| Водород / Hydrogenium (H) | |
|---|---|
| Атомный номер | 1 |
| Внешний вид простого вещества | газ без цвета, вкуса и запаха |
| Свойства атома | |
| Атомная масса (молярная масса) |
1,00794 а. е. м. (г/моль) |
| Радиус атома | 79 пм |
| Энергия ионизации (первый электрон) |
1311,3 кДж/моль (эВ) |
| Электронная конфигурация | 1s1 |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 32 пм |
| Радиус иона | 54 (−1 e) пм |
| Электроотрицательность (по Полингу) |
2,20 |
| Электродный потенциал | |
| Степени окисления | 1, −1 |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность | 0,0000899 (при 273K (0 °C)) г/см³ |
| Удельная теплоёмкость | 14,267 Дж/(K·моль) |
| Теплопроводность | 0,1815 Вт/(м·K) |
| Температура плавления | 14,01 K |
| Теплота плавления | 0,117 кДж/моль |
| Температура кипения | 20,28 K |
| Теплота испарения | 0,904 кДж/моль |
| Молярный объём | 14,1 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | гексагональная |
| Период решётки | 3,750 Å |
| Отношение c/a | 1,731 |
| Температура Дебая | 110,00 K |
| H | 1 |
| 1,00794 | |
| 1s1 | |
| Гідроген | |
- Водоро́д — первый элемент периодической системы элементов. Широко распространён в природе. Катион (и ядро) самого распространённого изотопа водорода 1H — протон. Свойства ядра 1H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.
Три из пяти изотопов водорода имеют собственные названия: ¹H — протий (Н), ²H — дейтерий (D) и ³H — тритий (радиоактивен) (T).
Простое вещество водород — H2 — лёгкий бесцветный газ. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен. Нетоксичен. Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, платине.
История[]
Схема атома водорода
Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Знаменитый английский физик и химик Г. Кавендиш в 1766 году исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду, но приверженность Кавендиша теории флогистона помешала ему сделать правильные выводы. Французский химик А. Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783 г. осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Таким образом он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.
Происхождение названия[]
Лавуазье дал водороду название hydrogène (от др.-греч. ὕδωρ — «вода» и γενναω — «рождаю») — «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году — по аналогии с ломоносовским «кислородом».
Распространённость[]
Во Вселенной[]
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 92% всех атомов (8% составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1%). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~ 6000 °С) и межзвёздного пространства, пронизанного космическим излучением, этот элемент существует в виде отдельных атомов.
Земная кора[]
Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это девятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17% (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~ 52%). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005% по объёму).
Получение[]
Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом — выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре (легко убедиться, что при пропускании метана даже через кипящую воду никакой реакции не происходит):
СН4 + 2Н20 = CO2 + 4Н2 − 165 кДж
В лаборатории для получения простых веществ используют не обязательно природное сырьё, а выбирают те исходные вещества, из которых легче выделить необходимое вещество. Например, в лаборатории кислород не получают из воздуха. Это же относится и к получению водорода.
Один из лабораторных способов получения водорода, который иногда применяется и в промышленности, — разложение воды электротоком.
Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.
В промышленности[]
1.Электролиз водных растворов солей:
- 2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2
2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:
- H2O + C ⇄ H2 + CO
3.Из природного газа.
- Конверсия с водяным паром:
- CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (1000 °C)
- Каталитическое окисление кислородом:
- 2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2
4. Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
В лаборатории[]
1.Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную соляную кислоту:
- Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑
2.Взаимодействие кальция с водой:
- Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑
3.Гидролиз гидридов:
- NaH + H2O → NaOH + H2↑
4.Действие щелочей на цинк или алюминий:
- 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
- Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + H2↑
5.С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:
- 2H3O+ + 2e- → H2↑ + 2H2O
См. также[]
- Биореактор для производства водорода
Физические свойства[]
Газообразный водород может существовать в двух формах (модификациях) — в виде орто- и пара-водорода.
В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).
Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно, что даёт возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм. Молекула водорода двухатомна — Н₂. При обычных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Водород — самый лёгкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.
Химические свойства[]
Молекулы водорода Н2 довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
- Н2 = 2Н − 432 кДж
Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:
- Ca + Н2 = СаН2
и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:
- F2 + H2 = 2HF
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении. Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:
- CuO + Н2 = Cu + Н2O
Записанное уравнение отражает реакцию восстановления. Реакциями восстановления называются процессы, в результате которых от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются). Далее будет дано и другое определение понятиям «окисление» и «восстановление». А данное определение, исторически первое, сохраняет значение и в настоящее время, особенно в органической химии. Реакция восстановления противоположна реакции окисления. Обе эти реакции всегда протекают одновременно как один процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.
- N2 + 3H2 → 2NH3
С галогенами образует галогеноводороды:
- F2 + H2 → 2HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,
- Cl2 + H2 → 2HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
- C + 2H2 → CH4
Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами[]
При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:
- Na + H2 → 2NaH
- Ca + H2 → CaH2
- Mg + H2 → MgH2
Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:
- CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2 ↑
Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)[]
Оксиды восстанавливаются до металлов:
- CuO + H2 → Cu + H2O
- Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O
- WO3 + 3H2 → W + 3H2O
Гидрирование органических соединений[]
При действии водорода на ненасыщенные углеводороды в присутствии никелевого катализатора и повышенной температуре происходит реакция гидрирования:
- 2CH2 + H2 → 2CH3
Водород восстанавливает альдегиды до спиртов:
- CH3CHO + H2 → C2H5OH.
Геохимия водорода[]
Водород — основной строительный материал вселенной. Это самый распространённый элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем, гигантскими планетами и первичными метеоритами, из чего следует, что во время образования Земля была значительно дегазирована и водород вместе с другими летучими элементами покинул планету во время аккреции или вскоре после неё.
Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением[источник?]. Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос [источник?].
Особенности обращения[]
Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%. Также водород пожароопасен. Жидкий водород при попадении на кожу может вызвать сильное обморожение.
Взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4% до 96 % объёмных. При смеси с воздухом от 4% до 75(74) % объёмных.
Использование[]
Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.
Химическая промышленность[]
- При производстве аммиака, мыла и пластмасс
Пищевая промышленность[]
- При производстве маргарина из жидких растительных масел
Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 (упаковочный газ)
Авиационная промышленность[]
Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько ужасных катастроф, когда дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием.
Солнце[]
Солнце в основном состоит из водорода. Солнечное тепло и свет — это результат высвобождения ядерной энергии при слиянии ядер водорода.
Как топливо[]
Водород используют также в качестве ракетного топлива. Когда-нибудь водород, возможно, будут широко применять как топливо для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар (однако, само получение водорода приводит к некоторому загрязнению окружающей среды).
Экономическая эффективность[]
Важнейшей характеристикой веществ, используемых в качестве топлива, является их теплота сгорания. Из курса общей химии известно, что реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла. Если взять 1 моль H2 (2г) и 0,5 моль O2 (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению
- 2Н2 + О2= 2Н2О
после завершения реакции образуется 1 моль H2O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль (для сравнения: теплота сгорания ацетилена составляет 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль). 1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль). Поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии. С учётом того, что 1 кВт·ч = 3600 кДж, получим 3,56 кВт·ч электроэнергии. Зная тариф на 1 кВт·ч электричества и стоимость 1 м³ газа, можно делать вывод о целесообразности перехода на водородное топливо.
Однако не следует забывать того, что при сжигании водорода мы получаем чистую воду, из которой его и добыли. То есть имеем возобновляемый ресурс, использование которого не причиняет вред окружающей среде, в отличие от газа или бензина, которые являются первичными источниками энергии.
Примечания[]
Литература[]
- 1. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы: Учебное пособие для вузов /Н. Е. Кузьменко, В. В. Еремин, В. А. Попков. — М.: Издательство «Экзамен»,2005.
- 2. Учебный справочник школьника. Учебное издание. - М.: Дрофа, 2001.
См. также[]
- Category:Соединения водорода
Ссылки[]
 |
Портал «Химия» |
|---|---|
|
Водород в Викисловаре? |
|
Водород на Викискладе? |
arz:هايدروجين
Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Водород. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .