Характеристика вагонов 81-717(714) 13 страница

114. Структурообразование в дисперсных системах. Физико-хи­мическая механика твердых тел и дисперсных структур. Как ука­зывалось в § 105, дисперсные системы разделяют на две большие группы: свободнодисперсные, или неструктурированные, и связно-дисперсные, или структурированные системы. Последние обра­зуются в результате возникновения контактов между дисперсными частицами. Особенности этих контактов зависят от природы, вели­чины, формы, концентрации дисперсных частиц, а также от их распределения по размерам и взаимодействия с дисперсионной средой.

*Петр Александрович Ребиндер (1898—1972) — советский фи-зико-химик, академик, Герой Социалистического Труда, лауреат Государствен­ных премий, основатель крупной научной школы в области физической химии дисперсных систем. Разработанные им пути управления свойствами дисперс­ных систем, процессами их образования и разрушения тесно связаны с реше­нием крупных технических задач.

На рис. 104 схематично показаны виды возможных контактов между частицами в структурированных дисперсных системах. Вы­деляют два, резко различающихся по своим свойствам, типа про­странственных структур, названных П. А. Ребиндером ко а гул я -ционными и конденсационными структурами. Основное различие этих структур состоит в неодинаковой природе контакта между частицами дисперсной фазы. В коагуляционных структурах этот контакт осуществляется или через очень тонкие прослойки дисперсионной среды (рис. 104, а) и точечные контакты (рис. 104, в)', или при участии макромолекул (рис. 104,6). Конденсационные структуры возникают как результат склеивания, сваривания, сра­стания частиц дисперсной фазы на отдельных участках поверхно­сти (рис. 104, г).

Коагуляционные пространственные структуры образуются из с$ободнодисперсных систем, когда дисперсионное притяжение Между частицами преобладает над электростатическим отталки­ванием. Ё этом случае энергия результирующего взаимного при­тяжения частиц сравнима с энергией их теплового броуновского Движения.

На первых этапах коагуляционного взаимодействия возникают агрегаты из двух, трех, а иногда и цепочки первичных дисперсных частиц; коллоидный раствор сохраняет текучесть, так как разви­тие структуры не дошло до образования непрерывной сетки. Воз­никает жидкообразная коагуляционная структура (соответствующая стадии скрытой коагуляции, см. § 113). В по­токе жидкости агрегаты распадаются и внствь образуются; каждой скорости потока соответствует своя равновесная величина агрега­тов, а следовательно, и оказываемого ими сопротивления потоку жидкости. Поэтому возникновение пространственных структур в растворах обнаруживается по изменению вязкости в зависимости от скорости потока жидкости *.

Дальнейший рост агрегатов приводит к образованию коагулята (седимента) или геля (рис. 89 на Стр. 300). Возникает твердооб-разная пространственная коагуляционная структура, которая мо­жет быть плотной или рыхлой.

* Для обычных жидкостей в условиях ламинарного (послойного) потока вязкость (коэффициент внутреннего треиия) не завист от скорости течения жидкости.

Плотная структура (рис. 89, б) возникает, когда частицы дис­персной фазы укладываются в осадке наиболее плотно, «скользя» друг относительно друга; если первичные частицы соединяются в цепочки, то коагуляционная структура будет рыхлой — «ароч­ной» (рис. 89, в). Образованию геля (рис. 89, а) особенно благо­приятствует вытянутая форма частиц дисперсной фазы, но при больших концентрациях гелеобразование возможно и в случае сфе­рических частиц, если они склонны к цепочкообразованию.

Свежеполученные коагуляты во многих случаях способны вновь переходить в состояние золя. Такой изотермический переход коагулят->золь называют пептизацией, а вызывающие его вещества — п е пт из а то р а м и. Пептизаторы являются стабили­заторами дисперсных систем и могут быть веществами как ионной (электролиты), так и молекулярной природы. Адсорбируясь на поверхности первичных частиц, пептизаторы ослабляют взаимо­действие между ними, что приводит к распаду агрегатов и пере­ходу коагулята в состояние золя. Пептизацию часто наблюдают при промывании дистиллированной водой находящихся на фильтре свежеполученных осадков гидроксидов и сульфидов металлов. Промывание дистиллированной водой уменьшает концентрацию электролитов, что приводит к изменению структуры двойного электрического слоя — часть противоионов переходит из адсорб­ционного в диффузный слой, возрастает электрокинетический по­тенциал частиц коагулята. В результате осадок гидроксида или сульфида на фильтре уменьшается — пептизируется, проходя через поры фильтра в виде золя.

Обычно пептизируемость коагулятов уменьшается со временем в результате развития точечных контактов между первичными частицами; происходит упрочнение коагуляционных структур. По­добное самопроизвольное изменение свойств коллоидных раство­ров, коагулятов, студней и гелей называют старением кол­лоидов. Оно проявляется в агрегации частиц дисперсной фазы, в уменьшении их числа и степени их сольватации (в случае вод­ных растворов — гидратации), а также в уменьшении поверхности раздела между фазами и адсорбционной способности.

Коагуляционные структуры обладают определенным комплек­сом механических свойств, обусловленным тонкими прослойками дисперсионной среды на участках контактов частиц дисперсной фазы. Сетчатый каркас из дисперсных частиц удерживается за счет межмолекулярных сил, которые невелики. Поэтому прочность коагуляционных структур незначительна.

Для коагуляционных структур, образованных частицами вытянутой или пластинчатой формы, а также цепочечными агрегатами, характерна т и к с о -тропия (от греч, «тиксис»— встряхивание, «трепо»— изменяется). Так на­зывают обратимое разрушение структуры с переходом в текучее состояние при механических воздействиях, например при встряхивании, и самопроизвольное восстановление структуры, «отвердевание» в покое. Тиксотропность может быть полезным свойством: например, масляные краски, будучи разжижены механи­ческим воздействием, не стекают с вертикальных поверхностей в результате тиксотропного структурирования.

Коагуляционные структуры проявляют структурную вязкость, т. е. изменение вязкости от предельно высоких значений, когда структура еще не разрушена, до предельно низких величии прн полном разрушении структуры и ориентации частиц их длинной осью по направлению потока жидкости. Раз­личие между этими предельными значениями вязкости может достигать 10⁸—10⁹ раз. Высококоицентрированные коагуляционные структуры (пасты) пластичны, т. е. их деформация необратима,

При высушивании материалов, имеющих коагуляционпую структуру, коагу­ляционные контакты переходят в точечные, прочность материала быстро воз­растает, но он теряет пластичность. Оводнение такого высушенного материала (например, бумажной массы, высушенной глины, керамической массы) приво­дит к его размоканию со снижением прочности.

Слабое взаимодействие частиц в сухих дисперсных системах обусловливает их пылевидность, что, в частности, отрицательно сказывается на плодородии слабоструктурированных почв. Плохую структуру почв исправляют, внося в них органические удобрения. В настоящее время структуру почв улучшают также, вводя в них синтетические полимеры, например полиакриламиды. Концентрация их в почве должна быть такова, чтобы макромолекулы, адсорбируясь на поч­венных частицах, связали несколько таких частиц в единый агрегат (рис. 104,6). Аналогичным путем достигают закрепления песков и создают упрочненные грунтовые дороги.

Конденсационные дисперсные структуры в зависимости от ме­ханизма возникновения фазового контакта (рис. 104, г) между частицами дисперсной фазы подразделяются на два подтипа: а) структуры спекания (срастания) и б) кристаллизационные структуры твердения.

Конденсационные структуры спекания (срастания) возникают в результате сварки, сплавления, спекания или склеивания дис­персных частиц в точках касания. Такая структура получается при термической обработке коагуляционной структуры, когда частицы дисперсной фазы «свариваются» по местам точечных контактов. Она характерна для ряда адсорбентов (силикагель, алюмогель), которые вследствие рыхлой их структуры являются хрупкими.

При высокой плотности упаковки дисперсных частиц конденсационные структуры спекания приобретают высокую прочность и часто жаропрочность. Таковы композиции из металла и тугоплавкого оксида металла, например спе­ченный алюминиевый порошок (САП). На алюминиевый порошок наращивают тонкую оксидную пленку и порошок спекают под давлением. Структура САП представляет собой каркас нз пленки А1₂0₃ толщиной 10—20 им, в ячейки которой включены зерна алюминия с сохранением частичных контактов между ними. Таким образом, конденсационные структуры представляют собой непре­рывные каркасы дисперсной фазы и дисперсионной среды, вдвинутые друг в друга и не потерявшие дисперсности.

Конденсационная структура может быть получена и при кон­денсации дисперсной фазы из пересыщенных паров, растворов или расплавов. При образовании и росте зародышей новой фазы из концентрированных пересыщенных систем может возникнуть не­прерывный сетчатый каркас путем срастания и переплетения рас­тущих частиц дисперсной фазы. Если эти частицы представляют собой кристаллы, возникающие структуры называют кристаллиза-ционио-конденсационными структурами твердения.

Образование кристаллизационных структур в процессе гидратационного твердения минеральных вяжущих материалов (алюминатно-силикатных цемен­тов, гипса, извести) детально изучено школой П. А. Ребиндера.

Бетонная смесь состоит из цемента, заполнителей — песка, гравия, щебня—■ и воды. Зерна цемента, представляющие собой алюминаты и силикаты кальция, постепенно растворяются, н из пересыщенного раствора выделяются менее рас­творимые кристаллы гидратов. Твердение бетонной массы состоит в срастании и переплетении этих кристаллов, связывающих песок, гравий и щебень в мо­нолит. Введение в бетонные смеси поверхностно-активных веществ, электроли­тов, применение вибрационных механических воздействии привели к разработке новой технологии изготовления бетонных изделий повышенной прочности и твердости с одновременным улучшением экономических показателей произ­водства.

Сцепление элементов конденсационных структур осуществляется путем об­разования химических связей, что обусловливает значительную прочность этих структур. Конденсационные структуры не тиксотропиы и не пластичны, это упруго-хрупкие, необратимо разрушаемые структуры, в отличие от тиксотропно-Обратимых коагуляционных структур.

Область науки, изучающая физическую химию процессов деформирования, разрушения и образования материалов и дисперсных структур, называется ф и -зико-химической механикой твердых тел и дисперсных структур. Она сформировалась в середине нашего века благодаря работам П. А. Ребиндера и его школы как новая область научного знания, погранич' ная коллоидной химии, молекулярной физике твердого тела, механике мате­риалов и технологии их производства. Основной задачей физико-химической механики является создание материалов с заданными свойствами и оптималь­ной для целей их применения структурой. В частности, физико-химическая ме­ханика ставит своей задачей повышение прочности материалов. Этим достига­ется снижение массы и увеличение срока службы изделий, уменьшение расхода материалов на их изготовление, что приводит к повышению экономической эффективности производства.

Другая задача физико-химической механики тесно связана с механической технологией — обработкой металлов, горных пород, стекол, пластиков путем дробления, давления, резания, волочения — и состоит в управлении происходя­щими при этом процессами деформации, образования новых поверхностей н диспергирования.

В 1928 г. П. А. Ребиндер обнаружил, что прочность кристаллов каменной соли и кальцита значительно понижается в водных растворах ПАВ по сравне­нию с их прочностью на воздухе. Так был открыт эффект адсорбционного по­нижения прочности и облегчения деформации твердых тел, названный «эффектом Ребиндера».

В результате адсорбции ПАВ по местам дефектов кристаллической ре­шетки (микротрещин, зародышевых трещии, границ зерен в поликристалличе­ских материалах) облегчаются деформация и разрушение любых твердых мате­риалов. Адсорбция ПАВ уменьшает поверхностную энергию и тем самым об­легчает образование новых поверхностей при разрушении материалов.

Эффект адсорбционного понижения прочности и облегчения деформации твердых тел нашел широкое применение при совершенствовании разнообразных технологических процессов. Используя этот эффект, удалось достигнуть значи­тельного повышения скоростей при бурении и проходке скважин в горных по­родах, облегчить обработку металлов резанием, давлением и волочением, по­высить чистоту поверхностей при шлифовании и полировании, создать более совершенные смазки, облегчившие приработку деталей машнн.

Прочность реальных материалов из-за дефектов их кристаллической струк­туры значительно ниже прочности идеальных монокристаллов. Если дисперги­ровать материал до частиц, размеры которых соизмеримы с расстояниями между дефектами структуры, то прочность таких высокодисперсных частиц будет близка к прочности идеальных твердых тел. Отсюда возникла идея о повыше­нии прочности материалов путем их измельчения с последующим свариванием, спеканием уплотненных дисперсных порошков. На основе этой идеи разрабо­тано производство новых материалов и изделий из них — порошковая метал­лургия, металлокерамика (см. § 229).

Широкие возможности создания новых материалов открываются на основе композиций из неорганических веществ и полимеров органических соединений. Примером их являются резины, состоящие из вулканизованных каучуков,и сажи, масса которой достигает 50 % массы резины. В зависимости от соотно-

шения компонентов и от распределения серы н сажн в каучуке можно полу­чать резины с разнообразными свойствами. На этом примере полезно подчерк­нуть различие понятий о веществах и материалах. Каучук, сажа, сера —это вещества, из которых создается материал определенной структуры — резина.

Глава ВОДОРОД XI

Водород (Hydrogenium)' был открыт в первой половине XVI ве­ка немецким врачом и естествоиспытателем Парацельсом. В 1776 г. Г. Кавендиш (Англия) установил его свойства и указал отличия от других газов. Лавуазье первый получил водород из воды и до­казал, что вода есть химическое соединение водорода с кислородом (1783 г.).

Водород имеет три изотопа: протий ⁴Н, дейтерий ²Н или D и тритий ³Н или Т. Их массовые числа равны 1, 2 и 3. Протий и дейтерий стабильны, тритий — радиоактивен (период полураспада 12,5 лет). В природных соединениях дейтерий и протий в среднем содержатся в отношении 1: 6800 (по числу атомов). Тритии нахо­дится в природе в ничтожно малых количествах.

Ядро атома водорода ¹Н содержит один протон. Ядра дейтерия и трития включают кроме протона соответственно один и два нейтрона.

Молекула водорода состоит из двух атомов. Приведем некото­рые свойства, характеризующие атом и молекулу водорода;

Энергия ионизации атома, эВ 13,60

Сродство атома к электрону, эВ 0,75

Относительная электроотрицательиость 2,1

Радиус атома, им 0,046

Межъядериое расстояние в молекуле, им 0,0741

Стандартная эитальпня диссоциации молекул при 436,1 25 °С, кДж/моль

* Такое большое различие между величинами, выражающими содержание водорода в процентах от общего числа атомов и в процентах по массе, объяс­няется тем, что атомы водорода намного легче атомов других элементов, в част-, ности наиболее распространенных в земной коре кислорода и кремния.

115. Водород в природе. Получение водорода. Водород в сво­бодном состоянии встречается на Земле лишь в незначительных количествах. Иногда он выделяется вместе с другими газами при вулканических извержениях, а также из буровых скважин при до­бывании нефти. Но в виде соединений водород весьма распростра­нен. Это видно уже из того, что он составляет девятую часть массы воды. Водород входит в состав всех растительных и живот­ных организмов, нефти, каменного и бурого углей, природных га­зов и ряда минералов. На долю водорода из всей массы земной коры, считая воду и воздух, приходится около 1 %. Однако при пересчете на проценты от общего числа атомов содержание водо­рода в земной коре равно 17 % *.

116. Свойства и применение водорода

Рис. 105. Аппарат Киппа.

Водород — самый распространенный элемент космоса. На его долю приходится около полови­ны массы Солнца и большинства других звезд. Он содержится в газовых туманностях, в межзвезд­ном газе, входит в состав звезд. В недрах звезд происходит превращение ядер атомов водорода в ядра атомов гелия. Этот процесс протекает с вы­делением энергии, для многих звезд, в том числе для Солнца, он служит главным источником энергии. Скорость процесса, т. е. количество ядер водорода, превращающихся в ядра гелия в од­ном кубическом метре за одну секунду, мала. Поэтому и ко­личество энергии, выделяющейся за единицу времени в единице объема, мало. Однако, вследствие огромности массы Солнца. об» щее количество энергии, генерируемой и излучаемой Солнцем, очень велико. Оно соответствует уменьшению массы Солнца приблизи­тельно на 4 млн. т в секунду.

В промышленности водород получают главным образом из при«родного газа. Этот газ, состоящий в основном из метана, смейЫ* вают с водяным паром и с кислородом. При нагревании смеси га» зов до 800—900 °С в присутствии катализатора происходит реак­ция, которую схематически можно изобразить уравнением!

2СН₄ + 0₂ + 2H_sO => 2С0₂ + 6Н₂

Полученную смесь газов разделяют. Водород очищают и либо используют на месте получения, либо транспортируют в стальные баллонах под повышенным давлением.

Важным промышленным способом получения водорода служит также его выделение из коксового газа или из газов переработки нефти. Оно осуществляется глубоким охлаждением, при котором все газы, кроме водорода^.сжижаются.

В лабораториях водород получают большей частью электроли-* зом водных растворов NaOH или КОН. Концентрация этих рас­творов выбирается такой, которая отвечает их максимальной электрической проводимости (25 % для NaOH и 34 % для КОЙ), Электроды обычно изготовляют из листового никеля. Этот металл не подвергается коррозии в растворах щелочей, даже будучи ано­дом. В случае надобности получающийся водород очищают от па­ров воды и от следов кислорода. Из других лабораторных методой наиболее распространен метод выделения водорода из растворов серной или соляной кислот действием на них цинка. Реакцию обыч­но проводят в аппарате Киппа (рис. 105).

116. Свойства и применение водорода. Водород — бесцветный газ, не имеющий запаха. При температуре ниже —240 °С (крити­ческая температура водорода) он под давлением сжижается!

температура кипения жидкого водорода —252,8 °С (при нормаль­ном атмосферном давлении). Если быстро испарять эту жидкость, то получается твердый водород в виде прозрачных кристаллов, плавящихся при —259,2 °С.

Водород-—самый легкий из всех газов, он в 14,5 раза легче воздуха; масса 1 л водорода при нормальных условиях равна 0,09 г. В воде водород растворим очень мало, но в некоторых ме­таллах, например в никеле, палладии, платине, растворяется в значительных количествах.

С растворимостью водорода в металлах связана его способ­ность диффундировать через металлы. Кроме того, будучи самым легким газом, водород обладает наибольшей скоростью диффузии: его молекулы быстрее молекул всех других газов распростра­няются в среде другого вещества и проходят через разного рода перегородки. Особенно велика его способность к диффузии при повышенном давлении и высоких температурах. Поэтому работа с водородом в таких условиях сопряжена со значительными труд­ностями.

Диффузия водорода в сталь при высоких температурах может вызвать водородную коррозию стали. Этот совершенно особый вид коррозии состоит в том, что водород взаимодействует с имеющимся в стали углеродом, превращая его в углеводороды (обычно в метан), что приводит к резкому.ухудшению свойств стали.

Химические свойства водорода в значительной степени опреде­ляются способностью его атомов отдавать единственный имею­щийся у них электрон и превращаться в положительно заряжен­ные ионы. При этом проявляется особенность атома водорода, отличающая его от атомов всех других элементов: отсутствие промежуточных электронов между валентным электроном и ядром. Ион водорода, образующийся в результате потери атомом водо­рода электрона, представляет собой протон, размер которого на несколько порядков меньше размера катионов всех других эле­ментов. Поэтому поляризующее действие протона очень велико, вследствие чего водород не способен образовывать ионных соеди­нений, в которых он выступал бы в качестве катиона. Его со­единения даже с наиболее активными неметаллами, например с фтором, представляют собой вещества с полярной ковалентной связью.

Атом водорода способен не только отдавать, но и присоединять один электрон. При этом образуется отрицательно заряженный ион водорода с электронной оболочкой атома гелия. В виде таких ионов водород находится в соединениях с некоторыми активными металлами. Таким образом, водород имеет двойственную химиче­скую природу, проявляя как окислительную, так и восстановитель­ную способность. В большинстве реакций он выступает в качестве восстановителя, образуя соединения, в которых степень его окис-ленности равна +1- Но в реакциях с активными металлами он выступает в качестве окислителя: степень окисленности его в со­единениях с металлами равна —1.

Таким образом, отдавая один электрон, водород проявляет сходство с металлами первой группы периодической системы, а присоединяя электрон, — с неметаллами седьмой группы. Поэтому водород в периодической системе обычно помещают либо в первой группе и в то же время в скобках в седьмой, либо в седьмой группе и в скобках в первой.

Соединения водорода с металлами называются гидридами. Гидриды щелочных и щелочноземельных металлов представляют собой соли, т.е. химическая связь между металлом и водородом в них ионная. Это кристаллы белого цвета. Все они нестойки и при нагревании разлагаются на металл и водород. При действии на них воды протекает окислительно-восстановительная реакция* в которой гидрид-ион Н~ выступает в качестве восстановителя, а водород воды — в качестве окислителя:

FT = Н° + е"; Н₂0 + е" = Н° + ОН"

В результате реакции образуются водород и основание. Напри-мер, гидрид кальция реагирует с водой согласно уравнению: СаН₂ + 2Н₂0 = 2H₂f -f Са(ОН)₂

Эта реакция используется для определения следов влаги и для их удаления.

Кроме солеобразных известны металлообразные и полимерные гидриды. По характеру химической связи в металлообразных гид­ридах последние близки к металлам. Они обладают значительной электрической проводимостью и металлическим блеском, но очень хрупки. К ним относятся гидриды титана, ванадия, хрома. В поли­мерных гидридах (например, в гидридах цинка и алюминия) ато­мы металла связаны друг с другом водородными «мостиками», по­добно тому, как это имеет место в молекулах бороводородов (стр. 612).

Если к струе водорода, выходящей из какого-нибудь узкого отверстия, поднести зажженную спичку, то водород загорается и горит несветящимся пламенем, образуя воду:

2Н₂ + 0₂ = 2Н₂0

При поджигании смеси 2 объемов водорода с 1 объемом кис­лорода соединение газов происходит почти мгновенно во всей массе смеси и сопровождается сильным взрывом. Поэтому такую смесь называют гремучим газом. Стандартная энтальпия этой ре­акции в расчете на 1 моль образующейся жидкой воды равна —285,8 кДж, а в расчете на 1 моль водяного пара — 241,8 кДж. Таким образом, при горении водорода выделяется большое количе­ство теплоты. Температура водородного пламени может достигать 2800°С. Водородно-кислородным пламенем пользуются для сварки и резки металлов, для плавления тугоплавких металлов.

При низких температурах водород с кислородом практически не взаимодействуют. Если смешать оба газа и оставить смесь, то и через несколько лет в ней нельзя обнаружить даже признаков воды. Если же смесь водорода с кислородом поместить в запаян­ный сосуд и держать в нем при 300°С, то уже через несколько дней образуется немного воды. При 500°С водород полностью со­единяется с кислородом за несколько часов, а при нагревании смеси до 700°С происходит быстрый подъем температуры и реак­ция заканчивается практически мгновенно. Поэтому, чтобы вы­звать взрыв смеси, нужно нагреть ее хотя бы в одном месте до 700 °С.

Малая скорость взаимодействия водорода с кислородом при низких температурах обусловлена высокой энергией активации этой реакции. Молекулы водорода и кислорода очень прочны; лю­бое столкновение между ними при комнатной температуре оказы­вается неэффективным. Лишь при повышенных температурах, когда кинетическая энергия сталкивающихся молекул делается большой, некоторые соударения молекул становятся эффективны­ми и приводят к образованию активных центров.

Применение катализатора может сильно увеличить скорость взаимодействия водорода с кислородом. Внесем, например, кусочек платинированного (т. е. покрытого мелко раздробленной платиной)' асбеста в смесь водорода с кислородом. Взаимодействие между газами настолько ускоряется, что через короткое время происходит взрыв.

Напомним, что реакция между водородом и кислородом являет­ся цепной и протекает по разветвленному механизму (см. § 62).

При высокой температуре водород может отнимать кислород от многих соединений, в том числе от большинства оксидов метал­лов. Например, если пропускать водород над накаленным оксидом меди, то происходит восстановление меди:

СиО + Н₂ = Си + Н₂0

* В основе процессов гидрогенизации лежит присоединение водорода к мо­лекулам исходных веществ,

Поэтому водород применяют в металлургии для восстановления некоторых цветных металлов из их оксидов. Главное применение водород находит в химической промышленности для синтеза хло-роводорода (см. § 121), для синтеза аммиака (см. § 138), идущего в свою очередь на производство азотной кислоты и азотных удоб­рений, для получения метилового спирта (см. § 169) и других орга­нических соединений.Он используется для гидрогенизации* жиров (см.§ 173), угля и нефти. При гидрогенизации угля и нефти бедные водородом низкосортные виды топлива превращаются в высоко­качественные.

Водород используют для охлаждения мощных генераторов электрического тока, а его изотопы находят применение в атомной энергетике (см. стр. 108).

Атомарный водород. При высокой температуре молекулы водорода диссоциируют иа атомы:

Н₂ 5р±: 2Н

Осуществить эту реакцию можно, например, раскаляя током вольфрамо­вую проволочку в атмосфере сильно разреженного водорода. Реакция обра­тима, и чем выше температура, тем сильнее равновесие сдвинуто вправо. При 2000 °С степень диссоциации (т. е. доля молекул, подвергшихся диссоциации) составляет только 0,1%, при 3000 °С — 9%, при 4000 °С — 62,5 %, при 5000 °С — 94,7 % (все величины относятся к случаю, когда давление в системе равно нормальному атмосферному давлению).

Атомарный водород получается также при действии тихого электрического разряда- на молекулярный водород, находящийся под давлением около 70 Па. Образующиеся при этих условиях атомы водорода не сразу соединяются в мо­лекулы, что дает возможность изучить их свойства.

При разложении водорода на атомы поглощается большое количество теплоты:

Н₂ = 2Н —436 кДж

Отсюда понятно, что атомы водорода должны быть гораздо активнее его молекул. Чтобы молекулярный водород вступил в какую-либо реакцию, моле­кулы должны сперва распасться на атомы, для чего необходимо затратить большое количество энергии. При реакциях же атомарного водорода такой за­траты энергии не требуется.

Действительно, атомарный водород уже при комнатной температуре вос­станавливает многие оксиды металлов, непосредственно соединяется с серой, азотом и фосфором; с кислородом, он образует пероксид водорода.

117. Пероксид водорода Н₂0₂. Пероксид (перекись) водорода представляет собой бесцветную сиропообразную жидкость плот­ностью 1,45 г/см³, затвердевающую при —0,48°С. Это очень не­прочное вещество, способное разлагаться со взрывом на воду и кислород, причем выделяется большое количество теплоты:

2Н₂0₂(ж) = 2Н₂0(ж) + 0₂ +197,5 кДж

Водные растворы пероксида водорода более устойчивы; в про­хладном месте они могут сохраняться довольно долго. Пергид­роль — раствор, который поступает в продажу, — содержит 30 % Н₂0₂. В нем, а также в высококонцентрированных растворах пер­оксида водорода содержатся стабилизирующие добавки.

Разложение пероксида водорода ускоряется катализаторами. Если, например, в раствор пероксида водорода бросить немного диоксида марганца МпСЬ, то происходит бурная реакция и выде­ляется кислород. К катализаторам, способствующим разложению пероксида водорода, принадлежат медь, железо, марганец, а также ионы этих металлов. Уже следы этих металлов могут вызвать рас­пад Н2О2.

Дата добавления: 2014-11-16