"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Водород применяют не только как горючее вещество. Он служит топливом, используется в ракетной технике, химической промышленности и металлургии, а также помогает получать маргарин из растительных масел. Главное свойство водорода — способность соединяться с кислородом с выделением теплоты и отнимать кислород у некоторых оксидов металлов. Однако смеси водорода с воздухом и кислородом взрывоопасны, поэтому работа с ним требует строгих мер безопасности.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Гидрирование — присоединение водорода к веществам. Так растительные масла превращают в более твёрдые жиры, из которых получают маргарин и другие продукты. Это понятие помогает понять, зачем водород используют в пищевой и химической промышленности.
Восстановитель — вещество, отнимающее кислород у оксидов металлов. Водород может восстанавливать некоторые оксиды и превращать их в металлы. Поэтому его применяют в металлургии для получения чистых металлов.
Топливный элемент — устройство, в котором энергия реакции водорода с кислородом непосредственно превращается в электрическую энергию. В нём водород не просто сжигают, а используют для получения электрического тока. Это позволяет применять водород в энергетике.
Гремучая смесь — смесь водорода с кислородом или воздухом, способная взрываться при поджигании. Опасность возникает из-за быстрого протекания реакции и резкого расширения горячих газов. Поэтому водород хранят и используют вдали от огня, искр и источников нагревания.
При соединении водорода с кислородом образуется вода, а химическая энергия исходных веществ выделяется в виде теплоты. Реакцию записывают так: 2H2 + O2 → 2H2O. Большое количество теплоты делает водород горючим веществом, но смесь водорода с воздухом может взорваться, поэтому горение проводят только в контролируемых условиях.
В ракетной технике ценны сразу два свойства водорода: малая плотность и высокая теплота сгорания. При сгорании образуется много горячих газов, которые с большой скоростью выбрасываются из двигателя и создают тягу. Небольшая плотность уменьшает массу топлива, а высокая теплота сгорания помогает получить большую эффективность ракетной системы.
Водород способен соединяться с кислородом не только в реакции горения, но и при восстановлении оксидов металлов. Например, в реакции CuO + H2 → Cu + H2O кислород переходит от оксида меди к водороду, а медь выделяется в свободном виде. Водород здесь является восстановителем, а оксид меди(II) восстанавливается до меди.
В химической промышленности водород вступает в реакции синтеза, то есть соединения более простых веществ с образованием нового продукта. Из него получают аммиак, хлороводород, метанол и другие вещества. Эти продукты нужны для производства удобрений, кислот, растворителей, полимеров и многих материалов.
При гидрировании молекулы водорода присоединяются к молекулам растительных масел, поэтому меняются их свойства: жир становится более плотным и устойчивым при хранении. Так получают сырьё для маргарина и других продуктов. Процесс проводят в специальных установках, потому что водород легко образует взрывоопасные смеси с воздухом и кислородом.
| Область применения | Свойство водорода, на котором основано применение | Что получают или делают | Важное условие безопасности |
|---|---|---|---|
| Топливо и ракетная техника | Горючесть, высокая теплота сгорания, малая плотность | Получают теплоту и тягу ракет | Не допускать утечек и контакта с огнём |
| Синтез веществ в химической промышленности | Способность вступать в реакции соединения | Получают аммиак, хлороводород, метанол и другие вещества | Контролировать давление, температуру и герметичность |
| Восстановление оксидов металлов | Восстановительные свойства | Получают металлы из некоторых оксидов | Удалять водород после реакции и исключать взрывоопасные смеси |
| Гидрирование растительных масел | Присоединение водорода к веществам | Получают более твёрдые жиры и маргарин | Изолировать водород от воздуха и источников искр |
| Сварка и резка металлов | Горение с выделением большого количества теплоты | Нагревают и расплавляют металл | Проверять оборудование и вентиляцию |
| Топливные элементы | Химическая энергия может превращаться в электрическую | Получают электрический ток и воду | Контролировать подачу газов и герметичность |
| Заполнение аэростатов и дирижаблей | Очень малая плотность | Создают подъёмную силу | Защищать газ от огня и искр |
В таблице сначала найдите нужную область применения, а затем свяжите её с конкретным свойством водорода. Последний столбец напоминает, какая опасность возникает при использовании этого свойства и как её уменьшить.
Условие: назовите свойство водорода, благодаря которому его используют для восстановления оксида меди(II), и запишите уравнение реакции. Нужно определить роль каждого вещества и расставить коэффициенты.
Ответ: водород используют благодаря восстановительным свойствам; CuO + H2 → Cu + H2O.
Условие: объясните, почему водород можно использовать как топливо, и запишите уравнение его горения. В ответе нужно указать продукт реакции и выделение энергии.
Ответ: водород подходит как топливо, потому что при горении выделяется много теплоты; 2H2 + O2 → 2H2O.
Условие: рассчитайте объём водорода, необходимый для восстановления 16 г CuO по реакции CuO + H2 → Cu + H2O. Молярная масса CuO равна 80 г/моль, молярный объём газа при нормальных условиях — 22,4 л/моль.
Ответ: для реакции требуется 4,48 л водорода при нормальных условиях.
Первая ошибка — считать водород безопасным только потому, что при горении образуется вода. Его смеси с воздухом и кислородом взрывоопасны, поэтому нужно помнить об утечках и воспламенении. Проверка: отдельно назовите продукт горения и отдельно условие опасности.
Вторая ошибка — путать горение водорода с восстановлением оксидов. При горении водород реагирует с кислородом, а при восстановлении отнимает кислород у оксида металла. Проверка: укажите, какое вещество потеряло кислород и какой металл образовался.
Третья ошибка — сводить применение водорода только к топливу. Его также используют для синтеза веществ, восстановления оксидов, гидрирования и работы топливных элементов. Проверка: вспомните хотя бы по одному примеру из энергетики, химической промышленности и металлургии.
Четвёртая ошибка — неверно уравнивать горение. В реакции 2H2 + O2 → 2H2O число атомов водорода и кислорода одинаково с обеих сторон. Проверка: пересчитайте атомы каждого элемента после расстановки коэффициентов.
Для понимания применения водорода нужны знания о его свойствах, окислении и восстановлении. Также необходимо уметь составлять уравнения химических реакций и проверять их по закону сохранения массы.
Тема связана с химической промышленностью, металлургией и источниками энергии. Она помогает обсудить экологические проблемы, поскольку при горении водорода образуется вода, но его производство и хранение требуют ресурсов и строгого контроля.
Уравнения реакций позволяют выполнять расчёты по количеству вещества. По известной массе оксида можно найти количество водорода, а затем его объём по формуле V = n · Vm.
Почему водород считают перспективным топливом?
При сгорании водорода образуется вода и выделяется много теплоты. Если водород получают с использованием возобновляемой энергии, его применение может уменьшать загрязнение окружающей среды.
Почему водород нельзя хранить и использовать без специальных мер безопасности?
Водород легко смешивается с воздухом и кислородом, образуя взрывоопасные смеси. Поэтому нельзя допускать утечек, контакта с огнём и искрами, а помещения должны хорошо проветриваться.
Для чего водород применяют в металлургии?
Водород отнимает кислород у некоторых оксидов металлов, превращая их в металлы. Поэтому его используют как восстановитель при получении отдельных металлов.
Что такое гидрирование и где оно используется?
Гидрирование — присоединение водорода к веществам. Например, водород присоединяют к растительным маслам, чтобы изменить их свойства и получить более твёрдые жиры, используемые для производства маргарина.
Чем топливный элемент отличается от обычного сжигания водорода?
При обычном горении энергия сначала превращается главным образом в теплоту. В топливном элементе энергия реакции водорода с кислородом непосредственно превращается в электрическую энергию.
Применение водорода (дополнительный материал к главе 11)
