Колір водню в газоподібному стані. Рідкий водень: властивості і застосування

• Позначення - H (Hydrogen);
• Латинська назва - Hydrogenium;
• Період - I;
• Група - 1 (Ia);
• Атомна маса - 1,00794;
• Атомний номер - 1;
• Радіус атома \u003d 53 пм;
• Ковалентний радіус \u003d 32 пм;
• Розподіл електронів - 1s 1;
• t плавлення \u003d -259,14 ° C;
• t кипіння \u003d -252,87 ° C;
• Електронегативність (за Полінгом / по Алпреду і Рохової) \u003d 2,02 / -;
• Ступінь окислення: +1; 0; -1;
• Щільність (н. У.) \u003d 0,0000899 г / см 3;
• Молярний об'єм \u003d 14,1 см 3 / моль.

Бінарні сполуки водню з киснем:

Водень ( "що породжує воду") був відкритий англійським вченим Г. Кавендіш в 1766 році. Це найпростіший елемент в природі - атом водню має ядро \u200b\u200bі один електрон, напевно, з цієї причини водень є найпоширенішим елементом у Всесвіті (складає більше половини маси більшості зірок).

Про водень можна сказати, що "малий золотник, да дорог". Незважаючи на свою "простоту", водень дає енергію всім живим істотам на Землі - на Сонце йде безперервна термоядерна реакція в ході якої з чотирьох атомів водню утворюється один атом гелію, даний процес супроводжується виділенням колосальної кількості енергії (докладніше див. Ядерний синтез).

У земній корі масова частка водню становить всього 0,15%. Тим часом, переважна кількість (95%) всіх відомих на Землі хімічних речовин містять один або кілька атомів водню.

У з'єднаннях з неметалами (HCl, H 2 O, CH 4 ...) водень віддає свій єдиний електрон більш електронегативний елементів, виявляючи ступінь окислення +1 (частіше), утворюючи тільки ковалентні зв'язки (див. Ковалентний зв'язок).

У з'єднаннях з металами (NaH, CaH 2 ...) водень, навпаки, приймає на свою єдину s-орбіталь ще один електрон, намагаючись, таким чином, завершити свій електронний шар, проявляючи ступінь окислення -1 (рідше), утворюючи частіше іонну зв'язок (див. Іонна зв'язок), т. к., різниця в електронегативності атома водню і атома металу може бути досить великою.

H 2

У газоподібному стані водень знаходиться в вигляді двохатомних молекул, утворюючи неполярну ковалентний зв'язок.

Молекули водню володіють:

• великою рухливістю;
• великою міцністю;
• малої поляризуемостью;
• малими розмірами і масою.

Властивості газу водню:

• найлегший в природі газ, без кольору і запаху;
• погано розчиняється у воді і органічних розчинниках;
• в незначних кол-вах розчиняється в рідких і твердих металах (особливо в платині і паладій);
• важко піддається зрідження (через свою малу поляризуемости);
• має найвищу теплопровідність з усіх відомих газів;
• при нагріванні реагує з багатьма неметалами, проявляючи властивості відновника;
• при кімнатній температурі реагує з фтором (відбувається вибух): H 2 + F 2 \u003d 2HF;
• з металами реагує з утворенням гідридів, проявляючи окисні властивості: H 2 + Ca \u003d CaH 2;

У з'єднаннях водень набагато сильніше проявляє свої відновні властивості, ніж окисні. Водень є найсильнішим відновником після вугілля, алюмінію і кальцію. Відновлювальні властивості водню широко використовуються в промисловості для отримання металів і неметалів (простих речовин) з оксидів і галлідов.

Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O

Реакції водню з простими речовинами

Водень приймає електрон, граючи роль відновника, В реакціях:

• з киснем (При підпалюванні або в присутності каталізатора), в співвідношенні 2: 1 (водень: кисень) утворюється вибухонебезпечний гримучий газ: 2H 2 0 + O 2 \u003d 2H 2 +1 O + 572 кДж
• з сірої (При нагріванні до 150 ° C-300 ° C): H 2 0 + S ↔ H 2 +1 S
• з хлором (При підпалюванні або опроміненні УФ-променями): H 2 0 + Cl 2 \u003d 2H +1 Cl
• з фтором: H 2 0 + F 2 \u003d 2H +1 F
• з азотом (При нагріванні в присутності каталізаторів або при високому тиску): 3H 2 0 + N 2 ↔ 2NH 3 +1

Водень віддає електрон, граючи роль окислювача, В реакціях з лужними і лужноземельними металами з утворенням гідридів металів - солеобразние іонні сполуки, що містять гідрид-іони H - - це нестійкі кристалічні в-ва білого кольору.

Ca + H 2 \u003d CaH 2 -1 2Na + H 2 0 \u003d 2NaH -1

Для водню нехарактерно проявляти ступінь окислення -1. Реагуючи з водою, гідриди розкладаються, відновлюючи воду до водню. Реакція гідриду кальцію з водою має наступний вигляд:

CaH 2 -1 + 2H 2 +1 0 \u003d 2H 2 0 + Ca (OH) 2

Реакції водню зі складними речовинами

• при високій температурі водень відновлює багато оксиди металів: ZnO + H 2 \u003d Zn + H 2 O
• метиловий спирт отримують в результаті реакції водню з оксидом вуглецю (II): 2H 2 + CO → CH 3 OH
• в реакціях гідрогенізації водень реагує з багатьма органічними речовинами.

Більш докладно рівняння хімічних реакцій водню і його сполук розглянуті на сторінці "Водень і його сполуки - рівняння хімічних реакцій за участю водню".

застосування водню

• в атомній енергетиці використовуються ізотопи водню - дейтерій і тритій;
• в хімічній промисловості водень використовують для синтезу багатьох органічних речовин, аміаку, хлороводню;
• в харчовій промисловості водень застосовують у виробництві твердих жирів посередництвом гідрогенізації рослинних олій;
• для зварювання та різання металів використовують високу температуру горіння водню в кисні (2600 ° C);
• при отриманні деяких металів водень використовують як відновник (див. вище);
• оскільки водень є легким газом, його використовують в повітроплавання в якості наповнювача повітряних куль, аеростатів, дирижаблів;
• як паливо водень використовують в суміші з СО.

Останнім часом вчені приділяють достатньо багато уваги пошуку альтернативних джерел відновлюваної енергії. Одним з перспективних напрямків є "воднева" енергетика, в якій в якості палива використовується водень, продуктом згоряння якого є звичайна вода.

Способи отримання водню

Промислові способи отримання водню:

• конверсією метану (каталітичним відновленням водяної пари) парами води при високій температурі (800 ° C) на нікелевому каталізаторі: CH 4 + 2H 2 O \u003d 4H 2 + CO 2;
• конверсією оксиду вуглецю з водяною парою (t \u003d 500 ° C) на каталізаторі Fe 2 O 3: CO + H 2 O \u003d CO 2 + H 2;
• термічним розкладанням метану: CH 4 \u003d C + 2H 2;
• газифікацією твердого палива (T \u003d 1000 ° C): C + H 2 O \u003d CO + H 2;
• електролізом води (дуже дорогий спосіб при якому виходить дуже чистий водень): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Лабораторні способи отримання водню:

• дією на метали (частіше цинк) соляної або розведеної сірчаною кислотою: Zn + 2HCl \u003d ZCl 2 + H 2; Zn + H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2;
• взаємодією парів води з розпеченими залізними стружками: 4H 2 O + 3Fe \u003d Fe 3 O 4 + 4H 2.

Мета сьогоднішньої публікації - уявити непідготовленому читачеві вичерпні відомості про те, що таке водень, Які його фізичні і хімічні властивості, сфера застосування, значення і способи отримання.

Водень присутній в переважній більшості органічних речовин і клітин, в яких на його частку припадає майже дві третини атомів.

Фото 1. Водень вважається одним з найпоширеніших елементів у природі

В періодичної системі елементів Менделєєва водень займає почесну першу позицію з атомним вагою, рівним одиниці.

Назва «водень» (в латинському варіанті - Hydrogenium) Веде походження від двох давньогрецьких слів: ὕδωρ - «» і γεννάω - «народжую» (буквально - «що породжує) і вперше було запропоновано в 1824 р російським хіміком Михайлом Соловйовим.

Водень є одним з водообразующіх (поряд з киснем) елементів (хімічна формула води H 2 O).

За фізичними властивостями водень характеризується як безбарвний газ (легший за повітря). При змішуванні з киснем або повітрям вкрай і горючий.

Здатний розчинятися в деяких металах (титані, залозі, платині, паладії, нікелі) і в етанолі, проте дуже погано розчинний в сріблі.

Молекула водню складається з двох атомів і позначається H 2. Водень має кілька ізотопів: протий (H), дейтерій (D) і тритій (T).

Історія відкриття водню

Ще в першій половині XVI століття при проведенні алхімічних дослідів, змішуючи метали з кислотами, Парацельс помітив досі невідомий горючий газ, який відокремити від повітря він так і не зміг.

Майже через півтора століття - в кінці XVII століття - французькому вченому Лемері вдалося-таки відділити водень (ще не знаючи, що це саме водень) від повітря і довести його горючість.

Фото 2. Генрі Кавендіш - першовідкривач водню

Хімічні досліди в середині XVIII століття дозволили Михайлу Ломоносову виявити процес виділення якогось газу в результаті деяких хімічних реакцій, яка не є, однак, флогистоном.

Справжній прорив у дослідженні горючого газу вдалося зробити англійському хіміку Генрі Кавендишу, Якому і приписується відкриття водню (1766).

Цей газ Кавендіш називав «горючим повітрям». Їм же проведена реакція спалювання цієї речовини, в результаті якої виходила вода.

У 1783 р французьким хімікам на чолі з Антуаном Лавуазьє був здійснений синтез води, а згодом - розкладання води з виділенням «пального повітря».

Ці дослідження остаточно довели присутність водню в складі води. Саме Лавуазьє запропонував іменувати новий газ Hydrogenium (1801).

Корисні властивості водню

Водень легше повітря в чотирнадцять з половиною разів.

Його ж відрізняє і найвища теплопровідність серед інших газів (біліше ніж в сім разів перевищує теплопровідність повітря).

У минулі повітряні кулі та дирижаблі заповнювали воднем. Після серії катастроф в середині 1930-х, що закінчилися вибухами дирижаблів, конструкторам довелося шукати водню заміну.

Тепер для подібних літальних апаратів використовується гелій, який набагато дорожче водню, зате не так вибухонебезпечний.

Фото 3. Водень застосовується для виготовлення ракетного палива

У багатьох країнах ведуться дослідження зі створення економічних двигунів для легкових і вантажних автомобілів на основі водню.

Автомобілі на водневому паливі значно екологічніше своїх бензинових і дизельних побратимів.

При звичайних умовах (кімнатна температура і природне тиск) водень неохоче вступає в реакції.

При нагріванні суміші водню і кисню до 600 ° C починається реакція, що завершується утворенням молекул води.

Цю ж реакцію можна спровокувати за допомогою електричної іскри.

Реакції за участю водню завершуються, лише коли беруть участь в реакції компоненти будуть витрачені цілком.

Температура палаючого водню досягає 2500-2800 ° C.

За допомогою водню проводять очищення різних типів палива на основі нафти і нафтопродуктів.

У живій природі водень замінити нічим, так як він є у будь-органіці (включаючи нафту) і у всіх білкових сполуках.

Без участі водню була б неможлива.

Агрегатні стану водню

Водень здатний перебувати в трьох основних агрегатних станах:

• газоподібному;
• рідкому;
• твердому.

Звичайний стан водню - газ. Знижуючи його температуру до -252,8 ° C, водень перетворюється в рідину, а після температурного порога -262 ° C водень стає твердим.

Фото 4. Уже кілька десятиліть замість дешевого водню для наповнення повітряних куль використовують дорогий гелій

Вчені припускають, що водень здатний перебувати в додатковому (четвертому) агрегатному стані - металевому.

Для цього потрібно всього лише створити тиск в два з половиною мільйона атмосфер.

Поки, на жаль, це всього лише наукова гіпотеза, так як отримати «металевий водень» ще нікому не вдавалося.

Рідкий водень - через свою температури - при попаданні на шкіру людини здатний викликати сильне обмороження.

Водень в таблиці Менделєєва

В основі розподілу хімічних елементів в періодичній таблиці Менделєєва лежить їх атомна вага, розрахований щодо атомної ваги водню.

Фото 5. В таблиці Менделєєва водню відведена осередок з порядковим номером 1

Такого підходу довгі роки ніхто не міг ні спростувати, ні підтвердити.

З виникненням на початку XX століття і, зокрема, появою знаменитих постулатів Нільса Бора, що пояснюють з позицій квантової механіки будова атома, вдалося довести справедливість гіпотези Менделєєва.

Вірно і зворотне: саме відповідність постулатів Нільса Бора періодичному закону, який лежить в основі таблиці Менделєєва, і стало найвагомішим аргументом на користь визнання їх істинності.

Участь водню в термоядерної реакції

Ізотопи водню дейтерій і тритій є джерелами неймовірно потужної енергії, що вивільняється в процесі термоядерної реакції.

Фото 6. Термоядерний вибух без водню був би неможливий

Така реакція можлива при температурі не нижче 1060 ° C і протікають дуже швидко - протягом декількох секунд.

На Сонці термоядерні реакції протікають повільно.

Завдання вчених - зрозуміти, чому так відбувається, щоб використовувати отримані знання для створення нових - практично невичерпних - джерел енергії.

Що таке водень (відео):

>

Водню мають власні назви: H - проти (Н), H - дейтерій (D) і H - тритій (радіоактивний) (T).

Проста речовина водень - H 2 - легкий безбарвний газ. У суміші з повітрям або киснем горючий і вибухонебезпечний. Нетоксичний. Розчинний в етанолі і ряді металів: залозі, нікелі, паладії, платині.

Історія

Ще середньовічний вчений Парацельс помітив, що при дії кислот на залізо виділяються бульбашки якогось «повітря». Але що це таке, він пояснити не міг. Тепер відомо, що це був водень. «Водень являє приклад газу, - писав Д. І. Менделєєв, - на перший погляд не відрізняється від повітря ... Парацельс, який відкрив, що при дії деяких металів на сірчану кислоту виходить воздухообразность речовина, не визначив його відмінності від повітря. Дійсно, водень безбарвний і не має запаху, так само, як і повітря; але, при ближчому знайомстві з його властивостями, цей газ виявляється абсолютно відмінним від повітря ».

Англійські хіміки 18 в., Генрі Кавендіш і Джозеф Прістлі, заново відкрили водень, першими вивчили його властивості. Вони виявили, що це надзвичайно легкий газ - він в 14 разів легший за повітря. Якщо надути їм гумову кульку, він злетить угору. Це властивість водню використовували раніше для наповнення повітряних куль і дирижаблів. Правда, перша повітряна куля, побудований братами Монгольф'є, був наповнений не воднем, а димом від горіння вовни і соломи. Такий дивний спосіб отримання гарячого повітря пов'язаний з тим, що брати, мабуть, не були знайомі з законами фізики; вони наївно вважали, що ця суміш утворює «електричний дим», здатний підняти їх легкий куля. Фізик Шарль, який знав закон Архімеда, вирішив наповнити кулю воднем; на відміну від монгольф'єрів, наповнених гарячим повітрям, кулі з воднем французи називали шарльєр. Перший такий куля (він не ніс ніякого вантажу) піднявся з Марсового поля у Парижі 27 серпня 1783 і за 45 хвилин пролетів 20 км.

У грудні 1783 Шарль в супроводі фізика Франсуа Робера в присутності 400 тисяч глядачів зробили перший політ на повітряній кулі, заповненому воднем. Гей-Люссак (також спільно з фізиком Жаном Батистом Біо) поставив в 1804 рекорд висоти, піднявшись на 7000 метрів.

Але водень горючий. Більш того, його суміші з повітрям вибухають, а суміш водню з киснем називають навіть «гримучим газом». У травні 1937 пожежа за кілька хвилин знищив гігантський німецький дирижабль «Гінденбург» - в ньому було 190 000 кубометрів водню. Тоді загинуло 35 осіб. Після багатьох нещасних випадків водень в повітроплавання більше не використовують, його замінюють гелієм або гарячим повітрям.

При горінні водню утворюється вода - сполука водню і кисню. Це довів в кінці 18 французький хімік Лавуазьє. Звідси і назва газу - «народжує воду». Лавуазьє також зумів отримати водень із води. Він пропускав водяні пари через розпечену до червоного залізну трубку з залізними тирсою. Кисень з води міцно поєднувався з залізом, а водень виділявся у вільному вигляді. Зараз водень теж отримують з води, але в інший спосіб - за допомогою електролізу (див. Електролітичноїдисоціації. Електроліту)

властивості водню

Водень - найпоширеніший хімічний елемент у Всесвіті. Він становить приблизно половину маси Сонця і більшості зірок, є основним елементом в міжзоряному просторі і в газових туманностях. Поширений водень і на Землі. Тут він знаходиться в зв'язаному стані - у вигляді сполук. Так, вода містить 11% водню по масі, глина - 1,5%. У вигляді сполук з вуглецем водень входить до складу нафти, природних газів, всіх живих організмів. Трохи вільного водню міститься в повітрі, але його там зовсім мало - всього 0,00005%. Він потрапляє в атмосферу з вулканів.

Водню належить багато інших «рекордів».
рідкий водень - найлегша рідина (щільність 0,067 г / см 3 при температурі -250 ° С),
твердий водень - найлегше тверда речовина (Щільність 0,076 г / см 3).
атоми водню - найменші з усіх атомів. Однак при поглинанні енергії електромагнітного випромінювання зовнішній електрон атома може віддалятися від ядра все далі і далі. Тому збуджений атом водню теоретично може мати будь-які розміри. А практично? У книзі Світові рекорди в хімії сказано, що в міжзоряних хмарах нібито виявлені за їхніми спектрами атоми водню діаметром 0,4 мм (вони зафіксовані по спектральному переходу з 253-ї на 252-ю орбиталь). Атоми таких розмірів цілком можна побачити неозброєним оком! При цьому дається посилання на статтю, опубліковану в 1991 в найвідомішому в світі журналі, присвяченому хімічним освітою - Journal of Chemical Education (він видається в США). Однак автор статті помилився - він завищив все розміри рівно в 100 разів (про це повідомив той же журнал рік по тому). Значить, виявлені атоми водню мають діаметр «всього лише» 0004 мм, і такі атоми, навіть якби вони був «твердими», неозброєним оком побачити не можна - тільки в мікроскоп. Звичайно, по атомним мірками і 0,004 мм - величина величезна, в десятки тисяч разів більше діаметру збудженого атома водню.

Молекули водню теж дуже маленькі. Тому цей газ легко проходить через найтонші щілини. Гумову кульку, надутий воднем, «худне» набагато швидше кульки, надутого повітрям: молекули водню потроху просочуються через дрібні пори в гумі.

Якщо вдихнути водень і почати розмовляти, то частота видаються звуків буде втричі вищою за звичайну. Цього достатньо, щоб звук навіть низького чоловічого голосу виявився неприродно високим, що нагадує голос Буратіно. Відбувається це тому, що висота звуку, що видається свистком, органної трубою або голосовим апаратом людини, залежить не тільки від їх розмірів і матеріалу стін, але і від газу, яким вони наповнені. Чим більше швидкість звуку в газі, тим вище його тон. Швидкість звуку залежить від маси молекул газу. Молекули водню значно легше молекул азоту і кисню, з яких складається повітря, і звук у водні поширюється майже вчетверо швидше, ніж в повітрі. Однак вдихати водень ризиковано: в легких він неминуче змішається з залишками повітря і утворює гримучу суміш. І якщо при видиху поблизу виявиться вогонь ... Ось яка історія сталася з французьким хіміком, директором Паризького музею науки Пілатр де Розьє (1756-1785). Якось він вирішив перевірити, що буде, якщо вдихнути водень; до нього ніхто такого експерименту не проводив. Не помітивши ніякого ефекту, учений вирішив переконатися, проник водень в легені. Він ще раз добре вдихнув цей газ, а потім видихнув його на вогонь свічки, очікуючи побачити спалах полум'я. Однак водень в легких сміливого експериментатора був змішаний з повітрям і стався сильний вибух. «Я думав, що у мене вилетіли всі зуби разом з корінням», - писав він згодом, дуже задоволений досвідом, який мало не коштував йому життя.

Історія отримання дейтерію і тритію

дейтерій

Крім «звичайного» водню (протію, від грецького protos - перший), в природі присутній також його важкий ізотоп - дейтерій (Від латинського deuteros - другий) і в незначних кількостях надважкий водень - тритій. Довгі і драматичні пошуки цих ізотопів спочатку не давали результату через недостатню чутливість приладів. У наприкінці 1931 група американських фізиків - Г. Юри зі своїми учнями, Ф.Брікведде і Дж.Мерфі, взяли 4 л рідкого водню і піддали його фракційної перегонці, отримавши в залишку всього 1 мл, тобто зменшивши обсяг в 4 тисячі разів. Цей останній мілілітр рідини після її випаровування і був досліджений спектроскопическим методом. Досвідчений спектроскопіст Юрі зауважив на спектрограмі збагаченого водню нові дуже слабкі лінії, відсутні у звичайного водню. При цьому положення ліній в спектрі точно відповідало проведеним їм квантово-механічному розрахунку нуклида 2H (див. ЕЛЕМЕНТИ ХІМІЧНІ).

Після спектроскопічного виявлення дейтерію було запропоновано розділяти ізотопи водню електролізом. Експерименти показали, що при електролізі води легкий водень дійсно виділяється швидше, ніж важкий. Саме це відкриття стало ключовим для отримання важкого водню. Стаття, в якій повідомлялося про відкриття дейтерію, була надрукована навесні 1932 а вже в липні були опубліковані результати по електролітичному розділення ізотопів. У 1934 за відкриття важкого водню Гарольд Клейтон Юрі отримав Нобелівську премію з хімії.

тритій

17 березня 1934 року у вихідному в Англії журналі «Nature» ( «Природа») була опублікована невелика замітка, підписана М.Л.Оліфантом, П.Хартеком і Резерфордом (прізвище лорда Резерфорда не вимагала при публікації ініціалів!). Незважаючи на скромну назву замітки: Ефект трансмутації, отриманий з важким воднем, вона повідомляла світові про видатного результаті - штучному отриманні третього ізотопу водню - тритію. У 1946 відомий авторитет в області ядерної фізики, лауреат Нобелівської премії У.Ф.Ліббі припустив, що тритій безперервно утворюється в результаті йдуть в атмосфері ядерних реакцій. Однак в природі тритію так мало (1 атом 1Н на 1018 атомів 3Н), що виявити його вдалося лише за слабкої радіоактивності (період напіврозпаду 12,3 року).

гідриди

Водень утворює сполуки - гідриди з багатьма елементами. Залежно від другого елементу, гідриди дуже сильно розрізняються за властивостями. Найбільш електропозитивні елементи (лужні і важкі лужноземельні метали) утворюють так звані солеобразние гідриди іонного характеру. Вони виходять в результаті безпосередньої реакції металу з воднем під тиском і при підвищеній температурі (300-700 ° С), коли метал знаходиться в розплавленому стані. Їх кристалічна решітка містить катіони металів і гідрид-аніони H- і побудована аналогічно решітці NaCl. При нагріванні до температури плавлення солеобразние гідриди починають проводити електричний струм, при цьому, на відміну від електролізу водних розчинів солей, водень виділяється не на катоді, а на позитивно зарядженому аноді. Солеобразние гідриди реагують з водою з виділенням водню і утворенням розчину лугу, легко окислюються і киснем і використовуються як сильні відновники.

Ряд елементів утворюють ковалентні гідриди, серед яких найбільш відомі гідриди елементів IV-VI груп, наприклад, метан CH 4, аміак NH 3, сірководень H 2 S і т.п. Ковалентні гідриди мають високою реакційною здатністю і є відновниками. Деякі з цих гідридів малостабільни і розкладаються при нагріванні або гідролізуються водою. Прикладом можуть служити SiH 4, GeH 4, SnH 4. З точки зору будови цікаві гідриди бору, наприклад, В 2 Н 6, В 6 Н 10, В 10 Н 14 і ін., В яких пара електронів пов'язує не два, як зазвичай, а три атома В-Н-В. До нековалентним відносять і деякі змішані гідриди, наприклад, літійалюмінійгідрід LiAlH 4, який знайшов широке застосування в органічної хімії в якості відновника. Гідриди германію, кремнію, миш'яку використовують для отримання високочистих напівпровідникових матеріалів.

Гідриди перехідних металів дуже різноманітні за властивостями і будовою. Часто це з'єднання нестехіометріческого складу, наприклад, металлоподобниє TiH 1,7, LaH 2,87 і т.п. При утворенні подібних гідридів водень спочатку адсорбується на поверхні металу, потім відбувається його дисоціація на атоми, які дифундують углиб кристалічної решітки металу, утворюючи з'єднання впровадження. Найбільший інтерес представляють гідриди інтерметалічних сполук, наприклад, містять титан, нікель, рідкоземельні елементи. Число атомів водню в одиниці об'єму такого гідриду може бути в п'ять разів більше, ніж навіть в чистому рідкому водні! Уже при кімнатній температурі сплави згаданих металів здатні швидко поглинати значні кількості водню, а при нагріванні - виділяти його. Таким чином отримують оборотні «хімічні акумулятори» водню, які, в принципі, можуть використовуватися для створення двигунів, що працюють на водневому паливі. З інших гідридів перехідних металів цікавий гідрид урану постійного складу UH 3, який служить джерелом інших сполук урану високої чистоти.

застосування

Водень використовують в основному для отримання аміаку, який потрібен для виробництва добрив і багатьох інших речовин. З рідких рослинних масел за допомогою водню отримують тверді жири, схожі на вершкове масло та інші тваринні жири. Їх використовують в харчовій промисловості. При виробництві виробів з кварцового скла потрібно дуже висока температура. І тут водень знаходить застосування: пальник з воднево-кисневим полум'ям дає температуру вище 2000 градусів, при якій кварц легко плавиться.

У лабораторіях і в промисловості широко використовується реакція приєднання водню до різних сполук - гідрування. Найбільш поширені реакції гідрування кратних вуглець-вуглецевих зв'язків. Так, з ацетилену можна отримати етилен або (при повному гідруванні) етан, з бензолу - циклогексан, з рідкою неграничними олеїнової кислоти - тверду граничну стеаринову кислоту і т.д. Гидрированию піддаються й інші класи органічних сполук, при цьому відбувається їх відновлення. Так, при гідруванні карбонільних сполук (альдегідів, кетонів, складних ефірів) утворюються відповідні спирти; наприклад, з ацетону виходить ізопропіловий спирт. При гідруванні нітросполук утворюються відповідні аміни.

Гідрування молекулярним воднем часто проводять в присутності каталізаторів. У промисловості, як правило, використовують гетерогенні каталізатори, до яких відносяться метали VIII групи періодичної системи елементів - нікель, платина, родій, паладій. Найактивніший з цих каталізаторів - платина; з її допомогою можна Гідрований при кімнатній температурі без тиску навіть ароматичні сполуки. Активність дешевших каталізаторів можна підвищити, проводячи реакцію гідрування під тиском при підвищених температурах в спеціальних приладах - автоклавах. Так, для гідрування ароматичних з'єднань на нікелі потрібні тиску до 200 атм і температура вище 150 ° С.

У лабораторній практиці широко використовують також різні способи некаталітичного гідрування. Один з них - дія водню в момент виділення. Такий «активний водень» можна отримати в реакції металевого натрію зі спиртом або амальгованих цинку з соляною кислотою. Значного поширення в органічному синтезі отримало гідрування комплексними гідридами - борогідридом натрію NaBH 4 і алюмогідрідом літію LiAlH 4. Реакцію проводить в безводних середовищах, так як комплексні гідриди миттєво гідролізуються.

Водень використовують у багатьох хімічних лабораторіях. Його зберігають під тиском у сталевих балонах, які для безпеки за допомогою спеціальних хомутів прикріплюють до стіни або навіть виносять у двір, а газ надходить в лабораторію по тонкій трубці.

Хімічні елементи і матеріали

Водень, Н (лат. Hydrogenium; а. Hydrogen; н. Wasserstoff; ф. Hydrogene; і. Hidrogeno), - хімічний елемент періодичної системи елементів Менделєєва, який відносять одночасно до I і VII групах, атомний номер 1, атомна маса 1, 0079. Природний водень має стабільні ізотопи - проти (1 Н), дейтерій (2 Н, або D) і радіоактивний - тритій (3 Н, або Т). Для природних сполук середнє відношення D / Н \u003d (158 ± 2) .10 -6 Рівноважний вміст 3 Н на Землі ~ 5.10 27 атомів.

Фізичні властивості водню

Водень вперше описав в 1766 англійський учений Г. Кавендіш. При звичайних умовах водень - газ без кольору, запаху і смаку. У природі у вільному стані знаходиться в формі молекул Н 2. Енергія дисоціації молекули Н 2 - 4,776 еВ; потенціал іонізації атома водню 13,595 еВ. Водень - найлегший речовина з усіх відомих, при 0 ° С і 0,1 МПа 0,0899 кг / м 3; t кипіння-252,6 ° С, t плавлення - 259,1 ° С; критичні параметри: t - 240 ° С, тиск 1,28 МПа, щільність 31,2 кг / м 3. Найбільш теплопровідний з усіх газів - 0,174 Вт / (м.К) при 0 ° С і 1 МПа, питома теплоємність 14,208.10 3 Дж (кг.К).

Хімічні властивості водню

Рідкий водень дуже легкий (щільність при -253 ° С 70,8 кг / м 3) і плинний (при -253 ° С дорівнює 13,8 сп). У більшості з'єднань водень виявляє ступінь окислення +1 (подібний до лужних металів), рідше -1 (подібний до гідридів металів). У звичайних умовах молекулярний водень малоактивний; розчинність в воді при 20 ° С і 1 МПа 0,0182 мл / г; добре розчинний в металах - Ni, Pt, Pd і ін. З киснем утворює воду з виділенням тепла 143,3 МДж / кг (при 25 ° С і 0,1 МПа); при 550 ° С і вище реакція супроводжується вибухом. При взаємодії з фтором і хлором реакції йдуть також з вибухом. Основні сполуки водню: Н 2 О, аміак NH 3, сірководень Н 2 S, CH 4, гідриди металів і галогенів CaH 2, HBr, Hl, а також органічні сполуки С 2 Н 4, HCHO, CH 3 OH і ін.

Водень в природі

Водень - широко поширений в природі елемент, зміст його в 1% (по масі). Головний резервуар водню на Землі - вода (11,19%, за масою). Водень - один з основних компонентів всіх природних органічних сполук. У вільному стані присутній у вулканічних та інших природних газах, в (0,0001%, за кількістю атомів). Становить основну частину маси Сонця, зірок, міжзоряного газу, газових туманностей. В атмосферах планет присутній у формі Н 2, CH 4, NH 3, Н 2 О, CH, NHOH і ін. Входить до складу корпускулярного випромінювання Сонця (потоки протонів) і космічних променів (потоки електронів).

Отримання і застосування водню

Сировина для промислового отримання водню - гази нафтопереробки, продукти газифікації і ін. Основні способи отримання водню: реакція вуглеводнів з водяною парою, неповне окислення вуглеводнів, конверсія окису, електроліз води. Водень застосовують для виробництва аміаку, спиртів, синтетичного бензину, соляної кислоти, гідроочищення нафтопродуктів, різання металів воднево-кисневим полум'ям.

Водень - перспективне газоподібне пальне. Дейтерій і тритій знайшли застосування в атомній енергетиці.

У періодичної системі водень розташовується в двох абсолютно протилежних за своїми властивостями групах елементів. Дана особливість роблять його абсолютно унікальним. Водень не просто являє собою елемент або речовина, але також є складовою частиною багатьох складних з'єднань, органогенних і біогенних елементом. Тому розглянемо його властивості і характеристики більш докладно.

Виділення горючого газу в процесі взаємодії металів і кислот спостерігали ще в XVI столітті, тобто під час становлення хімії як науки. Відомий англійський вчений Генрі Кавендіш досліджував речовину, починаючи з 1766 року і дав йому назву «горючий повітря». При спалюванні цей газ давав воду. На жаль, прихильність вченого теорії флогістону (гіпотетичної «надтонкою матерії») завадила йому прийти до правильних висновків.

Французький хімік і натураліст А. Лавуазьє разом з інженером Ж. Меньє і за допомогою спеціальних газометрів в 1783 р провів синтез води, а після і її аналіз за допомогою розкладання водяної пари розпеченим залізом. Таким чином, вчені змогли прийти до правильних висновків. Вони встановили, що «горючий повітря» не тільки входить до складу води, але і може бути отриманий з неї.

У 1787 році Лавуазьє висунув припущення, що досліджуваний газ є простим речовиною і, відповідно, відноситься до числа первинних хімічних елементів. Він назвав його hydrogene (від грецьких слів hydor - вода + gennao - народжую), т. Е. «Народжує воду».

Російська назва «водень» в 1824 році запропонував хімік М. Соловйов. Визначення складу води ознаменувало кінець «теорії флогістону». На стику XVIII і XIX століть було встановлено, що атом водню дуже легкий (в порівнянні з атомами інших елементів) і його маса була прийнята за основну одиницю порівняння атомних мас, отримавши значення, рівне 1.

Фізичні властивості

Водень є найлегшим з усіх відомих науці речовин (він в 14,4 разів легший за повітря), його щільність становить 0,0899 г / л (1 атм, 0 ° С). Даний матеріал плавиться (твердне) і кипить (зріджується), відповідно, при -259,1 ° С і -252,8 ° С (тільки гелій має більш низькими t ° кипіння і плавлення).

Критична температура водню вкрай низька (-240 ° С). З цієї причини його скраплення - досить складний і витратний процес. Критичний тиск речовини - 12,8 кгс / см², а критична щільність становить 0,0312 г / см ³. Серед всіх газів водень має найбільшу теплопровідність: при 1 атм і 0 ° С вона дорівнює 0,174 Вт / (МХК).

Питома теплоємність речовини в тих же умовах - 14,208 кДж / (кгхК) або 3,394 кал / (гх ° С). Даний елемент слабо розчинний у воді (близько 0,0182 мл / г при 1 атм і 20 ° С), але добре - в більшості металів (Ni, Pt, Pa і інших), особливо в паладії (приблизно 850 обсягів на один об'єм Pd ).

З останнім властивістю пов'язана його здатність диффундирования, при цьому дифузія через вуглецевий сплав (наприклад, сталь) може супроводжуватися руйнуванням сплаву через взаємодію водню з вуглецем (цей процес називається декарбонізація). У рідкому стані речовина дуже легке (щільність - 0,0708 г / см при t ° \u003d -253 ° С) і плинне (в'язкість - 13,8 спуаз в тих же умовах).

У багатьох з'єднаннях цей елемент проявляє валентність 1 (ступінь окислення), подібно натрію і іншим лужних металів. Зазвичай він розглядається як аналог цих металів. Відповідно він очолює I групу системи Менделєєва. У гидридах металів іон водню проявляє негативний заряд (ступінь окислення при цьому -1), тобто Na + H- має структуру, подібну хлориду Na + Cl-. Відповідно до цього і деякими іншими фактами (близькість фізичних властивостей елемента «H» і галогенів, здатність його заміщення галогенами в органічних сполуках) Hydrogene відносять до VII групі системи Менделєєва.

У звичайних умовах молекулярний водень має низьку активність, безпосередньо з'єднуючись тільки з найактивнішими з неметалів (з фтором і хлором, з останнім - на світлі). У свою чергу, при нагріванні він взаємодіє з багатьма хімічними елементами.

Атомарний водень має підвищену хімічну активність (якщо порівнювати з молекулярним). З киснем він утворює воду за формулою:

Н₂ + ½О₂ \u003d Н₂О,

виділяючи 285,937 кДж / моль тепла або 68,3174 ккал / моль (25 ° С, 1 атм). У звичайних температурних умовах реакція протікає досить повільно, а при t °\u003e \u003d 550 ° С - неконтрольовано. Межі вибухонебезпечності суміші водень + кисень за обсягом становлять 4-94% Н₂, а суміші водень + повітря - 4-74% Н₂ (суміш з двох обсягів Н₂ і одного об'єму О₂ називають гримучим газом).

Даний елемент використовують для відновлення більшості металів, так як він забирає кисень у оксидів:

Fe₃O₄ + 4H₂ \u003d 3Fe + 4Н₂О,

CuO + H₂ \u003d Cu + H₂O і т. Д.

З різними галогенами водень утворює галогеноводороди, наприклад:

Н₂ + Cl₂ \u003d 2НСl.

Однак при реакції з фтором водень вибухає (це відбувається і в темряві, при -252 ° С), з бромом і хлором реагує тільки при нагріванні або освітленні, а з йодом - виключно при нагріванні. При взаємодії з азотом утворюється аміак, але лише на каталізаторі, при підвищеному тиску і температурі:

ЗН₂ + N₂ \u003d 2NН₃.

При нагріванні водень активно реагує з сіркою:

Н₂ + S \u003d H₂S (сірководень),

і значно важче - з телуром або селеном. З чистим вуглецем водень реагує без каталізатора, але при високих температурах:

2Н₂ + С (аморфний) \u003d СН₄ (метан).

Дана речовина безпосередньо реагує з деякими з металів (лужними, лужноземельними і іншими), утворюючи гідриди, наприклад:

Н₂ + 2Li \u003d 2LiH.

Важливе практичне значення мають взаємодії водню і оксиду вуглецю (II). При цьому в залежності від тиску, температури і каталізатора утворюються різні органічні сполуки: НСНО, СН₃ОН тощо. Ненасичені вуглеводні в процесі реакції переходять в насичені, наприклад:

З n Н₂ n + Н₂ \u003d С n Н₂ n ₊₂.

Водень і його сполуки відіграють в хімії виняткову роль. Він обумовлює кислотні властивості т. Н. протонних кислот, схильний утворювати з різними елементами водневу зв'язок, відчутно допомагає значний вплив на властивості багатьох неорганічних і органічних сполук.

отримання водню

Основними видами сировини для промислового виробництва цього елемента є гази нафтопереробки, природні горючі і коксові гази. Його також отримують з води за допомогою електролізу (в місцях з доступною електроенергією). Одним з найважливіших методів виробництва матеріалу з природного газу вважається каталітичне взаємодію вуглеводнів, в основному метану, з водяною парою (т. Н. Конверсія). наприклад:

СН₄ + H₂О \u003d СО + ЗН₂.

Неповне окислення вуглеводнів киснем:

СН₄ + ½О₂ \u003d СО + 2Н₂.

Синтезований оксид вуглецю (II) піддається конверсії:

СО + Н₂О \u003d СО₂ + Н₂.

Водень, вироблений з природного газу, є найдешевшим.

Для електролізу води застосовується постійний струм, який пропускається через розчин NaOH або КОН (кислоти не використовують, щоб уникнути корозії апаратури). У лабораторних умовах матеріал отримують електролізом води або в результаті реакції між соляною кислотою і цинком. Однак частіше застосовують готовий заводський матеріал в балонах.

З газів нафтопереробки і коксового газу даний елемент виділяють шляхом видалення всіх інших компонентів газової суміші, так як вони легше сжижаются при глибокому охолодженні.

Промисловим чином цей матеріал стали отримувати ще в кінці XVIII століття. Тоді його використовували для наповнення повітряних куль. На даний момент водень широко застосовують в промисловості, головним чином - у хімічній, для виробництва аміаку.

Масові споживачі речовини - виробники метилового та інших спиртів, синтетичного бензину і багатьох інших продуктів. Їх отримують синтезом з оксиду вуглецю (II) і водню. Hydrogene використовують для гідрогенізації важкого і твердого рідкого палива, жирів та ін., Для синтезу HCl, гідроочищення нафтопродуктів, а також в різанні / зварюванні металів. Найважливішими елементами для атомної енергетики є його ізотопи - тритій і дейтерій.

Біологічна роль водню

Близько 10% маси живих організмів (в середньому) припадає на цей елемент. Він входить до складу води і найважливіших груп природних сполук, включаючи білки, нуклеїнові кислоти, ліпіди, вуглеводи. Для чого він служить?

Цей матеріал відіграє вирішальну роль: при підтримці просторової структури білків (четвертинної), в здійсненні принципу компліментарності нуклеїнових кислот (т. Е. В реалізації і зберіганні генетичної інформації), взагалі в «впізнавання» на молекулярному рівні.

Іон водню Н + бере участь у важливих динамічних реакціях / процесах в організмі. У тому числі: в біологічному окисленні, яке забезпечує живі клітини енергією, в реакціях біосинтезу, в фотосинтезі у рослин, в бактеріальному фотосинтезі і азотфіксації, в підтримці кислотно-лужного балансу і гомеостазу, в мембранних процесах транспорту. Поряд з вуглецем і киснем він утворює функціональну і структурну основи явищ життя.