3.2: Водень - найпростіший атом
- Page ID
- 18611
Водень, Н, є елементом з атомним номером 1. Більшість атомів водню складаються з одного протона, що утворює ядро з 1 електроном на атом водню. Нагадаємо з розділу 2.12 та рис. 2.6, що елементний водень існує у вигляді молекул з атомами 2 Н, хімічна формула H2, в якій атоми 2 H з'єднані між собою ковалентним зв'язком, що складається з 2 спільних електронів. Молекули, що складаються з 2 атомів, з'єднаних так, називаються двоатомними молеку Як буде видно, кілька важливих елементів серед перших 20 елементів - це гази, які складаються з двоатомних молекул у своїх елементарних формах.
Показ електронів в атомних символах та молекулярних формулах
При обговоренні хімічної поведінки, пов'язаної з атомною структурою, особливо корисно мати засіб показу електронів в атомах (точніше, менш сильно утримуваних електронів зовнішньої оболонки). Це робиться за допомогою символів Льюїса (імені Г.Н. Льюїса), які також називаються електронно-точковими символами. Символ Льюїса водню при
Властивості та використання елементарного водню
Чистий елементарний Н2 в нормальних умовах являє собою безбарвний газ без запаху, який має найменшу щільність будь-якого чистого речовини. Розріджений Н2 кипить при дуже холодній температурі -253˚C і твердне при -259˚ С. Газ водню широко використовується в хімічній промисловості для хімічної реакції з великою кількістю речовин. Він горить легко з великим виділенням енергії і суміші водню з киснем або повітрям надзвичайно вибухонебезпечні. Хімічна реакція на елементарне спалювання водню киснем (O2) в повітрі
\[\ce{2H2 + O2 → 2H2O + energy} \label{(3.2.1}\]
Продукт такої реакції - вода. Використовуваний як паливо, елементарний водень є дуже зеленим елементом, оскільки коли він спалюється або іншим чином реагує, щоб забезпечити енергію, продуктом реакції є просто вода, H2O. Крім того, враховуючи джерело електричної енергії, елементарний водень та елементарний кисень можуть утворюватися на двох окремих електродах, пропускаючи постійний струм через воду, в якій розчинена відповідна сіль, щоб зробити воду електрично провідною:
2Н2О 2Н2 + О2 (3.2.2)
Таким чином, елементарний водень, що утворюється при застосуванні електричної енергії до води, забезпечує джерело енергії, яке можна переміщати з одного місця в інше і використовувати для виробництва електроенергії в паливних елементах (див. Нижче) або для інших корисних цілей, таких як синтез аміаку, необхідного як джерело рослини добриво азот. Виробництво елементарного водню електролізом може розглядатися як зелений процес, оскільки він не вимагає ніяких реагентів, крім води. Крім того, кисень побічного продукту електролізу нешкідливий і має багато застосувань, тоді як водень, отриманий в результаті реакції пари з вуглецевмісними сполуками (див. Нижче), споживає викопне паливо і генерує СО, який в деяких випадках спалюється, виробляючи парниковий газ вуглекислий газ. Основним недоліком процесу електролізу для генерації Н2 є відносно низький ККД, завдяки якому в процесі використовується електроенергія і необхідні поліпшення в цій сфері.
Елементарний водень широко використовується для хімічного синтезу та інших промислових застосувань. Про його приготування шляхом електролізу води йшлося вище. Зараз його найчастіше готують з метану, CH4, основного інгредієнта природного газу, шляхом парового риформінгу при високих температурах і тиску:
СН4+ Н2О СО + 3Н2 (3.2.3)
Водень використовується для виготовлення ряду хімічних речовин. Дві з найбільш рясно вироблених хімічних речовин, які потребують водню для синтезу, - це аміак\(\ce{NH3}\), і метанол (метиловий спирт,\(\ce{CH3OH}\)). Останній утворюється в результаті реакції між чадним газом і воднем:
\[\ce{CO + 2H2 → CH3OH} \label{3.2.4}\]
Метанол раніше виготовлявся шляхом нагрівання деревини за відсутності повітря та конденсації метанолу з пари, що виділяється, процес, відомий як руйнівна дистиляція. Генерація так званого деревного спирту, виготовленого цим відносно зеленим процесом з біомаси, може забезпечити принаймні частку необхідного метанолу, тим самим зменшуючи споживання природного газу.
Метанол має деякі важливі види палива. Протягом 1930-х років він використовувався замість бензину для запуску двигунів внутрішнього згоряння для живлення значної частини автомобілів у Франції, перш ніж близькосхідні нафтові родовища стали таким рясним джерелом нафти. В даний час він змішується з бензином як оксигенізована добавка; двигуни, що використовують це змішане паливо, виробляють менш забруднюючий чадний газ. Зараз найпоширенішим використанням метанолу як палива є його розщеплення до елементарного водню та вуглекислого газу для отримання водню, що використовується в паливних елементах.
На додаток до його використання у виробництві аміаку та метанолу, водень додається хімічно до молекул вуглеводнів у деяких фракціях бензину для підвищення паливної цінності бензину. Водень може додаватися безпосередньо до вугілля або вступати в реакцію з чадним газом для отримання синтетичної нафти. Він також поєднується з ненасиченими рослинними оліями, щоб зробити маргарин та інші гідрогенізовані жири та олії. Ця програма є суперечливою і стає менш поширеною через підозру на несприятливі довгострокові наслідки для здоров'я цих продуктів, які зазвичай називають транс-жирами.
Водень у паливних елементах
Паливні елементи, розглянуті далі в розділі 15, - це пристрої, які дозволяють водню «горіти» при кімнатній температурі та виробляти електроенергію безпосередньо, не проходячи через якийсь двигун внутрішнього згоряння та генератор електроенергії. Паливний елемент (рис. 3.2) складається з двох електропровідних електродів, анода і катода, які контактують з елементарними H2 і O2 відповідно. Як показано на схемі, на аноді Н2 втрачає електрони (він, як кажуть, окислюється) для отримання іона Н+. На катоді O2 набирає електрони (як кажуть, зменшується) і реагує з іонами Н+з утворенням води, H2O. Іони H +, необхідні для реакції на катоді, - це ті, що генеруються на аноді, і вони мігрують на катод через тверду мембрану, проникну для протонів (іон H+є протоном). Чиста реакція
\[\ce{2H2 + O2 → 2H2O + electrical energy} \label{3.3.5}\]