Плотность водорода
Плотность водорода и другие его физические свойства
Его температуры плавления и кипения лежат весьма низко (см. таблицу). В воде он растворим незначительно – 2:100 по объему. Характерна для водорода растворимость в некоторых металлах.
При температуре ниже -240oС (критическая температура водорода) он под давлением сжижается. Если испарять полученную жидкость, то образуется твердый водород в виде прозрачных кристаллов, плавящихся при -259,2oС.
Водород – самый легкий из всех газов, он в 14,5 раз легче воздуха; масса 1 л водорода при нормальных условиях равна 0,09 г. Молекулы водорода движутся быстрее всех остальных. Поэтому водород характеризуется наибольшей скоростью диффузии, т.е. скорее всех других газов распространяется в пространстве, проходит сквозь различные мелкие поры и т.д. Этим же обусловлена и его высокая теплопроводность. Так, при прочих равных условиях нагретый предмет охлаждается водородом в семь раз быстрее, чем воздухом.
Плотность вещества – это отношение его массы к объему:
= m / V, [г/см3, кг/м3]
Плотность водорода равна 0,0898 кг/м3. Важнейшие константы водорода представлены в таблице ниже.
Таблица 1. Физические свойства водорода.
|
Плотность, кг/м3 |
0,0898 |
|
Температура плавления, oС |
-259,1 |
|
Температура кипения, oС |
-252,8 |
|
Энергия ионизации атома, эВ |
13,60 |
|
Сродство атома к электрону, эВ |
0,75 |
|
Относительная электроотрицательность |
2,1 |
|
Радиус атома, нм |
0,046 |
|
Межъядерное расстояние в молекуле, нм |
0,0741 |
|
Стандартная энтальпия диссоциации молекул при 25oС, кДж/моль |
436,1 |
Распространенность водорода в природе
Водород является одним из наиболее распространенных элементов – его доля составляет около 1% от массы всех трех оболочек земной коры (атмосферы, гидросферы и литосферы), что при пересчете на атомные проценты дает цифру 17,0.
Основное количество этого элемента находится в связанном состоянии. Так, вода содержит около 11% (масс.), глина – около 1,5% и т.д. В виде соединений с углеродом водород входит в состав нефти, горючих природных газов и всех организмов.
Свободный водород состоит из молекул H2. Он часто содержится в вулканических газах. Частично он образуется также при разложении некоторых органических остатков. Небольшие количества его выделяются зелеными растениями. Атмосфера содержит около 0,00005% (об.) водорода.
Краткое описание химических свойств и плотность водорода
Химическая роль водорода весьма многообразна, и его производные – гидриды – известны для многих элементов. Атом водорода может либо отдавать свой единственный электрон с образованием положительного иона (представляющего собой голый протон), либо присоединять один электрон переходя в отрицательный ион, имеющий гелийную электронную конфигурацию.
Водород проявляет сильные восстановительные свойства при повышенных температурах, реагирует с металлами, неметаллами и оксидами металлов.
Так, водород взаимодействует с фтором (1) в широком диапазоне температур (от -250oС до комнатной), сгорание водорода в атмосфере хлора (2) хоть и происходит при комнатной температуре, но обязательно на свету, реакции с азотом (3) и углеродом (4) протекают при нагревании под давлением и с участием катализаторов.
H2 + F2 = 2HF (1);
H2 + Cl2 = 2HCl (2);
3H2 + N2 = 2NH3 (3);
2H2 + C = CH4 (4).
Чтобы смесь, состоящая из водорода и натрия / кальция прореагировала, необходимо нагреть её до температуры 300oС или 500 – 700oС соответственно:
H2 + 2Na = 2NaH;
H2 + Ca = CaH2.
Водород при определенных условиях реагирует с солями, кислотными оксидами и другими сложными веществами. Так, реакция взаимодействия с сульфатом натрия протекает при нагревании (500 – 600oС) и участии катализатора (Fe2O3):
4H2 + 2Na2SO4 = Na2S + 4H2O.
В реакции с диоксидом углерода катализатором выступает оксид меди (I), а требуемая температура нагрева равна 200oС:
4H2 + CO2 = CH4 + 2H2O.
Примеры решения задач
| Задание | Плотность паров простого вещества фосфора по водороду – 62. Определите формулу фосфора. |
| Решение | Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму. Данная величина показывает, во сколько раз первый газ тяжелее или легче второго газа.
D = M1 / M2. Молярная масса газа равна его плотности по отношению к другому газу, умноженной на молярную массу второго газа: M1 = D×M2. Тогда, молярная масса газа фосфора будет равна: Mgas = DH2×M(H2) = 62 × 2 = 124 г/моль. Mr(H2) = 2 ×Ar(H) = 2 × 1 = 2. Относительная атомная масса фосфора равна 30,9738 а.е.м. Тогда, в состав молекулы фосфора входит Mgas /Ar(P) атомов фосфора: Mgas / Ar(P) = 124 / 30,9738 = 4. Значит формула молекулы фосфора P4. |
| Ответ | Молярная масса фосфора равна 124 г/моль, а формула молекулы фосфора P4. |
| Задание | Плотность газа по воздуху – 0,59. Массовая доля элемента азота в нем – 82,35%, а водорода – 17,65%. Выведите формулу газа. |
| Решение | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Обозначим число атомов азота в молекуле через «х», число атомов водорода через «у». Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов азота и водорода (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел). Ar(N) = 14; Ar(H) = 1. Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения: x:y = ω(N)/Ar(N) : ω (H)/Ar(H); x:y = 82,35/14 : 17,65/1; x:y = 5,88 : 17,65= 1 : 3. Значит простейшая формула соединения азота и водорода имеет вид NH3. Значение молярной массы газа можно определить при помощи его плотности по воздуху: Mgas = M(air) × Dair(gas); Mgas = 29 × 0,59 = 17,11 г/моль. Чтобы найти истинную формулу соединения азота и водорода найдем отношение полученных молярных масс: Mgas / M(NH3) = 17,11 / 17 = 1. M(NH3) = Ar(N) + 3 × Ar(H) = 14 + 3 × 1 = 14 + 3 = 17 г/моль. Таким образом формула вещества будет иметь вид NH3. Это аммиак. |
| Ответ | Формула газа – NH3. Это аммиак. |
