Что такое водород?
Цель сегодняшней публикации – представить неподготовленному читателю исчерпывающие сведения о том, что такое водород, каковы его свойства, сфера применения, свойства, значение и способы получения.
Мы также проследим историю открытия этого удивительного вещества, изложив теорию по возможности кратко и без использования излишне заумной терминологии.
Что такое водород: общие сведения
Водород – это один из самых распространенных в природе химических элементов. Доля водорода в массе Солнца составляет примерно половину. Во Вселенной же доля атомов водорода приближается к 90 %, являясь основой межзвездного газа и звезд.
Водород присутствует в подавляющем большинстве органических веществ и живых клеток, в которых на его долю приходится почти две трети атомов.
Фото 1. Водород считается одним из самых распространенных элементов в природе
В периодической системе элементов Менделеева водород занимает почетную первую позицию с атомным весом, равным единице.
Название «водород» (в латинском варианте – Hydrogenium) ведет происхождение от двух древнегреческих слов: ὕδωρ — «вода» и γεννάω — «рождаю» (буквально – «рождающий воду) и впервые было предложено в 1824 г. русским химиком Михаилом Соловьевым.
Водород является одним из водообразующих (наряду с кислородом) элементов (химическая формула воды H2O).
По физическим свойствам водород характеризуется как бесцветный газ (легче воздуха). При смешении с кислородом или воздухом крайне взрывоопасен и горюч.
Способен растворяться в некоторых металлах (титане, железе, платине, палладии, никеле) и в этаноле, однако очень плохо растворим в серебре.
Молекула водорода состоит из двух атомов и обозначается H2. Водород имеет несколько изотопов: протий (H), дейтерий (D) и тритий (T).
История открытия водорода
Еще в первой половине XVI века при проведении алхимических опытов, смешивая металлы с кислотами, Парацельс заметил доселе неизвестный горючий газ, который отделить от воздуха он так и не смог.
Спустя почти полтора столетия – в конце XVII века – французскому ученому Лемери удалось-таки отделить водород (еще не зная, что это именно водород) от воздуха и доказать его горючесть.
Фото 2. Генри Кавендиш — первооткрыватель водорода
Химические опыты в середине XVIII века позволили Михаилу Ломоносову выявить процесс выделения некоего газа в результате некоторых химических реакций, не являющегося, однако, флогистоном.
Настоящий прорыв в исследовании горючего газа удалось совершить английскому химику Генри Кавендишу, которому и приписывается открытие водорода (1766).
Этот газ Кавендиш называл «горючим воздухом». Им же проведена реакция сжигания этого вещества, в результате которой получалась вода.
В 1783 г. французским химикам во главе с Антуаном Лавуазье был осуществлен синтез воды, а впоследствии – разложение воды с выделением «горючего воздуха».
Эти исследования окончательно доказали присутствие водорода в составе воды. Именно Лавуазье предложил именовать новый газ Hydrogenium (1801).
Полезные свойства водорода
Водород легче воздуха в четырнадцать с половиной раз.
Его же отличает и самая высокая теплопроводность среди прочих газов (белее чем в семь раз превышает теплопроводность воздуха).
В былые времена воздушные шары и дирижабли заполняли водородом. После серии катастроф в середине 1930-х, закончившихся взрывами дирижаблей, конструкторам пришлось искать водороду замену.
Теперь для подобных летательных аппаратов используется гелий, который намного дороже водорода, зато не так взрывоопасен.
Водород хорошо зарекомендовал себя в качестве компонента ракетного топлива.
Фото 3. Водород применяется для изготовления ракетного топлива
Во многих странах ведутся исследования по созданию экономичных двигателей для легковых и грузовых автомобилей на основе водорода.
Автомобили на водородном топливе значительно экологичнее своих бензиновых и дизельных собратьев.
При обычных условиях (комнатная температура и естественное атмосферное давление) водород неохотно вступает в реакции.
При нагревании смеси водорода и кислорода до 600 °C начинается реакция, завершающаяся образованием молекул воды.
Эту же реакцию можно спровоцировать с помощью электрической искры.
Реакции при участи водорода завершаются, лишь когда участвующие в реакции компоненты будут израсходованы целиком.
Температура горящего водорода достигает 2500-2800 °C.
С помощью водорода производят очистку различных типов топлива на основе нефти и нефтепродуктов.
В живой природе водород заменить нечем, так как он присутствует в любой органике (включая нефть) и во всех белковых соединениях.
Без участия водорода жизнь на Земле была бы невозможна.
Агрегатные состояния водорода
Водород способен пребывать в трех основных агрегатных состояниях:
Обычное состояние водорода – газ. Понижая его температуру до -252,8 °C, водород превращается в жидкость, а после температурного порога -262 °C водород становится твердым.
Фото 4. Уже несколько десятилетий вместо дешевого водорода для наполнения воздушных шаров используют дорогой гелий
Ученые предполагают, что водород способен находиться в дополнительном (четвертом) агрегатном состоянии – металлическом.
Для этого нужно всего лишь создать давление в два с половиной миллиона атмосфер.
Пока, увы, это всего лишь научная гипотеза, так как получить «металлический водород» еще никому не удавалось.
Жидкий водород – из-за своей температуры — при попадании на кожу человека способен вызвать сильное обморожение.
Водород в таблице Менделеева
В основе распределения химических элементов в периодической таблице Менделеева лежит их атомный вес, рассчитанный относительно атомного веса водорода.
Фото 5. В таблице Менделеева водороду отведена ячейка с порядковым номером 1
Правильность такого подхода долгие годы никто не мог ни опровергнуть, ни подтвердить.
С возникновением квантовой физики в начале XX века и, в частности, появлением знаменитых постулатов Нильса Бора, объясняющих с позиций квантовой механики строение атома, удалось доказать справедливость гипотезы Менделеева.
Верно и обратное: именно соответствие постулатов Нильса Бора периодическому закону, лежащему в основе таблицы Менделеева, и стало самым веским доводом в пользу признания их истинности.
Участие водорода в термоядерной реакции
Изотопы водорода дейтерий и тритий являются источниками невероятно мощной энергии, высвобождающейся в процессе термоядерной реакции.
Фото 6. Термоядерный взрыв без водорода был бы невозможен
Такая реакция возможна при температуре не ниже 1060 °C и протекают очень быстро – в течение нескольких секунд.
На Солнце термоядерные реакции протекают медленно.
Задача ученых – понять, почему так происходит, чтобы использовать полученные знания для создания новых – практически неисчерпаемых – источников энергии.
Цель публикации – представить исчерпывающие сведения о том, что такое водород, каковы его свойства, сфера применения, свойства, значение и способы получения.
Источник: vunderkind.info
Водород — самый простой, но в то же время и один из самых удивительных химических элементов. Его атом состоит из ядра, содержащего один протон, и одного единственного электрона:
Этот самый маленький и легкий атом не имеет аналогов в периодической системе. Он способен терять электрон, превращаясь в катион Н + , и в этом отношении похож на щелочные металлы, которые также проявляют степень окисления +1. С другой стороны атом водорода может и присоединять электрон, образуя при этом анион Н – , электронная конфигурация которого — такая же, как у атома гелия. Этим водород напоминает галогены, анионы которых имеют электронные конфигурации соседних благородных газов. Таким образом, водород обладает двойственной природой, проявляя как окислительную, так и восстановительную способность. По этой причине в одних случаях его помещают в подгруппу щелочных металлов, в других — в подгруппу галогенов (рис. 1).
Изотопы водорода, в отличие от других элементов, имеют собственные названия: 1 H — протий, 2 H — дейтерий и 3 H — тритий. Протий и дейтерий стабильны; в природе наиболее распространен протий: на него приходится 99,985 % всех атомов водорода, в то время как на дейтерий, называемый также «тяжелым водородом» — оставшиеся 0,015 %. Тритий радиоактивен и имеет период полураспада 12,3 года.
— Почитать о жизненном цикле звезд на сайте «Элементы»
Основные запасы водорода на Земле сконцентрированы в воде, природном газе и нефти. Его массовое содержание в земной коре достигает 0,15 %, с учетом гидросферы — около 1 %.
Водород как простое вещество — газ без цвета и запаха, плохо растворим в воде, в 14,5 раз легче воздуха. При температуре –252,8 °С газообразный водород превращается в жидкость, также бесцветную. Молекула водорода двухатомна: H2.
В сложных веществах водород всегда одновалентен. Для него наиболее характерна степень окисления +1:
Однако, в соединениях водорода с менее электроотрицательными элементами, чем он сам, например, с металлами, водород имеет степень окисления –1:
Уникальное электронное строение атома водорода обуславливает существование водородной связи, за счет которой полярные молекулы могут выстраиваться в длинные цепи и сети, а разные фрагменты больших органических молекул — притягиваться друг к другу. Для возникновения водородной связи необходимо, чтобы атом водорода был связан ковалентно с более электроотрицательным атомом, имеющим хотя бы одну неподеленную электронную пару. Это имеет место в том числе и в молекулах галогенводородов, например HF (рис. 3). Ковалентная связь между водородом и фтором осуществляется за счет общей электронной пары, образованной электроном водорода и одним из семи электронов фтора. Эта связь очень полярна, поскольку атом фтора имеет высокую электроотрицательность: электронная пара сильно смещена в сторону фтора. Ядро водорода, в буквальном смысле «оголившееся» после смещения единственного электрона ко фтору, готово притягиваться к любым отрицательным зарядам, находящимся поблизости. Этими зарядами как раз и обладают неподеленные электронные пары соседних молекул HF.
Таким образом, каждая молекула HF ядром атома водорода притягивается к предыдущей молекуле, а электронными парами атома фтора — к последующей. Подобные «молекулярные цепи» характерны также для воды, сероводорода, спирта, аммиака и других веществ.
Методы получения водорода
или же с простейшим углеводородом — метаном, основным компонентом природного газа:
Однако, такой метод является очень дорогостоящим из-за высокого расхода электроэнергии.
Одним из перспективных направлений получения водорода является также газификация биомассы — отходов сельскохозяйственной деятельности, бытового мусора, опилок и пр.
Водород — самый простой, но в то же время и один из самых удивительных химических элементов. Его атом состоит из ядра, содержащего один протон, и одного единственного электрона: Этот самый
Источник: nscience.ru
Водород – самый распространенный химический элемент во Вселенной. В нашей Солнечной системе количество водорода (и по числу атомов, и по массе) намного превосходит количество всех других элементов вместе взятых. Водород прародитель всех других химических элементов. В недрах звезд в результате ядерных реакций водород превращается в гелий, гелий – в литий, бериллий, бор. В конечном итоге именно в звездных ядерных котлах синтезируются ядра атомов всех химических элементов и их изотопов. Когда ядерные реакции слишком ускоряются происходит взрывной процесс. Часть массы звезды выбрасывается в околозвездное и межзвездное пространство. Из этой массы формируются планеты, на которых при определенных условиях могут возникнуть разумные существа. И все это как бы заложено в свойствах водорода.
На планете Земля по распространенности водород занимает девятое место. На его долю приходится примерно 1 % от массы земной коры. Химический элемент водород представляет собой смесь изотопов: 1H (протий) – 99.985 %, 2D (дейтерий) – 0.015 %, 3T (тритий) – радиоактивный изотоп с периодом полураспада 12.3 года (испуская b-лучи он превращается в легкий изотоп гелия 3He). Сейчас научились разделять изотопы протия и дейтерия и поэтому можно говорить достаточно надежно о различиях в свойствах протия и его соединений и дейтерия и его соединений. Для дейтерия широко используют свой символ D, хотя, строго говоря, природа химического элемента определяется зарядом его ядра, а он у всех изотопов водорода одинаков и равен 1.
При нормальных условиях водород – газ состава h3. Это самый легкий бесцветный газ без запаха и вкуса. В твердом состоянии водород существует при температуре ниже 14 K, в жидком состоянии – в интервале температур 14 – 20.5 K. Водород плохо растворяется в воде, и в органических растворителях, но он хорошо растворяется во многих металлах: так, один объем палладия растворяет до 900 объемов водорода. Растворимость водорода в таких металлах как Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Pt, Ag с ростом температуры увеличивается. Водород практически нерастворим в Au, Zn, Cd, Hg.
Молекулярный водород может существовать в виде двух аллотропных форм: орто-водорода и пара-водорода Протоны, ядра атомов водорода, обладают спином. В молекулу h3 входят два ядра и их спины могут быть направлены либо в одну сторону (орто-h3), либо в разные стороны Ї (пара-h3). Суммарный ядерный спин у молекулы пара-h3 равен 0, а у молекулы орто-h3 – 1 и, следовательно, он тремя независимыми способами может ориентироваться в пространстве, давая проекции +1, 0 и -1, т.е. множество состояний у молекул орто-h3 в три раза больше, чем у молекул пара-Н2. Этот энтропийный (или статистический) фактор приводит к тому, что при температурах выше 100 K отношение орто-водорода к пара-водороду равно 3:1 и не изменяется с ростом температуры.
Молекула h3 достаточно прочная, и поэтому, молекулярный водород химически малоактивен. Для реакции водорода с активными металлами (натрием, кальцием), неметаллами (азотом, серой, йодом) требуется повышенная температура (300 – 500o C), а иногда и катализатор:
Напомним, что практическая химия – крайне опасное занятие. Выполнение химических опытов допускается только в присутствии опытных химиков, например, учителя химии!
При взаимодействии с металлами водород ведет себя как окислитель, а при взаимодействии с неметаллами – как восстановитель.
Н2 способен восстанавливать металлы из оксидов:
CuO + h3 = Cu + h3O.
При комнатной температуре h3 реагирует непосредственно только со фтором, при интенсивном освещении – с хлором, при наличии катализатора, например Pt, – с кислородом.
h3 – ковалентная неполярная молекула с расстоянием между ядрами 0.74142 A у протия и 0.7416 A у дейтерия. Энергия диссоциации молекулы h3 равна 432 кДж/моль, D2 – 439.6 кДж/моль. Для сравнения приведем энергии диссоциации ряда молекул на атомы:
Пусть Э – символ химического элемента. Чтобы оценить реакционную способность водорода, необходимо знать энергию связи Э-H в гидридах. Сначала выпишем энтальпии образования некоторых веществ при 0 K.
И, наконец, рассчитаем сами энергии связи Э-H.
Итак, суть химического превращения состоит в том, что в результате химической реакции вместо одних связей образуются новые. Чем менее прочно связаны атомы в исходных молекулах и чем более прочно атомы связаны в молекулах продуктов реакции, тем с большей скоростью и с большей полнотой протекает реакция. Итак h3 + F2 = 2HF. В молекуле F2 связь F-F очень слабая, поэтому неудивительно, что уже при комнатной температуре молекулярный фтор в ничтожно малой степени, но все-таки диссоциирует на атомы фтора (10-11 молей на 1 моль F2 или 6·10+12 атомов F). Далее идет процесс F + h3 = HF + H с выделением большого количества тепла. И, наконец, H + F2 = HF + F с еще большим выделением энергии.
При взаимодействии водорода и хлора при комнатной температуре реакция сама по себе не идет. Молекула Cl2 более прочная, чем F2. В этом случае на один моль Cl2 в равновесии приходится 5·10-19 молей атомов Cl, что явно недостаточно для инициирования реакции. При интенсивном освещении диссоциация молекулярного хлора резко возрастает и реакция идет.
Читателю предлагается самостоятельно объяснить, как будут взаимодействовать водород и пары йода.
Неожиданными могут показаться данные о энергии связи N-H в молекуле Np. Она меньше энергии связи H-H и в три раза меньше энергии связи N-N. Почему же возможен синтез аммиака из азота и водорода? Запишем уравнение реакции синтеза аммиака: 3h3 + N2 = 2Np. В левой части уравнения разрываются четыре связи и при этом затрачивается энергия 2238 кДж/моль. В энергия двух молекулах аммиака образуются 6 связей N-H и выделяется 2316 кДж/моль.
Таким образом, современный уровень изучения строения молекул, точное определение их энергий диссоциации, тщательный анализ условий протекания химических реакций позволяют во многих случаях не просто констатировать экспериментальные факты, но и давать им объяснение на основе термодинамики.
При изучении кислорода специально подчеркивают, что он существует в виде двух аллотропических модификаций: молекулярного кислорода O2 и озона – O3. Мы будем считать как самостоятельную аллотропическую модификацию и атомарный кислород. Свойства озона в химии оговариваются специально. При изучении химических свойств водорода следует помнить, что он реально может существовать не только в виде молекул h3, но и в атомарном виде. При этом свойства атомарного водорода в отличаются от свойств молекулярного водорода. Но сначала о его получении. При температуре выше 3000 K практически весь водород существует как атомарный. Если такой газ быстро охладить, то мы получим атомарный водород. При его рекомбинации в газовых горелках реакция 2H = h3 идет с выделением большого количества тепла. Она используется при проведении специальных видов сварки, когда необходима восстановительная среда. В лабораторной практике атомарный водород получают по реакции Zn + 2HCl = ZnCl2 + 2H в том же сосуде, где проводят реакцию гидрирования. Обычно его не называют атомарным водородом, а называют “водородом в момент выделения”. Реакционная способность такого водорода чрезвычайно высока.
Получение и применение водорода
В лаборатории водород обычно получают в аппарате Киппа по реакции:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + h3
Если для реакции берут серную кислоту, то водород может содержать следы сероводорода.
Можно привести еще ряд реакций, которые приводят к получению водорода:
Zn + 2NaOH + 2h3O = Na2[Zn(OH)4] + h3
2Na + 2h3O = 2NaOH + h3,
Cah3 + 2h3O = Ca(OH)2 + 2h3,
3Fe + 4h3O = Fe3O4 + 4h3 .
Чтобы рассказать о промышленных способах получения водорода, необходимо сначала вспомнить те вещества (доступные и дешевые) в состав которых он входит. Это, прежде всего, вода и метан (природный газ). Наиболее чистый водород обычно получают электролизом раствора щелочи. Щелочь добавляют для повышения электропроводности воды. На катоде при этом выделяется водород, а на аноде кислород. Как правило, получаемый водород на этом же химическом комбинате используется для получения других веществ, например метилового спирта, аммиака, других веществ методами органического синтеза и т.д. Поэтому мы рассмотрим сначала получение смеси водорода и окиси углерода, называемой “синтез-газ”.
Газификация угля. В специальных печах при температуре 900-1000o C через раскаленный уголь продувают водяной пар:
C(гр) + h3O = CO + h3 -125 кДж
Поскольку эта реакция эндотермическая, то постепенно температура в печи снижается с 1000 до 900o C. После этого перекрывают подачу водяного пара в печь и начинают продувать воздух:
C(гр) + 1/2O2 = CO + 114 кДж.
Эта реакция идет с выделением тепла и температура в печи повышается. Синтез-газ содержит CO, h3 и N2. Если он далее будет использоваться для синтеза аммиака, то его нужно освободить от окиси углерода:
CO + h3O CO2 + h3
Углекислый газ хорошо растворяется в воде и может быть легко удален из газовой смеси.
Конверсия метана. При температурах 800-900o C смесь метана и паров воды пропускают над никелевым катализатором:
Cp + h3O = CO + 3h3 .
Окисление метана. При температуре порядка 1300o C проводят неполное термическое окисление метана кислородом воздуха:
2Cp + O2 = 2CO + 4h3 .
В химической промышленности водород в больших количествах используется для синтеза аммиака, метилового спирта, хлористого водорода, для каталитической гидрогенизации твердых топлив (каменного угля и сланцев), мазута и каменноугольной смолы. При гидрировании жиров получают маргарин. Водород используют для получения металлов из их оксидов и галогенидов. Водород – это самое эффективное ракетное топливо.
Водород – самый распространенный химический элемент во Вселенной. В нашей Солнечной системе количество водорода (и по числу атомов, и по массе) намного превосходит количество всех других элементов
Источник: www.himikatus.ru
Водород (лат. Hydrogenium), Н,
химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Менделеева; атомная масса 1,00797. При обычных условиях В. – газ; не имеет цвета, запаха и вкуса.
Историческая справка. В трудах химиков 16 и 17 вв. неоднократно упоминалось о выделении горючего газа при действии кислот на металлы. В 1766 Г. Кавендиш собрал и исследовал выделяющийся газ, назвав его “горючий воздух”. Будучи сторонником теории флогистона, Кавендиш полагал, что этот газ и есть чистый флогистон. В 1783 А. Лавуазье путём анализа и синтеза воды доказал сложность её состава, а в 1787 определил “горючий воздух” как новый химический элемент (В.) и дал ему современное название hydrogene (от греч. hydor – вода и gennao – рождаю), что означает “рождающий воду”; этот корень употребляется в названиях соединений В. и процессов с его участием (например, гидриды, гидрогенизация). Современное русское наименование “В.” было предложено М. Ф. Соловьёвым в 1824.
Распространённость в природе. В. широко распространён в природе, его содержание в земной коре (литосфера и гидросфера) составляет по массе 1%, а по числу атомов 16%. В. входит в состав самого распространённого вещества на Земле – воды (11,19% В. по массе), в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, глины, а также организмы животных и растений (т. е. в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и др.). В свободном состоянии В. встречается крайне редко, в небольших количествах он содержится в вулканических и других природных газах. Ничтожные количества свободного В. (0,0001% по числу атомов) присутствуют в атмосфере. В околоземном пространстве В. в виде потока протонов образует внутренний (“протонный”) радиационный пояс Земли. В космосе В. является самым распространённым элементом. В виде плазмы он составляет около половины массы Солнца и большинства звёзд, основную часть газов межзвёздной среды и газовых туманностей. В. присутствует в атмосфере ряда планет и в кометах в виде свободного H2, метана CH4, аммиака NH3, воды H2O, радикалов типа CH, NH, OH, SiH, PH и т.д. В виде потока протонов В. входит в состав корпускулярного излучения Солнца и космических лучей.
Значение для живого организма. Входит в состав воды.
Практическое применение водорода разнообразно. Являясь наилегчайшим газом, он используется для наполнения оболочек воздушных шаров, метеорологических зондов, стратостатов и других воздухоплавательных аппаратов. История воздухоплавания, начиная с воздушного шара в 18 куб. м, созданного французским физиком Шарлем, до гигантских управляемых дирижаблей германского конструктора Цеппелина, неразрывно связана с водородом. Однако горючесть водорода при легкой его воспламеняемости от случайных и трудно устранимых причин (грозовые разряды, искры при электризации трением и др.) ограничивала возможности его использования в воздухоплавании.
В химической промышленности водород служит исходным материалом для получения различных ?веществ (аммиака, твердых жиров и т. д.). Высокая температура горения водорода (до 2500°С) в кислороде используется с помощью специальных горелок для плавления кварца, тугоплавких металлов, разрезания стальных плит и т. д.
Весьма заманчива своей дешевизной идея двигателя внутреннего сгорания, использующего в качестве топлива водород. Такой мотор, потребляя водород и воздух, выбрасывает в качестве продукта сгорания воду.
Для получения водорода в качестве топлива нужна только. вода. Запасы воды – основного “сырья” для получения водорода – на земном шаре буквально неисчерпаемы и составляют 2 миллиарда миллиардов тонн. Так же неисчерпаема и энергия текучей веды крупных рек, которая, превращаясь на электростанциях в энергию электричества, может служить для получения водорода из воды разложением ее электрическим током.
Успехи атомной физики и химии открыли путь к возможности использования в практических целях изотопов водорода. К сожалению, эти возможности в первую очередь были использованы для целей военного характера, для создания водородной бомбы.
В водородной бомбе используется энергия термоядерной реакции (между дейтерием и тритием), ведущей к образованию гелия и выделению нейтронов. Чтобы между изотопами водорода началась реакция, надо нагреть их до сверхвысоких температур порядка не менее 10 млн. градусов. Такая температура возникает при взрыве атомной бомбы, которая играет роль запала в водородной бомбе.
Водородная бомба превосходит по своей силе атомную. Дело в том, что в атомной бомбе количество атомного взрывчатого материала ограничено и не может превышать определенной так называемой критической массы; в водородной бомбе количество взрывчатого вещества (смесь изотопов водорода) не ограничено.
Водород (лат. Hydrogenium), Н, химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Менделеева; атомная масса 1,00797. При обычных условиях В. – газ; не имеет цвета, запаха
Источник: 76204s009.edusite.ru
Справочник
химика
Свойства
драгоценных
минералов
Водород (лат. Hydrogenium), H, химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Менделеева; атомная масса 1,0079. При обычных условиях Водород – газ; не имеет цвета, запаха и вкуса.
Историческая справка. В трудах химиков 16 и 17 веков неоднократно упоминалось о выделении горючего газа при действии кислот на металлы. В 1766 году Г. Кавендиш собрал и исследовал выделяющийся газ, назвав его “горючий воздух”. Будучи сторонником теории флогистона, Кавендиш полагал, что этот газ и есть чистый флогистон. В 1783 году А. Лавуазье путем анализа и синтеза воды доказал сложность ее состава, а в 1787 определил “горючий воздух” как новый химический элемент (Водород) и дал ему современное название hydrogene (от греч. hydor – вода и gennao – рождаю), что означает “рождающий воду”; этот корень употребляется в названиях соединений Водорода и процессов с его участием (например, гидриды, гидрогенизация). Современное русское наименование “Водород” было предложено М. Ф. Соловьевым в 1824 году.
Распространение Водорода в природе. Водород широко распространен в природе, его содержание в земной коре (литосфера и гидросфера) составляет по массе 1%, а по числу атомов 16%. Водород входит в состав самого распространенного вещества на Земле – воды (11,19% Водорода по массе), в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, глины, а также организмы животных и растений (то есть в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других). В свободном состоянии Водород встречается крайне редко, в небольших количествах он содержится в вулканических и других природных газах. Ничтожные количества свободного Водорода (0,0001% по числу атомов) присутствуют в атмосфере. В околоземном пространстве Водород в виде потока протонов образует внутренний (“протонный”) радиационный пояс Земли. В космосе Водород является самым распространенным элементом. В виде плазмы он составляет около половины массы Солнца и большинства звезд, основную часть газов межзвездной среды и газовых туманностей. Водород присутствует в атмосфере ряда планет и в кометах в виде свободного Н2, метана СН4, аммиака NH3, воды Н2О, радикалов типа CH, NH, OH, SiH, PH и т. д. В виде потока протонов Водород входит в состав корпускулярного излучения Солнца и космических лучей.
Изотопы, атом и молекула Водорода. Обыкновенный Водород состоит из смеси 2 устойчивых изотопов: легкого Водорода, или протия ( 1 H), и тяжелого Водорода, или дейтерия ( 2 Н, или D). В природных соединениях Водорода на 1 атом 2 Н приходится в среднем 6800 атомов 1 Н. Радиоактивный изотоп с массовым числом 3 называют сверхтяжелым Водородом, или тритием ( 3 Н, или Т), с мягким β-излучением и периодом полураспада T½ = 12,262 года. В природе тритий образуется, например, из атмосферного азота под действием нейтронов космических лучей; в атмосфере его ничтожно мало (4·10 -15 % от общего числа атомов Водорода). Получен крайне неустойчивый изотоп 4 Н. Массовые числа изотопов 1 Н, 2 Н, 3 Н и 4 Н, соответственно 1, 2, 3 и 4, указывают на то, что ядро атома протия содержит только один протон, дейтерия – один протон и один нейтрон, трития – один протон и 2 нейтрона, 4 Н – один протон и 3 нейтрона. Большое различие масс изотопов Водорода обусловливает более заметное различие их физических и химических свойств, чем в случае изотопов других элементов.
Атом Водорода имеет наиболее простое строение среди атомов всех других элементов: он состоит из ядра и одного электрона. Энергия связи электрона с ядром (потенциал ионизации) составляет 13,595 эв. Нейтральный атом Водород может присоединять и второй электрон, образуя отрицательный ион Н – при этом энергия связи второго электрона с нейтральным атомом (сродство к электрону) составляет 0,78 эв. Квантовая механика позволяет рассчитать все возможные энергетические уровни атома Водород, а следовательно, дать полную интерпретацию его атомного спектра. Атом Водорода используется как модельный в квантовомеханических расчетах энергетических уровней других, более сложных атомов.
Молекула Водород Н2 состоит из двух атомов, соединенных ковалентной химической связью. Энергия диссоциации (то есть распада на атомы) составляет 4,776 эв. Межатомное расстояние при равновесном положении ядер равно 0,7414Å. При высоких температурах молекулярный Водород диссоциирует на атомы (степень диссоциации при 2000°С 0,0013, при 5000°С 0,95). Атомарный Водород образуется также в различных химических реакциях (например, действием Zn на соляную кислоту). Однако существование Водорода в атомарном состоянии длится лишь короткое время, атомы рекомбинируют в молекулы Н2.
Физические свойства Водорода. Водород – легчайшее из всех известных веществ (в 14,4 раза легче воздуха), плотность 0,0899 г/л при 0°С и 1 атм. Водород кипит (сжижается) и плавится (затвердевает) соответственно при -252,8°С и -259,1°С (только гелий имеет более низкие температуры плавления и кипения). Критическая температура Водорода очень низка (-240°С), поэтому его сжижение сопряжено с большими трудностями; критическое давление 12,8 кгс/см 2 (12,8 атм), критическая плотность 0,0312 г/см 3 . Из всех газов Водород обладает наибольшей теплопроводностью, равной при 0°С и 1 атм 0,174 вт/(м·К), то есть 4,16·10 -4 кал/(с·см·°С). Удельная теплоемкость Водорода при 0°С и 1 атм Сp 14,208 кДж/(кг·К), то есть 3,394 кал/(г·°С). Водород мало растворим в воде (0,0182 мл/г при 20°С и 1 атм), но хорошо – во многих металлах (Ni, Pt, Pa и других), особенно в палладии (850 объемов на 1 объем Pd). С растворимостью Водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия Водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Жидкий Водород очень легок (плотность при -253°С 0,0708 г/см 3 ) и текуч (вязкость при -253°С 13,8 спуаз).
Химические свойства Водорода. В большинстве соединений Водород проявляет валентность (точнее, степень окисления) +1, подобно натрию и другим щелочным металлам; обычно он и рассматривается как аналог этих металлов, возглавляющий I группу системы Менделеева. Однако в гидридах металлов ион Водорода заряжен отрицательно (степень окисления -1), то есть гидрид Na + H – построен подобно хлориду Na + Cl – . Этот и некоторые других факты (близость физических свойств Водорода и галогенов, способность галогенов замещать Водород в органических соединениях) дают основание относить Водород также и к VII группе периодической системы. При обычных условиях молекулярный Водород сравнительно мало активен, непосредственно соединяясь лишь с наиболее активными из неметаллов (с фтором, а на свету и с хлором). Однако при нагревании он вступает в реакции со многими элементами. Атомарный Водород обладает повышенной химические активностью по сравнению с молекулярным. С кислородом Водород образует воду:
с выделением 285,937 кДж/моль, то есть 68,3174 ккал/моль тепла (при 25°С и 1 атм). При обычных температурах реакция протекает крайне медленно, выше 550°С – со взрывом. Пределы взрывоопасности водородо-кислородной смеси составляют (по объему) от 4 до 94% Н2, а водородо-воздушной смеси – от 4 до 74% Н2 (смесь 2 объемов Н2 и 1 объема О2 называется гремучим газом). Водород используется для восстановления многих металлов, так как отнимает кислород у их оксидов:
С галогенами Водород образует галогеноводороды, например:
При этом с фтором Водород взрывается (даже в темноте и при – 252°С), с хлором и бромом реагирует лишь при освещении или нагревании, а с иодом только при нагревании. С азотом Водород взаимодействует с образованием аммиака:
лишь на катализаторе и при повышенных температуpax и давлениях. При нагревании Водород энергично реагирует с серой:
значительно труднее с селеном и теллуром. С чистым углеродом Водород может реагировать без катализатора только при высоких температуpax:
Водород непосредственно реагирует с некоторыми металлами (щелочными, щелочноземельными и другими), образуя гидриды:
Важное практическое значение имеют реакции Водорода с оксидом углерода (II), при которых образуются в зависимости от температуры, давления и катализатора различные органические соединения, например НСНО, СН3ОН и другие. Ненасыщенные углеводороды реагируют с Водородом, переходя в насыщенные, например:
Роль Водород и его соединений в химии исключительно велика. Водород обусловливает кислотные свойства так называемых протонных кислот. Водород склонен образовывать с некоторыми элементами так называемую водородную связь, оказывающую определяющее влияние на свойства многих органических и неорганических соединений.
Получение Водорода. Основные виды сырья для промышленного получения Водорода – газы природные горючие, коксовый газ и газы нефтепереработки. Водород получают также из воды электролизом (в местах с дешевой электроэнергией). Важнейшими способами производства Водорода из природного газа являются каталитическое взаимодействие углеводородов, главным образом метана, с водяным паром (конверсия):
и неполное окисление углеводородов кислородом:
Образующийся оксид углерода (II) также подвергается конверсии:
Водород, добываемый из природного газа, самый дешевый.
Из коксового газа и газов нефтепереработки Водород выделяют путем удаления остальных компонентов газовой смеси, сжижаемых более легко, чем Водород, при глубоком охлаждении. Электролиз воды ведут постоянным током, пропуская его через раствор КОН или NaOH (кислоты не используются во избежание коррозии стальной аппаратуры). В лабораториях Водород получают электролизом воды, а также по реакции между цинком и соляной кислотой. Однако чаще используют готовый заводской Водород в баллонах.
Применение Водорода. В промышленном масштабе Водород стали получать в конце 18 века для наполнения воздушных шаров. В настоящее время Водород широко применяют в химической промышленности, главным образом для производства аммиака. Крупным потребителем Водорода является также производство метилового и других спиртов, синтетического бензина и других продуктов, получаемых синтезом из Водорода и оксида углерода (II). Водород применяют для гидрогенизации твердого и тяжелого жидкого топлив, жиров и других, для синтеза HCl, для гидроочистки нефтепродуктов, в сварке и резке металлов кислородо-водородным пламенем (температура до 2800°С) и в атомно-водородной сварке (до 4000°С). Очень важное применение в атомной энергетике нашли изотопы Водорода – дейтерий и тритий.
Справочник химика Свойства драгоценных минералов Водород (лат. Hydrogenium), H, химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Менделеева; атомная масса 1,0079.
Источник: www.chem100.ru
Станьте первым!