Хімічні властивості водню. Застосування

РОЗДІЛ 2 НЕМЕТАЛІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ ТА ЇХ СПОЛУКИ

ГІДРОГЕН. ВОДЕНЬ

§ 17. Хімічні властивості водню. Застосування

Усвідомлення змісту цього параграфа дає змогу:

Характеризувати хімічні властивості, практичне значення водню; складати рівняння, схеми електронного балансу відповідних хімічних реакцій;

Формулювати закон об’ємних відношень газів.

Хімічні властивості. Атоми Гідрогену в молекулах водню сполучені між собою міцним ковалентним неполярним зв’язком, при утворенні якого виділяється значна кількість енергії:

Н-

+ -Н-› Н:Н, ∆Н = -436 кДж

Таку саму кількість енергії потрібно для того, щоб молекули водню кількістю 1 моль під час реакції розпалися на окремі атоми. Це досягається нагріванням до температури 2000 °С. Тому за стандартних умов водень хімічно інертний і взаємодіє лише з найактивнішим неметалом – фтором, з іншими речовинами – при нагріванні, освітленні або наявності каталізатора. У реакціях може бути відновником або окисником.

Відновні властивості водень виявляє у реакціях з киснем, бромом, сіркою,

селеном, азотом та іншими неметалами, а також з оксидами металічних елементів (як правило, d-елементів) та ненасиченими вуглеводнями, що відповідає схемі:  Хімічні властивості водню. Застосування

 Хімічні властивості водню. Застосування

При підпалюванні водень реагує з киснем і горить світло-блакитним, майже непомітним полум’ям (мал. 21, а). Якщо до отвору пробірки з сумішшю водню та повітря піднести полум’я, то станеться вибух, якому передує свист. Особливо вибухонебезпечною є суміш з двох об’ємів водню й одного об’єму кисню. Її називають гримучою сумішшю. Здатність суміші водню з киснем або повітрям вибухати використовують для перевірки водню на чистоту, тобто на присутність у ньому повітря (кисню). Зрозуміло, що проводити реакції за участю водню можна лише впевнившись, що він чистий.

Дослід 1. Добудемо водень реакцією цинку з кислотою й зберемо його у пробірку витісненням повітря (див. мал. 20, а). Залишаючи пробірку в положенні дном догори, піднесемо до її отвору запалену скіпку. Якщо водень містить домішки повітря, то вибух супроводжується різким звуком. У такому разі продовжуємо наповнювати пробірку воднем і знову перевіряємо його на чистоту. Якщо згоряння водню відбувається з приглушеним звуком, то зібраний водень є чистим.

Практично значущою є реакція водню з оксидами металічних елементів.

Дослід 2. Складемо прилад, як на мал. 21, б. Добудемо водень реакцією цинку з кислотою і зберемо в окрему пробірку для перевірки на чистоту. Якщо водень чистий, то пропустимо його над нагрітим у пробірці купрум(ІІ) оксидом. Через деякий час поверхня оксиду почервоніє, а на стінках пробірки з’являться краплі води. Отже, внаслідок реакції утворилися мідь і вода.

 Хімічні властивості водню. Застосування

Мал. 21. Горіння водню (а), прилад для відновлення купрум(ІІ) оксиду (б)

Окиснювальні властивості водень виявляє в реакціях з меншою кількістю речовин, а саме: із лужними і лужноземельними металами з утворенням твердих гідридів. Процес відновлення водню у них відповідає схемі:  Хімічні властивості водню. ЗастосуванняІ рівнянням реакцій:

 Хімічні властивості водню. Застосування

– Складанням схем електронного балансу розглянутих хімічних реакцій доведіть відновні та окиснювальні властивості водню.

Нагадуємо, що об’єми газуватих реагентів і продуктів реакцій підпорядковуються закону об’ємних співвідношень:

Об’єми газів, що вступають у реакцію та утворюються внаслідок неї, співвідносяться як прості цілі числа.

Знання закону дає змогу легко обчислювати об’єми газів за рівнянням хімічних реакцій, які ви здійснювали у 9-му класі.

Застосування водню зумовлене його фізичними й хімічними властивостями. Раніше він широко використовувався в літальних апаратах (аеростатах, дирижаблях). Однак небезпечність водню різко обмежила його застосування в цьому напрямку. Нині літальні апарати і повітряні кулі наповнюють чистим гелієм або в суміші з воднем.

Водень є сировиною для добування амоніаку, який йде на виробництво мінеральних добрив, хлоридної кислоти, метанолу, що використовується для виробництва пластмас. У металургійній промисловості водень застосовують для добування металів з відповідних оксидів, у харчовій – для перетворення олій на тверді жири. Реакція горіння водню в кисні застосовується у водневому пальнику для зварювання та різання металів.

Рідкий водень є одним з найефективніших видів ракетного пального. У найближчому майбутньому можливе використання водню як екологічно чистого пального для автомобілів: водневі двигуни не забруднюють довкілля, оскільки виділяють тільки водяну пару. Однак за сучасних технологій добування водню з води як палива є набагато дорожчим, ніж бензину.

Коротко про головне

За стандартних умов водень – хімічно інертна речовина й взаємодіє лише з фтором. При нагріванні, освітленні або в присутності каталізатора водень реагує з великою кількістю простих і складних речовин, виявляючи відновні або окиснювальні властивості. Як відновник водень вступає в реакцію з киснем, галогенами, сіркою, азотом, оксидами металічних елементів, ненасиченими вуглеводнями тощо, як окисник – з лужними і лужноземельними металами. Реакцію горіння водню у кисні використовують для його перевірки на чистоту. Суміш двох об’ємів водню та одного об’єму кисню називається гримучою сумішшю, вона є вибухонебезпечною.

Водень застосовують для наповнювання повітряних кульок і літальних апаратів (разом з гелієм), добування амоніаку, хлоридної кислоти, метанолу, металів, для перетворення олій на тверді жири, зварювання та різання металів, як ракетне паливо. У майбутньому можливе використання водню як екологічно чистого пального.

Для допитливих. У 1889 р. харківський біохімік К. Данилевський побудував перший в світі керований повітряний апарат, у якому використовувався балон з воднем.

У 1937 р. німецький дирижабль “Гінденбург”, найбільший у світі на той час, загинув внаслідок вибуху водню. Ця катастрофа поклала край ері водневих дирижаблів.




Хімічні властивості водню. Застосування