Смесь углерода и водорода

Задача 1. Запишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: С СH₄ CО С СаС₂ С₂Н₂.

Углерод реагирует с водородом в присутствии никелевого катализатора, образуя метан:

Оксид углерода (II) образуется при паровой конверсии метана:

Оксид углерода (II) реагирует с водородом с образованием углерода:

Карбид кальция получается синтезом из элементов:

Ацетилен образуется в результате взаимодействия карбида кальция с водой:

Задача 2. Смесь оксида углерода (II) и метана объемом 29,12 л (н. у.) сожгли, при этом потребовалось 48,16 л (н. у.) кислорода. Вычислите объемные доли газов в исходной смеси.

Запишем уравнения реакций горения угарного газа и метана:

Вычислим количество (в моль) смеси газов:

(моль).

Обозначим количество угарного газа в смеси – х моль, а количество метана – у моль. Тогда общее количество смеси равно:

Вычислим количество (в моль) кислорода, затраченного на сжигание смеси газов:

(моль).

По уравнению (1) соотношение количеств веществ оксида углерода (II) и кислорода, вступивших в реакцию, равно 2 : 1, следовательно, количество кислорода, необходимого на реакцию (1), равно 0,5x. По уравнению (2) соотношение количеств веществ метана и кислорода, вступивших в реакцию, равно 1 : 2, следовательно, количество кислорода, необходимого на реакцию (2), равно 2y. По условию задачи количество затраченного кислорода равно 2,15 моль, поэтому:

Получили систему уравнений с двумя неизвестными:

Решив систему уравнений методом подстановки, найдем значение у, равное 1 моль; объем метана составляет:

Тогда объем угарного газа равен:

Рассчитаем объемные доли газов в смеси:

(%);

(%).

Водород (Н) — это бесцветный газ без запаха. Водород — самое легкое вещество среди химических элементов. Смесь водорода и кислорода в пропорции 2:1 очень взрывоопасна.

В природе водород практически не встречается в чистом виде, однако в избытке содержится в химически связанном состоянии в воде и в ископаемых горючих веществах. Промышленность получает водород в основном из нефти или природного газа.

Водород применяют в химической промышленности и сварочной технике.

Углерод в чистом виде встречается в природе в виде графита и алмазов. В химически связанном виде углерод присутствует в земных недрах, например, в виде известняка, в растительных окаменелостях, в каменном угле, торфе и природном газе. Вместе с этим углерод является частью биомассы растений и животных. В воздухе углерод присутствует в виде углекислого газа.

Графит — это мягкое красящее вещество черного цвета. Алмаз бесцветен, стекловиден, хрупок, но очень крепок.

Углерод применяется в промышленности как кокс для получения железа, в виде сажи для наполнителя при производстве резины, в качестве углеродных волокон для армирования пластмасс, и в качестве алмазов для режущих и полировальных инструментов.

Различают органические и неорганические соединения углерода. Неорганическое соединения — это угарный газ, углекислый газ, углекислота и ее соли, а также карбиды.

Угарный газ (СО) получается при сжигании углеродосодержащий веществ при недостаточном снабжении кислородом. Угарный газ бесцветен и не имеет запаха. Горит угарный газ синеватым пламенем и очень ядовит. В химической промышленности угарный газ применяют для производства пластмасс и растворителей.

Углекислый газ (СО2) получается при сжигании углеродосодержащих веществ. Углекислый газ не горюч, не имеет запаха. Он абсолютно не ядовит. Единственная опасность углекислого газа состоит в том, что будучи существенно тяжелее воздуха, он может скапливаться в низких недостаточно проветриваемых местах и вытесняет кислород.

Углекислый газ выделяется в атмосферу при сжигании топлива и существенно влияет на климат земли. Повышенная концентрация углекислого газа ведет к нагреванию атмосферы, и как следствие к парниковому эффекту.

Органические соединения углерода — углеводороды. По строению молекул различают цепные, кольцеобразные, а также разветвленные углеводороды. В цепных углеводородах атомы углерода располагаются в ряд друг за другом, а свободные валентности заняты атомами кислорода. Цепи углерода, содержащие до пяти атомов, являются газообразными. Цепи, в которых содержится от 6 до 12 атомов — жидкие, те из них, что содержат от 12 до 15 атомов — пастообразные, например, стеарин.

Бензин представляет собой смесь жидких углеводородов, где атомы углерода соединяются между собой посредством 2 или 3 валентностей. Такие соединения называют ненасыщенными. Ненасыщенные углеводороды также — это газы ацетилен и этилен.

Простейшим кольцеобразным соединением углеводородов является бензол. Производная от бензола — фенол. Кольцеобразные ненасыщенные углеводороды являются важным исходным материалом для химической промышленности, для производства пластмасс. Другие органические соединения углерода, содержащие наряду с водородом химические элементы кислород, хлор и азот, являются алканолы (спирты), альдегиды (алканалы), органические кислоты (спиртовые кислоты) и хлорированные углеводороды.

В периодической системе водород располагается в двух абсолютно противоположных по своим свойствам группах элементов. Данная особенность делают его совершенно уникальным. Водород не просто представляет собой элемент или вещество, но также является составной частью многих сложных соединений, органогенным и биогенным элементом. Поэтому рассмотрим его свойства и характеристики более подробно.

История открытия водорода

Выделение горючего газа в процессе взаимодействия металлов и кислот наблюдали еще в XVI веке, то есть во время становления химии как науки. Известный английский ученый Генри Кавендиш исследовал вещество, начиная с 1766 года, и дал ему название «горючий воздух». При сжигании этот газ давал воду. К сожалению, приверженность ученого теории флогистона (гипотетической «сверхтонкой материи») помешала ему прийти к правильным выводам.

Французский химик и естествоиспытатель А. Лавуазье вместе с инженером Ж. Менье и при помощи специальных газометров в 1783 г. провел синтез воды, а после и ее анализ посредством разложения водяного пара раскаленным железом. Таким образом, ученые смогли прийти к правильным выводам. Они установили, что «горючий воздух» не только входит в состав воды, но и может быть получен из нее.

В 1787 году Лавуазье выдвинул предположение, что исследуемый газ является простым веществом и, соответственно, относится к числу первичных химических элементов. Он назвал его hydrogene (от греческих слов hydor — вода + gennao — рождаю), т. е. «рождающий воду».

Русское название «водород» в 1824 году предложил химик М. Соловьев. Определение состава воды ознаменовало конец «теории флогистона». На стыке XVIII и XIX веков было установлено, что атом водорода очень легкий (по сравнению с атомами прочих элементов) и его масса была принята за основную единицу сравнения атомных масс, получив значение, равное 1.

Физические свойства

Водород является легчайшим из всех известных науке веществ (он в 14,4 раз легче воздуха), его плотность составляет 0,0899 г/л (1 атм, 0 °С). Данный материал плавится (затвердевает) и кипит (сжижается), соответственно, при -259,1 °С и -252,8 °С (только гелий обладает более низкими t° кипения и плавления).

Критическая температура водорода крайне низка (-240 °С). По этой причине его сжижение — довольно сложный и затратный процесс. Критическое давление вещества — 12,8 кгс/см², а критическая плотность составляет 0,0312 г/см³. Среди всех газов водород имеет наибольшую теплопроводность: при 1 атм и 0 °С она равняется 0,174 вт/(мхК).

Удельная теплоемкость вещества в тех же условиях — 14,208 кДж/(кгхК) или 3,394 кал/(гх°С). Данный элемент слабо растворим в воде (около 0,0182 мл/г при 1 атм и 20 °С), но хорошо — в большинстве металлов (Ni, Pt, Pa и прочих), особенно в палладии (примерно 850 объемов на один объем Pd).

С последним свойством связана его способность диффундирования, при этом диффузия через углеродистый сплав (к примеру, сталь) может сопровождаться разрушением сплава из-за взаимодействия водорода с углеродом (этот процесс называется декарбонизация). В жидком состоянии вещество очень легкое (плотность — 0,0708 г/см³ при t° = -253 °С) и текучее (вязкость — 13,8 спуаз в тех же условиях).

Химические свойства водорода

Во многих соединениях этот элемент проявляет валентность +1 (степень окисления), подобно натрию и прочим щелочным металлам. Обычно он рассматривается в качестве аналога этих металлов. Соответственно он возглавляет I группу системы Менделеева. В гидридах металлов ион водорода проявляет отрицательный заряд (степень окисления при этом -1), то есть Na+H- имеет структуру, подобную хлориду Na+Cl-. В соответствии с этим и некоторыми другими фактами (близость физических свойств элемента «H» и галогенов, способность его замещения галогенами в органических соединениях) Hydrogene относят к VII группе системы Менделеева.

В обычных условиях молекулярный водород имеет низкую активность, непосредственно соединяясь только с самыми активными из неметаллов (с фтором и хлором, с последним — на свету). В свою очередь, при нагревании он взаимодействует со многими химическими элементами.

Атомарный водород имеет повышенную химическую активность (если сравнивать с молекулярным). С кислородом он образует воду по формуле:

выделяя 285,937 кДж/моль тепла или 68,3174 ккал/моль (25 °С, 1 атм). В обычных температурных условиях реакция протекает довольно медленно, а при t° >= 550 °С — неконтролируемо. Пределы взрывоопасности смеси водород + кислород по объему составляют 4–94 % Н₂, а смеси водород + воздух — 4–74 % Н₂ (смесь из двух объемов Н₂ и одного объема О₂ называют гремучим газом).

Данный элемент используют для восстановления большинства металлов, так как он отнимает кислород у оксидов:

Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4Н₂О,

CuO + H₂ = Cu + H₂O и т. д.

С разными галогенами водород образует галогеноводороды, к примеру:

Однако при реакции с фтором водород взрывается (это происходит и в темноте, при -252 °С), с бромом и хлором реагирует только при нагревании или освещении, а с йодом — исключительно при нагревании. При взаимодействии с азотом образуется аммиак, но лишь на катализаторе, при повышенных давлениях и температуре:

При нагревании водород активно реагирует с серой:

Н₂ + S = H₂S (сероводород),

и значительно труднее — с теллуром или селеном. С чистым углеродом водород реагирует без катализатора, но при высоких температурах:

2Н₂ + С (аморфный) = СН₄ (метан).

Данное вещество непосредственно реагирует с некоторыми из металлов (щелочными, щелочноземельными и прочими), образуя гидриды, например:

Немаловажное практическое значение имеют взаимодействия водорода и оксида углерода (II). При этом в зависимости от давления, температуры и катализатора образуются разные органические соединения: НСНО, СН₃ОН и пр. Ненасыщенные углеводороды в процессе реакции переходят в насыщенные, к примеру:

Водород и его соединения играют в химии исключительную роль. Он обусловливает кислотные свойства т. н. протонных кислот, склонен образовывать с разными элементами водородную связь, оказывающую значительное влияние на свойства многих неорганических и органических соединений.

Получение водорода

Основными видами сырья для промышленного производства этого элемента являются газы нефтепереработки, природные горючие и коксовые газы. Его также получают из воды посредством электролиза (в местах с доступной электроэнергией). Одним из важнейших методов производства материала из природного газа считается каталитическое взаимодействие углеводородов, в основном метана, с водяным паром (т. н. конверсия). Например:

Неполное окисление углеводородов кислородом:

Синтезированный оксид углерода (II) подвергается конверсии:

Водород, производимый из природного газа, является самым дешевым.

Для электролиза воды применяется постоянный ток, который пропускается через раствор NaOH или КОН (кислоты не используют во избежание коррозии аппаратуры). В лабораторных условиях материал получают электролизом воды или в результате реакции между соляной кислотой и цинком. Однако чаще применяют готовый заводской материал в баллонах.

Из газов нефтепереработки и коксового газа данный элемент выделяют путем удаления всех остальных компонентов газовой смеси, так как они легче сжижаются при глубоком охлаждении.

Применение водорода

Промышленным образом этот материал стали получать еще в конце XVIII века. Тогда его использовали для наполнения воздушных шаров. На данный момент водород широко применяют в промышленности, главным образом — в химической, для производства аммиака.

Массовые потребители вещества — производители метилового и прочих спиртов, синтетического бензина и многих других продуктов. Их получают синтезом из оксида углерода (II) и водорода. Hydrogene используют для гидрогенизации тяжелого и твердого жидкого топлива, жиров и пр., для синтеза HCl, гидроочистки нефтепродуктов, а также в резке/сварке металлов. Важнейшими элементами для атомной энергетики являются его изотопы — тритий и дейтерий.

Биологическая роль водорода

Около 10 % массы живых организмов (в среднем) приходится на этот элемент. Он входит в состав воды и важнейших групп природных соединений, включая белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы. Для чего он служит?

Этот материал играет решающую роль: при поддержании пространственной структуры белков (четвертичной), в осуществлении принципа комплиментарности нуклеиновых кислот (т. е. в реализации и хранении генетической информации), вообще в «узнавании» на молекулярном уровне.

Ион водорода Н+ принимает участие в важных динамических реакциях/процессах в организме. В том числе: в биологическом окислении, которое обеспечивает живые клетки энергией, в реакциях биосинтеза, в фотосинтезе у растений, в бактериальном фотосинтезе и азотфиксации, в поддержании кислотно-щелочного баланса и гомеостаза, в мембранных процессах транспорта. Наряду с углеродом и кислородом он образует функциональную и структурную основы явлений жизни.

Mercedes-Benz Citaro на водородных топливных элементах