Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 20. Водень

Пригадайте: залежність властивостей речовин від їхньої будови (за § 11).

Фізичні властивості водню

Водень був відкритий ще в XVII столітті Генрі Кавендішем.

• Водень Н₂ — за звичайних умов безбарвний газ, без смаку та запаху;

• t_пл. = -259 °С, t_кип. = -253 °С;

• водень — неполярна речовина, тому майже не розчиняється у воді (18,8 мл у 100 г), через що його можна збирати методом витіснення води;

• добре розчиняється в багатьох хімічно малоактивних металах, найбільше — у паладії (850 л водню в 1 дм³ металу);

• газуватий водень у 14,5 разів легший за повітря;

• рідкий водень — рухома рідина з густиною 0,07 г/см³.

За дуже високого тиску (5 млн атм) водень перетворюється на іншу алотропну видозміну з металічними кристалічними ґратками — металічний водень. Такий водень був добутий 2017 року у фізичній лабораторії Гарвардського університету під керівництвом А. Сільвери. Вважають, що у великих кількостях металічний водень міститься всередині планет — газових гігантів, наприклад Юпітера.

Методи добування водню

• Взаємодія металів із водою. Метали, розташовані в ряду активності ліворуч від водню, витісняють водень із води. Найактивніші метали (до магнію в ряду активності) реагують за звичайних умов, а інші — за нагрівання, а саме під час пропускання гарячої водяної пари крізь розпечені металеві ошурки:

Реакція між залізом і водяною парою за нагрівання має історичне значення — на початку доби повітроплавання її використовували для наповнення воднем повітряних куль.

• Взаємодія металів із кислотами. Метали, розташовані в ряду активності ліворуч від водню, витісняють водень із розчинів кислот. Реакцію між цинком і хлоридною кислотою найчастіше використовують для добування водню в лабораторії (мал. 20.1):

Zn + 2НСl = Η₂↑ + ZnCl₂

Замість цинку в реакції з кислотою можна використовувати інші недорогі метали, наприклад залізо, олово, магній.

Мал. 20.1. У лабораторіях водень добувають в апараті Кіппа взаємодією кислот з активними металами

• Взаємодія води з вугіллям. Водень утворюється під час взаємодії гарячої водяної пари з розпеченим вугіллям:

Ця реакція є основою промислового способу добування водню. Водяну пару пропускають над розжареним добіла коксом (вугіллям, яке нагрівається без доступу повітря). У результаті утворюється суміш карбон(ІІ) оксиду з воднем, яку називають водяним газом.

• Розкладання метану. Водень утворюється під час сильного нагрівання метану:

• Парова конверсія метану. У промисловості водень добувають переважно з метану, додаючи до нього за високої температури перегріту водяну пару:

Сумарно ці процеси можна записати рівнянням:

Суміш газів охолоджують і промивають водою під тиском. При цьому вуглекислий газ розчиняється, а малорозчинний у воді водень йде на промислові потреби.

• Електроліз води. Часто водень у промисловості добувають електролізом води (див. § 15, с. 43):

Але через витрати великої кількості електрики цей спосіб досить дорогий і поширений менше, ніж високотемпературна реакція коксу або метану з водою.

Хімічні властивості водню

Гідроген — один із рекордсменів за числом різноманітних утворених сполук. Серед них переважна кількість — це сполуки Гідрогену з Карбоном, які вивчає органічна хімія. Але й неорганічні сполуки Гідрогену дуже різноманітні.

• Горіння. Водень активно згоряє на повітрі й у кисні з утворенням води:

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

Суміш водню з киснем у співвідношенні 2:1 називають гримучим газом, який є дуже вибухонебезпечним. Тому робота з воднем вимагає заходів безпеки для запобігання можливості вибуху. Перед використанням водню в лабораторії його обов’язково необхідно перевірити на чистоту.

• Взаємодія з металами. Водень взаємодіє з багатьма металами за нагрівання. Сполуки металів із Гідрогеном називають гідридами. Це тверді речовини з йонними кристалічними ґратками. У реакціях із металами водень є окисником:

Са + Н₂ = СаН₂(кальцій гідрид)

Гідриди бурхливо реагують із водою з утворенням газуватого водню:

СаН₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + 2Н₂↑

Більшість металів, які не взаємодіють із воднем (Pt, Pd тощо), розчиняють його: молекули водню розташовуються між атомами в кристалічних ґратках металів.

• Взаємодія з неметалами. Водень реагує з багатьма неметалами, у цих реакціях він є відновником. Реакції з галогенами (крім йоду) відбуваються дуже активно, іноді з вибухом. З-поміж реакцій неметалів із воднем однією з найважливіших є взаємодія з азотом:

• Взаємодія з оксидами металічних елементів. Відновні властивості водню використовують для добування чистих металів з оксидів (мал. 20.2):

CuO + Н₂ = Сu + Н₂О

Мал. 20.2. Добування міді взаємодією купрум(II) оксиду з воднем

Для деяких дуже тугоплавких металів відновлення їхніх оксидів воднем є зручним і економічно вигідним способом добування. Наприклад, добування вольфраму:

WO₃ + 3Н₂ = W + 3Н₂О

Метал утворюється у вигляді порошку, який потім можна пресувати в готові вироби. Після спікання такі вироби не потребують подальшої обробки. Цей спосіб добування металів і виготовлення деталей із них називають порошковою металургією.

• Гідрогенізація органічних сполук. Водень також широко використовують у реакціях з органічними речовинами. Він взаємодіє з ненасиченими вуглеводнями з утворенням насичених:

Застосування водню

• Водень є надзвичайно теплотворним хімічним паливом, під час спалювання якого утворюється лише вода. Тому сьогодні активно розробляють способи використання водню в паливних елементах, якими можна замінити двигуни внутрішнього згоряння.

• Як пальне водень використовують у космічній ракетній техніці. Ракетоносії здатні виводити на орбіту понад 100 тонн різних вантажів завдяки воднево-кисневим двигунам. У їхніх баках міститься рідкий кисень і рідкий водень.

• Близько 50 % усього добутого водню йде на синтез амоніаку з простих речовин.

• Великі обсяги водню використовують для виробництва хлороводню та хлоридної кислоти, для синтезу метанолу, одержання маргарину з рослинних олій.

• Майже 12 % добутого водню витрачають під час переробки нафти для видалення з неї сполук Сульфуру.

Ключова ідея

Водень — найлегший у природі газ, що здебільшого використовують через його відновні властивості.

Запитання та завдання

105. Схарактеризуйте фізичні й хімічні властивості водню, методи його добування в лабораторії і промисловості. Наведіть відповідні рівняння реакцій.

106. Схарактеризуйте застосування водню. На яких властивостях водню ґрунтується його застосування?

107. Запишіть п'ять рівнянь реакцій водню зі складними неорганічними речовинами. Укажіть умови їх перебігу.

108. Обчисліть об'єм водню (н. у.), що виділяється під час взаємодії заліза масою 7 г із надлишком хлоридної кислоти.

109. Обчисліть мінімальну масу цинку та мінімальний об'єм розчину сульфатної кислоти з масовою часткою кислоти 5 %, необхідні для добування достатньої кількості водню для відновлення міді з купрум(ІІ) оксиду масою 10 г.

Цікавий факт

У першій половині століття в різних країнах було побудовано велику кількість дирижаблів — керованих аеростатів із сигароподібною оболонкою, наповненою воднем. Вони здійснювали регулярні рейси між Європою та Америкою. Великий об'єм водню забезпечував високу вантажопідйомність цих повітряних кораблів: вони перевозили до 100 осіб та були дуже комфортабельними (із душовими, спальними місцями та ресторанами). Але серія катастроф, спричинених вибухами водню, примусила відмовитися від водню і замінити його значно дорожчим, але безпечним гелієм.