МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН
Ташкентский Архитектурно-Строительный Институт
Факультет Инженерно-Строительной Инфраструктуры
Практическая работа
по предмету Химии
на тему: «IA группа элементов Менделеева
Выполнил: Студент гр. Ким Лев
Принял: Преподаватель Ахмедов Р.Т.
Ташкент 2011г.
Водород. Получение
Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом - выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода - реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре:
СН4 + 2Н2O = CO2↑ + 4Н2 −165 кДж
Один из лабораторных способов получения водорода, который иногда применяется и в промышленности, - разложение воды электротоком.
Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.
В промышленности
.Электролиз водных растворов солей:
2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2
.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000 °C:
H2O + C ⇄ H2 + CO
.Из природного газа.
Конверсия с водяным паром:
4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (1000 °C)
Каталитическое окисление кислородом:
CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2
.Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
В лаборатории
.Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную соляную кислоту:
+ 2HCl → ZnCl2 + H2↑
.Взаимодействие кальция с водой:
+ 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑
.Гидролиз гидридов:
+ H2O → NaOH + H2↑
.Действие щелочей на цинк или алюминий:
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑+ 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + H2↑
5.С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:
H3O+ + 2e− → H2↑ + 2H2O
Физические свойства
Водород - самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.
Молекула водорода двухатомна - Н2. При нормальных условиях - это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н.у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания 120.9×106 Дж/кг, малорастворим в воде - 18,8 мл/л. Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.
Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C 0,0708 г/см³) и текучая (вязкость при −253 °C 13,8 спуаз). Критические параметры водорода очень низкие: температура −240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79 % пара-Н2, 0,21 % орто-Н2.
Твердый водород, температура плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см³ (при −262 °C) - снегоподобная масса, кристаллы гексогональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a=3,75 c=6,12. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние.
Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях) - в виде орто- и параводорода. В молекуле ортоводорода o-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) - противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H2 и p-H2 при заданной температуре называется равновесный водород e-H2.
Разделить модификации водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно (в условиях межзвёздной среды - с характерными временами вплоть до космологических), что даёт возможность изучить свойства отдельных модификаций.
Химические свойства
Молекулы водорода Н2 довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
Н2 = 2Н − 432 кДж
Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:
+ Н2 = СаН2
и с единственным неметаллом - фтором, образуя фтороводород:
2 + H2 = 2HF
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении:
О2 + 2Н2 = 2Н2О
Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:
+ Н2 = Cu + Н2O
Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.
2 + 3H2 → 2NH3
С галогенами образует галогеноводороды:
2 + H2 → 2HF
, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,
2 + H2 → 2HCl
, реакция протекает со взрывом, только на свету.
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
+ 2H2 → CH4
Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами
При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:
2Na + H2 → 2NaH+ H2 → CaH2
Mg + H2 → MgH2
Гидриды - солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:
CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2↑
Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)
Оксиды восстанавливаются до металлов:
CuO + H2 → Cu + H2O
Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O3 + 3H2 → W + 3H2O
Применение
Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.
Химическая промышленность
При производстве аммиака, метанола, мыла и пластмасс
Пищевая промышленность
При производстве маргарина из жидких растительных масел.
Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 (упаковочный газ, класс «Прочие»). Входит в список пищевых добавок, допустимых к применению в пищевой промышленности Российской Федерации в качестве вспомогательного средства для производства пищевой продукции.[источник не указан 283 дня]
Авиационная промышленность
Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько катастроф, в ходе которых дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием, несмотря на его существенно более высокую стоимость.
Водород используют в качестве ракетного топлива.
Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающую среду и выделяют только водяной пар.
В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.
Литий. Получение
В настоящее время для получения металлического лития его природные минералы или разлагают серной кислотой (кислотный способ), или спекают с CaO или CaCO3 (щелочной способ), или обрабатывают K2SO4 (солевой способ), а затем выщелачивают водой. В любом случае из полученного раствора выделяют плохо растворимый карбонат лития Li2CO3, который затем переводят в хлорид LiCl. Электролиз расплава хлорида лития проводят в смеси с KCl или BaCl2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси).
LiCl = 2Li + Cl2
В дальнейшем полученный литий очищают методом вакуумной дистилляции.
