IA группа элементов Менделеева

Исследование химических и физических свойств водорода, лития, калия, рубидия, цезия и франция. Характеристика промышленных способов получения и областей применения этих элементов системы Менделеева. Изучение процесса электролиза водных растворов солей.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

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

1. Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H₂O > H₂^ + 2NaOH + Cl₂

2. Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000 °C:

H2O + C ? H2 + CO

3. Из природного газа.

Конверсия с водяным паром:

CH₄ + H₂O ? CO + 3H₂ (1000 °C)

Каталитическое окисление кислородом:

2CH₄ + O₂ ? 2CO + 4H₂

4. Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

В лаборатории

1. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную соляную кислоту:

Zn + 2HCl > ZnCl₂ + H₂^

2. Взаимодействие кальция с водой:

Ca + 2H₂O > Ca(OH)₂ + H₂^

3. Гидролиз гидридов:

NaH + H₂O > NaOH + H₂^

4. Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H₂O > 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂^

Zn + 2KOH + 2H₂O > K₂[Zn(OH)₄] + H₂^

5. С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2H₃O+ + 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/см?) 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/см? (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:

Ca + Н₂ = СаН₂

и с единственным неметаллом -- фтором, образуя фтороводород:

F₂ + 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:

CuO + Н₂ = Cu + Н₂O

Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

N₂ + 3H₂ > 2NH₃

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ > 2HF

, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,

Cl₂ + H₂ > 2HCl

, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H₂ > CH₄

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:

2Na + H₂ > 2NaH

Ca + 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 + 3H₂O

WO₃ + 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 вс...