§17 Химические свойства водорода. Применение водорода. Реакции замещения
Химические свойства водорода
Водород при обычных условиях малоактивен, поэтому для протекания реакций требуются дополнительные условия: нагревание, катализатор и др.
- Водород вступает в реакции с простыми веществами:
Водород не реагирует с фосфором (Р), кремнием (Si), благородными газами (элементы VIIIА подгруппы см. таблицу Менделеева): гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe), радон (Rn) и некоторыми металлами.
- С неметаллами:
\(\mathrm{H_{2}+F_{2}=2HF}\) | водород + фтор = фтороводород, наблюдается взрыв |
\(\mathrm{H_{2}+Cl_{2}=2HCl}\) | водород + хлор = хлороводород, в присутствии света или нагревания |
\(\mathrm{2H_{2}+O_{2}=2H_{2}O}\) | водород + кислород = вода, при обычных температурах реакция протекает медленно, выше 550°С — со взрывом |
Смесь 2 объемов Н2 и 1 объема О2 называется гремучим газом; небольшой хлопок наблюдается в реакции с чистым водородом, «лающий» звук, наблюдаем в реакции водорода с примесью воздуха.
На реакции горения водорода основана трагедия дирижабля-гиганта «Гинденбург» в 1937 году. В 1930 годах Германия построила серию воздушных судов – цеппелинов. В качестве газа использовался водород. Будучи легче азотно-кислородной смеси, составляющей основную часть атмосферы, он позволял перевозить большие объемы грузов. В 1936 году немецкие конструкторы представили миру крупнейший на то время дирижабль «Гинденбург». 245-метровый гигант вмещал 200000 м3 газа. Его грузоподъемность поразительна: аппарат был способен поднять в небо до 100 тонн грузов. Воздушное судно использовалось для трансатлантических перевозок между Германией и США. Пассажирская гондола вмещала 50 человек с багажом. 6.05.1937 по прибытии в Нью-Йорк произошла утечка водорода. Легко воспламеняющийся газ загорелся, произошел взрыв, приведший к смерти 36 человек. С тех пор вместо водорода в летательных аппаратах применяют более безопасный гелий.
\(\mathrm{H_{2}+S=H_{2}S}\) | водород + сера = сероводород, при нагревании |
\(\mathrm{3H_{2}+N_{2}=2NH_{3}}\) | водород + азот = аммиак, при нагревании, повышенном давлении, в присутствии катализатора |
\(\mathrm{2H_{2}+C=CH_{4}}\) | водород + углерод = метан, при нагревании |
- С активными металлами (металлы IA и IIA подгрупп см. таблицу Менделеева) водород образует гидриды:
\(\mathrm{H_{2}+2Li=2LiH}\) | водород + литий = гидрид лития, при нагревании |
\(\mathrm{H_{2}+Ca=CaH_{2}}\) | водород + кальций = гидрид кальция, при нагревании |
- Водород вступает в реакции со сложными веществами:
- С некоторыми оксидами неметаллов:
\(\mathrm{CO+2H_{2}=CH_{3}OH}\) | угарный газ + водород = метиловый спирт, под воздействием высокой температуры и давления, в присутствии катализатора |
Смесь водорода и угарного газа называют синтез — газом.
- С оксидами металлов, расположенными в ряду активности металлов правее цинка:
\(\mathrm{CuO+H_{2}=Cu+H_{2}O}\) | оксид меди (II) + водород = чистая медь + вода (в ходе реакции внутри пробирки появляются капельки конденсата) |
\(\mathrm{WO_{3}+3H_{2}=W+3H_{2}O}\) | оксид вольфрама (VI) + водород = чистый вольфрам + вода |
Приведённые выше реакции относят к типу замещения.
Схема реакции замещения |
Реакция замещения – это тип реакций, в ходе которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном.
Применение водорода
- Синтез хлороводорода
- Получение соляной кислоты (HCl)
- Получение метанола (CH3OH)
- Восстановление металлов
- Резание и сварка (водородные сварочные аппараты)
- Превращение растительных масел в твёрдые жиры
- Производство азотной кислоты (HNO3)
- Синтез аммиака (NH3)
- Производство удобрений
- Использование в качестве топлива для ракетных двигателей
Подведём итоги
- Водород при обычных условиях малоактивен, поэтому для протекания реакций требуются дополнительные условия: нагревание, катализатор и др;
- Водород вступает в реакции как с простыми веществами (реакции соединения), так и со сложными веществами (реакции замещения);
- Реакция замещения – это тип реакций, в ходе которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном;
- Водород используют для получения хлороводорода, синтеза соляной кислоты, в производстве удобрений, в качестве ракетного топлива и д.р.