Водень. Фізичні властивості. Добування.

Фізичні властивості водню.

Гідроген утворює одну просту речовину, що складається з двохатомних молекул Н2, у яких два атоми Гідрогену за рахунок перекривання 1s-орбіталей сполучаються ковалентним одинарним σ-зв’язком: Н-Н (мал. 1). Енергія зв’язку  у молекулі водню становить 436 кДж/моль. Велика величина енергії зв’язку пояснює порівняно низьку активність молекулярного водню за звичайних умовах.

У твердому стані водень має молекулярну кристалічну ґратку.

Мал. 1. Схема утворення молекули водню.

Фізичні властивості водню наведені у таблиці 1.

Водень — газ без кольору і запаху, найлегший за всі інші гази.  Дуже погано розчиняється як у воді, так і органічних розчинниках. Тому водень збирають витисненням повітря у посудину, яку тримають отвором донизу, або витисненням води (відео 1 і 2).

Відео 1. Збирання водню витисненням повітря.

Відео 2. Збирання водню витисненням води.

Водень добре розчиняється у багатьох металах: паладії, платині, нікелю, кобальті та ін. Найбільша розчинність водню у паладії — 850 об’ємів водню на один об’єм металу. Розчинність водню у металах пояснюється дифузією його молекул у кристалічну ґратку металу внаслідок дуже малих розмірів молекул. 

Таблиця 1. Фізичні властивості водню.

Температура плавлення -259 °С
Температура кипіння  -253 °С
Густина за н. у. 0,09  г/л
Густина за -259 °С 0,07 г/см3
Розчинність у воді за температури 20 ° С і тиску 1 атм 2 об’єми у 100 об’ємах води
Теплопровідність у 7 разів вища за теплопровідність повітря

Добування водню

Водень в чистому вигляді вперше виділив англійський хімік Генрі Кавендіш у 1766 році.

Лабораторні способи добування водню

У лабораторії для добування водню використовують декілька способів.

1. Дія розведених кислот (крім нітратної) на метали, що розташовані у електрохімічному ряді напруг лівіше водню. Для цього найчастіше використовують цинк і хлоридну кислоту (відео 3):

Zn +2НСl =ZnСl22↑.

Відео 3. Добування водню взаємодією цинку з хлоридною кислотою в апараті Кіппа.
2. Дія розчинів лугів на цинк або алюміній (відео 4):

Al + NaOH + H2O → Na3[Al(OH)6] + H2↑.

Доберемо коефіцієнти методом електронного балансу

2Al + 6NaOH + 6H2O = 2Na3[Al(OH)6] + 3H2↑.

Відео 4. Взаємодія алюмінію з розчином натрій гідроксиду.

3. Взаємодія лужних і лужноземельних металів, найчастіше кальцію, з водою

Ca + H2O = Ca(OH)2 + H2↑.

4. Гідроліз гідридів металічних елементів

NaH + H2O = NaOH + H2↑.

5. Електроліз водних розчинів солей  і кислот.

Наприклад, при електролізі водного розчину натрій хлориду на катоді виділяється водень, а на аноді — хлор:

2NaCl + 2H2O = H2↑ + Cl2↑ + 2NaOH.

При електролізі водного розчину натрій сульфату на катоді виділяється водень, а на аноді — кисень, тобто електролізу піддається тільки вода (відео 5):

2О = 2Н2 + О2.

Більше про електроліз водних розчинів можна дізнатись в темі «Електроліз водних розчинів електролітів» 

Відео 5. Електроліз водного розчину кислоти.

Промислові способи добування водню

Світовий рівень промислового добування водню в наш час досягає майже 60 мільйонів тонн на рік.

В наш час найбільш економічним є процес виробництва водню з метану.

Водень отримують конверсією природного газу, що містить метан, з водяною парою.

На першій стадії отримують синтез-газ:

СН42О ⇄ СО + 2Н2

На другій стадії синтез-газ пропускають над каталізатором; при цьому СО також реагує з водою:

СО + Н2О + С ⇄ 2СО2 + Н2.

Надалі із отриманої суміші карбон(ІV)  оксид видаляють розчиненням його у воді під високим тиском.

Також водень можна отримати конверсією вугілля, пропусканням пари води над розпеченим коксом, при температурі 1000 ° С:

Н2О + С ⇄ 2 Н2 + СО

В якості побічного продукту водень отримують під час крекінгу і риформінгу вуглеводнів, наприклад, крекінгу метану при температурах ~ 1000-1500 ° С :

СН4 → С +2Н2

В промисловості водень також отримують електролізом води, у яку для збільшення електропровідності додають електроліти,  найчастіше, натрій гідроксид, сульфатну кислоту або її солі.

ВИСНОВКИ

Молекула водню складається з двох атомів Гідрогену.
Водень за звичайних умов —  неотруйний газ без кольору, запаху, смаку, малорозчинний у воді.
Водень добре розчиняється у багатьох металах.
У лабораторії водень добувають взаємодією розведених кислот з металами, алюмінію або цинку з водними розчинами лугів, лужних і лужноземельних металів з водою, гідролізом гідридів металічних елементів, електролізом води.
Водень збирають витисненням води, або витисненням повітря у посудину, яку тримають отвором донизу.
У промисловості водень найчастіше добувають конверсією метану або вугілля та електролізом води. 

Питання для закріплення знань.

1. Опишіть фізичні властивості водню.

2. Якими способами можна збирати водень у пробірку? На яких властивостях водню ґрунтуються ці способи?

3. Назвіть основні способи добування водню в промисловості та в лабораторії. Напишіть рівняння відповідних хімічних реакцій.

4. У лабораторії є магній, срібло, залізо, алюміній, цинк, мідь. Які з цих металів можна використати для добування водню. Які ще речовини потрібно застосувати в кожному випадку? Складіть рівняння відповідних реакцій.

5. Чи є електроліз води абсолютно екологічно чистим способом добування водню?