6. Водород (1097063)
Текст из файла
6. ВодородАтом водорода – простейший объект химии. Строго говоря, его ион – протон – ещепроще. Впервые описан в 1766 г. Кавендишем [ 1 ]. Название от греч. “hydro genes” –порождающий воду.Радиус атома водорода примерно 0,5*10-10 м, а его иона (протона) – 1,2*10-15 м.Такая разница в размерах атома и его катиона (5 порядков) уникальна. Благодарямалому размеру протона осуществляется обменная водородная связь, прежде всего сатомами кислорода, азота и фтора.
Прочность водородных связей составляет 10-40кДж/моль, что значительно меньше энергии разрыва большинства обычных связей (100150 кДж/моль в органических молекулах), но больше средней кинетической энергиитеплового движения при 370С (4 кДж/моль). В результате в живом организме водородныесвязи обратимо разрываются, обеспечивая протекание процессов жизнедеятельности.Водород плавится при 14 К, кипит при 20,3 К (давление 1 атм), плотность жидкоговодорода всего 71 г/л (в 14 раз легче воды).Так как атомная масса водорода – минимально возможная, его изотопы – дейтерийD (2H) и тритий T (3H) существенно отличаются от протия 1Н по физическим ихимическим свойствам.
Например, замена одного из водородов в органическомсоединении на дейтерий заметно отражается на его колебательном (инфракрасном)спектре, что позволяет устанавливать структуру сложных молекул. Подобные замены(“метод меченых атомов”) используют также для установления механизмов сложныххимических и биохимических процессов. Особенно чувствителен метод меченых атомовпри использовании вместо протия радиоактивного трития (β-распад, период полураспада12,5 лет).Основной метод получения водорода в промышленности – конверсия метана илигидратация угля при 800-11000С (катализатор):CH4 + H2O = CO + 3 H2«Водяной газ» получают из угля и воды при высокой температуре:C + 2 H2O = CO2 + 2 H2Другие источники водорода.Коксовый газ: около 55% водорода, 25% метана, до 2% тяжелых углеводородов, 46% СО, 2% СО2, 10-12% азота.Водород, как продукт горения специальной пиротехнической смеси:Si + Ca(OH)2 + 2 NaOH = Na2SiO3 + CaO + 2 H2На 1 кг пиротехнической смеси выделяется до 370 л водорода.А.Лавуазье получал водород около 1792 г, пропуская пары воды через раскаленныймушкетный ствол:Fe + H2O = FeO + H2В лаборатории водород обычно получают при реакции цинка с соляной кислотой:Zn + 2 HCl = ZnCl2 + H2Водород в виде простого вещества применяют для производства аммиака игидрирования (отверждения) растительных жиров, для восстановления из оксидовнекоторых металлов (молибден, вольфрам), для получения гидридов (LiH, CaH2, LiAlH4).Синтез аммиака: N2 + 3 H2 = 2 NH31.
Водород открыл Генри Кавендиш (1731-1810) – английский физик и химик. Впервые наблюдалвыделение водорода в 1766 г., получил при сгорании водорода воду в 1781 г. Кавендиш считал водородчистым флогистоном.19Гидрирование растительных жиров:Жидкий жирТвердый жирВосстановление оксида вольфрама до металла: WO3 + 3 H2 = W + 3 H2OПолучение гидрида лития: 2 Li + H2 = 2 LiHСжиженный водород используется в качестве топлива в ракетах.Одним из перспективных направлений мировой экологичной энергетики считаетсяиспользование запасенного водорода в качестве универсального топлива. Водородпредполагается производить в основном электролизом воды за счет возобновляемыхисточников энергии.
Затем водород можно использовать как топливо на транспорте и дляпроизводства электроэнергии в топливных элементах.7. КислородСогласно общепринятым сейчас данным, кислород открыт в 1774 г. Дж. Пристли инезависимо К.Шееле [ 2 ].Здоровый человек в спокойном состоянии за сутки прокачивает через свои легкиеоколо 7200 л воздуха, забирая безвозвратно 720 л кислорода.
В закрытом помещенииобъемом 6 м3 человек может продержаться без вентиляции до 12 часов, а при физическойработе 3-4 часа. Основная причина затруднения дыхания – не недостаток кислорода, анакопление углекислого газа с 0,3 до 2,5% [ 3 , 4 ].В промышленности практически весь кислород получают из воздуха – сжижениеми отгонкой азота и других газов.Получение кислорода в лаборатории:2 KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2при нагреванииПолучение кислорода при горении пиросмеси:NaClO3 = NaCl + 1,5 O2 + 50,5 кДжВ смеси до 80% NaClO3 , до 10% железного порошка, 4% перекиси бария и стекловата.Аллотропная модификация элемента кислорода – вещество озон O3. Чрезвычайноважна биологическая озоновая защита Земли.
На высоте 20-25 км (в средних широтах)устанавливается равновесие:O2 → 2 O*;УФ < 280 нм2. Джозеф Пристли (Пристлей) (1733-1804), англ. химик и философ, открыл и изучил ряд газов: CO2, HCl,N2O, NH3, SO2, CO.Карл Вильгельм Шееле (1742-1786), шведский химик, открыл и изучил ряд газов (Cl2, AsH3, H2S), металлов(Mn, Mo, W) и органических веществ.3.
Скрупский В.А. Ты – мое дыхание “Химия и жизнь – XXI век”, № 2, 1997, с.42-454. По данным М.Метелева и В.В.Загорского, в замкнутом объеме для дыхания мышей более важно удалениеуглекислого газа, а не уменьшение содержания кислорода в воздухе. Морозова Н.И., Загорский В.В. Мышив колбе (Кислород Дреббеля. Влияние недостатка кислорода и избытка углекислого газа на дыханиеживотных) Потенциал. Химия. Биология. Медицина.
(Журнал для старшеклассников и учителей) 2011, № 10(октябрь), стр. 67-7020O* + O2 + N2 → O3 + N2 ;УФ 280-320нмO3 → O2 + OОт коротковолнового («жесткого») ультрафиолета защищает кислород, но в диапазоне280-320 нм ультрафиолетовое излучение поглощает только озон.Весь озон атмосферы образовал бы при давлении 1 атм слой толщиной около 3 мм,но этого достаточно для защиты биологических объектов.В 1974 г обнаружено, что атомарный хлор, который образуется из фреонов навысоте больше 25 км, катализирует распад озона, как бы заменяя "озоновый"ультрафиолет.
Этот УФ способен вызывать рак кожи. Запрет на фреоны в аэрозольныхбаллонах действует в США с 1978 г. Однако следует учитывать, что молекулярная массафреонов велика. Моль популярного фреона-12 CF2Cl2 имеет массу 121 г, что в 4 разабольше средней молярной массы воздуха. Поэтому выпущенный из баллончика фреон-12вряд ли устремится вверх, к озоновому слою.При горении водорода в кислороде образуется вода и выделяется много энергии:ΔH298o = -241,8 кДж/мольH2 + 1/2 O2 = H2OМеханизм этой реакции очень сложен, состоит не менее чем из 13 стадий.Изучение этого механизма позволило создать мощные ракеты-носители на водороднокислородном топливе.8.
ВодаБлагодаря водородным связям между молекулами вода обладает рядом уникальныхсвойств. Плотность льда на 9% меньше, чем у воды – 0,917 г/см3, что обусловлено его“рыхлой” кристаллической структурой, стабилизированной водородными связями. Этосвойство льда предохраняет водоемы от промерзания. Теплота плавления льда 6кДж/моль, теплота испарения воды 44 кДж/моль.
В талой воде частично сохраняютсяфрагменты структуры льда. У жидкой воды зависимость теплоемкости от температурыимеет минимум при 370С, что соответствует температуре человеческого тела. Этоспособствует наиболее эффективному протеканию биохимических реакций в организмечеловека.Жидкая вода отличается также высоким коэффициентом поверхностногонатяжения на границе с воздухом – 72 мН/м при 298 К (у этанола 22 , у гептана 21, углицерина 59мН/м).В организме взрослого человека содержится 65-67% воды.В то же время уникальность воды не следует преувеличивать.
Полезно сравнитьводу с остальными гидридами элементов 2-го периода, у которых развиты водородныесвязи (аммиак и фтороводород). У двух последних соединений тоже наблюдается резкаяаномалия свойств в ряду гидридов элементов соответствующих подгрупп. Теплоемкостьжидкого аммиака тоже выше, чем твердого и газообразного [ 5 ]. Кстати, вода – неединственный объект с увеличением плотности при плавлении; аналогично ведут себя,например, многие полупроводники [ 6 ] и металлический плутоний [ 7 ], несмотря наочевидное отсутствие у них водородных связей.5Физика: Водаhttp://www.history.ru/index.php?option=com_ewriting&Itemid=0&func=chapterinfo&chapter=31893&story=227646Справочные данные для материаловеда Таблица 1 - Параметры основных полупроводниковhttp://alwd.narod.ru/st_data.htm7Надыкто Б.А.
Электронные фазы твердых тел Рос.хим.ж. (Ж. Рос.хим. об-ва им Д.И.Менделеева), 2001,т.XLV, № 5-6 www.chem.msu.su/rus/jvho/2001-5-6/7.pdf21Пероксид водородаВпервые вещество получил Тенар [ 8 ] в виде раствора в 1818 г., в чистом виде в1820 г. Пероксид водорода – неустойчивое соединение с высокой энтальпией распада:2 H2O2 = 2 H2O + O2ΔН = -99 кДж/мольТрадиционно секретное вещество, поскольку в концентрированном видеиспользуется как однокомпонентное ракетное топливо. С 1934 г. было перспективнымтопливом для турбин подводных лодок и источником кислорода.
“Военные” названия:“аурол”, “оксилин”, “топливо Т” [ 9 ].В медицинских целях как антисептик используется 3%-ная перекись водорода. Приконцентрации пероксида 20% и более едкий раствор быстро сжигает кожу рук.8. Луи Жак Тенар (1777-1857), франц. химик, работал с Ж.Гей-Люссаком (открыли бор, выделили в чистомвиде ряд элементов).9. Шапиро Л.С. Совершенно секретно... Перекись водорода. Интернет: http://www.submarina.ru/intro.php?1722.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
