Химия — это магия по-научному! Посмотрев наш курс, вы убедитесь в этом. Мы не только расскажем вам о неорганических веществах, их превращениях, физических и химических свойствах, но и наглядно покажем всё это в настоящей химической лаборатории. (Спойлер: у нас взорвался натрий, да и вообще много чего интересного произошло). В курсе вы узнаете об основных химических элементах Периодической системы: сначала главных подгрупп, а затем уже переходных металлов. Вряд ли в школе вы говорили об этом так подробно и увлекательно. Химия каждого элемента рассматривается на «продвинутом» уровне, поэтому в начале курса мы напомним вам основы общей химии и ключевые понятия неорганики. При рассмотрении химических свойств поддерживается концепция их разделения на три главнейшие группы: кислотно-основные свойства, окислительно-восстановительные превращения и реакции комплексообразования. Добро пожаловать в красивый (и немного опасный) мир неорганической химии! Вводный модуль. Основы общей химии (10 видео) Неделя 1. Неорганические вещества и их реакции (11 видео) Неделя 2. Водород, галогены, кислород (11 видео) Неделя 3. Сера, азот (11 видео) Неделя 4. Фосфор, углерод, кремний, металлы главных подгрупп (10 видео) Неделя 5. Переходные элементы (10 видео)
3.1. Элемент № 1. Водород
Loading...
來自 Novosibirsk State University 的課程
Неорганическая химия
10 個評分
與講師見面
Константин Коваленкокандидат химических наук, доцент
Факультет естественных наук
[МУЗЫКА] [МУЗЫКА]
Здравствуйте!
На второй неделе курса мы переходим
к химии элементов и начнем с самого простого химического элемента — водорода.
Сегодня на лекции нам понадобится вот этой небольшой реквизит,
чуть дальше вы узнаете, почему.
Итак, водород находится в уникальном первом периоде периодической системы,
в котором всего лишь два элемента: водород и гелий.
Водород — самый простой химический элемент,
в его составе всего лишь один электрон.
Тем не менее этот самый распространенный во Вселенной элемент.
Его масса составляет более 90 % массы Солнца и других космических объектов.
Но на Земле водород занимает лишь 5-е место по распространенности.
Он крайне редко встречается в виде простого вещества,
но входит в состав воды, минералов и всех живых существ.
Химики часто спрашивают: в какую группу периодической системы поместить водород,
в первую или в седьмую?
С чем связан этот вопрос?
Дело в том, то у водорода всего лишь один валентный электрон, он образует катион H+,
и его эти свойства напоминают свойства элементов первой группы щелочных металлов.
Однако водород — не металл.
Давайте попробуем поместить водород в 7-ю группу, ведь, действительно,
он образует анион, H− способен принять один электрон.
Его простое вещество — это молекула H2, точно так же, как у молекул галогенов,
находящихся в этой группе.
Но наиболее характерная степень окисления водорода является +1,
в отличие от галогенов.
IUPAC рекомендует помещать водород в первую группу, мы будем поступать так же.
Какие же степени окисления характерны для водорода?
Я уже сказал, что для него характерна степень окисления −1, +1 и,
конечно же, 0, которой водород образует простое вещество.
Для степени окисления −1 характерны соединения такие, как NaH и CaH2.
Это гидриды металлов.
И наиболее характерными,
выраженными свойствами этих соединений являются сильные соединительные свойства.
В степени окисления +1 водород образует большинство своих соединений — это и вода,
и кислоты, например HCl или H2SO4, и щелочи KOH или NaOH.
В этой степени окисления, конечно же,
водород может быть только окислителем — он может только понижать степень окисления.
Но окислительные свойства слабые и в основном характерны только для кислот.
В результате этих реакций водород в степени окисления +1 превращается в
простое вещество H2.
Степень окисления 0 — это промежуточная степень окисления,
и водород может быть как окислителем, так и восстановителем.
Но, конечно же, наиболее характерными свойствами простого вещества являются
восстановительные свойства.
Хотя он их проявляет только при повышенной температуре и чуть дальше мы
рассмотрим, почему.
Следует также отметить, что есть особый водород в степени окисления 0 —
атомарный водород, который выделяется в процессе получения простого вещества.
Вот этот водород обладает уже сильными восстановительными свойствами.
Каковы физические свойства простого вещества H2?
Это газ, без цвета, без запаха и вкуса.
Иногда получаемый в лаборатории водород имеет слабый запах,
обусловленный наличием примеси.
Это очень легкий газ, его плотность — всего лишь 0.09 кг/ м³.
И именно поэтому водород начали использовать для заполнения дирижаблей
и воздушных шаров.
Его подъемная сила составляет 27 кг/моль или 1.2 г/литр при нормальных условиях.
У меня есть шарик.
Он очень похож на обычный гелиевый шарик, но наполнен водородом.
Какие же опасности в заполнении водородом дирижаблей и воздушных шаров существовали,
что от этого отказались?
Конечно же, это опасность взрыва.
Водород — крайне взрывоопасный газ, и это можно легко продемонстрировать.
Я надену очки, наушники и
попробую поджечь водород с помощью обычной газовой горелки.
[ШУМ] Итак,
как вы убедились, водород чрезвычайно взрывоопасен.
Достаточно небольшой искры, чтобы огромный дирижабль или воздушный шар взорвались.
Именно это и произошло со знаменитым дирижаблем Гинденбург,
который прилетел из Европы в Америку и при посадке взорвался.
Погибло огромное число людей, после чего использование водорода в качестве
газа-наполнителя для воздушных шаров и дирижаблей прекратилось.
Каковы другие физические свойства водорода?
Водород плохо растворяется как в воде, так и в органических растворителях.
Однако удивительно, но водород неплохо растворим в некоторых металлах и
их сплавах, например в палладии и в платине.
Температуры плавления и кипения водорода чрезвычайно низкие и составляют
−253 и −259°C.
Ниже температуры кипения и плавления имеет только гелий.
Однако в виду того, что он менее доступен,
водород часто используют для создания низких температур.
Водород образует несколько изотопов, то есть типов атомов,
в состав которых входит различное число нейтронов.
Самый простой изотоп водорода — протий, в состав которого входит только один протон.
Другой изотоп — дейтерий, в ядре его содержится один протон и один нейтрон.
Также известен тритий, в ядро которого входит один протон и два нейтрона.
Тритий является радиоактивным с периодом полураспада 12,4 года.
Водород — единственный элемент в периодической системы,
изотопы которого имеют собственные обозначения.
Так, протий обозначается H, дейтерий — D, а тритий — T.
Тритий используют для производства термоядерного оружия,
и его получают путем бомбардировки лития-6 нейтронами.
Обычно вещества, содержащие разные изотопы химических элементов,
имеют одинаковые химические и физические свойства.
Однако для водорода разница в массах изотопов огромна.
Дейтерий в два раза тяжелее, чем протий,
и это уже существенно сказывается на химических свойствах.
Так, температура кипения обычной воды H2O — 100°C ровно,
а температура кипения тяжелой воды D2O примерно на полтора градуса выше.
Для чего применяют водород?
Основное применение водорода связано с использованием его в
качестве восстановителя.
Так, в реакции с CO, а смесь CO и водорода называется синтез-газ,
можно получить можно ценных органических продуктов, например метанол.
Восстанавливая оксиды металлов водорода, можно получить чистые металлы,
и эта реакция используется для получения в промышленности молибдена и вольфрама.
Огромное количество водорода тратится на производство аммиака.
В реакции с азотом в условиях повышенной температуры,
давления и присутствии катализатора образуется аммиак, который затем
перерабатывается в азотное удобрение, в красители, во взрывчатые вещества.
Водород находит и применении в качестве восстановителя в органической химии.
Так, алкены восстанавливаются до алканов,
и эти реакции вы рассмотрите в курсе органической химии.
Очень заманчивым выглядит применение водорода в качестве топлива в ракетах или
даже в автомобилях, однако нужно учитывать его потенциальную взрывоопасность.
Это особенно актуально сегодня, когда рост числа автомобилей,
фабрик и заводов, загрязняющих нашу атмосферу становится огромным,
и мы столкнулись с проблей глобального потепления.
Заманчиво перейти от углеродного топлива (бензина,
газа и других) на безуглеродное топливо, например на водород.
Однако на этой пути предстоит решить еще целый ряд задач.
Важнейшая из них — это проблема производства водорода.
Сегодня его получают из углеродсодержащего сырья.
Вторая проблема — проблема хранения водорода.
Если мы будем сжимать водород под высоким давлением, что само по себе достаточно
опасно, то мы все равно получим топливный бак, размером с саму машину.
И третья проблема — проблема преобразования энергии.
Необходимо разработать топливные элементы,
которые позволят напрямую преобразовывать энергию химических связей молекул водорода
в электрическую энергию и питать таким образом электродвигатель.
Как получают водород сегодня?
Как я уже отметил, основным способом получения водорода является его
получение из углеродсодержащих источников.
Такими источниками является природный газ и уголь.
В результате каталитической конверсии метана водяным паром
получается синтез-газ (CO и H2) с соотношением 1 : 3.
Уголь газифицируется также водяными парами и получается CO и H2,
но соотношение меньше 1 : 1.
Дополнительно увеличить выход водорода возможно, проведя каталитическую реакцию
сдвига: CO + снова водяной пар получается CO2 и H2, дополнительно 1 моль водорода.
Заманчивым выглядит использование электролиза для получения водорода, однако
нужно учитывать, что для этого требуются дешевые источники электроэнергии.
Основным лабораторным способом получения водорода является взаимодействие активных
металлов — таких, например, как цинк с кислотами.
Именно так мы будем получать водород в лаборатории
в аппарате Киппа — взаимодействием цинка и соляной кислоты.
И также доступным, но реже используемым,
способом получения водорода является взаимодействие металлов,
образующих амфотерные гидроксиды, например цинка и алюминия с растворами щелочей.
В этой реакции они дают растворимый гидроксокомплекс,
например KAlH4 и молекулярный водород.
