Химические свойства водорода
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.
Водород вступает в реакции с простыми и сложными веществами:
- Взаимодействие водорода с металлами приводит к образованию сложных веществ - гидридов, в химических формулах которых атом металла всегда стоит на первом месте:При высокой температуре Водород непосредственно реагирует с некоторыми металлами (щелочными, щелочноземельными и другими), образуя белые кристаллические вещества - гидриды металлов (Li Н, Na Н, КН, СаН 2 и др.):
Н 2 + 2Li = 2LiH
Гидриды металлов легко разлагаются водой с образованием соответствующей щелочи и водорода:
СаH 2 + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + 2Н 2
- При взаимодействии водорода с неметаллами образуются летучие водородные соединения. В химической формуле летучего водородного соединения, атом водорода может стоять как на первом так и на втором месте, в зависимости от местонахождения в ПСХЭ (см. табличку в слайде):1). С кислородом
Водород образует воду:
Видео "Горение водорода"
2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О + Q
При обычных температурах реакция протекает крайне
медленно, выше 550°С - со взрывом (смесь
2 объемов Н 2 и 1 объема О 2 называется гремучим газом
)
.
Видео "Взрыв гремучего газа"
Видео "Приготовление и взрыв гремучей смеси"
2). С галогенами Водород образует галогеноводороды, например:
Н 2 + Cl 2 = 2НСl
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 йодом только при нагревании.
3). С азотом Водород взаимодействует с образованием аммиака:
ЗН 2 + N 2 = 2NН 3
лишь на катализаторе и при повышенных температуpax и давлениях.
4). При нагревании Водород энергично реагирует с серой :
Н 2 + S = H 2 S (сероводород),
значительно труднее с селеном и теллуром.
5). С чистым углеродом Водород может реагировать без катализатора только при высоких температуpax:
2Н 2 + С (аморфный) = СН 4 (метан)
- Водород вступает в реакцию замещения с оксидами металлов , при этом образуются в продуктах вода и восстанавливается металл. Водород - проявляет свойства восстановителя:
Водород используется для восстановления многих металлов , так как отнимает кислород у их оксидов:
Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4Н 2 О, и т. д.
Применение водорода
Видео "Применение водорода"
В настоящее время водород получают в огромных количествах. Очень большую часть его используют при синтезе аммиака, гидрогенизации жиров и при гидрировании угля, масел и углеводородов. Кроме того, водород применяют для синтеза соляной кислоты, метилового спирта, синильной кислоты, при сварке и ковке металлов, а также при изготовлении ламп накаливания и драгоценных камней. В продажу водород поступает в баллонах под давлением свыше 150 атм. Они окрашены в тёмно-зелёный цвет и снабжаются красной надписью "Водород".
Водород используется для превращения жидких жиров в твердые (гидрогенизация), производства жидкого топлива гидрогенизацией углей и мазута. В металлургии водород используют как восстановитель оксидов или хлоридов для получения металлов и неметаллов (германия, кремния, галлия, циркония, гафния, молибдена, вольфрама и др.).
Практическое применение водорода
многообразно: им обычно заполняют шары-зонды, в химической промышленности он
служит сырьём для получения многих весьма важных продуктов (аммиака и др.), в
пищевой - для выработки из растительных масел твёрдых жиров и т. д. Высокая
температура (до 2600 °С), получающаяся при горении водорода в кислороде,
используется для плавления тугоплавких металлов, кварца и т. п. Жидкий водород
является одним из наиболее эффективных реактивных топлив. Ежегодное мировое
потребление водорода превышает 1 млн. т.
ТРЕНАЖЕРЫ
№2. Водород
ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ
Задание №1Составьте уравнения реакций взаимодействия водорода со следующими веществами: F 2 , Ca, Al 2 O 3 , оксидом ртути (II), оксидом вольфрама (VI). Назовите продукты реакции, укажите типы реакций.
Задание №2
Осуществите превращения по схеме:
H 2 O -> H 2 -> H 2 S -> SO 2
Задание №3.
Вычислите массу воды, которую можно получить при сжигании 8 г водорода?
Водород – химический элемент с символом H и атомным номером 1. Имея стандартный атомный вес около 1.008, водород является самым легким элементом в периодической таблице. Его одноатомная форма (Н) является наиболее распространенным химическим веществом во Вселенной, составляя примерно 75% всей массы бариона . Звезды, в основном, состоят из водорода в плазменном состоянии. Наиболее распространенный изотоп водорода, называемый протием (это название редко используется, символ 1Н), имеет один протон и ни одного нейтрона. Повсеместное появление атомарного водорода впервые произошло в эпоху рекомбинации. При стандартных температурах и давлении, водород представляет собой бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичный, неметаллический, легковоспламеняющийся двухатомный газ с молекулярной формулой H2. Поскольку водород легко образует ковалентные связи с большинством неметаллических элементов, большая часть водорода на Земле существует в молекулярных формах, таких как вода или органические соединения. Водород играет особенно важную роль в кислотно-щелочных реакциях, потому что большинство реакций на основе кислоты связаны с обменом протонов между растворимыми молекулами. В ионных соединениях, водород может принимать форму отрицательного заряда (то есть, аниона), при этом он известен как гидрид, или как положительно заряженный (т.е. катион) вид, обозначаемый символом H+. Катион водорода описывается как состоящий из простого протона, но на самом деле водородные катионы в ионных соединениях всегда более сложны. Являясь единственным нейтральным атомом, для которого уравнение Шредингера может быть решено аналитически, водород (а именно, изучение энергетики и связывания его атома) сыграл ключевую роль в развитии квантовой механики. Сначала водородный газ был искусственно получен в начале 16-го столетия реакцией кислот на металлы. В 1766-81 гг. Генри Кавендиш первым признал, что водородный газ является дискретным веществом , и что он производит воду при сжигании, благодаря чему он и был так назван: по-гречески водород означает «производитель воды». Промышленное производство водорода, в основном, связано с паровым преобразованием природного газа и, реже, с более энергоемкими методами, такими как электролиз воды. Большая часть водорода используется вблизи мест его производства, причем два наиболее распространенных использования – обработка ископаемого топлива (например, гидрокрекинг) и производство аммиака, в основном, для рынка удобрений. Водород вызывает озабоченность в металлургии, поскольку он может делать хрупкими многие металлы, что усложняет проектирование трубопроводов и резервуаров для хранения .
Свойства
Горение
Водородный газ (дигидроген или молекулярный водород) является легковоспламеняющимся газом, который будет гореть на воздухе в очень широком диапазоне концентраций от 4% до 75% по объему . Энтальпия горения составляет 286 кДж / моль:
2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 кДж (286 кДж / моль)
Водородный газ образует взрывоопасные смеси с воздухом в концентрациях от 4-74% и с хлором в концентрациях до 5,95%. Взрывоопасные реакции могут быть вызваны искрами, теплом или солнечным светом. Температура самовоспламенения водорода, температура спонтанного воспламенения на воздухе, составляет 500 °C (932 °F) . Чистые водородно-кислородные пламени испускают ультрафиолетовое излучение и с высокой кислородной смесью почти невидимы невооруженным глазом, о чем свидетельствует слабый шлейф главного двигателя космического челнока по сравнению с хорошо видимым шлейфом космического челночного твердого ракетного усилителя, который использует композит перхлората аммония. Для обнаружения утечки горящего водорода может потребоваться детектор пламени; такие утечки могут быть очень опасными. Водородное пламя в других условиях является синим, и напоминает голубое пламя природного газа. Гибель дирижабля «Гинденбург» представляет собой печально известный пример сжигания водорода, и дело по-прежнему обсуждается. Видимое оранжевое пламя в этом инциденте было вызвано воздействием смеси водорода с кислородом в сочетании с соединениями углерода из кожи дирижабля. H2 реагирует с каждым окисляющим элементом. Водород может спонтанно реагировать при комнатной температуре с хлором и фтором с образованием соответствующих галогенидов водорода, хлористого водорода и фтористого водорода, которые также являются потенциально опасными кислотами.
Уровни энергии электронов
Уровень энергии основного состояния электрона в атоме водорода составляет -13,6 эВ, что эквивалентно ультрафиолетовому фотону с длиной волны около 91 нм . Энергетические уровни водорода могут быть рассчитаны достаточно точно с использованием боровской модели атома, которая концептуализирует электрон как «орбитальный» протон по аналогии с земной орбитой Солнца. Однако, атомный электрон и протон удерживаются вместе электромагнитной силой, а планеты и небесные объекты удерживаются гравитацией. Из-за дискретизации углового момента, постулированного в ранней квантовой механике Бором, электрон в модели Бора может занимать только определенные допустимые расстояния от протона и, следовательно, только определенные допустимые энергии. Более точное описание атома водорода происходит из чисто квантовомеханической обработки, в которой используется уравнение Шредингера, уравнение Дирака или даже интегральная схема Фейнмана для вычисления плотности распределения вероятности электрона вокруг протона. Наиболее сложные методы обработки позволяют получить небольшие эффекты специальной теории относительности и поляризации вакуума. В квантовой механической обработке, электрон в атоме водорода основного состояния вообще не имеет вращательного момента, что иллюстрирует, как «планетарная орбита» отличается от движения электрона.
Элементарные молекулярные формы
Существуют два разных спиновых изомера двухатомных молекул водорода, которые отличаются относительным спином их ядер. В ортоводородной форме, спины двух протонов параллельны и образуют триплетное состояние с молекулярным спиновым квантовым числом 1 (1/2 + 1/2); в форме параводорода, спины антипараллельны и образуют синглет с молекулярным спиновым квантовым числом 0 (1/2 1/2). При стандартной температуре и давлении, газообразный водород содержит около 25% пара-формы и 75% орто-формы, также известной как «нормальная форма» . Равновесное отношение ортоводорода к параводороду зависит от температуры, но, поскольку орто-форма является возбужденным состоянием и имеет более высокую энергию, чем пара-форма, она неустойчива и не может быть очищена. При очень низких температурах, состояние равновесия состоит почти исключительно из пара-формы. Тепловые свойства жидкой и газовой фазы чистого параводорода значительно отличаются от свойств нормальной формы из-за различий во вращательных теплоемкостях, что более подробно обсуждается в спиновых изомерах водорода. Орто / парное различие также встречается в других водородсодержащих молекулах или функциональных группах, таких как вода и метилен, но это имеет малое значение для их тепловых свойств. Некатализированное взаимопревращение между пара и орто H2 увеличивается с повышением температуры; таким образом, быстро сконденсированная Н2 содержит большие количества ортогональной формы высоких энергий, которая очень медленно преобразуется в пара-форму. Коэффициент орто / пара в конденсированном H2 является важным фактором при приготовлении и хранении жидкого водорода: превращение из орто в пара является экзотермическим и дает достаточно тепла для испарения части водородной жидкости, что приводит к потере сжиженного материала. Катализаторы для орто-пара-конверсии, такие как оксид железа, активированный уголь, платинированный асбест, редкоземельные металлы, соединения урана, оксид хрома или некоторые соединения никеля, используются при охлаждении водородом.
Фазы
Газообразный водород
Жидкий водород
Шугообразный водород
Твёрдый водород
Металлический водород
Соединения
Ковалентные и органические соединения
В то время как H2 не очень реакционноспособен в стандартных условиях, он образует соединения с большинством элементов. Водород может образовывать соединения с элементами, которые являются более электроотрицательными, такими как галогены (например, F, Cl, Br, I) или кислород; в этих соединениях, водород принимает частичный положительный заряд. При связывании со фтором, кислородом или азотом, водород может участвовать в форме нековалентной связи средней силы с водородом других подобных молекул, явление, называемое водородной связью, которое имеет решающее значение для устойчивости многих биологических молекул. Водород также образует соединения с менее электроотрицательными элементами, такими как металлы и металлоиды, где он принимает частичный отрицательный заряд. Эти соединения часто известны как гидриды. Водород образует обширное множество соединений с углеродом, называемые углеводородами, и еще большее множество соединений – с гетероатомами, которые, из-за их общей связи с живыми существами, называются органическими соединениями. Изучением их свойств занимается органическая химия, и их исследование в контексте живых организмов известно как биохимия . По некоторым определениям, «органические» соединения должны содержать только углерод. Однако, большинство из них также содержат водород, и поскольку это углерод-водородная связь, которая придает этому классу соединений большую часть их конкретных химических характеристик, углерод-водородные связи требуются в некоторых определениях слова «органические» в химии. Известны миллионы углеводородов, и они обычно образуются сложными синтетическими путями, которые редко включают элементарный водород.
Гидриды
Соединения водорода часто называют гидридами. Термин «гидрид» предполагает, что атом Н приобрел отрицательный или анионный характер, обозначенный H-, и используется, когда водород образует соединение с более электроположительным элементом. Существование гидридного аниона, предложенное Гилбертом Н. Льюисом в 1916 году для солесодержащих гидридов группы 1 и 2, было продемонстрировано Моерсом в 1920 г. электролизом расплавленного гидрида лития (LiH), производя стехиометрическое количество водорода на анод. Для гидридов, отличных от металлов группы 1 и 2, этот термин вводит в заблуждение, учитывая низкую электроотрицательность водорода. Исключением в гидридах группы 2 является BeH2, который является полимерным. В литийалюминийгидриде, AlH-4 анион несет гидридные центры, прочно прикрепленные к Al (III). Хотя гидриды могут образовываться почти во всех элементах основной группы, количество и комбинация возможных соединений сильно различаются; например, известно более 100 бинарных гидридов борана и только один бинарный гидрид алюминия. Бинарный гидрид индия еще не идентифицирован, хотя существуют большие комплексы . В неорганической химии, гидриды могут также служить в качестве мостиковых лигандов, которые связывают два металлических центра в координационном комплексе. Эта функция особенно характерна для элементов группы 13, особенно в боранах (гидридах бора) и алюминиевых комплексах, а также в кластеризованных карборанах.
Протоны и кислоты
Окисление водорода удаляет его электрон и дает Н+, который не содержит электронов и ядра, которое обычно состоит из одного протона. Вот почему H+ часто называют протоном. Этот вид является центральным для обсуждения кислот. Согласно теории Бронстеда-Лоури, кислоты являются донорами протонов, а основания являются акцепторами протонов. Голый протон, H+, не может существовать в растворе или в ионных кристаллах из-за его непреодолимого притяжения к другим атомам или молекулам с электронами. За исключением высоких температур, связанных с плазмой, такие протоны не могут быть удалены из электронных облаков атомов и молекул и будут оставаться прикрепленными к ним. Однако, термин «протон» иногда используется метафорически для обозначения положительно заряженного или катионного водорода, присоединенного к другим видам таким образом, и как таковой, обозначается как «Н+» без какого-либо значения, что любые отдельные протоны существуют свободно как вид. Чтобы избежать появления голого «сольватированного протона» в растворе, иногда считается, что кислые водные растворы содержат менее маловероятные фиктивные виды, называемые «ионом гидрониума» (H 3О+). Однако, даже в этом случае такие сольватированные катионы водорода более реалистично воспринимаются как организованные кластеры, которые образуют виды, близкие к H 9O+4. Другие ионы оксония обнаруживаются, когда вода находится в кислом растворе с другими растворителями . Несмотря на свою экзотичность на Земле, одним из наиболее распространенных ионов во Вселенной является H+3, известный как протонированный молекулярный водород или катион тригидрогена .
Изотопы
Водород имеет три естественных изотопа, обозначенных 1H, 2H и 3H. Другие, сильно неустойчивые ядра (от 4H до 7H) были синтезированы в лаборатории, но не наблюдались в природе. 1H является наиболее распространенным изотопом водорода с распространенностью более 99,98%. Поскольку ядро этого изотопа состоит только из одного протона, ему дается описательное, но редко используемое формальное имя протий. 2H, другой стабильный изотоп водорода, известен как дейтерий и содержит один протон и один нейтрон в ядре. Считается, что весь дейтерий во Вселенной был произведен во время Большого взрыва и существует с того времени до сих пор. Дейтерий не является радиоактивным элементом и не представляет значительной опасности токсичности. Вода, обогащенная молекулами, которые включают дейтерий вместо нормального водорода, называется тяжелой водой. Дейтерий и его соединения используются в качестве нерадиоактивной метки в химических экспериментах и в растворителях для 1H-ЯМР-спектроскопии. Тяжелая вода используется как замедлитель нейтронов и охлаждающая жидкость для ядерных реакторов. Дейтерий также является потенциальным топливом для коммерческого ядерного синтеза. 3H известен как тритий и содержит один протон и два нейтрона в ядре. Он радиоактивен, распадается на гелий-3 через бета-распад с периодом полураспада 12,32 года. Он настолько радиоактивен, что его можно использовать в светящейся краске, что делает его полезным при изготовлении, например, часов со светящимся циферблатом. Стекло предотвращает выход небольшого количества излучения. Небольшое количество трития образуется естественным путем при взаимодействии космических лучей с атмосферными газами; тритий также высвобождался во время испытаний ядерного оружия . Он используется в реакциях ядерного синтеза в качестве индикатора изотопной геохимии и в специализированных осветительных устройствах с автономным питанием. Тритий также использовался в экспериментах по химической и биологической маркировке в качестве радиоактивной метки. Водород – единственный элемент, который имеет разные названия для его изотопов, которые сегодня широко используются. Во время раннего изучения радиоактивности, различным тяжелым радиоактивным изотопам давались собственные названия, но такие названия больше не используются, за исключением дейтерия и трития. Символы D и T (вместо 2H и 3H) иногда используются для дейтерия и трития, но соответствующий символ для протия P уже используется для фосфора и, следовательно, недоступен для протия . В своих номенклатурных руководящих принципах, Международный союз чистой и прикладной химии позволяет использовать любые символы из D, T, 2H и 3H, хотя предпочтительными являются 2H и 3H. Экзотический атом мюоний (символ Mu), состоящий из антимюона и электрона, также иногда рассматривается как легкий радиоизотоп водорода из-за разности масс между антимюоном и электроном, который был обнаружен в 1960 году. Во время жизни мюона, 2,2 мкс, мюоний может входить в такие соединения, как хлорид мюония (MuCl) или мюонид натрия (NaMu), аналогично хлориду водорода и гидриду натрия соответственно.
История
Открытие и использование
В 1671 году Роберт Бойл открыл и описал реакцию между железными опилками и разбавленными кислотами, которая приводит к получению газообразного водорода . В 1766 году Генри Кавендиш первым признал водородный газ в качестве дискретного вещества, назвав этот газ из-за метал-кислотной реакции «легковоспламеняющимся воздухом». Он предположил, что «легковоспламеняющийся воздух» был фактически идентичен гипотетическому веществу, названному «флогистоном», и еще раз обнаружил в 1781 году, что газ вырабатывает воду при сжигании. Считается, что именно он открыл водород как элемент. В 1783 году Антуан Лавуазье дал этому элементу название водород (от греческого ὑδρο-hydro означает «вода» и -γενής гены, что означает «создатель»), когда он и Лаплас воспроизвели данные Кавендиша о том, что при сжигании водорода образуется вода. Лавуазье производил водород для своих экспериментов по сохранению массы путем реакции потока пара с металлическим железом через лампу накаливания, нагретую в огне. Анаэробное окисление железа протонами воды при высокой температуре может быть схематически представлено набором следующих реакций:
Fe + H2O → FeO + H2
2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2
3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2
Многие металлы, такие как цирконий, подвергаются аналогичной реакции с водой, приводящей к получению водорода. Водород был сжижен в первый раз Джеймсом Дьюаром в 1898 году с использованием регенеративного охлаждения и его изобретения, вакуумной колбы. В следующем году он произвел твердый водород. Дейтерий был обнаружен в декабре 1931 года Гарольдом Юреем, а тритий был подготовлен в 1934 году Эрнестом Рутерфордом, Марком Олифантом и Полом Хартеком. Тяжелая вода, которая состоит из дейтерия вместо обычного водорода, была обнаружена группой Юрея в 1932 году. Франсуа Исаак де Риваз построил первый двигатель «Риваз», двигатель внутреннего сгорания, приводимый в движение водородом и кислородом, в 1806 году. Эдвард Даниэль Кларк изобрел водородную газовую трубу в 1819 году. Огниво Дёберейнера (первая полноценная зажигалка) было изобретено в 1823 году. Первый водородный баллон был изобретен Жаком Чарльзом в 1783 году. Водород обеспечил подъем первой надежной формы воздушного движения после изобретения в 1852 году первого поднятого водородом дирижабля Анри Гиффарда. Немецкий граф Фердинанд фон Цеппелин продвигал идею жестких дирижаблей, поднимаемых в воздух водородом, которые позже назывались Цеппелинами; первый из них впервые взлетел в воздух в 1900 году. Регулярно запланированные рейсы начались в 1910 году и к началу Первой мировой войны в августе 1914 года они перенесли 35000 пассажиров без серьезных инцидентов. Во время войны, водородные дирижабли использовались в качестве наблюдательных платформ и бомбардировщиков. Первый беспосадочный трансатлантический перелет был произведен британским дирижаблем R34 в 1919 году. Регулярное пассажирское обслуживание возобновилось в 1920-х годах, и открытие запасов гелия в Соединенных Штатах должно было повысить безопасность перелетов, но правительство США отказалось продавать газ для этой цели, поэтому H2 использовался в дирижабле Гинденбурга, который был уничтожен в результате пожара в Милане в Нью-Джерси 6 мая 1937 года. Инцидент транслировался в прямом эфире по радио и проводились видеосъемки. Широко предполагалось, что причиной воспламенения была утечка водорода, однако последующие исследования указывают на воспламенение алюминизированного тканевого покрытия статическим электричеством. Но к этому времени репутации водорода как подъемного газа был уже нанесен ущерб. В том же году, вступил в эксплуатацию первый водородно-охлаждаемый турбогенератор с газообразным водородом в качестве хладагента в роторе и статором в 1937 году в Дейтоне, Огайо, компанией Dayton Power & Light Co; из-за теплопроводности водородного газа, это самый распространенный газ для использования в этой области сегодня. Никель-водородная батарея была впервые использована в 1977 году на борту навигационного технологического спутника-2 США (NTS-2). МКС, Mars Odyssey и Mars Global Surveyor оснащены никель-водородными батареями. В темной части своей орбиты, Космический телескоп Хаббла также питается никель-водородными батареями, которые были окончательно заменены в мае 2009 года, более чем через 19 лет после запуска и через 13 лет после их проектирования.
Роль в квантовой теории
Из-за своей простой атомной структуры, состоящей только из протона и электрона, атом водорода вместе со спектром света, созданного из него или поглощенного им, был центральным в развитии теории атомной структуры . Кроме того, изучение соответствующей простоты молекулы водорода и соответствующего катиона Н+2 привело к пониманию природы химической связи, которая последовала вскоре физической обработки атома водорода в квантовой механике в середине 2020 г. Одним из первых квантовых эффектов, которые явно наблюдались (но не были поняты в то время), было наблюдение Максвелла с участием водорода за полвека до того, как появилась полная квантовомеханическая теория. Максвелл отметил, что удельная теплоемкость Н2 необратимо отходит от двухатомного газа ниже комнатной температуры и начинает все больше напоминать удельную теплоемкость одноатомного газа при криогенных температурах. Согласно квантовой теории, такое поведение возникает из-за расстояния (квантованных) уровней вращательной энергии, которые особенно широко расставлены в H2 из-за его низкой массы. Эти широко расставленные уровни препятствуют равному разделению тепловой энергии на вращательное движение в водороде при низких температурах. Диатомовые газы, состоящие из более тяжелых атомов, не имеют таких широко расставленных уровней и не проявляют такого же эффекта. Антиводород является антиматериальным аналогом водорода. Он состоит из антипротона с позитроном. Антиводород является единственным типом атома антивещества, который был получен по состоянию на 2015 год.
Нахождение в природе
Водород является самым распространенным химическим элементом во Вселенной, составляя 75% нормального вещества по массе и более 90% по количеству атомов. (Большая часть массы вселенной, однако, находится не в форме этого химического элемента, а считается, что имеет еще необнаруженные формы массы, такие как темная материя и темная энергия.) Этот элемент находится в большом изобилии в звездах и газовых гигантах. Молекулярные облака Н2 связаны со звездообразованием. Водород играет жизненно важную роль при включении звезд через протон-протонную реакцию и ядерный синтез цикла CNO . Во всем мире, водород встречается, в основном, в атомном и плазменном состояниях со свойствами, совершенно отличными от свойств молекулярного водорода. В качестве плазмы, электрон и протон водорода не связаны друг с другом, что приводит к очень высокой электропроводности и высокой излучательной способности (вырабатывая свет от Солнца и других звезд). На заряженные частицы сильно влияют магнитные и электрические поля. Например, в солнечном ветре они взаимодействуют с магнитосферой Земли, создавая течения Биркеланда и полярное сияние. Водород находится в нейтральном атомном состоянии в межзвездной среде. Считается, что большое количество нейтрального водорода, обнаруженного в затухающих системах Лимана-альфа, доминирует в космологической барионной плотности Вселенной до красного смещения z = 4. В обычных условиях на Земле, элементарный водород существует как двухатомный газ, H2. Однако, водородный газ очень редок в земной атмосфере (1 чнм по объему) из-за его легкого веса, что позволяет ему легче преодолевать гравитацию Земли, чем более тяжелые газы. Однако, водород является третьим наиболее распространенным элементом на поверхности Земли, существуя, в основном, в виде химических соединений, таких как углеводороды и вода. Водородный газ образуется некоторыми бактериями и водорослями и является естественным компонентом флюта, как и метан, который является все более значимым источником водорода. Молекулярная форма, называемая протонированным молекулярным водородом (H+3) находится в межзвездной среде, где она генерируется ионизацией молекулярного водорода из космических лучей. Этот заряженный ион также наблюдался в верхней атмосфере планеты Юпитер. Ион относительно устойчив в окружающей среде из-за низкой температуры и плотности. H+3 является одним из самых распространенных ионов во Вселенной и играет заметную роль в химии межзвездной среды. Нейтральный триатомный водород H3 может существовать только в возбужденной форме и неустойчив . Напротив, положительный молекулярный ион водорода (Н+2) является редкой молекулой во Вселенной.
Производство водорода
H2 производится в химических и биологических лабораториях, часто в качестве побочного продукта других реакций; в промышленности для гидрирования ненасыщенных субстратов; и в природе как средство вытеснения восстановительных эквивалентов в биохимических реакциях.
Паровой риформинг
Водород может быть получен несколькими способами, но экономически наиболее важные процессы включают удаление водорода из углеводородов, так как около 95% производства водорода в 2000 году поступило из парового риформинга . Коммерчески, большие объемы водорода обычно получают путем парового риформинга природного газа. При высоких температурах (1000-1400 K, 700-1100 °C или 1300-2000 °F) пар (водяной пар) реагирует с метаном с получением монооксида углерода и H2.
СН4 + H2O → CO + 3 H2
Эта реакция лучше проходит при низких давлениях, но, тем не менее, её можно проводить и при высоких давлениях (2,0 МПа, 20 атм или 600 дюймов ртутного столба). Это связано с тем, что H2 с высоким давлением является наиболее популярным продуктом, а системы очистки от перегрева под давлением лучше работают при более высоких давлениях. Смесь продуктов известна как «синтез-газ», поскольку она часто используется непосредственно для получения метанола и родственных соединений. Углеводороды, отличные от метана, могут быть использованы для получения синтез-газа с различными соотношениями продуктов. Одним из многочисленных осложнений этой высокооптимизированной технологии является образование кокса или углерода:
СН4 → C + 2 H2
Следовательно, паровой риформинг обычно использует избыток H2О. Дополнительный водород может быть извлечен из пара с использованием монооксида углерода через реакцию смещения водяного газа, особенно с использованием катализатора оксида железа. Эта реакция также является общим промышленным источником углекислого газа:
CO + H2O → CO2 + H2
Другие важные методы для H2 включают частичное окисление углеводородов:
2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2
И реакция угля, которая может служить прелюдией к реакции сдвига, описанной выше:
C + H2O → CO + H2
Иногда водород производится и потребляется в том же промышленном процессе, без разделения. В процессе Хабера для производства аммиака, водород генерируется из природного газа. Электролиз солевого раствора для получения хлора также приводит к образованию водорода в качестве побочного продукта .
Металлическая кислота
В лаборатории, Н2 обычно получают реакцией разбавленных неокисляющих кислот на некоторые реакционноспособные металлы, такие как цинк с аппаратом Киппа.
Zn + 2 H + → Zn2 + + H2
Алюминий также может производить H2 при обработке основаниями:
2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2
Электролиз воды представляет собой простой способ получения водорода. Через воду протекает ток низкого напряжения, и на аноде образуется газообразный кислород, в то время как на катоде образуется газообразный водород. Обычно катод изготавливают из платины или другого инертного металла при производстве водорода для хранения. Если, однако, газ должен быть сожжен на месте, для содействия сгоранию желательно присутствие кислорода, и поэтому оба электрода будут изготовлены из инертных металлов. (Например, железо окисляется и, следовательно, уменьшает количество выделяемого кислорода). Теоретическая максимальная эффективность (электричество, используемое по отношению к энергетической величине производимого водорода) находится в диапазоне 80-94%.
2 Н2О (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)
Сплав алюминия и галлия в форме гранул, добавленных в воду, можно использовать для получения водорода. Этот процесс также производит оксид алюминия, но дорогой галлий, который предотвращает образование оксидной кожи на гранулах, может быть повторно использован. Это имеет важные потенциальные последствия для экономики водорода, поскольку водород может быть получен на месте и не нуждается в транспортировке.
Термохимические свойства
Существует более 200 термохимических циклов, которые можно использовать для разделения воды, около дюжины этих циклов, такие, как цикл оксида железа, цикл оксида оксида церия (IV) оксида церия (III), цинк-оксидный цинк, цикл серного йода, цикл меди и хлора и гибридный цикл серы, находятся на стадии исследования и на стадии испытаний для получения водорода и кислорода из воды и тепла без использования электричества. Ряд лабораторий (в том числе, во Франции, Германии, Греции, Японии и США) разрабатывают термохимические методы получения водорода из солнечной энергии и воды .
Анаэробная коррозия
В анаэробных условиях, железо и стальные сплавы медленно окисляются протонами воды, одновременно восстанавливаясь в молекулярном водороде (H2). Анаэробная коррозия железа приводит сначала к образованию гидроксида железа (зеленая ржавчина) и может быть описана следующей реакцией: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. В свою очередь, в анаэробных условиях гидроксид железа (Fe (OH) 2) может быть окислен протонами воды с образованием магнетита и молекулярного водорода. Этот процесс описывается реакцией Шикорра: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 гидроокись железа → магний + вода + водород. Хорошо кристаллизованный магнетит (Fe3O4) термодинамически более устойчив, чем гидроксид железа (Fe (OH) 2). Этот процесс происходит во время анаэробной коррозии железа и стали в бескислородных грунтовых водах и при восстановлении почв ниже уровня грунтовых вод.
Геологическое происхождение: реакция серпентинизации
В отсутствие кислорода (O2) в глубоких геологических условиях, преобладающих далеко от атмосферы Земли, водород (H2) образуется в процессе серпентинизации путем анаэробного окисления протонами воды (H+) силиката железа (Fe2 +), присутствующего в кристаллической решетке фаялита (Fe2SiO4, минал оливин-железа). Соответствующая реакция, приводящая к образованию магнетита (Fe3O4), кварца (SiO2) и водорода (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 фаялит + вода → магнетит + кварц + водород. Эта реакция очень напоминает реакцию Шикорра, наблюдаемую при анаэробном окислении гидроксида железа в контакте с водой.
Формирование в трансформаторах
Из всех опасных газов, образующихся в силовых трансформаторах, водород является наиболее распространенным и генерируется в большинстве случаев неисправностей; таким образом, образование водорода является ранним признаком серьезных проблем в жизненном цикле трансформатора.
Применения
Потребление в различных процессах
Большие количества H2 необходимы в нефтяной и химической промышленности. В наибольшей мере, H2 применяется для переработки («модернизации») ископаемого топлива и для производства аммиака. На нефтехимических заводах, H2 используется при гидродеалкилировании, гидродесульфировании и гидрокрекинге. H2 имеет несколько других важных применений. H2 используется в качестве гидрирующего агента, в частности, для повышения уровня насыщения ненасыщенных жиров и масел (обнаруженных в таких предметах, как маргарин), и в производстве метанола. Это также источник водорода при производстве соляной кислоты. Н2 также используется в качестве восстановителя металлических руд. Водород является высокорастворимым веществом во многих редкоземельных и переходных металлах и растворим как в нанокристаллических, так и в аморфных металлах. Растворимость водорода в металлах зависит от локальных искажений или примесей в кристаллической решетке . Это может быть полезно, когда водород очищается путем прохождения через горячие палладиевые диски, но высокая растворимость газа является металлургической проблемой, способствующей охрупчиванию многих металлов, осложняя проектирование трубопроводов и резервуаров для хранения. Помимо использования в качестве реагента, H2 имеет широкое применение в физике и технике. Он используется в качестве защитного газа в методах сварки, таких как атомно-водородная сварка. H2 используется в качестве охлаждающей жидкости ротора в электрических генераторах на электростанциях, поскольку он имеет самую высокую теплопроводность среди всех газов. Жидкий H2 используется в криогенных исследованиях, включая исследования сверхпроводимости . Поскольку Н2 легче воздуха, имея чуть больше 1/14 от плотности воздуха, он когда-то широко использовался в качестве поднимающего газа в воздушных шарах и дирижаблях. В более новых применениях, водород используется в чистом виде или смешивается с азотом (иногда называемым формовочным газом) в качестве газа-индикатора для мгновенного обнаружения утечки. Водород применяется в автомобильной, химической, энергетической, аэрокосмической и телекоммуникационной отраслях. Водород – это разрешенная пищевая добавка (E 949), которая позволяет проводить испытания на герметичность пищевых продуктов, помимо других антиокислительных свойств. Редкие изотопы водорода также имеют конкретные применения. Дейтерий (водород-2) используется в приложениях ядерного деления в качестве замедлителя медленных нейтронов и в реакциях ядерного синтеза. Соединения дейтерия применяются в области химии и биологии при исследованиях изотопных эффектов реакции. Тритий (водород-3), производимый в ядерных реакторах, используется в производстве водородных бомб, в качестве изотопной метки в биологических науках, и в качестве источника излучения в светящихся красках. Температура тройной точки равновесного водорода является определяющей неподвижной точкой в температурной шкале ITS-90 при 13,8033 кельвинах.
Охлаждающая среда
Водород обычно используется на электростанциях в качестве хладагента в генераторах из-за ряда благоприятных свойств, которые являются прямым результатом его легких двухатомных молекул. К ним относятся низкая плотность, низкая вязкость и максимальная удельная теплоемкость и теплопроводность среди всех газов.
Энергетический носитель
Водород не является энергетическим ресурсом , за исключением гипотетического контекста коммерческих термоядерных электростанций, использующих дейтерий или тритий, причем эта технология в настоящее время далека от развития. Энергия Солнца происходит от ядерного синтеза водорода, но этот процесс труднодостижим на Земле. Элементарный водород из солнечных, биологических или электрических источников требует больше энергии для его производства, чем расходуется при его сжигании, поэтому в этих случаях водород функционирует как носитель энергии, по аналогии с батареей. Водород может быть получен из ископаемых источников (таких как метан), но эти источники являются исчерпаемыми . Плотность энергии на единицу объема как жидкого водорода, так и сжатого газообразного водорода при любом практически достижимом давлении значительно меньше, чем у традиционных источников энергии, хотя плотность энергии на единицу массы топлива выше. Тем не менее, элементный водород широко обсуждался в контексте энергетики как возможный будущий носитель энергии в масштабах всей экономики. Например, секвестрация СО2 с последующим улавливанием и хранением углерода может быть проведена в точке производства H2 из ископаемых видов топлива. Водород, используемый при транспортировке, будет гореть относительно чисто, с некоторыми выбросами NOx, но без выбросов углерода. Однако, стоимость инфраструктуры, связанная с полной конверсией в водородную экономику, будет существенной. Топливные элементы могут превращать водород и кислород непосредственно в электричество более эффективно, чем двигатели внутреннего сгорания.
Полупроводниковая промышленность
Водород используется для насыщения оборванных связей аморфного кремния и аморфного углерода, что помогает стабилизировать свойства материала. Он также является потенциальным донором электронов в различных оксидных материалах, включая ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 и SrZrO3.
Биологические реакции
H2 является продуктом некоторых видов анаэробного метаболизма и производится несколькими микроорганизмами, обычно посредством реакций, катализируемых железо- или никельсодержащими ферментами, называемыми гидрогеназами. Эти ферменты катализируют обратимую окислительно-восстановительную реакцию между Н2 и его компонентами – двумя протонами и двумя электронами. Создание газообразного водорода происходит при передаче восстановительных эквивалентов, образующихся при ферментации пирувата в воду . Естественный цикл производства и потребления водорода организмами называется водородным циклом. Расщепление воды, процесс, при которой вода разлагается на составляющие ее протоны, электроны и кислород, происходит в световых реакциях у всех фотосинтезирующих организмов. Некоторые такие организмы, в том числе водоросли Chlamydomonas Reinhardtii и cyanobacteria, развили вторую стадию в темных реакциях, в которых протоны и электроны восстанавливаются с образованием H2-газа специализированными гидрогеназами в хлоропласте. Были предприняты попытки генетически модифицировать цианобактериальные гидразы для эффективного синтеза газообразного H2 даже в присутствии кислорода. Также были предприняты усилия с использованием генетически модифицированной водоросли в биореакторе.
Гидроген Н - химический элемент, один из самых распространённых в нашей Вселенной. Масса водорода как элемента в составе веществ составляет 75 % от общего содержания атомов другого типа. Он входит в наиважнейшее и жизненно необходимое соединение на планете - воду. Отличительной особенностью водорода также является то, что он первый элемент в периодический системе химических элементов Д. И. Менделеева.
Открытие и исследование
Первые упоминания о водороде в трудах Парацельса датируются шестнадцатым веком. Но его выделение из газовой смеси воздуха и исследование горючих свойств были произведены уже в семнадцатом веке учёным Лемери. Досконально изучил гидроген английский химик, физик и естествоиспытатель который опытным путём доказал, что масса водорода наименьшая в сравнении с другими газами. В последующих этапах развития науки многие учёные работали с ним, в частности Лавуазье, назвавший его «рождающим воду».
Характеристика по положению в ПСХЭ
Элемент, открывающий периодическую таблицу Д. И. Менделеева, - это водород. Физические и химические свойства атома проявляют некую двойственность, так как гидроген одновременно относят к первой группе, главной подгруппе, если он ведёт себя как металл и отдаёт единственный электрон в процессе химической реакции, и к седьмой - в случае полного заполнения валентной оболочки, то есть приёме отрицательной частицы, что характеризует его как подобный галогенам.
Особенности электронного строения элемента
Свойства сложных веществ, в состав которых он входит, и самого простого вещества Н 2 в первую очередь определяются электронной конфигурацией гидрогена. Частица имеет один электрон с Z= (-1), который вращается по своей орбите вокруг ядра, содержащего один протон с единичной массой и положительным зарядом (+1). Его электронная конфигурация записывается как 1s 1 , что означает наличие одной отрицательной частицы на самой первой и единственной для гидрогена s-орбитали.
При отрыве или отдаче электрона, а атом этого элемента имеет такое свойство, что роднит его с металлами, получается катион. По сути ион водорода - это положительная элементарная частица. Поэтому лишенный электрона гидроген называют попросту протоном.
Физические свойства
Если описывать водорода кратко, то это бесцветный, малорастворимый газ с относительной атомной массой равной 2, в 14,5 раза легче, чем воздух, с температурой сжижения, составляющей -252,8 градуса Цельсия.
На опыте можно легко убедиться в том, что Н 2 самый легкий. Для этого достаточно наполнить три шара различными веществами - водородом, углекислым газом, обычным воздухом - и одновременно выпустить их из руки. Быстрее всех достигнет земли тот, который наполнен СО 2 , после него опустится надутый воздушной смесью, а содержащий Н 2 вовсе поднимется к потолку.
Маленькая масса и размер частиц водорода обосновывают его способность проникать через различные вещества. На примере того же шара в этом легко убедиться, через пару дней он сам сдуется, так как газ просто пройдёт через резину. Также водород может накапливаться в структуре некоторых металлов (палладий или платина), а при повышении температуры испаряться из неё.
Свойство малорастворимости водорода используют в лабораторной практике для его выделения способом вытеснения водорода (таблица, изображенная ниже, содержит основные параметры) определяют сферы его применения и методы получения.
| Параметр атома или молекулы простого вещества | Значение |
| Атомная масса (молярная масса) | 1,008 г/моль |
| Электронная конфигурация | 1s 1 |
| Кристаллическая решётка | Гексагональная |
| Теплопроводность | (300 K) 0,1815 Вт/(м·К) |
| Плотность при н. у. | 0,08987 г/л |
| Температура кипения | -252,76 °C |
| Удельная теплота сгорания | 120,9·10 6 Дж/кг |
| Температура плавления | -259,2 °C |
| Растворимость в воде | 18,8 мл/л |
Изотопный состав
Как и многие другие представители периодической системы химических элементов, гидроген имеет несколько природных изотопов, то есть атомов с одинаковым числом протонов в ядре, но различным числом нейтронов - частиц с нулевым зарядом и единичной массой. Примеры атомов, обладающих подобным свойством - кислород, углерод, хлор, бром и прочие, в том числе радиоактивные.
Физические свойства водорода 1 Н, самого распространённого из представителей данной группы, значительно отличаются от таких же характеристик его собратьев. В частности, разнятся особенности веществ, в состав которых они входят. Так, существует обычная и дейтерированная вода, содержащая в своём составе вместо атома водорода с одним-единственным протоном дейтерий 2 Н - его изотоп с двумя элементарными частицами: положительной и незаряженной. Этот изотоп в два раза тяжелее обычного гидрогена, что и объясняет кардинальное различие в свойствах соединений, которые они составляют. В природе дейтерий встречается в 3200 раз реже, чем водород. Третий представитель - тритий 3 Н, в ядре он имеет два нейтрона и один протон.
Способы получения и выделения
Лабораторные и промышленные методы весьма отличаются. Так, в малых количествах газ получают в основном с помощью реакций, в которых участвуют минеральные вещества, а крупномасштабные производства в большей степени используют органический синтез.
В лаборатории применяют следующие химические взаимодействия:
В промышленных интересах газ получают такими методами, как:
- Термическое разложение метана в присутствии катализатора до составляющих его простых веществ (350 градусов достигает значение такого показателя, как температура) - водорода Н 2 и углерода С.
- Пропускание парообразной воды через кокс при 1000 градусов Цельсия с образованием углекислого газа СО 2 и Н 2 (самый распространённый метод).
- Конверсия газообразного метана на никелевом катализаторе при температуре, достигающей 800 градусов.
- Водород является побочным продуктом при электролизе водных растворов хлоридов калия или натрия.
Химические взаимодействия: общие положения
Физические свойства водорода во многом объясняют его поведение в процессах реагирования с тем или иным соединением. Валентность гидрогена равняется 1, так как он в таблице Менделеева расположен в первой группе, а степень окисления проявляет различную. Во всех соединениях, кроме гидридов, водород в с.о.= (1+), в молекулах типа ХН, ХН 2 , ХН 3 - (1-).
Молекула газа водорода, образованная посредством создания обобщенной электронной пары, состоит из двух атомов и довольно устойчива энергетически, именно поэтому при нормальных условиях несколько инертна и в реакции вступает при изменении нормальных условий. В зависимости от степени окисления водорода в составе прочих веществ, он может выступать как в качестве окислителя, так и восстановителя.
Вещества, с которыми реагирует и которые образует водород
Элементные взаимодействия с образованием сложных веществ (часто при повышенных температурах):
- Щелочной и щелочноземельный металл + водород = гидрид.
- Галоген + Н 2 = галогеноводород.
- Сера + водород = сероводород.
- Кислород + Н 2 = вода.
- Углерод + водород = метан.
- Азот + Н 2 = аммиак.
Взаимодействие со сложными веществами:
- Получение синтез-газа из монооксида углерода и водорода.
- Восстановление металлов из их оксидов с помощью Н 2 .
- Насыщение водородом непредельных алифатических углеводородов.
Водородная связь
Физические свойства водорода таковы, что позволяют ему, находясь в соединении с электроотрицательным элементом, образовывать особый тип связи с таким же атомом из соседних молекул, имеющих неподелённые электронные пары (например, кислородом, азотом и фтором). Ярчайший пример, на котором лучше рассмотреть подобное явление, - это вода. Она, можно сказать, прошита водородными связями, которые слабее ковалентных или ионных, но за счёт того, что их много, оказывают значительное влияние на свойства вещества. По сути, водородная связь - это электростатическое взаимодействие, которое связывает молекулы воды в димеры и полимеры, обосновывая её высокую температуру кипения.
Гидроген в составе минеральных соединений
В состав всех входит протон - катион такого атома, как водород. Вещество, кислотный остаток которого имеет степень окисления больше (-1), называется многоосновным соединением. В нём присутствует несколько атомов водорода, что делает диссоциацию в водных растворах многоступенчатой. Каждый последующий протон отрывается от остатка кислоты всё труднее. По количественному содержанию водородов в среде определяется его кислотность.
Применение в деятельности человека
Баллоны с веществом, так же как и емкости с другими сжиженными газами, например кислородом, имеют специфический внешний вид. Они выкрашены в темновато-зелёный цвет с ярко-красной надписью «Водород». Газ закачивают в баллон под давлением порядка 150 атмосфер. Физические свойства водорода, в частности легкость газообразного агрегатного состояния, используют для наполнения им в смеси с гелием аэростатов, шаров-зондов и т.д.
Водород, физические и химические свойства которого люди научились использовать много лет назад, на сегодняшний момент задействован во многих отраслях промышленности. Основная его масса идёт на производство аммиака. Также водород участвует в (гафния, германия, галлия, кремния, молибдена, вольфрама, циркония и прочих) из окислов, выступая в реакции в качестве восстановителя, синильной и соляной кислот, а также искусственного жидкого топлива. Пищевая промышленность использует его для превращения растительных масел в твёрдые жиры.
Определили химические свойства и применение водорода в различных процессах гидрогенизации и гидрирования жиров, углей, углеводородов, масел и мазута. С помощью него производят драгоценные камни, лампы накаливания, проводят ковку и сварку металлических изделий под воздействием кислородно-водородного пламени.
Водород занимает особое положение в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. По числу валентных электронов, способности образовывать в растворах гидратный ион H + он сходен со щелочными металлами, и его следует поместить в I группу. По числу электронов, необходимых для завершения внешней электронной оболочки, значению энергии ионизации, способности проявлять отрицательную степень окисления, малому атомному радиусу водород следует поместить в VII группу периодической системы. Таким образом, размещение водорода в той или иной группе периодической системы в значительной мере условно, но в большинстве случаев его помещают в VII группу.
Электронная формула водорода 1s 1 . Единственный валентный электрон находится непосредственно в сфере действия атомного ядра. Простота электронной конфигурации водорода отнюдь не означает, что химические свойства этого элемента просты. Напротив, химия водорода во многом отличается от химии других элементов. Водород в своих соединениях способен проявлять степени окисления +1 и –1.
Существует большое количество методов получения водорода. В лаборатории его получают взаимодействием некоторых металлов с кислотами, например:
Водород можно получить электролизом водных растворов серной кислоты или щелочей. При этом происходит процесс выделения водорода на катоде и кислорода на аноде.
В промышленности водород получают главным образом из природных и попутных газов, продуктов газификации топлива и коксового газа.
Простое вещество водород (H 2) представляет собой горючий газ без цвета и запаха. Температура кипения –252,8 °C. Водород в 14,5 раз легче воздуха, мало растворим в воде.
Молекула водорода устойчива, обладает большой прочностью. Из-за высокой энергии диссоциации (435 кДж/моль) распад молекул H 2 на атомы происходит в заметной степени лишь при температуре выше 2000 °C.
Для водорода возможны положительная и отрицательная степени окисления, поэтому в химических реакциях водород может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. В тех случаях, когда водород выступает в качестве окислителя, он ведет себя подобно галогенам, образуя аналогичные галогенидам гидриды (гидридами называют группу химических соединений водорода с металлами и менее электроотрицательными, чем он, элементами):
По окислительной активности водород существенно уступает галогенам. Поэтому ионный характер проявляют лишь гидриды щелочных и щелочноземельных металлов. Ионные, а также комплексные гидриды, например, являются сильными восстановителями. Их широко используют в химических синтезах.
В большинстве реакций водород ведет себя как восстановитель. При нормальных условиях водород не взаимодействует с кислородом, однако при поджигании реакция протекает со взрывом:
Смесь двух объемов водорода с одним объемом кислорода называют гремучим газом. При контролируемом горении происходит выделение большого количества тепла, и температура водородно-кислородного пламени достигает 3000 °C.
Реакция с галогенами протекает, в зависимости от природы галогена, по-разному:
С фтором такая реакция идет со взрывом даже при низких температурах. С хлором на свету реакция также протекает со взрывом. С бромом реакция идет значительно медленнее, а с йодом не доходит до конца даже при высокой температуре. Механизм этих реакций радикальный.
При повышенной температуре водород взаимодействует с элементами VI группы - серой, селеном, теллуром, например:
Очень важной является реакция водорода с азотом. Эта реакция обратима. Для смещения равновесия в сторону образования аммиака используют повышенное давление. В промышленности данный процесс осуществляют при температуре 450–500 °C в присутствии различных катализаторов:
Водород восстанавливает многие металлы из оксидов, например:
Данную реакцию используют для получения некоторых чистых металлов.
Огромную роль играют реакции гидрирования органических соединений, которые широко используют как в лабораторной практике, так и в промышленном органическом синтезе.
Сокращение природных источников углеводородного сырья, загрязнение окружающей среды продуктами сгорания топлива повышают интерес к водороду как к экологически чистому топливу. Вероятно, водород будет играть важную роль в энергетике будущего.
В настоящее время водород широко применяют в промышленности для синтеза аммиака, метанола, гидрогенизации твердого и жидкого топлива, в органическом синтезе, для сварки и резки металлов и т. д.
Вода H 2 O, оксид водорода, является важнейшим химическим соединением. При нормальных условиях вода - бесцветная жидкость, без запаха и вкуса. Вода - самое распространенное вещество на поверхности Земли. В человеческом организме содержится 63–68% воды.
Физические свойства воды во многом являются аномальными. При нормальном атмосферном давлении вода кипит при 100 °C. Температура замерзания чистой воды 0 °C. B отличие от других жидкостей плотность воды при охлаждении возрастает не монотонно, а имеет максимум при +4 °C. Теплоемкость воды очень высока и составляет 418 кДж/моль·K. Теплоемкость льда при 0 °C составляет 2,038 кДж/моль·K. Аномально высокой является теплота плавления льда. Электропроводность воды очень мала. Аномальные физические свойства воды объясняют ее строение. Валентный угол H–O–H равен 104,5°. Молекула воды представляет собой искаженный тетраэдр, в двух вершинах которого располагаются атомы водорода, а две другие заняты орбиталями неподеленных пар электронов атома кислорода, не участвующих в образовании химических связей.
Вода является стабильным соединением, ее разложение на кислород и водород происходит лишь под действием постоянного электрического тока или при температуре около 2000 °C:
Вода непосредственно взаимодействует с металлами, стоящими в ряду стандартных электронных потенциалов до водорода. Продуктами реакции в зависимости от природы металла могут быть соответствующие гидроксиды и оксиды. Скорость реакции в зависимости от природы металла также изменяется в широких пределах. Так, натрий вступает в реакцию водой уже при комнатной температуре, реакция сопровождается выделением большого количества тепла; железо реагирует с водой при температуре 800 °С:
Вода может вступать в реакцию со многими неметаллами. Так, при обычных условиях вода обратимо взаимодействует с хлором:
При повышенной температуре вода взаимодействует с углем с образованием так называемого синтез-газа - смеси оксида углерода (II) и водорода:
При обычных условиях вода реагирует со многими основными и кислотными оксидами с образованием оснований и кислот соответственно:
Реакция идет до конца, если соответствующее основание или кислота растворимы в воде.
Пероксид водорода (H 2 O 2) представляет собой бесцветную жидкость, очень неустойчивую при комнатной температуре. Концентрированные растворы пероксида водорода взрывоопасны. В лаборатории H 2 O 2 получают с помощью обменной реакции между пероксидом бария и концентрированной серной кислотой:
В химических реакциях H 2 O 2 может проявлять свойства как окислителя, так и восстановителя, например.
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 Н 2 , метана СН 4 , аммиака NH 3 , воды Н 2 О, 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 T ½ = 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 Н 2 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 Н 2 .
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 С p 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:
Н 2 + 1 / 2 О 2 = Н 2 О
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% Н 2 , а водородо-воздушной смеси - от 4 до 74% Н 2 (смесь 2 объемов Н 2 и 1 объема О 2 называется гремучим газом). Водород используется для восстановления многих металлов, так как отнимает кислород у их оксидов:
CuO + H 2 = Cu + H 2 O,
Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4Н 2 О, и т. д.
С галогенами Водород образует галогеноводороды, например:
Н 2 + Cl 2 = 2НСl.
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:
ЗН 2 + N 2 = 2NН 3
лишь на катализаторе и при повышенных температуpax и давлениях. При нагревании Водород энергично реагирует с серой:
Н 2 + S = H 2 S (сероводород),
значительно труднее с селеном и теллуром. С чистым углеродом Водород может реагировать без катализатора только при высоких температуpax:
2Н 2 + С (аморфный) = СН 4 (метан).
Водород непосредственно реагирует с некоторыми металлами (щелочными, щелочноземельными и другими), образуя гидриды:
Н 2 + 2Li = 2LiH.
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, СН 3 ОН и другие. Ненасыщенные углеводороды реагируют с Водородом, переходя в насыщенные, например:
С n Н 2n + Н 2 = С n Н 2n+2 .
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):
СН 4 + H 2 О = СО + ЗН 2 ,
и неполное окисление углеводородов кислородом:
СН 4 + 1 / 2 О 2 = СО + 2Н 2
Образующийся оксид углерода (II) также подвергается конверсии:
СО + Н 2 О = СО 2 + Н 2 .
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.
