Водород в таблице Менделеева

Г.

СОДЕРЖАНИЕ

I. ВВЕДЕНИЕ

1.1 История открытия водорода

1.2 Водород в таблице Менделеева

1.3 Строение молекулы водорода

1.4 Физические и химические свойства водорода

1.5 Получение водорода

1.6 Применение водорода

II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Теоретическая часть

2.1.1 Водородная технология

2.1.2 Получение водорода

2.1.3 Получение водорода – будущая технология

2.1.4 Водородные двигатели

2.2 Практическая часть

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

I. ВВЕДЕНИЕ

В миллионы новых моделей автомобилей, которые сейчас выпускаются, заливают такое топливо, которое выпускает в атмосферу углекислый (СО₂) и угарный (СО) газы. Дышать таким воздухом и постоянно находиться в такой атмосфере представляет очень большую опасность для здоровья.

Влияние и польза водорода в наши дни очень велика. Практически все известные сейчас виды топлива, за исключением водорода, загрязняют окружающую среду.

 

Цели: Изучить самое экологически чистое топливо, и его применение.

Задачи: Предложить замену загрязняющим видам топлива.

Объект исследования: Свойства водорода.

Предмет исследования: Водородная технология.

Гипотеза: Водород можно использовать как самый экологически чистый вид топлива.

 

История открытия водорода

Водород ("рождающий воду") был открыт английским ученым Г. Кавендишем в 1766 году. Это самый простой элемент в природе - атом водорода имеет ядро и один электрон, наверное, по этой причине водород является самым распространенным элементом во Вселенной (составляет более половины массы большинства звезд).

Про водород можно сказать, что "мал золотник, да дорог". Несмотря на свою "простоту", водород дает энергию всем живым существам на Земле - на Солнце идет непрерывная термоядерная реакция в ходе которой из четырех атомов водорода образуется один атом гелия, данный процесс сопровождается выделением колоссального количества энергии В земной коре массовая доля водорода составляет всего 0,15%.

Между тем, подавляющее число (95%) всех известных на Земле химических веществ

содержат один или несколько атомов водорода.

 

Водород "открывает" Периодическую таблицу химических элементов Д. И. Менделеева, находясь в левом верхнем углу таблицы под почетным номером "1".

Главная особенность водорода, отличающая его от остальных элементов Периодической системы, заключается в том, что он "сидит" сразу на двух стульях, - в I и VII группах (в главных подгруппах). Такое "двуличие" водорода объясняется тем, что он имеет много общего, как с щелочными металлами, так и с галогенами. Атом водорода, как и атомы щелочных металлов, может окисляться, превращаясь в катион H⁺. С другой стороны, как и галогены, атом водорода может присоединять 1 электрон, проявляя свойства восстановителя, превращаясь в гидрид-ион H^-.

Водород в ряду электроотрицательности находится аккурат между типичными металлами и типичными неметаллами (электроотрицательность водорода равна 2,1).

Стабильные изотопы водорода:

• протий (¹H) - легкий водород, составляет 99,985%;
• дейтерий (²H) - тяжелый водород, 0,015%;
• тритий (³H) - на Земле содержится около 2 кг.

Строение атома водорода проще не придумаешь - вокруг ядра, состоящего из одного протона (заряд +1), вращается по единственной s-орбитали один электрон (см. Электронная структура атомов).

В соединениях с неметаллами (HCl, H₂O, CH₄...) водород отдает свой единственный электрон более электроотрицательным элементам, проявляя степень окисления +1 (чаще), образуя только ковалентные связи (см. Ковалентная связь).

В соединениях с металлами (NaH, CaH₂...) водород, наоборот, принимает на свою единственную s-орбиталь еще один электрон, пытаясь, таким образом, завершить свой электронный слой, проявляя степень окисления -1 (реже), образуя чаще ионную связь (см. Ионная связь), т. к., разность в электроотрицательности атома водорода и атома металла может быть достаточно большой.

H₂

В газообразном состоянии водород находится в виде двухатомных молекул, образуя неполярную ковалентную связь.

Молекулы водорода обладают:

• большой подвижностью;
• большой прочностью;
• малой поляризуемостью;
• малыми размерами и массой.

Свойства газа водорода:

• самый легкий в природе газ, без цвета и запаха;
• плохо растворяется в воде и органических растворителях;
• в незначительных кол-вах растворяется в жидких и твердых металлах (особенно в платине и палладии);
• трудно поддается сжижению (по причине своей малой поляризуемости);
• обладает самой высокой теплопроводностью из всех известных газов;
• при нагревании реагирует со многими неметаллами, проявляя свойства восстановителя;
• при комнатной температуре реагирует со фтором (происходит взрыв): H₂ + F₂ = 2HF;
• с металлами реагирует с образованием гидридов, проявляя окислительные свойства: H₂ + Ca = CaH₂;

В соединениях водород гораздо сильнее проявляет свои восстановительные свойства, чем окислительные. Водород является самым сильным восстановителем после угля, алюминия и кальция. Восстановительные свойства водорода широко используются в промышленности для получения металлов и неметаллов (простых веществ) из оксидов и галлидов.

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O

Строение молекулы водорода

Водород это газ, молекула его состоит из двух атомов.

 

Так схематически выглядит молекула водорода.

Молекулярный водород, образованный из таких вот двухатомных молекул взрывается при поднесенной горящей спичке. Молекула водорода при взрыве распадается на атомы, которые превращаются в ядра гелия. Именно таким образом происходят ядерные реакции на Солнце и других звездах – за счет постоянного распадение молекул водорода наше светило горит и обогревает нас своим теплом.

 

Получение водорода

Среди промышленных средств получения водорода можно выделить:

• газификацию угля,
• паровую конверсию метана,
• электролиз.

В лаборатории водород можно получить:

• при гидролизе гидридов металлов,
• при реакции с водой щелочных и щелочноземельных металлов,
• при взаимодействии разбавленных кислот с активными металлами.

Применение водорода

Так как водород в 14 раз легче воздуха, то в былые времена им начиняли воздушные шары и дирижабли. Но после серии катастроф произошедших с дирижаблями конструкторам пришлось искать водороду замену (напомним, чистый водород – взрывоопасное вещество, и малейшей искры было достаточно, чтобы случился взрыв).

 

Взрыв дирижабля Гинденбург в 1937 году, причиной взрыва как раз и стало воспламенение водорода (вследствие короткого замыкания), на котором летал этот огромный дерижабль

Поэтому для подобных летательных аппаратов вместо водорода стали использовать гелий, который также легче воздуха, получение гелия более трудоемкое, зато он не такой взрывоопасный как водород.

Тем не менее, водород весьма хорошо зарекомендовал себя в качестве одного из компонентов ракетного топлива. А автомобили, работающие на водородном топливе более экологичнее своих дизельных и бензиновых собратьев.

Также с помощью водорода производится очистка различных видов топлива, в особенности на основе нефти и нефтепродуктов.

II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

 

Теоретическая часть

Водород – один из наиболее распространённых элементов и на Земле. Он составляет примерно 0,88 % от массы земного шара. Если вспомнить, что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле – неограниченное количество. Водород входит в состав нефти (10,9 – 13,8 %), древесины (6 %), угля (бурый уголь – 5,5%), природного газа (25,13 %). Водород входит в состав всех животных и растительных организмов. Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. Этот водород в атмосфере быстро рассеивается и диффундирует в верхние слои атмосферы.

Водородная технология

Под водородной технологией подразумевается совокупность промышленных методов и средств, для получения, транспортировки и хранения водорода, а также средств и методов его безопасного использования на основе неисчерпаемых источников сырья и энергии.

Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода – это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна от загрязнения оксидами углерода, азота, серы, углеводородами.

Переход на водородную технологию и использование воды в качестве единственного источника сырья для получения водорода не может изменить не только водного баланса планеты, но и водного баланса отдельных её регионов.

Водород, получаемый из воды, - один из наиболее энергонасыщенных носителей энергии. Ведь теплота сгорания 1 кг H₂ составляет (по низшему пределу) 120 МДж/кг, в то время как теплота сгорания бензина или лучшего углеводородного авиационного топлива в 2,5 раза меньше, к тому же водород – легковозобновляемое топливо.

Но водород как топливо и химическое сырьё обладает и рядом других ценнейших качеств. Универсальность водорода заключается в том, что он может заменить любой вид горючего в самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин в автомобильных двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых и иных целей, метан в топливных элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах. В то же время водород – сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов.

Вобщем, переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода – это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна.

Получение водорода

В распоряжении современных технологов имеются сотни технических методов получения водородного топлива, углеводородных газов, жидких углеводородов, воды. Выбор того или иного метода диктуется экономическими соображениями, наличием соответствующих сырьевых и энергетических ресурсов. Например, в странах, где имеется дешёвая избыточная электроэнергия, вырабатываемая на гидроэлектростанциях, можно получать водород электролизом воды (Норвегия); где много твёрдого топлива и дороги углеводороды, можно получать водород газификацией твёрдого топлива (Китай); где дешёвая нефть, можно получать водород из жидких углеводородов (Ближний Восток). Однако больше всего водорода получают в настоящее время из углеводородных газов конверсией метана и его гомологов (США, Россия).

В процессе конверсии метана водяным паром, диоксидом углерода, кислородом и водяным паром протекают следующие каталитические реакции. Рассмотрим процесс получения водорода конверсией природного газа (метана).

Получение водорода осуществляется в три стадии. Первая стадия – конверсия метана в трубчатой печи:

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂↑ – 206,4 кДж/моль

или

CH₄ +CO₂ = 2CO + 2H₂↑ – 248, 3 кДж/моль.

Вторая стадия связана с доконверсией остаточного метана первой стадии кислородом воздуха и введением в газовую смесь азота, если водород используется для синтеза аммиака. (Если получается чистый водород, второй стадии принципиально может и не быть).

CH₄ + 0,5O2 = CO + 2H₂↑ + 35,6 кДж/моль.

И, наконец, третья стадия – конверсия оксида углерода водяным паром:

CO + H₂O = СO₂ + H₂↑ + 41,0 кДж/моль.

Для всех указанных стадий требуется водяной пар, а для первой стадии – много тепла, поэтому процесс в энерготехнологическом плане проводится таким образом, чтобы трубчатые печи снаружи обогревались сжигаемым в печах метаном, а остаточное тепло дымовых использовалось для получения водяного пара.

Таким образом, водород получают из метана, электролизом воды и газификацией твёрдого топлива.

Практическая часть

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате написанной работы я очень много узнал о таком важном, незаменимом, и интереснейшем веществе на нашей планете, как водород. Сколько бесценной информации уже смогли открыть учёные, изучая его, и сейчас, остаётся только гадать, что ещё можно открыть и узнать.

Я узнал, что у нашего мира ещё есть возможность хоть как то наладить экологическую обстановку, но захотят ли это сделать остальные, и будет ли им интересны дальнейшие разработки учёных этой отрасли, которые, тоже являются людьми этой планеты имеющие прямую заинтересованность в этом вопросе.

Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода – это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна. Водород получают из метана, электролизом воды и газификацией твёрдого топлива, без вреда окружающей среды.

В будущем потребление водорода будет расти более высокими темпами. Возникнет промышленность синтетического жидкого и газообразного топлива на базе твердых горючих ископаемых.

Как мы видим из всех доказательств, приведённых в работе, по тому, что мы узнали, мы теперь уверены, что водород – это не просто элемент, водород – топливо будущего.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

• Кузьменко Н. Е., Еремин В. В., Попков В. А. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы: Учебное пособие для вузов. — М.: Издательство «Экзамен», 2005.
• Учебный справочник школьника. Учебное издание. — М.: Дрофа, 2001.
• Дигонский С. В., Тен В. В. Неизвестный водород. — СПб: Наука, 2006. ISBN 5-02-025114-3
• Рифкин Дж. Если нефти больше нет... Кто возглавит мировую энергетическую революцию? = The Hidrogen Economy: The Creation of the World-Wide Energy Web and the Redistribution of Power on Earth. — М.: Секрет фирмы, 2006. — 416 с. — 3 000 экз. — ISBN 5-98888-004-5.
• Козлов С. И. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. - 520 с. - ISBN 5-89754-062-4;
• Кузык Б. Н., Яковец, Ю. В. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике. - М.: Институт экономических стратегий, 2007. - 400 с. - ISBN 978-5-93618-110-8;
• Клямкин С. Н. Водородная энергетика: достижения и проблемы / С. Н. Клямкин, Б. П. Тарасов // Возобновляемые источники энергии. Вып. 5: 6 Всерос. науч.-молодежная школа, Москва, 26-27 нояб. 2008 г. – М., 2008. – С. 147-157.
• Кузык Б. Партнерство государства и бизнеса: перспективы в сфере возобновляемых источников энергии // Проблемы теории и практики управления. – 2008. – № 7. – С. 8-19.
• Водород // Химическая энциклопедия: в 5 т / Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Абл—Дар. — С. 400—402. — 623 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-008-8.
• Водород // Химическая энциклопедия: в 5 т / Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Абл—Дар. — С. 400—402. — 623 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-008-8.
• Канило П. М., Костенко К. В. Перспективы становления водородной энергетики и транспорта // Автомобильный транспорт (Харьков). - 2008. - № 23. - С. 107-113.

 

Г.

СОДЕРЖАНИЕ

I. ВВЕДЕНИЕ

1.1 История открытия водорода

1.2 Водород в таблице Менделеева

1.3 Строение молекулы водорода

1.4 Физические и химические свойства водорода

1.5 Получение водорода

1.6 Применение водорода

II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Теоретическая часть

2.1.1 Водородная технология

2.1.2 Получение водорода

2.1.3 Получение водорода – будущая технология

2.1.4 Водородные двигатели

2.2 Практическая часть

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

I. ВВЕДЕНИЕ

В миллионы новых моделей автомобилей, которые сейчас выпускаются, заливают такое топливо, которое выпускает в атмосферу углекислый (СО₂) и угарный (СО) газы. Дышать таким воздухом и постоянно находиться в такой атмосфере представляет очень большую опасность для здоровья.

Влияние и польза водорода в наши дни очень велика. Практически все известные сейчас виды топлива, за исключением водорода, загрязняют окружающую среду.

 

Цели: Изучить самое экологически чистое топливо, и его применение.

Задачи: Предложить замену загрязняющим видам топлива.

Объект исследования: Свойства водорода.

Предмет исследования: Водородная технология.

Гипотеза: Водород можно использовать как самый экологически чистый вид топлива.

 

История открытия водорода

Водород ("рождающий воду") был открыт английским ученым Г. Кавендишем в 1766 году. Это самый простой элемент в природе - атом водорода имеет ядро и один электрон, наверное, по этой причине водород является самым распространенным элементом во Вселенной (составляет более половины массы большинства звезд).

Про водород можно сказать, что "мал золотник, да дорог". Несмотря на свою "простоту", водород дает энергию всем живым существам на Земле - на Солнце идет непрерывная термоядерная реакция в ходе которой из четырех атомов водорода образуется один атом гелия, данный процесс сопровождается выделением колоссального количества энергии В земной коре массовая доля водорода составляет всего 0,15%.

Между тем, подавляющее число (95%) всех известных на Земле химических веществ

содержат один или несколько атомов водорода.

 

Водород "открывает" Периодическую таблицу химических элементов Д. И. Менделеева, находясь в левом верхнем углу таблицы под почетным номером "1".

Главная особенность водорода, отличающая его от остальных элементов Периодической системы, заключается в том, что он "сидит" сразу на двух стульях, - в I и VII группах (в главных подгруппах). Такое "двуличие" водорода объясняется тем, что он имеет много общего, как с щелочными металлами, так и с галогенами. Атом водорода, как и атомы щелочных металлов, может окисляться, превращаясь в катион H⁺. С другой стороны, как и галогены, атом водорода может присоединять 1 электрон, проявляя свойства восстановителя, превращаясь в гидрид-ион H^-.

Водород в ряду электроотрицательности находится аккурат между типичными металлами и типичными неметаллами (электроотрицательность водорода равна 2,1).

Стабильные изотопы водорода:

• протий (¹H) - легкий водород, составляет 99,985%;
• дейтерий (²H) - тяжелый водород, 0,015%;
• тритий (³H) - на Земле содержится около 2 кг.

Строение атома водорода проще не придумаешь - вокруг ядра, состоящего из одного протона (заряд +1), вращается по единственной s-орбитали один электрон (см. Электронная структура атомов).

В соединениях с неметаллами (HCl, H₂O, CH₄...) водород отдает свой единственный электрон более электроотрицательным элементам, проявляя степень окисления +1 (чаще), образуя только ковалентные связи (см. Ковалентная связь).

В соединениях с металлами (NaH, CaH₂...) водород, наоборот, принимает на свою единственную s-орбиталь еще один электрон, пытаясь, таким образом, завершить свой электронный слой, проявляя степень окисления -1 (реже), образуя чаще ионную связь (см. Ионная связь), т. к., разность в электроотрицательности атома водорода и атома металла может быть достаточно большой.

H₂

В газообразном состоянии водород находится в виде двухатомных молекул, образуя неполярную ковалентную связь.

Молекулы водорода обладают:

• большой подвижностью;
• большой прочностью;
• малой поляризуемостью;
• малыми размерами и массой.

Свойства газа водорода:

• самый легкий в природе газ, без цвета и запаха;
• плохо растворяется в воде и органических растворителях;
• в незначительных кол-вах растворяется в жидких и твердых металлах (особенно в платине и палладии);
• трудно поддается сжижению (по причине своей малой поляризуемости);
• обладает самой высокой теплопроводностью из всех известных газов;
• при нагревании реагирует со многими неметаллами, проявляя свойства восстановителя;
• при комнатной температуре реагирует со фтором (происходит взрыв): H₂ + F₂ = 2HF;
• с металлами реагирует с образованием гидридов, проявляя окислительные свойства: H₂ + Ca = CaH₂;

В соединениях водород гораздо сильнее проявляет свои восстановительные свойства, чем окислительные. Водород является самым сильным восстановителем после угля, алюминия и кальция. Восстановительные свойства водорода широко используются в промышленности для получения металлов и неметаллов (простых веществ) из оксидов и галлидов.

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O

Водород в таблице Менделеева

В основе расположения химических элементов в периодической системе Менделеева лежит их атомный вес, рассчитанный относительно атомного веса водорода. То есть иными словами водород и его атомный вес является краеугольным камнем таблицы Менделеева, той точкой опоры, на основе которой великий химик создал свою систему. Поэтому не удивительно, что в таблице Менделеева водород занимает почетное первое место.

 

Помимо этого водород имеет такие характеристики:

• Атомная масса водорода составляет 1,00795.
• У водорода в наличии три изотопа, каждый из которых обладает индивидуальными свойствами.
• Водород – легкий элемент имеющий малую плотность.
• Водород обладает восстановительными и окислительными свойствами.
• Вступая в химические реакции с металлами, водород принимает их электрон и стает окислителем. Подобные соединения называются гидратами.

 

Строение молекулы водорода

Водород это газ, молекула его состоит из двух атомов.

 

Так схематически выглядит молекула водорода.

Молекулярный водород, образованный из таких вот двухатомных молекул взрывается при поднесенной горящей спичке. Молекула водорода при взрыве распадается на атомы, которые превращаются в ядра гелия. Именно таким образом происходят ядерные реакции на Солнце и других звездах – за счет постоянного распадение молекул водорода наше светило горит и обогревает нас своим теплом.