Номер 11, страница 112 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 3. Дисперсные системы и растворы. Параграф 16. Растворы. Концентрация растворов и способы её выражения - номер 11, страница 112.

Условие.

11. Водород хорошо растворяется в некоторых металлах, например платине и палладии. Как вы думаете, почему это происходит? Где используется это явление? Найдите в Интернете количественные характеристики растворимости водорода в металлах.

Решение.

Решение 2.

Как вы думаете, почему это происходит?

Водород хорошо растворяется в некоторых металлах, таких как платина и палладий, благодаря процессу, называемому окклюзией. Этот процесс происходит в несколько этапов:

1. Адсорбция и диссоциация. Молекулы водорода ($H_2$) из газовой фазы сначала оседают на поверхности металла. Благодаря каталитической активности таких металлов, химическая связь в молекуле водорода ослабевает, и она распадается на два отдельных атома водорода ($\text{H}$).

2. Абсорбция (растворение). Атомы водорода имеют очень маленький радиус. Это позволяет им проникать (диффундировать) вглубь кристаллической решетки металла и располагаться в межузельных пространствах — пустотах между атомами металла.

В результате образуется твердый раствор водорода в металле. При увеличении концентрации водорода могут образовываться новые фазы — гидриды металлов (например, гидрид палладия $PdH_x$). Способность металла поглощать водород зависит от его электронной структуры, типа кристаллической решетки и размера межузельных пустот.

Ответ: Это происходит потому, что на каталитической поверхности металла молекулы водорода распадаются на атомы, которые затем, благодаря своему малому размеру, проникают вглубь кристаллической решетки металла.

Где используется это явление?

Уникальная способность некоторых металлов поглощать водород нашла широкое применение в различных технологиях:

• Хранение водорода. Металлы и сплавы, образующие гидриды (например, на основе титана, лантана, никеля), используются для создания компактных и безопасных систем хранения водорода. Это одно из перспективных направлений для водородной энергетики, в том числе для автомобилей на водородных топливных элементах.

• Высокотехнологичная очистка водорода. Мембраны из палладия и его сплавов обладают уникальной селективной проницаемостью: при нагревании сквозь них могут диффундировать только атомы водорода. Это позволяет получать водород сверхвысокой чистоты (до 99,99999%), отделяя его от любых других примесей.

• Химический катализ. Платина, палладий и никель являются важнейшими катализаторами в процессах гидрирования — присоединения водорода к органическим соединениям (например, в производстве маргарина из растительных масел, в нефтепереработке). Их способность поглощать и активировать водород (расщеплять на атомы) является ключом к их каталитической эффективности.

• Водородные сенсоры. Электрическое сопротивление и объем палладия заметно изменяются при поглощении водорода. Это свойство используется для создания высокочувствительных датчиков для обнаружения даже малейших утечек водорода.

Ответ: Это явление используется для хранения и очистки водорода, в химическом катализе (процессы гидрирования) и в датчиках для обнаружения утечек водорода.

Найдите в Интернете количественные характеристики растворимости водорода в металлах.

Количественные характеристики растворимости водорода сильно различаются для разных металлов и зависят от температуры и давления:

• Палладий (Pd) является абсолютным рекордсменом. При комнатной температуре и атмосферном давлении один объем палладия способен поглотить до 900 объемов газообразного водорода. Это соответствует образованию гидрида с атомным соотношением H/Pd около 0,7 (т.е. на 10 атомов палладия приходится 7 атомов водорода).

• Платина (Pt) поглощает водород в гораздо меньших количествах. При давлении 1 атм и температуре 700°C атомное соотношение H/Pt составляет лишь около 0,003.

• Титан (Ti), ниобий (Nb), ванадий (V) также являются активными поглотителями водорода, образуя стабильные гидриды. Например, титан может образовывать гидрид состава $TiH_2$, где на один атом титана приходится два атома водорода.

• Железо (Fe) имеет очень низкую растворимость водорода. При комнатной температуре и давлении в 1 атм она составляет всего около $10^{-7}$ в атомных долях. Тем не менее, даже такое незначительное количество может привести к серьезной проблеме в металлургии — водородной хрупкости, которая делает сталь ломкой и склонной к разрушению.

Зависимость растворимости ($\text{C}$) от давления ($p_{H_2}$) для многих металлов описывается законом Сивертса: $C = S \cdot \sqrt{p_{H_2}}$. Квадратный корень в формуле как раз отражает тот факт, что молекула $H_2$ диссоциирует на два атома перед растворением.

Ответ: Растворимость водорода сильно зависит от металла: палладий при нормальных условиях может поглотить до 900 объемов водорода на свой объем (соотношение H/Pd ≈ 0.7), титан образует гидрид $TiH_2$, тогда как для платины и железа эти показатели на несколько порядков ниже.