[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.