром? Какой объем занимал водород сразу после окончания реакции при давлении 1 атм и температуре 1000 о С?

7.5. В сосуд с водой поместили электроды и некоторое время пропускали постоянный электрический ток. Масса сосуда уменьшилась на 360 г. Сколько литров водорода (при н.у.) было получено в процессе электролиза?

Источник

Водород

В трудах химиков XVI-XVIII вв. упоминался «горючий» или «воспламеняемый воздух», который в сочетании с обычным давал взрывчатые смеси. Получали его, действуя на некоторые металлы (железо, цинк, олово) разбавленными растворами кислот – серной и соляной. Первым ученым, описавшим свойства этого газа, был Г.Кавендиш. Он определил его плотность и изучил горение на воздухе, однако приверженность теории флогистона помешала исследователю разобраться в сути происходящих процессов. Кавендиш принял «горючий воздух» (водород) за чистый флогистон – невидимую субстанцию, которую тела теряют при горении или при растворении в кислотах. Тогда металлы считали сложными веществами, содержащими флогистон, его-то они якобы и выделяют под действием кислоты.

Дальнейшее развитие химии показало ошибочность этой теории. Теперь общеизвестно, что водород входит в состав кислот, а металлы являются простыми веществами. Однако способ получения водорода, открытый в те времена, используется в лабораториях до сих пор. Для этого в аппарат Киппа загружают палочки, отлитые из цинка, и заливают 20-процентную серную кислоту:

А.Л.Лавуазье в 1779 г. получил водород при разложении воды, пропуская ее пары через раскаленную докрасна железную трубку с железными опилками. При температуре красного каления железо вступает в реакцию с водяным паром, и выделяется водород: 3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂↑

Аппарат Киппа

Лавуазье также доказал, что при взаимодействии «горючего воздуха» с кислородом образуется вода, причем газы реагируют в объемном соотношении 2:1. Это позволило ученому определить состав воды – Н₂О. Название элемента – Hydrogenium – Лавуазье и его коллеги образовали от греческих слов «гидор» — «вода» и «геннао» — «рождаю». Русское слово «водород», т.е. «рождающий воду», является точным переводом латинского названия.

Водород относится к числу наиболее распространенных химических элементов. В земной коре он встречается почти исключительно в виде соединений: входит в состав нефти, природного газа, каменного угля, некоторых минералов. В свободном состоянии он обнаружен в незначительном количестве в вулканических газах, а также среди продуктов разложения органических веществ микроорганизмами. Но конечно, самое известное соединение водорода – это его оксид, вода. По оценкам ученых, на Земле 1,4∙10 18 т поверхностных вод, и еще около 1,3∙10 13 т – в виде пара в атмосфере. Обширны также запасы подземных вод.

Кроме того, водород самый распространенный элемент во Вселенной. Энергия, излучаемая Солнцем и другими звездами, выделяется в результате ядерных реакций с участием его ядер.

Элемент образует несколько изотопов: наряду с обычным водородом с относительной атомной массой 1 (его называют протием, 1 Н), на Земле встречаются два тяжелых изотопа – дейтерий( 2 Н или D) и тритий ( 3 Н или Т). Содержание дейтерия в природном водороде очень незначительно: лишь один из 100 тыс. атомов водорода является атом дейтерия. Этот изотоп был выделен в 1931 г. при испарении жидкого водорода. Радиоактивного трития еще меньше – примерно один атом на каждые 10 18 атомов 1 Н. Недавно зафиксировано образование сверхтяжелых изотопов водорода – 4 Н и 5 Н.

Водород – бесцветный газ без вкуса и запаха, слаборастворимый в воде. Он в 14,5 раз легче воздуха – самый легкий из газов. Поэтому водородом раньше наполняли аэростаты и дирижабли.

При температуре -253 о С водород сжижается. Эта бесцветная жидкость – самая лёгкая из всех известных. При – 259 о С жидкий водород замерзает, превращаясь в бесцветные кристаллы. Как полагают некоторые исследователи, при высоких давлениях удастся сжать водород до такой степени, что он превратится в металл – приобретет металлический блеск и электропроводность (недаром этот элемент расположен в одной подгруппе с щелочными металлами). Но пока попытки получить металлический водород не увенчались успехом.

Молекулы Н₂ настолько малы, что способны легко проходить не только через мелкие поры, но и сквозь металлы. Некоторые из них, например никель и палладий, могут поглощать большое количество водорода и удерживать его в атомарном виде в пустотах кристаллической решетки. Нагретая до 250 о С палладиевая фольга свободно пропускает водород: этим пользуются для тщательной очистки его от других газов.

Подобно Н₂, дейтерий при нормальных условиях – газ, состоящий из молекул D₂. Однако по сравнению с обычным водородом он имеет более высокую температуру кипения (-249 о С ).

Тяжелая вода – оксид дейтерия D₂O – внешне очень похожа на обычную воду, а по свойствам несколько отличается от нее. Так, при атмосферном давлении D₂O закипает при 101,4 о С , имеет более высокую плотность и менее летуча. Многие реакции в тяжелой воде протекают медленнее, чем в обычной, и это используется для изучения их механизма. Основной же потребитель тяжелой воды – ядерная техника, где она применяется как замедлитель нейтронов.

Химические свойства водорода

В химических реакциях водород может быть как восстановителем (что для него более характерно), так и окислителем.

1. Реакции с простыми веществами

Водород взаимодействует как восстановитель:

Смесь 2 объемов Н₂ и 1 объема О₂ при поджигании взрывается (так называемый «гремучий газ»);

б) с серой при нагревании:

в) с хлором при поджигании и облучении смеси газов УФ-светом:

г) с фтором при обычных условиях:

д) с азотом при повышенном давлении и нагревании в присутствии катализаторов(реакция необратима):

Как окислитель водород взаимодействует только с активными (щелочными и щелочноземельными) металлами. В результате образуются гидриды металлов, представляющие собой солеобразные ионные соединения, которые содержат гидрид-ионы Н — :

Гидриды металлов – нестойкие кристаллические вещества белого цвета. Они являются сильными восстановителями, так как степень окисления – 1 малохарактерна для водорода. Так, при действии воды гидриды разлагаются, восстанавливая при этом воду до водорода:

1. Реакции со сложными веществами

а) При высокой температуре водород может восстанавливать большинство оксидов металлов; например:

в) Водород способен присоединяться ко многим органическим молекулам. Такие реакции называются гидрированием и будут подробно рассмотрены в разделе «Органическая химия».

Получение водорода

Существует достаточно много способов получения водорода. Рассмотрим наиболее широко используемые лабораторные (первые три) и промышленные способы.

1. Взаимодействие металлов, находящихся в ряду напряжений до водорода, с кислотами-неокислителями (HCl, разб. H₂SO₄). Например:

1. Взаимодействие металлов, образующих амфотерные оксиды и гидроксиды (Al, Zn и др.), с растворами щелочей; например:

1. Электролиз разбавленных растворов щелочей, серной кислоты, хлоридов щелочных металлов; например:

1. Восстановление водяного пара такими металлами, как магний, цинк, железо; например:

1. Восстановление водяного пара раскаленным коксом (углеродом):

1. В настоящее время в промышленности водород получают главным образом из природного газа, основным компонентом которого является метан СН₄. Реакция, протекающая при смешивании природного газа с водяным паром и кислородом и нагревании этой смеси до 800 – 900 о С , может быть выражена следующим уравнением:

Применение водорода

В химической промышленности водород служит сырьем для получения аммиака NH₃, хлороводорода НСl, метанола СН₃ОН и других органических веществ. В пищевой промышленности водород используют для выработки твердых жиров путем гидрогенизации растительных масел. В металлургии водород используется для восстановления некоторых цветных металлов из их оксидов. Как уже отмечалось выше, водород – очень легкий газ, поэтому им заполняют воздушные шары, зонды и другие летательные аппараты. Высокая экзотермичность реакции горения водорода в кислороде обусловливает использование «водородной» горелки для сварки и резки металлов (температура водородного пламени достигает 2600 о С ). Жидкий водород является одним из наиболее эффективных видов ракетного топлива.

В последние годы все больше внимание уделяется водородной энергетике, т.е. использованию водорода в качестве топлива, в частности для двигателей внутреннего сгорания. Это представляет особый интерес с экологической точки зрения, так как при горении водорода в выделяющихся газах не содержится вредных веществ (продукт горения – вода!).

Пероксид водорода (Н₂О₂)

Пероксид водорода представляет собой бесцветную жидкость с t_пл = — 0,41 о С и t_кип = 150,2 о С . В чистом виде пероксид водорода очень взрывоопасен. В лаборатории и в быту обычно используют 30%-й водный раствор Н₂О₂ (пергидроль) или 3%-й раствор.

Раствор пероксида водорода имеет кислую реакцию среды, что обусловлено диссоциацией его молекул по типу слабой кислоты:

Как кислота пероксид водорода взаимодействует с основаниями:

Некоторые пероксиды металлов, например Na₂O₂, BaO₂, можно рассматривать как соли слабой кислоты пероксида водорода. Из них можно получать Н₂О₂ действием более сильных кислот:

Графическая формула пероксида водорода: Н – О – О – Н. «Пероксидный мостик» из двух атомов кислорода обусловливает неустойчивость молекулы. При хранении на свету, нагревании, в присутствии катализатора пероксид водорода разлагается на воду и кислород:

Данная реакция относится к типу реакций диспропорционирования. Способность пероксида водорода к самоокислению-самовосстановлению объясняется тем, что атомы кислорода в его молекуле находятся в промежуточной степени окисления – 1. Этим же обусловлено участие Н₂О₂ в различных реакциях в роли окислителя или в роли восстановителя. В реакциях с типичными восстановителями пероксид водорода проявляет свойства окислителя и восстанавливается до воды или гидроксид-ионов; например:

При взаимодействии с сильными окислителями Н₂О₂ проявляет восстановительные свойства и окисляется до свободного кислорода; например:

Пероксид водорода применяют как дезинфицирующее средство в медицине для полосканий, промываний и как кровоостанавливающее средство в виде 3%-ного раствора.

Скачать:

Скачать бесплатно реферат на тему: «Водород» Водород.docx (235 Загрузок)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Водород и Вселенная» Водород-и-Вселенная.docx (219 Загрузок)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Вода» Вода.docx (227 Загрузок)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Водородная связь» Водородная-связь.docx (249 Загрузок)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Вода и ее свойства» Вода-и-её-свойства.docx (216 Загрузок)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Водные ресурсы» ВОДНЫЕ-РЕСУРСЫ.docx (212 Загрузок)

Скачать рефераты по другим темам можно здесь

Похожее

Добавить комментарий Отменить ответ

Репетитор по химии. Занятия проходят онлайн по Скайпу. По всем вопросам пишите в Ватсапп: +7 928 285 70 42

Источник