Gleichung der chemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff. Wasserstoff. Eigenschaften, Herstellung, Anwendung. Historische Referenz. Wechselwirkung von Halogenen mit Nichtmetallen

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum. Dies ist die Grundlage der brennbaren Materie der Sterne.

Wasserstoff ist das erste chemische Element im Periodensystem von Mendelejew. Sein Atom hat den einfachsten Aufbau: Ein einzelnes Elektron rotiert um das Elementarteilchen „Proton“ (Atomkern):

Natürlicher Wasserstoff besteht aus drei Isotopen: Protium 1H, Deuterium 2H und Tritium 3H.

Aufgabe 12.1. Geben Sie die Struktur der Atomkerne dieser Isotope an.

Mit einem Elektron auf der äußeren Ebene kann das Wasserstoffatom die einzig mögliche Wertigkeit I aufweisen:

Frage. Entsteht eine abgeschlossene äußere Ebene, wenn ein Wasserstoffatom Elektronen aufnimmt?

Somit kann ein Wasserstoffatom sowohl annehmen als auch abgeben eins Elektron, also ein typisches Nichtmetall. IN beliebig Verbindungen Wasserstoffatom eins Valentin

Einfache Substanz „Wasserstoff“ H 2- Gas ist farb- und geruchlos, sehr leicht. Es ist in Wasser schlecht löslich, in vielen Metallen jedoch gut löslich. Also ein Volumen Palladium Рd absorbiert bis zu 900 Volumina Wasserstoff.

Schema (1) zeigt, dass Wasserstoff sowohl ein Oxidationsmittel als auch ein Reduktionsmittel sein kann und mit aktiven Metallen und vielen Nichtmetallen reagiert:

Aufgabe 12.2. Bestimmen Sie, bei welchen Reaktionen Wasserstoff ein Oxidationsmittel und bei welchen ein Reduktionsmittel ist. beachten Sie, dass Ein Wasserstoffmolekül besteht aus zwei Atomen.

Ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff ist ein „explosives Gas“, denn bei seiner Entzündung kommt es zu einer gewaltigen Explosion, die schon viele Menschenleben gefordert hat. Daher müssen Experimente, bei denen Wasserstoff freigesetzt wird, fern von Feuer durchgeführt werden.

Am häufigsten weist Wasserstoff reduzierende Eigenschaften auf, die bei der Herstellung reiner Metalle aus ihren Oxiden* verwendet werden:

* Aluminium weist ähnliche Eigenschaften auf (siehe Lektion 10 – Aluminothermie).

Zwischen Wasserstoff und organischen Verbindungen finden vielfältige Reaktionen statt. Aufgrund der Zugabe von Wasserstoff ( Hydrierung) flüssige Fette werden zu festen Fetten (mehr Details in Lektion 25).

Wasserstoff kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden:

• Wechselwirkung von Metallen mit Säuren:

Aufgabe 12.3. Aluminium, Kupfer und Zink mit Salzsäure. In welchen Fällen tritt die Reaktion nicht auf? Warum? Bei Schwierigkeiten siehe Lektionen 2.2 und 8.3;

• Wechselwirkung aktiver Metalle mit Wasser:

Aufgabe 12.4. Schreiben Sie Gleichungen für diese Reaktionen auf Natrium, Barium, Aluminium, Eisen, Blei. In welchen Fällen tritt die Reaktion nicht auf? Warum? Wenn Sie Schwierigkeiten haben, lesen Sie Lektion 8.3.

Im industriellen Maßstab wird Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser hergestellt:

und auch beim Durchleiten von Wasserdampf durch heiße Eisenspäne:

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum. Es macht den größten Teil der Masse von Sternen aus und ist an der Kernfusion beteiligt, der Energiequelle, die diese Sterne aussenden.

Sauerstoff

Sauerstoff ist das häufigste chemische Element auf unserem Planeten: Mehr als die Hälfte der Atome in der Erdkruste sind Sauerstoff. Der Stoff Sauerstoff O2 macht etwa 1/5 unserer Atmosphäre aus und das chemische Element Sauerstoff macht 8/9 der Hydrosphäre (des Weltozeans) aus.

Im Periodensystem von Mendelejew hat Sauerstoff die laufende Nummer 8 und gehört zur Gruppe VI der zweiten Periode. Daher ist die Struktur des Sauerstoffatoms wie folgt:

Mit 6 Elektronen in der äußeren Ebene ist Sauerstoff ein typisches Nichtmetall, d. h. es addiert zwei Elektron, bis die äußere Ebene abgeschlossen ist:

Daher weist Sauerstoff in seinen Verbindungen eine Wertigkeit auf II und Oxidationsstufe –2 (außer Peroxide).

Durch die Aufnahme von Elektronen weist das Sauerstoffatom die Eigenschaften eines Oxidationsmittels auf. Diese Eigenschaft des Sauerstoffs ist äußerst wichtig: Bei der Atmung und dem Stoffwechsel treten Oxidationsprozesse auf; Bei der Verbrennung einfacher und komplexer Stoffe treten Oxidationsprozesse auf.

Verbrennung – Oxidation einfacher und komplexer Stoffe, was mit der Freisetzung von Licht und Wärme einhergeht. Fast alle Metalle und Nichtmetalle verbrennen oder oxidieren in einer Sauerstoffatmosphäre. Dabei entstehen Oxide:

* Genauer gesagt Fe 3 O 4.

Beim Brennen in Sauerstoff komplexe Substanzen es entstehen Oxide chemischer Elemente, in der Originalsubstanz enthalten. Lediglich Stickstoff und Halogene werden in Form einfacher Stoffe freigesetzt:

Die zweite dieser Reaktionen wird seit Methan als Wärme- und Energiequelle im Alltag und in der Industrie genutzt CH 4 ist Bestandteil von Erdgas.

Sauerstoff ermöglicht die Intensivierung vieler industrieller und biologischer Prozesse. Sauerstoff wird in großen Mengen aus der Luft sowie durch Elektrolyse von Wasser (wie Wasserstoff) gewonnen. In geringen Mengen kann es durch Zersetzung komplexer Stoffe gewonnen werden:

Aufgabe 12.5. Platzieren Sie die Koeffizienten in den hier angegebenen Reaktionsgleichungen.

Wasser

Wasser ist durch nichts ersetzbar – deshalb unterscheidet es sich von fast allen anderen Stoffen, die auf unserem Planeten vorkommen. Wasser kann nur durch Wasser selbst ersetzt werden. Ohne Wasser gibt es kein Leben: Schließlich entstand das Leben auf der Erde, als Wasser auf ihr erschien. Das Leben entstand im Wasser, weil es ein natürliches Universum ist Lösungsmittel. Es löst alle notwendigen Nährstoffe auf, zerkleinert sie und stellt sie den Zellen lebender Organismen zur Verfügung. Und durch das Mahlen nimmt die Geschwindigkeit chemischer und biochemischer Reaktionen stark zu. Darüber hinaus können ohne vorherige Auflösung 99,5 % (199 von 200) Reaktionen nicht stattfinden! (Siehe auch Lektion 5.1.)

Es ist bekannt, dass ein Erwachsener täglich 2,5–3 Liter Wasser zu sich nehmen sollte und die gleiche Menge aus dem Körper ausgeschieden wird: Das heißt, im menschlichen Körper herrscht ein Wasserhaushalt. Wenn dagegen verstoßen wird, kann eine Person einfach sterben. Beispielsweise verursacht der Verlust von nur 1–2 % Wasser bei einer Person Durst und 5 % erhöhen die Körpertemperatur aufgrund einer Verletzung der Thermoregulation: Herzklopfen und Halluzinationen treten auf. Ab einem Wasserverlust im Körper von 10 % kommt es zu Veränderungen, die unter Umständen bereits irreversibel sind. Die Person wird an Dehydrierung sterben.

Wasser ist eine einzigartige Substanz. Sein Siedepunkt sollte bei –80 °C (!) liegen, liegt aber bei +100 °C. Warum? Denn zwischen Polaren bilden sich Wassermoleküle Wasserstoffbrücken:

Daher sind sowohl Eis als auch Schnee locker und nehmen mehr Volumen ein als flüssiges Wasser. Dadurch steigt Eis an die Wasseroberfläche und schützt die Bewohner von Stauseen vor dem Einfrieren. Frisch gefallener Schnee enthält viel Luft und ist ein hervorragender Wärmeisolator. Wenn Schnee den Boden in einer dicken Schicht bedeckt, werden sowohl Tiere als auch Pflanzen vor den stärksten Frösten bewahrt.

Darüber hinaus verfügt Wasser über eine hohe Wärmekapazität und ist eine Art Wärmespeicher. Daher ist das Klima an den Küsten der Meere und Ozeane mild und gut bewässerte Pflanzen leiden weniger unter Frost als trockene.

Ohne Wasser geht es grundsätzlich nicht Hydrolyse, eine chemische Reaktion, die notwendigerweise mit der Aufnahme von Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten einhergeht obligatorisch Bestandteile unserer Nahrung. Durch die Hydrolyse zerfallen diese komplexen organischen Substanzen in Substanzen mit niedrigem Molekulargewicht, die tatsächlich von einem lebenden Organismus aufgenommen werden (weitere Einzelheiten finden Sie in den Lektionen 25–27). Hydrolyseprozesse haben wir in Lektion 6 besprochen. Wasser reagiert mit vielen Metallen und Nichtmetallen, Oxiden und Salzen.

Aufgabe 12.6. Schreiben Sie die Reaktionsgleichungen auf:

1. Natrium + Wasser →
2. Chlor + Wasser →
3. Calciumoxid + Wasser →
4. Schwefeloxid (IV) + Wasser →
5. Zinkchlorid + Wasser →
6. Natriumsilikat + Wasser →

Ändert sich dadurch die Reaktion des Mediums (pH)?

Wasser ist Produkt viele Reaktionen. Beispielsweise entsteht bei der Neutralisationsreaktion und in vielen ORRs zwangsläufig Wasser.

Aufgabe 12.7. Schreiben Sie Gleichungen für diese Reaktionen auf.

Schlussfolgerungen

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende chemische Element im Universum und Sauerstoff ist das am häufigsten vorkommende chemische Element auf der Erde. Diese Stoffe weisen gegensätzliche Eigenschaften auf: Wasserstoff ist ein Reduktionsmittel und Sauerstoff ist ein Oxidationsmittel. Daher reagieren sie leicht miteinander und bilden die erstaunlichste und am weitesten verbreitete Substanz auf der Erde – Wasser.

Industrielle Methoden zur Herstellung einfacher Stoffe hängen davon ab, in welcher Form das entsprechende Element in der Natur vorkommt, also der Rohstoff für seine Herstellung sein kann. So wird Sauerstoff, der in freiem Zustand vorliegt, physikalisch gewonnen – durch Abtrennung aus flüssiger Luft. Fast der gesamte Wasserstoff liegt in Form von Verbindungen vor, daher werden zu seiner Gewinnung chemische Methoden eingesetzt. Insbesondere können Zersetzungsreaktionen eingesetzt werden. Eine Möglichkeit, Wasserstoff herzustellen, ist die Zersetzung von Wasser durch elektrischen Strom.

Die wichtigste industrielle Methode zur Herstellung von Wasserstoff ist die Reaktion von Methan, das Bestandteil von Erdgas ist, mit Wasser. Es wird bei hoher Temperatur durchgeführt (es ist leicht zu überprüfen, dass beim Durchleiten von Methan selbst durch kochendes Wasser keine Reaktion auftritt):

CH 4 + 2H 2 0 = CO 2 + 4H 2 - 165 kJ

Um einfache Stoffe zu gewinnen, greift man im Labor nicht unbedingt auf natürliche Rohstoffe zurück, sondern wählt solche Ausgangsstoffe aus, aus denen sich der benötigte Stoff leichter isolieren lässt. Im Labor wird beispielsweise Sauerstoff nicht aus der Luft gewonnen. Gleiches gilt für die Produktion von Wasserstoff. Eine der Labormethoden zur Herstellung von Wasserstoff, die manchmal in der Industrie eingesetzt wird, ist die Zersetzung von Wasser durch elektrischen Strom.

Typischerweise wird Wasserstoff im Labor durch die Reaktion von Zink mit Salzsäure hergestellt.

In der Industrie

1.Elektrolyse wässriger Salzlösungen:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Wasserdampf über heißes Koks leiten bei Temperaturen um 1000°C:

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.Aus Erdgas.

Dampfumwandlung: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Katalytische Oxidation mit Sauerstoff: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Cracken und Reformieren von Kohlenwasserstoffen bei der Ölraffinierung.

Im Labor

1.Die Wirkung verdünnter Säuren auf Metalle. Zur Durchführung dieser Reaktion werden am häufigsten Zink und Salzsäure verwendet:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Wechselwirkung von Kalzium mit Wasser:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Hydrolyse von Hydriden:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Wirkung von Alkalien auf Zink oder Aluminium:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.Mit Elektrolyse. Bei der Elektrolyse wässriger Lösungen von Laugen oder Säuren wird an der Kathode Wasserstoff freigesetzt, zum Beispiel:

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

• Bioreaktor zur Wasserstoffproduktion

Physikalische Eigenschaften

Wasserstoffgas kann in zwei Formen (Modifikationen) vorliegen – in Form von Ortho- und Para-Wasserstoff.

In einem Orthowasserstoffmolekül (Schmelzpunkt −259,10 °C, Siedepunkt −252,56 °C) sind die Kernspins identisch (parallel) gerichtet, und in Parawasserstoff (Schmelzpunkt −259,32 °C, Siedepunkt −252,89 °C) – einander entgegengesetzt (antiparallel).

Allotrope Formen von Wasserstoff können durch Adsorption an Aktivkohle bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff abgetrennt werden. Bei sehr niedrigen Temperaturen verschiebt sich das Gleichgewicht zwischen Orthowasserstoff und Parawasserstoff fast vollständig zu Letzterem. Bei 80 K beträgt das Formenverhältnis etwa 1:1. Beim Erhitzen wird desorbierter Parawasserstoff in Orthowasserstoff umgewandelt, bis eine Mischung entsteht, die bei Raumtemperatur im Gleichgewicht ist (Ortho-Para: 75:25). Ohne Katalysator erfolgt die Umwandlung langsam, was es ermöglicht, die Eigenschaften einzelner allotroper Formen zu untersuchen. Das Wasserstoffmolekül ist zweiatomig – H₂. Unter normalen Bedingungen ist es ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Wasserstoff ist das leichteste Gas, seine Dichte ist um ein Vielfaches geringer als die Dichte von Luft. Offensichtlich ist ihre Geschwindigkeit bei gleicher Temperatur umso höher, je kleiner die Masse der Moleküle ist. Als leichteste Moleküle bewegen sich Wasserstoffmoleküle schneller als die Moleküle jedes anderen Gases und können daher Wärme schneller von einem Körper auf einen anderen übertragen. Daraus folgt, dass Wasserstoff unter den gasförmigen Stoffen die höchste Wärmeleitfähigkeit aufweist. Seine Wärmeleitfähigkeit ist etwa siebenmal höher als die Wärmeleitfähigkeit von Luft.

Chemische Eigenschaften

Wasserstoffmoleküle H₂ sind ziemlich stark, und damit Wasserstoff reagieren kann, muss viel Energie aufgewendet werden: H 2 = 2H - 432 kJ Daher reagiert Wasserstoff bei normalen Temperaturen nur mit sehr aktiven Metallen, beispielsweise Calcium, und bildet Calcium Hydrid: Ca + H 2 = CaH 2 und mit dem einzigen Nichtmetall - Fluor unter Bildung von Fluorwasserstoff: F 2 + H 2 = 2HF Mit den meisten Metallen und Nichtmetallen reagiert Wasserstoff beispielsweise bei erhöhten Temperaturen oder unter anderen Einflüssen , Beleuchtung. Es kann einigen Oxiden Sauerstoff „entziehen“, zum Beispiel: CuO + H 2 = Cu + H 2 0 Die geschriebene Gleichung spiegelt die Reduktionsreaktion wider. Reduktionsreaktionen sind Prozesse, bei denen einer Verbindung Sauerstoff entzogen wird; Stoffe, die Sauerstoff entziehen, werden Reduktionsmittel genannt (sie oxidieren selbst). Darüber hinaus wird eine weitere Definition der Begriffe „Oxidation“ und „Reduktion“ gegeben. Und diese historisch erste Definition behält auch heute noch ihre Bedeutung, insbesondere in der organischen Chemie. Die Reduktionsreaktion ist das Gegenteil der Oxidationsreaktion. Beide Reaktionen laufen immer gleichzeitig als ein Prozess ab: Wenn ein Stoff oxidiert (reduziert) wird, erfolgt notwendigerweise gleichzeitig die Reduktion (Oxidation) eines anderen Stoffes.

N 2 + 3H 2 → 2 NH 3

Formen mit Halogenen Halogenwasserstoffe:

F 2 + H 2 → 2 HF, die Reaktion läuft explosionsartig im Dunkeln und bei jeder Temperatur ab, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, die Reaktion läuft explosionsartig ab, nur im Licht.

Bei starker Hitze interagiert es mit Ruß:

C + 2H 2 → CH 4

Wechselwirkung mit Alkali- und Erdalkalimetallen

Wasserstoff bildet sich mit aktiven Metallen Hydride:

Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2

Hydride- salzartige, feste Stoffe, leicht hydrolysierbar:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Wechselwirkung mit Metalloxiden (meist D-Elemente)

Oxide werden zu Metallen reduziert:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Hydrierung organischer Verbindungen

Wenn Wasserstoff in Gegenwart eines Nickelkatalysators und bei erhöhten Temperaturen auf ungesättigte Kohlenwasserstoffe einwirkt, kommt es zu einer Reaktion Hydrierung:

CH 2 =CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

Wasserstoff reduziert Aldehyde zu Alkoholen:

CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.

Geochemie von Wasserstoff

Wasserstoff ist der Hauptbaustoff des Universums. Es ist das häufigste Element und alle Elemente entstehen daraus durch thermonukleare und nukleare Reaktionen.

Freier Wasserstoff H2 ist in terrestrischen Gasen relativ selten, nimmt aber in Form von Wasser eine äußerst wichtige Rolle in geochemischen Prozessen ein.

Wasserstoff kann in Mineralien in Form von Ammoniumionen, Hydroxylionen und kristallinem Wasser vorhanden sein.

In der Atmosphäre entsteht durch die Zersetzung von Wasser durch Sonneneinstrahlung kontinuierlich Wasserstoff. Es wandert in die obere Atmosphäre und entweicht in den Weltraum.

Anwendung

• Wasserstoffenergie

Beim atomaren Wasserstoffschweißen wird atomarer Wasserstoff verwendet.

In der Lebensmittelindustrie ist Wasserstoff als Lebensmittelzusatzstoff registriert E949, wie Verpackungsgas.

Merkmale der Behandlung

Wasserstoff bildet mit Luft ein explosionsfähiges Gemisch – das sogenannte Knallgas. Dieses Gas ist am explosivsten, wenn das Volumenverhältnis von Wasserstoff und Sauerstoff 2:1 oder Wasserstoff und Luft etwa 2:5 beträgt, da Luft etwa 21 % Sauerstoff enthält. Wasserstoff ist auch brandgefährlich. Flüssiger Wasserstoff kann bei Hautkontakt schwere Erfrierungen verursachen.

Explosionsfähige Konzentrationen von Wasserstoff und Sauerstoff treten zwischen 4 und 96 Vol.-% auf. Bei Mischung mit Luft von 4 bis 75 (74) Volumenprozent.

Wasserstoffnutzung

In der chemischen Industrie wird Wasserstoff zur Herstellung von Ammoniak, Seife und Kunststoffen verwendet. In der Lebensmittelindustrie wird Margarine aus flüssigen Pflanzenölen unter Verwendung von Wasserstoff hergestellt. Wasserstoff ist sehr leicht und steigt immer in die Luft. Es waren einmal Luftschiffe und Ballons, die mit Wasserstoff gefüllt waren. Aber in den 30ern. 20. Jahrhundert Mehrere schreckliche Katastrophen ereigneten sich, als Luftschiffe explodierten und brannten. Heutzutage sind Luftschiffe mit Heliumgas gefüllt. Wasserstoff wird auch als Raketentreibstoff verwendet. Eines Tages könnte Wasserstoff in großem Umfang als Kraftstoff für Pkw und Lkw eingesetzt werden. Wasserstoffmotoren belasten die Umwelt nicht und stoßen nur Wasserdampf aus (obwohl die Produktion von Wasserstoff selbst zu einer gewissen Umweltverschmutzung führt). Unsere Sonne besteht größtenteils aus Wasserstoff. Sonnenwärme und Licht sind das Ergebnis der Freisetzung von Kernenergie durch die Fusion von Wasserstoffkernen.

Wasserstoff als Kraftstoff nutzen (kostengünstig)

Die wichtigste Eigenschaft von Brennstoffen ist ihre Verbrennungswärme. Aus der allgemeinen Chemie ist bekannt, dass die Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff unter Freisetzung von Wärme abläuft. Wenn wir unter Standardbedingungen 1 Mol H 2 (2 g) und 0,5 Mol O 2 (16 g) nehmen und die Reaktion anregen, dann gemäß der Gleichung

H 2 + 0,5 O 2 = H 2 O

Nach Abschluss der Reaktion entsteht 1 Mol H 2 O (18 g) unter Freisetzung einer Energie von 285,8 kJ/mol (zum Vergleich: Die Verbrennungswärme von Acetylen beträgt 1300 kJ/mol, Propan - 2200 kJ/mol) . 1 m³ Wasserstoff wiegt 89,8 g (44,9 mol). Für die Herstellung von 1 m³ Wasserstoff werden also 12832,4 kJ Energie aufgewendet. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass 1 kWh = 3600 kJ, erhalten wir 3,56 kWh Strom. Wenn wir den Tarif für 1 kWh Strom und die Kosten für 1 m³ Gas kennen, können wir daraus schließen, dass es ratsam ist, auf Wasserstoff als Brennstoff umzusteigen.

Beispielsweise legt das Honda FCX-Versuchsmodell der 3. Generation mit einem 156-Liter-Wasserstofftank (enthält 3,12 kg Wasserstoff unter einem Druck von 25 MPa) 355 km zurück. Demnach werden aus 3,12 kg H2 123,8 kWh gewonnen. Pro 100 km beträgt der Energieverbrauch 36,97 kWh. Wenn man die Stromkosten, die Kosten für Gas oder Benzin und deren Verbrauch für ein Auto pro 100 km kennt, kann man leicht die negativen wirtschaftlichen Auswirkungen der Umstellung von Autos auf Wasserstoff als Kraftstoff berechnen. Nehmen wir an (Russland 2008), 10 Cent pro kWh Strom führen dazu, dass 1 m³ Wasserstoff zu einem Preis von 35,6 Cent führt, und unter Berücksichtigung der Effizienz der Wasserzersetzung von 40-45 Cent die gleiche Menge an kWh aus der Verbrennung von Benzin kostet 12832,4 kJ/42000 kJ/0,7 kg/l*80 Cent/l=34 Cent zu Einzelhandelspreisen, während wir für Wasserstoff die ideale Option berechnet haben, ohne Berücksichtigung von Transport, Wertverlust der Ausrüstung usw. Für Methan mit Bei einer Verbrennungsenergie von etwa 39 MJ pro m³ wird das Ergebnis aufgrund des Preisunterschieds zwei- bis viermal niedriger ausfallen (1 m³ kostet für die Ukraine 179 $, für Europa 350 $). Das heißt, eine entsprechende Menge Methan kostet 10 bis 20 Cent.

Wir sollten jedoch nicht vergessen, dass wir bei der Verbrennung von Wasserstoff sauberes Wasser erhalten, aus dem er gewonnen wurde. Das heißt, wir haben eine erneuerbare Hamsterer Energie, ohne die Umwelt zu schädigen, im Gegensatz zu Gas oder Benzin, die primäre Energiequellen sind.

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§3. Reaktionsgleichung und wie man sie schreibt

Interaktion Wasserstoff Mit Sauerstoff führt, wie Sir Henry Cavendish feststellte, zur Bildung von Wasser. Anhand dieses einfachen Beispiels lernen wir, wie man komponiert chemische Reaktionsgleichungen.
Was dabei herauskommt Wasserstoff Und Sauerstoff, Wir wissen es schon:

H 2 + O 2 → H 2 O

Bedenken wir nun, dass Atome chemischer Elemente bei chemischen Reaktionen nicht verschwinden und nicht aus dem Nichts auftauchen, sich nicht ineinander umwandeln, sondern in neuen Kombinationen kombinieren, wodurch neue Moleküle entstehen. Das bedeutet, dass in der Gleichung einer chemischen Reaktion von jeder Art gleich viele Atome vorhanden sein müssen Vor Reaktionen ( links vom Gleichheitszeichen) und nach das Ende der Reaktion ( rechts aus dem Gleichheitszeichen), etwa so:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O

Das ist es Reaktionsgleichung - bedingte Erfassung einer laufenden chemischen Reaktion anhand von Stoffformeln und Koeffizienten.

Dies bedeutet, dass in der gegebenen Reaktion zwei Maulwürfe Wasserstoff muss mit reagieren ein Maulwurf Sauerstoff, und das Ergebnis wird sein zwei Maulwürfe Wasser.

Interaktion Wasserstoff Mit Sauerstoff– überhaupt kein einfacher Vorgang. Es führt zu einer Änderung der Oxidationsstufen dieser Elemente. Um Koeffizienten in solchen Gleichungen auszuwählen, verwenden sie normalerweise das „ elektronische Balance".

Wenn aus Wasserstoff und Sauerstoff Wasser entsteht, bedeutet das das Wasserstoffänderte seinen Oxidationszustand von 0 Vor +Ich, A Sauerstoff- aus 0 Vor −II. In diesem Fall gingen mehrere von Wasserstoffatomen zu Sauerstoffatomen über. (N) Elektronen:

Hier dient der Elektronen spendende Wasserstoff Reduktionsmittel, und Sauerstoff nimmt Elektronen auf Oxidationsmittel.

Oxidationsmittel und Reduktionsmittel

Sehen wir uns nun an, wie die Prozesse der Abgabe und Aufnahme von Elektronen getrennt voneinander aussehen. Wasserstoff Nachdem es dem „Räuber“ Sauerstoff begegnet ist, verliert es alle seine Vermögenswerte – zwei Elektronen, und seine Oxidationsstufe wird gleich +Ich:

N 2 0 − 2 e− = 2Н +I

Passiert Oxidationshalbreaktionsgleichung Wasserstoff.

Und der Bandit- Sauerstoff O 2 Nachdem er dem unglücklichen Wasserstoff die letzten Elektronen entzogen hat, ist er sehr zufrieden mit seiner neuen Oxidationsstufe -II:

O2+4 e− = 2O −II

Das Reduktionshalbreaktionsgleichung Sauerstoff.

Es bleibt hinzuzufügen, dass sowohl der „Bandit“ als auch sein „Opfer“ ihre chemische Individualität verloren haben und aus einfachen Substanzen bestehen – Gasen mit zweiatomigen Molekülen H 2 Und O 2 in Bestandteile einer neuen chemischen Substanz umgewandelt - Wasser H 2 O.

Weiter werden wir wie folgt argumentieren: Wie viele Elektronen hat das Reduktionsmittel dem oxidierenden Banditen gegeben, so viele Elektronen hat er erhalten. Die Anzahl der vom Reduktionsmittel abgegebenen Elektronen muss gleich der Anzahl der vom Oxidationsmittel aufgenommenen Elektronen sein.

Es ist also notwendig Gleichen Sie die Anzahl der Elektronen aus in der ersten und zweiten Halbreaktion. In der Chemie wird die folgende herkömmliche Form zum Schreiben von Halbreaktionsgleichungen akzeptiert:

	2 N 2 0 − 2 e− = 2Н +I
	1 O 2 0 + 4 e− = 2O −II

Hier sind die Zahlen 2 und 1 links von der geschweiften Klammer Faktoren, die dazu beitragen, dass die Anzahl der abgegebenen und empfangenen Elektronen gleich ist. Berücksichtigen wir, dass in den Halbreaktionsgleichungen 2 Elektronen gegeben und 4 akzeptiert sind. Um die Anzahl der akzeptierten und gegebenen Elektronen auszugleichen, ermitteln Sie das kleinste gemeinsame Vielfache und zusätzliche Faktoren. In unserem Fall ist das kleinste gemeinsame Vielfache 4. Die zusätzlichen Faktoren für Wasserstoff betragen 2 (4: 2 = 2) und für Sauerstoff - 1 (4: 4 = 1).
Die resultierenden Multiplikatoren dienen als Koeffizienten der zukünftigen Reaktionsgleichung:

2H 2 0 + O 2 0 = 2H 2 +I O −II

Wasserstoff oxidiert nicht nur beim Treffen mit Sauerstoff. Auf Wasserstoff wirken sie ungefähr gleich. Fluor F 2, ein Halogen und ein bekannter „Räuber“, und scheinbar harmlos Stickstoff N 2:

H 2 0 + F 2 0 = 2H +I F −I

3H 2 0 + N 2 0 = 2N −III H 3 +I

In diesem Fall stellt sich heraus Fluorwasserstoff HF oder Ammoniak NH 3.

In beiden Verbindungen beträgt die Oxidationsstufe Wasserstoff wird gleich +Ich, weil er Molekülpartner bekommt, die „gierig“ auf die elektronischen Güter anderer Leute sind, mit hoher Elektronegativität – Fluor F Und Stickstoff N. U Stickstoff der Wert der Elektronegativität wird als gleich drei konventionellen Einheiten angesehen, und Fluorid Im Allgemeinen beträgt die höchste Elektronegativität aller chemischen Elemente vier Einheiten. Kein Wunder also, dass sie das arme Wasserstoffatom ohne elektronische Umgebung zurückließen.

Aber Wasserstoff Vielleicht wiederherstellen- Elektronen aufnehmen. Dies geschieht, wenn an der Reaktion Alkalimetalle oder Calcium beteiligt sind, die eine geringere Elektronegativität als Wasserstoff aufweisen.

Wasserstoff ist ein besonderes Element, das im Periodensystem von Mendelejew zwei Zellen gleichzeitig einnimmt. Es befindet sich in zwei Gruppen von Elementen, die gegensätzliche Eigenschaften haben, und diese Eigenschaft macht es einzigartig. Wasserstoff ist ein einfacher Stoff und integraler Bestandteil vieler komplexer Verbindungen; er ist ein organogenes und biogenes Element. Es lohnt sich, sich ausführlich mit seinen Hauptmerkmalen und Eigenschaften vertraut zu machen.

Wasserstoff im Periodensystem von Mendelejew

Die Hauptmerkmale von Wasserstoff sind angegeben in:

• die Seriennummer des Elements ist 1 (es gibt die gleiche Anzahl an Protonen und Elektronen);
• Atommasse beträgt 1,00795;
• Wasserstoff hat drei Isotope, von denen jedes besondere Eigenschaften hat;
• aufgrund des Gehalts von nur einem Elektron ist Wasserstoff in der Lage, reduzierende und oxidierende Eigenschaften zu zeigen, und nach der Abgabe eines Elektrons verfügt Wasserstoff über ein freies Orbital, das an der Bildung chemischer Bindungen gemäß dem Donor-Akzeptor-Mechanismus beteiligt ist;
• Wasserstoff ist ein leichtes Element mit geringer Dichte;
• Wasserstoff ist ein starkes Reduktionsmittel, es öffnet die Gruppe der Alkalimetalle in der ersten Gruppe zur Hauptuntergruppe;
• Wenn Wasserstoff mit Metallen und anderen starken Reduktionsmitteln reagiert, nimmt er deren Elektron auf und wird zu einem Oxidationsmittel. Solche Verbindungen werden Hydride genannt. Aufgrund dieser Eigenschaft gehört Wasserstoff herkömmlicherweise zur Gruppe der Halogene (in der Tabelle ist Fluor in Klammern angegeben), mit der er ähnlich ist.

Wasserstoff als einfacher Stoff

Wasserstoff ist ein Gas, dessen Molekül aus zwei besteht. Diese Substanz wurde 1766 vom britischen Wissenschaftler Henry Cavendish entdeckt. Er bewies, dass Wasserstoff ein Gas ist, das explodiert, wenn es mit Sauerstoff reagiert. Nach der Untersuchung von Wasserstoff stellten Chemiker fest, dass diese Substanz die leichteste aller bekannten Substanzen ist.

Ein anderer Wissenschaftler, Lavoisier, gab dem Element den Namen „Hydrogenium“, was aus dem Lateinischen übersetzt „Wasser hervorbringend“ bedeutet. Im Jahr 1781 bewies Henry Cavendish, dass Wasser eine Kombination aus Sauerstoff und Wasserstoff ist. Mit anderen Worten: Wasser ist das Produkt der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff. Die brennbaren Eigenschaften von Wasserstoff waren den antiken Wissenschaftlern bekannt: Die entsprechenden Aufzeichnungen wurden von Paracelsus hinterlassen, der im 16. Jahrhundert lebte.

Molekularer Wasserstoff ist eine in der Natur vorkommende, gasförmige Verbindung, die aus zwei Atomen besteht und, wenn sie an die Oberfläche gebracht wird, zu einem brennenden Splitter wird. Ein Wasserstoffmolekül kann in Atome zerfallen, die sich in Heliumkerne verwandeln, da sie an Kernreaktionen teilnehmen können. Solche Prozesse finden regelmäßig im Weltraum und auf der Sonne statt.

Wasserstoff und seine physikalischen Eigenschaften

Wasserstoff hat folgende physikalische Parameter:

• siedet bei -252,76 °C;
• schmilzt bei -259,14 °C; *Wasserstoff ist innerhalb der angegebenen Temperaturgrenzen eine geruchlose, farblose Flüssigkeit;
• Wasserstoff ist in Wasser schwer löslich;
• Wasserstoff kann theoretisch unter besonderen Bedingungen (niedrige Temperaturen und hoher Druck) in einen metallischen Zustand übergehen;
• reiner Wasserstoff ist ein explosiver und brennbarer Stoff;
• Wasserstoff kann durch die Dicke von Metallen diffundieren und löst sich daher gut darin auf;
• Wasserstoff ist 14,5-mal leichter als Luft;
• Bei hohem Druck können schneeartige Kristalle aus festem Wasserstoff erhalten werden.

Chemische Eigenschaften von Wasserstoff

Labormethoden:

• Wechselwirkung verdünnter Säuren mit aktiven Metallen und Metallen mittlerer Aktivität;
• Hydrolyse von Metallhydriden;
• Reaktion von Alkali- und Erdalkalimetallen mit Wasser.

Wasserstoffverbindungen:

Halogenwasserstoffe; flüchtige Wasserstoffverbindungen von Nichtmetallen; Hydride; Hydroxide; Wasserstoffhydroxid (Wasser); Wasserstoffperoxid; organische Verbindungen (Proteine, Fette, Kohlenwasserstoffe, Vitamine, Lipide, ätherische Öle, Hormone). Klicken Sie hier, um sichere Experimente zur Untersuchung der Eigenschaften von Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten anzuzeigen.

Um den erzeugten Wasserstoff aufzufangen, müssen Sie das Reagenzglas auf den Kopf stellen. Wasserstoff kann nicht wie Kohlendioxid gesammelt werden, da er viel leichter als Luft ist. Wasserstoff verdampft schnell und explodiert, wenn er mit Luft vermischt wird (oder in großen Ansammlungen). Daher ist es notwendig, das Reagenzglas umzudrehen. Unmittelbar nach dem Befüllen wird die Tube mit einem Gummistopfen verschlossen.

Um die Reinheit von Wasserstoff zu testen, müssen Sie ein brennendes Streichholz an den Hals des Reagenzglases halten. Tritt ein dumpfer und leiser Knall auf, ist das Gas sauber und die Luftverunreinigungen minimal. Ist die Watte laut und pfeifend, ist das Gas im Reagenzglas verschmutzt und enthält einen großen Anteil an Fremdbestandteilen.

Aufmerksamkeit! Versuchen Sie nicht, diese Experimente selbst zu wiederholen!

Chemische Eigenschaften von Wasserstoff

Unter normalen Bedingungen ist molekularer Wasserstoff relativ wenig aktiv und verbindet sich direkt nur mit den aktivsten Nichtmetallen (mit Fluor und im Licht mit Chlor). Beim Erhitzen reagiert es jedoch mit vielen Elementen.

Wasserstoff reagiert mit einfachen und komplexen Stoffen:

- Wechselwirkung von Wasserstoff mit Metallen führt zur Bildung komplexer Stoffe - Hydride, in deren chemischen Formeln das Metallatom immer an erster Stelle steht:

Bei hoher Temperatur reagiert Wasserstoff direkt mit einigen Metallen(Alkali, Erdalkali und andere), die weiße kristalline Substanzen bilden - Metallhydride (Li H, Na H, KH, CaH 2 usw.):

H 2 + 2Li = 2LiH

Metallhydride zersetzen sich leicht durch Wasser unter Bildung des entsprechenden Alkalis und Wasserstoffs:

Ca H 2 + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + 2H 2

- Wenn Wasserstoff mit Nichtmetallen interagiert Es entstehen flüchtige Wasserstoffverbindungen. In der chemischen Formel einer flüchtigen Wasserstoffverbindung kann das Wasserstoffatom je nach Position im PSHE entweder an erster oder zweiter Stelle stehen (siehe Tafel in der Folie):

1). Mit Sauerstoff Wasserstoff bildet Wasser:

Video „Wasserstoffverbrennung“

2H 2 + O 2 = 2H 2 O + Q

Bei normalen Temperaturen verläuft die Reaktion äußerst langsam, oberhalb von 550°C – mit Explosion (eine Mischung aus 2 Volumina H 2 und 1 Volumen O 2 wird genannt explosives Gas) .

Video „Explosion von Knallgas“

Video „Herstellung und Explosion eines explosiven Gemisches“

2). Mit Halogenen Wasserstoff bildet beispielsweise Halogenwasserstoffe:

H 2 + Cl 2 = 2HCl

Gleichzeitig explodiert Wasserstoff mit Fluor (auch im Dunkeln und bei -252°C), reagiert mit Chlor und Brom nur bei Beleuchtung oder Erhitzen und mit Jod nur bei Erhitzen.

3). Mit Stickstoff Wasserstoff reagiert zu Ammoniak:

ZN 2 + N 2 = 2NH 3

nur an einem Katalysator und bei erhöhten Temperaturen und Drücken.

4). Beim Erhitzen reagiert Wasserstoff heftig mit Schwefel:

H 2 + S = H 2 S (Schwefelwasserstoff),

viel schwieriger ist es bei Selen und Tellur.

5). Mit reinem Kohlenstoff Wasserstoff kann ohne Katalysator nur bei hohen Temperaturen reagieren:

2H 2 + C (amorph) = CH 4 (Methan)

- Wasserstoff unterliegt einer Substitutionsreaktion mit Metalloxiden Dabei entsteht Wasser in den Produkten und das Metall wird reduziert. Wasserstoff – weist die Eigenschaften eines Reduktionsmittels auf:

Wasserstoff wird verwendet zur Rückgewinnung vieler Metalle, da es ihren Oxiden Sauerstoff entzieht:

Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4H 2 O usw.

Anwendungen von Wasserstoff

Video „Wasserstoff nutzen“

Derzeit wird Wasserstoff in großen Mengen produziert. Ein sehr großer Teil davon wird bei der Ammoniaksynthese, der Hydrierung von Fetten sowie bei der Hydrierung von Kohle, Ölen und Kohlenwasserstoffen verwendet. Darüber hinaus wird Wasserstoff zur Synthese von Salzsäure, Methylalkohol, Blausäure, beim Schweißen und Schmieden von Metallen sowie bei der Herstellung von Glühlampen und Edelsteinen verwendet. Wasserstoff wird in Flaschen unter einem Druck von über 150 atm verkauft. Sie sind dunkelgrün lackiert und tragen eine rote Aufschrift „Hydrogen“.

Wasserstoff wird verwendet, um flüssige Fette in feste Fette umzuwandeln (Hydrierung), wobei durch Hydrierung von Kohle und Heizöl flüssiger Kraftstoff entsteht. In der Metallurgie wird Wasserstoff als Reduktionsmittel für Oxide oder Chloride zur Herstellung von Metallen und Nichtmetallen (Germanium, Silizium, Gallium, Zirkonium, Hafnium, Molybdän, Wolfram usw.) verwendet.

Die praktischen Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff sind vielfältig: Meist wird er zum Befüllen von Sondenballons verwendet, in der chemischen Industrie dient er als Rohstoff für die Herstellung vieler sehr wichtiger Produkte (Ammoniak etc.), in der Lebensmittelindustrie – für die Produktion von festen Fetten aus Pflanzenölen usw. Hochtemperatur (bis zu 2600 °C), gewonnen durch Verbrennung von Wasserstoff in Sauerstoff, wird zum Schmelzen von hochschmelzenden Metallen, Quarz usw. verwendet. Flüssiger Wasserstoff ist einer der effizientesten Flugtreibstoffe. Der jährliche globale Wasserstoffverbrauch übersteigt 1 Million Tonnen.

SIMULATOREN

Nr. 2. Wasserstoff

ZUTEILUNGSAUFGABEN

Aufgabe Nr. 1
Schreiben Sie Reaktionsgleichungen für die Wechselwirkung von Wasserstoff mit folgenden Stoffen auf: F 2, Ca, Al 2 O 3, Quecksilber(II)-oxid, Wolfram(VI)-oxid. Benennen Sie die Reaktionsprodukte und geben Sie die Reaktionstypen an.

Aufgabe Nr. 2
Führen Sie Transformationen nach dem Schema durch:
H 2 O -> H 2 -> H 2 S -> SO 2

Aufgabe Nr. 3.
Berechnen Sie die Wassermasse, die durch die Verbrennung von 8 g Wasserstoff gewonnen werden kann?