Хімічні властивості водню: особливості та застосування. Водень

Водень(Лат. hydrogenium), Н, хімічний елемент, перший за порядковим номером у періодичній системі Менделєєва; атомна маса 1,00797. За звичайних умов Ст - газ; не має кольору, запаху та смаку.

Історична довідка. У працях хіміків 16 та 17 ст. неодноразово згадувалося виділення пального газу при дії кислот на метали. У 1766 р. Кавендішзібрав і досліджував газ, що виділяється, назвавши його «горюче повітря». Будучи прихильником теорії флогістон, Кавендіш вважав, що цей газ і є чистим флогістоном. У 1783 р. А. Лавуазьєшляхом аналізу та синтезу води довів складність її складу, а в 1787 р. визначив «горюче повітря» як новий хімічний елемент (В.) і дав йому сучасна назва hydrog e ne (від грец. h y d o r – вода і genn a o – народжую), що означає «що народжує воду»; цей корінь вживається в назвах сполук Ст і процесів за його участю (наприклад, гідриди, гідрогенізація). Сучасне російське найменування "В." було запропоновано М. Ф. Соловйовим у 1824 році.

Поширеність у природі . Ст широко поширений у природі, його вміст у земній корі (літосфера і гідросфера) становить за масою 1%, а за кількістю атомів 16%. Ст входить до складу найпоширенішої речовини на Землі - води (11,19% Ст по масі), до складу сполук, що складають вугілля, нафту, природні гази, глини, а також організми тварин і рослин (т. е. до складу білків, нуклеїнових кислот, жирів, вуглеводів та ін.). У вільному стані Ст зустрічається вкрай рідко, у невеликих кількостях він міститься у вулканічних та інших природних газах. Незначні кількості вільного Ст (0,0001% за кількістю атомів) присутні в атмосфері. У навколоземному просторі Ст у вигляді потоку протонів утворює внутрішній («протонний») радіаційний пояс Землі. У космосі Ст є найпоширенішим елементом. У вигляді плазмивін становить близько половини маси Сонця та більшості зірок, основну частину газів міжзоряного середовища та газових туманностей. Ст присутній в атмосфері ряду планет і в кометах у вигляді вільного h 2 , метану ch 4 , аміаку nh 3 води h 2 o, радикалів типу ch, nh, oh, sih, ph і т.д. У вигляді потоку протонів Ст входить до складу корпускулярного випромінювання Сонця і космічних променів.

Ізотопи, атом та молекула. Звичайний Ст складається з суміші 2 стійких ізотопів: легкого Ст, або протию (1 h), і важкого Ст, або дейтерію(2 h, або d). У природних сполуках Ст на 1 атом 2 h припадає в середньому 6800 атомів 1 h. Штучно отриманий радіоактивний ізотоп - надважкий Ст, або тритій(3 h, або Т), з м'яким?-випромінюванням та періодом напіврозпаду t 1/2= 12,262 року. У природі тритій утворюється, наприклад, атмосферного азоту під дією нейтронів космічних променів; в атмосфері його мізерно мало (4 · 10 -15% від загальної кількості атомів Ст). Отриманий украй нестійкий ізотоп 4 h. Масові числа ізотопів 1 h, 2 h, 3 h і 4 h, відповідно 1,2, 3 і 4, вказують на те, що ядро ​​атома протию містить тільки 1 протон, дейтерію - 1 протон і 1 нейтрон, тритію - 1 протон і 2 нейтрони, 4 h - 1 протон та 3 нейтрони. Велика відмінність мас ізотопів Ст обумовлює більш помітну відмінність їх фізичних і хімічних властивостей, ніж у випадку ізотопів інших елементів.

Атом Ст має найбільш просту будову серед атомів всіх інших елементів: він складається з ядра та одного електрона. Енергія зв'язку електрона з ядром (потенціал іонізації) становить 13,595 ев. Нейтральний атом Ст може приєднувати і другий електрон, утворюючи негативний іон Н - ; при цьому енергія зв'язку другого електрона з нейтральним атомом (спорідненість до електрона) становить 0,78 ев. Квантова механікадозволяє розрахувати всі можливі енергетичні рівні атома Ст, а отже, дати повну інтерпретацію його атомного спектру. Атом Ст використовується як модельний в квантовомеханічних розрахунках енергетичних рівнів інших, складніших атомів. Молекула В. h 2 складається з двох атомів, з'єднаних ковалентною хімічним зв'язком. Енергія дисоціації (тобто розпаду на атоми) становить 4,776 ев(1 ев= 1,60210 · 10 -19 дж). Межатомна відстань при рівноважному положенні ядер дорівнює 0,7414 · a. При високих температурах молекулярний Ст диссоціює на атоми (ступінь дисоціації при 2000°С 0,0013, при 5000°С 0,95). Атомарний Ст утворюється також у різних хімічних реакціях(наприклад, дією zn на соляну кислоту). Однак існування Ст в атомарному стані триває лише короткий час, атоми рекомбінують в молекули h 2 .

Фізичні та Хімічні властивості . В. - найлегша з усіх відомих речовин (у 14,4 рази легша за повітря), щільність 0,0899 г/лпри 0°С та 1 атм. Ст кипить (скраплюється) і плавиться (твердне) відповідно при -252,6°С і -259,1°С (тільки гелій має більше низькі температуриплавлення та кипіння). Критична температура Ст дуже низька (-240°С), тому його зрідження пов'язане з великими труднощами; критичний тиск 12,8 кгс/см 2 (12,8 атм), критична щільність 0,0312 г/см 3 . З усіх газів Ст має найбільшу теплопровідність, що дорівнює при 0°С і 1 атм 0,174 вт/(м· До), тобто 4,16 · 0 -4 кал/(з· см· °С). Питома теплоємністьСт при 0°С і 1 атмЗ р 14,208 · 10 3 дж/(кг· До), тобто 3,394 кал/(г· °С). В. мало розчинний у воді (0,0182 мл/гпри 20°С та 1 атм), але добре - у багатьох металах (ni, pt, pd та ін), особливо в паладії (850 об'ємів на 1 об'єм pd). З розчинністю Ст в металах пов'язана його здатність дифундувати через них; дифузія через вуглецевий сплав (наприклад, сталь) іноді супроводжується руйнуванням сплаву внаслідок взаємодії Ст з вуглецем (так звана декарбонізація). Рідкий Ст дуже легкий (щільність при -253°С 0,0708 г/см 3) і текуч (в'язкість при - 253°С 13,8 спуаз).

У більшості сполук Ст виявляє валентність (точніше, ступінь окислення) +1, подібно до натрію та інших лужних металів; зазвичай і розглядається як аналог цих металів, очолює 1 гр. системи Менделєєва. Однак у гідридах металів іон Ст заряджений негативно (ступінь окислення -1), тобто гідрид na + h - побудований подібно до хлориду na + cl - . Цей і деякі інші факти (близькість фізичних властивостей Ст і галогенів, здатність галогенів замінювати Ст в органічних сполуках) дають підставу відносити Ст також і до групи III періодичної системи. За звичайних умов молекулярний Ст порівняно мало активний, безпосередньо з'єднуючись лише з найбільш активними з неметалів (з фтором, а на світлі і з хлором). Однак при нагріванні він вступає в реакції з багатьма елементами. Атомарний Ст має підвищену хімічну активність у порівнянні з молекулярним. З киснем Ст утворює воду: h 2 + 1 / 2 o 2 = h 2 o з виділенням 285,937 · 10 3 дж/моль, Т. е. 68,3174 ккал/мольтепла (при 25°С та 1 атм). При нормальних температурах реакція протікає вкрай повільно, вище 550 ° С - з вибухом. Межі вибухонебезпечності воднево-кисневої суміші складають (за об'ємом) від 4 до 94% h 2 , а воднево-повітряної суміші - від 4 до 74% h 2 (суміш 2 об'ємів h 2 і 1 об'єму О 2 називається гримучим газом). Ст використовується для відновлення багатьох металів, так як забирає кисень у їх оксидів:

cuo + Н 2 = cu + h 2 o,

fe 3 o 4 + 4h 2 = 3fe + 4h 2 o і т.д.

З галогенами Ст утворює галогеноводороди, наприклад:

h 2 + cl 2 = 2hcl.

При цьому з фтором Ст вибухає (навіть у темряві і при -252°С), з хлором і бромом реагує лише при освітленні або нагріванні, а з йодом тільки при нагріванні. З азотом Ст взаємодіє з утворенням аміаку: 3h 2 + n 2 = 2nh 3 лише на каталізаторі і при підвищених температурах і тисках. При нагріванні Ст енергійно реагує із сіркою: h 2 + s = h 2 s (сірководень), значно важче з селеном і телуром. З чистим вуглецем Ст може реагувати без каталізатора тільки при високих температурах: 2h 2 + С (аморфний) = ch 4 (метан). Ст безпосередньо реагує з деякими металами (лужними, лужноземельними та ін), утворюючи гідриди: h 2 + 2li = 2lih. Важливе практичне значеннямають реакції Ст з окисом вуглецю, при яких утворюються в залежності від температури, тиску і каталізатора різні органічні сполуки, наприклад hcho, ch 3 oh та ін. Ненасичені вуглеводні реагують з Ст, переходячи в насичені, наприклад:

c n h 2 n + h 2 = c n h 2 n +2.

Роль В. та його сполук у хімії винятково велика. Ст обумовлює кислотні властивостіпро протонних кислот. Ст схильний утворювати з деякими елементами так звану водневий зв'язок, що надає визначальний вплив на властивості багатьох органічних та неорганічних сполук.

Отримання . Основні види сировини для промислового здобуття В. - гази природні горючі, коксовий газ(Див. Коксохімія) та гази нафтопереробки, а також продукти газифікації твердих та рідких палив (головним чином вугілля). Ст отримують також з водиелектролізом (у місцях із дешевою електроенергією). Найважливішими способами виробництва Ст з природного газує каталітична взаємодія вуглеводнів, головним чином метану, з водяною парою (конверсія): ch 4 + h 2 o = co + 3h 2 і неповне окислення вуглеводнів киснем: ch 4 + 1 / 2 o 2 = co + 2h 2 . Окис вуглецю, що утворюється, також піддається конверсії: co + h 2 o = co 2 + h 2 . Ст, що видобувається з природного газу, найдешевший. Дуже поширений спосіб виробництва Ст з водяного і пароповітряного газів, одержуваних газифікацією вугілля. Процес заснований на конверсії окису вуглецю. Водяний газ містить до 50% h 2 та 40% co; в пароповітряному газі, крім h 2 і co, є значна кількість n 2 який використовується разом з одержуваним Ст для синтезу nh 3 . З коксового газу і газів нафтопереробки Ст виділяють шляхом видалення інших компонентів газової суміші, що скраплюються легше, ніж Ст, при глибокому охолодженні. Електроліз води ведуть постійним струмом, пропускаючи його через розчин koh або naoh (кислоти не використовуються щоб уникнути корозії сталевої апаратури). У лабораторіях Ст отримують електролізом води, а також по реакції між цинком і соляною кислотою. Однак частіше використовують готовий заводський Ст у балонах.

Застосування . У промисловому масштабі Ст стали отримувати в кінці 18 ст. для наповнення повітряних куль. В даний час Ст широко застосовують в хімічної промисловості, головним чином для виробництва аміаку. Великим споживачем Ст є також виробництво метилового та інших спиртів, синтетичного бензину (синтину) та інших продуктів, одержуваних синтезом з Ст і окису вуглецю. Ст застосовують для гідрогенізації твердого і важкого рідкого палив, жирів та ін., для синтезу hcl, для гідроочищення нафтопродуктів, у зварюванні та різанні металів киснево-водневим полум'ям (температура до 2800°С) і в атомно-водневому зварюванні(До 4000 ° С). Дуже важливе застосування в атомній енергетиці знайшли ізотопи В. – дейтерій та тритій.

Літ.:Некрасов Би. Ст, Курс загальної хімії, 14 видавництва, М., 1962; Ремі Р., Курс неорганічної хімії, пров. з нім., т. 1, М., 1963; Єгоров А. П., Шерешевський Д. І., Шманенков І. В., Загальна хімічна технологія не органічних речовин, 4 видавництва, М., 1964; Загальна хімічна розробка. За ред. С. І. Вольфковіча, т. 1, М., 1952; Лебедєв Ст Ст, Водень, його отримання та використання, М., 1958; Налбандян А. Би., Воєводський Ст Ст, Механізм окислення і горіння водню, М. - Л., 1949; Коротка хімічна енциклопедія, Т. 1, М., 1961, с. 619-24.

Рідкий

Водень(Лат. Hydrogenium; позначається символом H) - Перший елемент періодичної системи елементів. Широко поширений у природі. Катіон (і ядро) найпоширенішого ізотопу водню 1H - протон. Властивості ядра H дозволяють широко використовувати ЯМР-спектроскопію в аналізі органічних речовин.

Три ізотопи водню мають власні назви 1 H - протий (Н), 2 H - дейтерій (D) і 3 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 та ряді металів: залозі, нікелі, паладії, платині.

Історія

Виділення пального газу при взаємодії кислот та металів спостерігали у XVI та XVII століттяхна зорі становлення хімії як науки. Прямо вказував на виділення його і Михайло Ломоносов, але вже безперечно усвідомлюючи, що це не флогістон. Англійський фізик і хімік Генрі Кавендіш в 1766 досліджував цей газ і назвав його «горючим повітрям». При спалюванні «горюче повітря» давало воду, але відданість Кавендіша теорії флогістона завадила йому зробити правильні висновки. Французький хімік Антуан Лавуазьє разом з інженером Ж. Менье, використовуючи спеціальні газометри, в 1783 р. здійснив синтез води, та був і її аналіз, розклавши водяну пару розжареним залізом. Таким чином він встановив, що «горюче повітря» входить до складу води і може бути отримано з неї.

походження назви

Лавуазьє дав водню назву hydrogène - "що народжує воду". Російське найменування «водень» запропонував хімік М. Ф. Соловйов в 1824 - за аналогією сломоносівським «киснем».

Поширеність

Водень - найпоширеніший елемент у Всесвіті. На його частку припадає близько 92% всіх атомів (8% становлять атоми гелію, частка решти разом узятих елементів — менше 0,1%). Таким чином, водень - основна складова частиназірок та міжзоряного газу. В умовах зоряних температур (наприклад, температура поверхні Сонця ~ 6000 °C) водень існує у вигляді плазми, у міжзоряному просторі цей елемент існує у вигляді окремих молекул, атомів та іонів і може утворювати молекулярні хмари, що значно розрізняються за розмірами, щільністю та температурою.

Земна кора та живі організми

Масова частка водню в земній корі становить 1% - це десятий за поширеністю елемент. Однак його роль у природі визначається не масою, а числом атомів, частка яких серед інших елементів становить 17% (друге місце після кисню, частка атомів якого дорівнює ~52%). Тому значення водню в хімічних процесах, що відбуваються на Землі, майже так само велике, як і кисню. На відміну від кисню, що існує на Землі та у зв'язаному, і у вільному станах, практично весь водень на Землі знаходиться у вигляді сполук; лише у дуже незначній кількості водень у вигляді простої речовиниміститься у атмосфері (0,00005 % за обсягом).

Водень входить до складу практично всіх органічних речовин і присутній у всіх живих клітинах. У живих клітинах за кількістю атомів водень припадає майже 50 %.

Отримання

Промислові способи отримання простих речовин залежать від того, в якому вигляді відповідний елемент знаходиться в природі, тобто може бути сировиною для його отримання. Так, кисень, що у вільному стані, отримують фізичним способом - виділенням з рідкого повітря. Водень ж практично весь знаходиться у вигляді сполук, тому для його отримання застосовують хімічні методи. Зокрема, можуть бути використані реакції розкладання. Одним із способів отримання водню є реакція розкладання води електричним струмом.

Основний промисловий спосіб одержання водню – реакція з водою метану, що входить до складу природного газу. Вона проводиться при високій температурі (легко переконатися, що при пропущенні метану навіть через киплячу воду жодної реакції не відбувається):

СН 4 + 2Н 2 O = CO 2 + 4Н 2 −165 кДж

У лабораторії для отримання простих речовин використовують не обов'язково природну сировину, а вибирають вихідні речовини, з яких легше виділити необхідну речовину. Наприклад, у лабораторії кисень не отримують із повітря. Це саме стосується і отримання водню. Один із лабораторних способів одержання водню, який іноді застосовується і в промисловості, — розкладання води електрострумом.

Зазвичай у лабораторії водень отримують взаємодією цинку із соляною кислотою.

У промисловості

1.Електроліз водних розчинівсолей:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Пропускання пар води над розпеченим коксом при температурі близько 1000 °C:

H 2 O + C? H 2 + CO

3.З природного газу.

Конверсія з водяною парою:

CH 4 + H 2 O? CO + 3H 2 (1000 °C)

Каталітичне окиснення киснем:

2CH 4 + O 2? 2CO + 4H 2

4. Крекінг та риформінг вуглеводнів у процесі переробки нафти.

В лабораторії

1.Дія розведених кислот на метали.Для проведення такої реакції найчастіше використовують цинк та розведену соляну кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Взаємодія кальцію з водою:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Гідроліз гідридів:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Дія лугів на цинк або алюміній:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2

Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.За допомогою електролізу.При електролізі водних розчинів лугів або кислот на катоді відбувається виділення водню, наприклад:

2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O

Фізичні властивості

Водень може існувати у двох формах (модифікаціях) — у вигляді орто- та пароводню. У молекулі ортоводороду o-H 2 (т. пл. −259,10 °C, т. кіп. −252,56 °C) ядерні спини спрямовані однаково (паралельні), а у параводню p-H 2 (т. пл. -259,32 ° C, т. Кіп. -252,89 ° C) - протилежно один одному (антипаралельні). Рівноважна суміш o-H 2 та p-H 2 при заданій температурі називається рівноважний водень e-H 2 .

Розділити модифікації водню можна адсорбцією на активному вугіллі за температури рідкого азоту. При дуже низьких температурах рівновага між ортоводородом і параводнем майже націло зрушена у бік останнього. При 80 К співвідношення форм приблизно 1:1. Десорбований параводень при нагріванні перетворюється на ортоводород аж до утворення рівноважної при кімнатній температурі суміші (орто-пара: 75:25). Без каталізатора перетворення відбувається повільно (в умовах міжзоряного середовища – з характерними часами аж до космологічних), що дає можливість вивчити властивості окремих модифікацій.

Водень - найлегший газ, він легший за повітря в 14,5 разів. Очевидно, що чим менше масамолекул, тим вище їхня швидкість при одній і тій же температурі. Як найлегші, молекули водню рухаються швидше за молекули будь-якого іншого газу і тим швидше можуть передавати теплоту від одного тіла до іншого. Звідси випливає, що водень має найвищу теплопровідність серед газоподібних речовин. Його теплопровідність приблизно в сім разів вища за теплопровідність повітря.

Молекула водню двоатомна - Н2. При нормальних умовах— це газ без кольору, запаху та смаку. Щільність 0,08987 г/л (н.у.), температура кипіння –252,76 °C, питома теплотазгоряння 120.9×10 6 Дж/кг, малорозчинний у воді – 18,8 мл/л. Водень добре розчинний у багатьох металах (Ni, Pt, Pd та ін), особливо в паладії (850 об'ємів на 1 об'єм Pd). З розчинністю водню в металах пов'язана його здатність дифундувати через них; дифузія через вуглецевий сплав (наприклад, сталь) іноді супроводжується руйнуванням сплаву внаслідок взаємодії водню з вуглецем (так звана декарбонізація). Практично не розчинний у срібло.

Рідкий воденьіснує у дуже вузькому інтервалі температур від -252,76 до -259,2 °C. Це безбарвна рідина, дуже легка (щільність при −253 °C 0,0708 г/см 3 ) та текуча (в'язкість при −253 °C 13,8 спуаз). Критичні параметри водню дуже низькі: температура -240,2 ° C і тиск 12,8 атм. Цим пояснюються проблеми при зрідженні водню. У рідкому стані рівноважний водень складається з 99,79% пара-Н2, 0,21% орто-Н2.

Твердий водень, температура плавлення −259,2 °C, щільність 0,0807 г/см 3 (при −262 °C) — снігоподібна маса, кристали гексогональної сингонії, просторова група P6/mmc, параметри комірки a=3,75 c=6,12. При високому тиску водень перетворюється на металевий стан.

Ізотопи

Водень зустрічається у вигляді трьох ізотопів, які мають індивідуальні назви: 1 H – протий (Н), 2 Н – дейтерій (D), 3 Н – тритій (радіоактивний) (T).

Протий і дейтерій є стабільними ізотопами з масовими числами 1 і 2. Зміст їх у природі відповідно становить 99,9885±0,0070% та 0,0115±0,0070%. Це співвідношення може змінюватись в залежності від джерела і способу отримання водню.

Ізотоп водню 3 Н (тритій) нестабільний. Його період напіврозпаду становить 12,32 років. Тритій міститься у природі у дуже малих кількостях.

У літературі також наводяться дані про ізотопи водню з масовими числами 4 - 7 та періодами напіврозпаду 10 -22 - 10 -23 с.

Природний водень складається з молекул H 2 і HD (Дейтероводород) у співвідношенні 3200:1. Зміст чистого дейтерійного водню D2 ще менше. Відношення концентрацій HD і D 2 приблизно 6400:1.

З усіх ізотопів хімічних елементів фізичні та хімічні властивості ізотопів водню відрізняються один від одного найсильніше. Це з найбільшим відносним зміною мас атомів.

Дейтерій та тритій також мають орто- та пара-модифікації: p-D 2 , o-D 2 , p-T 2 o-T 2 . Гетероізотопний водень (HD, HT, DT) не мають орто-і пара-модифікацій.

Хімічні властивості

Частка молекул, що диссоціювали, водню

Молекули водню Н 2 досить міцні, і для того, щоб водень міг вступити в реакцію, має бути витрачена велика енергія:

Н 2 = 2Н − 432 кДж

Тому при звичайних температурах водень реагує тільки з дуже активними металами, наприклад, з кальцієм, утворюючи гідрид кальцію:

Ca + Н 2 = СаН 2

і з єдиним неметалом - фтором, утворюючи фтороводород:

З більшістю металів і неметалів водень реагує при підвищеній температурі або при іншій дії, наприклад при освітленні:

Про 2 + 2Н2 = 2Н2О

Він може «віднімати» кисень від деяких оксидів, наприклад:

CuO + Н 2 = Cu + Н 2 O

Записане рівняння відбиває відновлювальні властивості водню.

N 2 + 3H 2 → 2NH 3

З галогенами утворює галогеноводороди:

F 2 + H 2 → 2HF, реакція протікає з вибухом у темряві та за будь-якої температури,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, реакція протікає із вибухом, тільки на світлі.

З сажею взаємодіє при сильному нагріванні:

C + 2H 2 → CH 4

Взаємодія з лужними та лужноземельними металами

При взаємодії з активними металами водень утворює гідриди:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H 2 → MgH 2

Гідриди- солеподібні, тверді речовини, що легко гідролізуються:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Взаємодія з оксидами металів (як правило, d-елементів)

Оксиди відновлюються до металів:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Гідрування органічних сполук

Молекулярний водень широко застосовується в органічному синтезі відновлення органічних сполук. Ці процеси називають реакціями гідрування. Ці реакції проводять у присутності каталізатора при підвищений тискта температурі. Каталізатор може бути як гомогенним (напр.Каталізатор Уїлкінсона), так і гетерогенним (напр. нікель Ренея, паладій на вугіллі).

Так, зокрема, при каталітичному гідруванні ненасичених сполук, таких як алкени та алкіни, утворюються насичені сполуки – алкани.

Геохімія водню

Вільний водень H 2 відносно рідко зустрічається у земних газах, але у вигляді води він бере виключно важливу участь у геохімічних процесах.

До складу мінералів водень може входити у вигляді іону амонію, гідроксил-іона та кристалічної води.

В атмосфері водень безперервно утворюється внаслідок розкладання води сонячним промінням. Маючи малу масу, молекули водню мають високу швидкість дифузійного руху (вона близька до другої космічної швидкості) і, потрапляючи у верхні шари атмосфери, можуть відлетіти у космічний простір.

Особливості звернення

Водень при суміші з повітрям утворює вибухонебезпечну суміш - так званий гримучий газ. Найбільшу вибухонебезпечність цей газ має при об'ємному відношенні водню та кисню 2:1, або водню та повітря приблизно 2:5, оскільки у повітрі кисню міститься приблизно 21 %. Також водень пожежонебезпечний. Рідкий водень при попаданні на шкіру може спричинити сильне обмороження.

Вибухонебезпечні концентрації водню з киснем виникають від 4 до 96% об'ємних. При суміші з повітрям від 4 до 75 (74) % об'ємних.

Економіка

Вартість водню при великооптових поставках коливається в діапазоні 2-5 $ за кг.

Застосування

Атомарний водень використовується для атомно-водневого зварювання.

Хімічна промисловість

• При виробництві аміаку, метанолу, мила та пластмас
• При виробництві маргарину з рідких рослинних олій
• Зареєстрований як харчова добавка E949(Пакувальний газ)

Харчова промисловість

Авіаційна промисловість

Водень дуже легкий і в повітрі завжди піднімається нагору. Колись дирижаблі та повітряні кулі наповнювали воднем. Але в 30-х роках. XX ст. сталося кількакатастроф, під час яких дирижаблі вибухали та згоряли. В наш час дирижаблі наповнюють гелієм, незважаючи на його суттєво вищу вартість.

Паливо

Водень використовують як ракетне паливо.

Ведуться дослідження щодо застосування водню як палива для легкових та вантажних автомобілів. Водневі двигуни не забруднюють навколишнього середовища і виділяють лише водяну пару.

У воднево-кисневих паливних елементах використовується водень для безпосереднього перетворення енергії хімічної реакції на електричну.

«Рідкий водень»(«ЖВ») — рідкий агрегатний стан водню, з низькою питомою густиною 0.07 г/см³ та кріогенними властивостями з точкою замерзання 14.01 K (−259.14 °C) та точкою кипіння 20.28 K (−252.87 °C). Є безбарвною рідиною без запаху, яка при змішуванні з повітрям відноситься до вибухонебезпечним речовинамз діапазоном коефіцієнта займання 4-75%. Спинове співвідношення ізомерів у рідкому водні становить: 99,79% - паводок; 0,21% - ортоводород. Коефіцієнт розширення водню при зміні агрегатного стануна газоподібне становить 848:1 за 20°C.

Як і будь-якого іншого газу, зрідження водню призводить до зменшення його обсягу. Після зрідження "ЖВ" зберігається в термічно ізольованих контейнерах під тиском. Рідкий водень (англ. Liquid hydrogen, LH2, LH 2) активно використовується в промисловості, як форма зберігання газу, і в космічній галузі, як ракетне паливо.

Історія

Перше документоване використання штучного охолодження у 1756 році було здійснено англійським ученим Вільямом Калленом, Гаспар Монж першим отримав рідкий станоксиду сірки в 1784 році, Майкл Фарадей першим отримав зріджений аміак, американський винахідник Олівер Еванс першим розробив холодильний компресор в 1805 році, Яків Перкінс першим запатентував охолоджувальну машину в 1834 році і Джон Горі першим в США запатентував 8 кондиціонер. Вернер Сіменс запропонував концепцію регенеративного охолодження в 1857 році, Карл Лінде запатентував обладнання для отримання рідкого повітря з використанням каскадного ефекту розширення Джоуля - Томсона і регенеративного охолодження в 1876 році. У 1885 році польський фізик та хімік Зигмунд Вро?блевський опублікував критичну температуру водню 33 K, критичний тиск 13.3 атм. і точку кипіння при 23 K. Вперше водень був зріджений Джеймсом Дьюаром в 1898 з використанням регенеративного охолодження і свого винаходу, суду Дьюара. Перший синтез стабільного ізомеру рідкого водню — параводню — було здійснено Полом Хартеком та Карлом Бонхеффером у 1929 році.

Спинові ізомери водню

Водень при кімнатній температурі складається здебільшого зі спинового ізомеру, ортоводороду. Після виробництва рідкий водень перебуває в метастабільному стані і повинен бути перетворений у параводневу форму, щоб уникнути вибухонебезпечної екзотермічної реакції, яка має місце при його зміні при низьких температурах. Перетворення на параводневу фазу зазвичай проводиться з використанням таких каталізаторів, як оксид заліза, оксид хрому, активоване вугілля, покритих платиною азбестів, рідкісноземельних металів або шляхом використання уранових або нікелевих добавок.

Використання

Рідкий водень може бути використаний як форма зберігання палива для двигунів внутрішнього згоряння та паливних елементів. Різні підводні човни (проекти «212А» та «214», Німеччина) та концепти водневого транспорту були створені з використанням цієї агрегатної форми водню (див. наприклад «DeepC» або «BMW H2R»). Завдяки близькості конструкцій, творці техніки на «ЖВ» можуть використовувати або модифікувати системи, що використовують скраплений природний газ («СПГ»). Однак через нижчу об'ємну щільність енергії для горіння потрібно більший обсяг водню, ніж природного газу. Якщо рідкий водень використовується замість «СПГ» у поршневих двигунах, зазвичай потрібно більш громіздка Паливна система. При прямому впорскуванні втрати, що збільшилися, у впускному тракті зменшують наповнення циліндрів.

Рідкий водень використовується для охолодження нейтронів в експериментах з нейтронного розсіювання. Маси нейтрону та ядра водню практично рівні, тому обмін енергією при пружному зіткненні найефективніший.

Переваги

Перевагою використання водню є "нульова емісія" його застосування. Продуктом взаємодії з повітрям є вода.

Перешкоди

Один літр «ЖВ» важить лише 0.07 кг. Тобто його питома щільність становить 70.99 г/л при 20 K. Рідкий водень потребує кріогенної технології зберігання, такої як спеціальні термічно ізольовані контейнери і вимагає особливого поводження, що властиво всім кріогенних матеріалів. Він близький у цьому відношенні до рідкого кисню, але вимагає більшої обережності через пожежну небезпеку. Навіть у випадку з контейнерами з тепловою ізоляцією його важко утримувати при тій низькій температурі, яка потрібна для його збереження в рідкому стані (зазвичай він випаровується зі швидкістю 1% на день). При поводженні з ним також слід дотримуватися звичайних заходів безпеки під час роботи з воднем — він досить холодний для зрідження повітря, що є вибухонебезпечним.

Ракетне паливо

Рідкий водень є поширеним компонентом ракетних палив, що використовується для реактивного прискорення ракет-носіїв та космічних апаратів. У більшості рідинних ракетних двигунах на водні він спочатку застосовується для регенеративного охолодження сопла та інших частин двигуна, перед його змішуванням з окислювачем і спалюванням для отримання тяги. Використовувані сучасні двигуни на компонентах H 2 /O 2 споживають перезбагачену воднем паливну суміш, що призводить до деякої кількості водню, що не згорів у вихлопі. Крім збільшення питомого імпульсу двигуна за рахунок зменшення молекулярної ваги, це ще скорочує ерозію сопла та камери згоряння.

Такі перешкоди використання «ЖВ» в інших областях, як кріогенна природа і мала щільність, є також фактором стримування для використання в даному випадку. На 2009 рік існує лише одна ракета-носій (РН «Дельта-4»), яка цілком є ​​водневою ракетою. В основному "ЖВ" використовується або на верхніх щаблях ракет, або на блоках, які значну частину роботи з виведення корисного навантаження в космос виконують у вакуумі. Як один із заходів щодо збільшення щільності цього виду палива існують пропозиції використання шугоподібного водню, тобто напівзамерзлої форми «ЖВ».

Найпоширенішим хімічним елементом у Всесвіті є водень. Це свого роду точка відліку, оскільки у таблиці Менделєєва його атомне число дорівнює одиниці. Людство сподівається, що зможе дізнатися про нього як більше про одного з найможливіших транспортних засобіву майбутньому. Водень - це найпростіший, найлегший, найпоширеніший елемент, його багато скрізь - сімдесят п'ять відсотків від усієї маси речовини. Він є у будь-якій зірці, особливо багато водню в газових гігантах. Його роль зоряних реакціях синтезу є ключовою. Без водню немає води, а отже – немає й життя. Усі пам'ятають, що молекула води містить один атом кисню, а два атоми у ній - водень. Це всім відома формула Н2О.

Як ми його використовуємо

Виявив водень в 1766 Генрі Кавендіш, коли аналізував реакцію окислення металу. Через кілька років спостережень він зрозумів, що у процесі горіння водню відбувається утворення води. Раніше вчені виділяли цей елемент, але самостійним його не вважали. В 1783 водень отримав ім'я гідроген (у перекладі з грецького "гідро" - вода, а "ген" - народжувати). Елемент, що породжує воду, – водень. Це газ, молекулярна формула якого Н2. Якщо температура близька до кімнатної, а тиск нормальний, цей елемент невідчутний. Водень можна навіть не вловити людськими органами почуттів - він не смакує, не має кольору, позбавлений запаху. А ось під тиском і за температури -252,87 С (дуже великий холод!) цей газ розріджується. Так його і зберігають, оскільки у вигляді газу він займає набагато більше місця. Саме рідкий водень використовують як ракетне паливо.

Водень може ставати твердим, металевим, але для цього тиск необхідний надвисокий, саме цим зараз і займаються найпомітніші вчені - фізики та хіміки. Вже зараз цей елемент є альтернативним паливом для транспорту. Застосування його схоже на те, як працює двигун внутрішнього згоряння: коли спалюють водень, вивільняється багато його хімічної енергії. Також практично розроблений спосіб створення паливного елемента на його основі: при з'єднанні з киснем відбувається реакція, а утворюються вода і електрика. Можливо, незабаром транспорт "пересяде" замість бензину на водень - безліч автомобілебудівників цікавиться створенням альтернативних горючих матеріалів, є й успіхи. Але суто водневий двигун поки що в перспективі, тут безліч труднощів. Однак і переваги такі, що створення паливного бака з твердим воднем йде повним ходом, і вчені та інженери не збираються відступати.

Основні відомості

Hydrogenium (лат.) – водень, перший порядковий номеру таблиці Менделєєва, позначається Н. Атом водню має масу 1,0079, це газ, що не має за звичайних умов ні смаку, ні запаху, ні кольору. Хіміки з шістнадцятого століття описували якийсь горючий газ, позначаючи його по-різному. Але виходив він у всіх за однакових умов - коли на метал впливає кислота. Водень навіть самим Кавендішем багато років називався просто "горюче повітря". Лише у 1783 році Лавуазьє довів, що вода має складний склад, шляхом синтезу та аналізу, а через чотири роки він же і дав "паливному повітрю" його сучасну назву. Корінь цього складного словашироко використовується, коли треба називати сполуки водню і будь-які процеси, у яких він бере участь. Наприклад, гідрогенізація, гідрид тощо. А російська назвазапропонував 1824 року М. Соловйов.

У природі поширення цього елемента немає рівних. У літосфері та гідросфері земної кори його маса – один відсоток, натомість атомів водню – цілих шістнадцять відсотків. Найбільш поширена Землі вода, і 11,19% за масою у ній - водень. Також він обов'язково є практично у всіх сполуках, з яких складаються нафта, вугілля, всі природні гази, глина. Є водень і в усіх організмах рослин та тварин – у складі білків, жирів, нуклеїнових кислот, вуглеводів тощо. Вільний стан для водню не характерний і майже не зустрічається - його дуже небагато в природних та вулканічних газах. Дуже незначний обсяг водню в атмосфері - 0,0001%, за кількістю атомів. Зате цілі потоки протонів є воднем у навколоземному просторі, з нього складається внутрішній радіаційний пояс нашої планети.

Космос

У космосі жоден елемент не зустрічається так часто, як водень. Об'єм водню у складі елементів Сонця - більше половини його маси. Більшість зірок утворює водень, що у вигляді плазми. Основна частина різноманітних газів туманностей та міжзоряного середовища також складається з водню. Він присутній у кометах, в атмосфері цілого ряду планет. Природно, не в чистому вигляді, - як вільний Н 2 , то як метан СН 4 , то як аміак NH 3 , навіть як вода Н 2 О. Дуже часто зустрічаються радикали СН, NH, SiN, OH, РН і тому подібні. Як потік протонів водень є частиною корпускулярного сонячного випромінюваннята космічних променів.

У звичайному водні суміш двох стійких ізотопів – це легкий водень (або протий 1 Н) та важкий водень (або дейтерій – 2 Н або D). Є й інші ізотопи: радіоактивний тритій – 3 Н або Т, інакше – надважкий водень. А ще дуже нестійкий 4 Н. У природі сполука водню містить ізотопи в таких пропорціях: на один атом дейтерію припадає 6800 атомів протию. Тритій утворюється в атмосфері з азоту, який впливають нейтрони космічних променів, але мізерно мало. Що означає кількість маси ізотопів? Цифра показує, що ядро ​​протию - тільки з одним протоном, а в дейтерію в ядрі атома не тільки протон, а й нейтрон. У тритію в ядрі до одного протону вже два нейтрони. А ось 4 Н містить три нейтрони на один протон. Тому Фізичні властивостіі хімічні в ізотопів водню дуже відрізняються порівняно з ізотопами всіх інших елементів, - занадто велика відмінність мас.

Будова та фізичні властивості

За будовою атом водень найпростіший проти іншими елементами: одне ядро ​​- один електрон. Потенціал іонізації – енергія зв'язку ядра з електроном – 13,595 електронвольт (eV). Саме через простоту цієї будови атом водню зручний як модель у квантовій механіці, коли потрібно розрахувати енергетичні рівні складніших атомів. У молекулі Н 2 - два атоми, які з'єднані хімічним ковалентним зв'язком. Енергія розпаду дуже велика. Атомарний водень може утворитися в хімічних реакціях, наприклад, цинку та соляної кислоти. Однак взаємодія з воднем практично не відбувається - атомарний стан водню дуже коротко, атоми відразу рекомбінують молекули Н 2 .

З фізичної точки зору водень легший за всі відомі речовини - більш ніж у чотирнадцять разів легший за повітря (згадаємо відлітають повітряні кулькина святах – усередині у них якраз водень). Однак він вміє кипіти, зріджуватися, плавитися, твердіти, і тільки гелій кипить і плавиться за більш низьких температур. Зріджувати його складно, потрібна температура нижче -240 градусів за Цельсієм. Проте теплопровідність він має дуже високу. У воді майже не розчиняється, зате чудово відбувається взаємодія з воднем металів - він розчиняється майже у всіх, найкраще в паладії (на один його обсяг водню йде вісімсот п'ятдесят об'ємів). Рідкий водень легкий і текучий, а коли розчиняється в металах, часто руйнує сплави через взаємодію з вуглецем (сталь, наприклад), відбувається дифузія, декарбонізація.

Хімічні властивості

У з'єднаннях переважно водень показує ступінь окислення (валентність) +1, як натрій та інші лужні метали. Його й розглядають як їхній аналог, що стоїть на чолі першої групи системи Менделєєва. Але іон водню в гідридах металів заряджений негативно, зі ступенем окиснення -1. Також цей елемент близький до галогенів, які здатні замінювати його в органічних сполуках. Значить, водень можна віднести і до сьомої групи Менделєєвої системи. У звичайних умовах молекули водню активністю не відрізняються, поєднуючись тільки з найактивнішими неметалами: добре з фтором, а якщо світло - з хлором. Але при нагріванні водень стає іншим - він з багатьма елементами входить у реакцію. Атомарний водень у порівнянні з молекулярним дуже активний хімічно, так у зв'язку з киснем утворюється вода, а водночас виділяється енергія та тепло. При кімнатній температурі ця реакція дуже повільна, зате при нагріванні понад п'ятсот п'ятдесят градусів виходить вибух.

Використовується водень для відновлення металів, тому що у їх оксидів він забирає кисень. Зі фтором водень утворює вибух навіть у темряві і при мінус двохсот п'ятдесяти двох градусах за Цельсієм. Хлор і бром збуджують водень лише за нагріванні чи освітленні, а йод - лише за нагріванні. Водень з азотом утворює аміак (так виробляються більшість добрив). При нагріванні він дуже активно взаємодіє із сіркою, і виходить сірководень. З телуром і селеном викликати реакцію водню важко, і з чистим вуглецем реакція відбувається за дуже високих температурах, і виходить метан. З оксидом вуглецю водень утворює різні органічні сполуки, тут впливають тиск, температура, каталізатори, і це має величезне практичне значення. І взагалі, роль водню, а також його сполук винятково велика, оскільки він дає кислотні властивості протонним кислотам. З багатьма елементами утворюється водневий зв'язок, що впливає на властивості і неорганічних та органічних сполук.

Отримання та застосування

Отримують водень у промислових масштабах із природних газів - горючих, коксових, газів переробки нафти. Також його можна отримати методом електролізу там, де електроенергія не надто дорога. Однак найважливішим способом виробництва водню є каталітична взаємодія вуглеводнів, здебільшого метану, з водяною парою, коли виходить конверсія. Також широко застосовується спосіб окислення вуглеводнів киснем. Видобуток водню з природного газу є найдешевший спосіб. Інші два - використання коксового газу та газу нафтопереробки - водень виділяється, коли зріджуються решта компонентів. Вони легше піддаються зрідженню, а водню, як ми пам'ятаємо, потрібно -252 градуси.

Дуже популярна у використанні перекис водню. Лікування цим розчином застосовується дуже часто. Молекулярну формулу Н 2 Про 2 навряд чи назвуть усі ті мільйони людей, які хочуть бути блондинками та освітлюють собі волосся, а також і ті, хто любить чистоту на кухні. Навіть ті, хто обробляє подряпини, отримані від гри з кошеням, найчастіше не усвідомлюють, що застосовують лікування воднем. Зате всі знають історію: з 1852 водень тривалий час використовувався в повітроплаванні. Дирижабль, винайдений Генрі Гіффардом, створили на основі водню. Їх називали цепелінами. Витіснило цепеліни з небесних просторів стрімкий розвиток літакобудування. 1937 року сталася велика аварія, коли згорів дирижабль "Гінденбург". Після цього випадку цепеліни більше не використовувалися ніколи. Зате наприкінці 18 століття поширення повітряних куль, наповнених воднем, було повсюдним. Крім виробництва аміаку, сьогодні водень необхідний для виготовлення метилового спирту та інших спиртів, бензину, гідрогенізованого важкого рідкого палива та твердого палива. Не обійтися без водню при зварюванні, при різанні металів - вона може бути киснево-водневою та атомно-водневою. А тритій та дейтерій дають життя атомній енергетиці. Це, як пам'ятаємо, ізотопи водню.

Неумивакін

Водень як хімічний елемент настільки добрий, що в нього не могли не з'явитися власні фанати. Іван Павлович Неумивакін - доктор медичних наук, професор, лауреат Державної премії та ще багато у нього звань та нагород, - серед них. Будучи лікарем традиційної медицини, він названий найкращим народним цілителем Росії. Саме він розробляв багато методів і принципів надання медичної допомоги космонавтам, які перебувають у польоті. Саме він створив унікальний стаціонар – лікарню на борту космічного судна. У той же час був державним координатором напряму косметичної медицини. Космос та косметика. Його захоплення воднем спрямоване не на те, щоб зробити великі гроші, як це зараз існує у вітчизняній медицині, а навпаки - навчити народ виліковуватися від чого завгодно буквально копійчаним засобом, без додаткового відвідування аптек.

Він пропагує лікування препаратом, який є буквально в кожному будинку. Це – перекис водню. Неумивакіна можна скільки завгодно критикувати, він все одно наполягатиме на своєму: так, дійсно, перекисом водню можна вилікувати буквально все, тому що вона насичує внутрішні клітини організму киснем, руйнує токсини, нормалізує кислотну і лужну рівновагу, а звідси регенеруються тканини, омолаж організм. Водню, що вилікувалися перекисом, поки що ніхто не бачив і тим більше не обстежив, проте Неумивакін стверджує, що, користуючись цим засобом, можна повністю позбутися вірусних, бактеріальних і грибкових захворювань, попередити розвиток пухлин і атеросклерозу, перемогти депресію, омолодити організм і ніколи не хворіти ГРВІ та застудою.

Панацея

Іван Павлович упевнений, що при грамотному використанні цього найпростішого препарату та при дотриманні всіх нехитрих інструкцій можна перемогти дуже багато хвороб, серед яких і дуже серйозні. Список їх величезний: від пародонтозу та ангіни до інфарктів міокарда, інсультів та цукрового діабету. Такі дрібниці, як гайморит чи остеохондроз, відлітають із перших сеансів лікування. Навіть ракові пухлини лякаються і тікають від перекису водню, тому що стимулюється імунітет, життя організму та його захист активізуються.

Лікувати таким чином можна навіть дітей, хіба що вагітним жінкам краще поки що від вживання перекису водню утриматися. Також не рекомендується цей метод людям із пересадженими органами через можливу несумісність тканин. Дозування має дотримуватися чітко: від однієї краплі до десяти, додаючи по одній щодня. Тричі на день (тридцять крапель тривідсоткового розчину перекису водню на добу, ого!) за півгодини до їди. Можна вводити розчин внутрішньовенно та під наглядом лікаря. Іноді перекис водню комбінують для ефективнішого ефекту з іншими препаратами. Всередину розчин застосовують тільки у розведеному вигляді – з чистою водою.

Зовнішньо

Компреси та полоскання ще до створення професором Неумивакіним його методики були дуже популярними. Всі знають, що так само, як і спиртові компреси, у чистому вигляді перекис водню застосовувати не можна, тому що вийде опік тканин, а ось бородавки чи грибкові ураження змащують локально та міцним розчином – до п'ятнадцяти відсотків.

При шкірних висипаннях, головних болях теж роблять процедури, у яких бере участь перекис водню. Компрес потрібно робити за допомогою бавовняної тканини, змоченої в розчині з двох чайних ложок тривідсоткового перекису водню та п'ятдесяти міліграм чистої води. Тканину накрити плівкою і укутати вовною або рушником. Час дії компресу від чверті години до півтори години вранці та ввечері до одужання.

Думка лікарів

Думки розділилися, далеко не всіх захоплюють властивості перекису водню, більше того, їм не тільки не вірять, з них сміються. Знаходяться серед медиків і ті, хто підтримав Неумивакіна і навіть підхопив розвиток його теорії, але їхню меншість. Більша частиналікарів вважає такого плану лікування не лише неефективним, а й часто згубним.

І справді, не існує поки що офіційно жодного доведеного випадку, коли пацієнт вилікувався б перекисом водню. Одночасно немає відомостей про погіршення стану здоров'я у зв'язку із застосуванням цього методу. А ось час дорогоцінний втрачається, і людина, яка отримала одне з серйозних захворювань і повністю поклалася на панацею Неумивакіна, ризикує запізнитися на початок свого справжнього традиційного лікування.

ВИЗНАЧЕННЯ

Водень- Перший елемент Періодичної системихімічних елементів Д.І. Менделєєва. Символ – Н.

Атомна маса – 1 а. Молекула водню двоатомна - Н2.

Електронна конфігураціяатома водню - 1s 1 . Водень відноситься до сімейства s-елементів. У своїх сполуках виявляє ступеня окиснення -1, 0, +1. Природний водень складається з двох стабільних ізотопів– протию 1 Н (99,98%) та дейтерію 2 Н (D) (0,015%) – та радіоактивного ізотопу тритію 3 Н (Т) (слідові кількості, період напіврозпаду – 12,5 років).

Хімічні властивості водню

За звичайних умов молекулярний водень виявляє порівняно низьку реакційну здатність, що пояснюється високою міцністю зв'язків у молекулі. При нагріванні вступає у взаємодію майже з усіма простими речовинами, утвореними елементами основних підгруп (крім шляхетних газів, B, Si, P, Al). У хімічних реакціях може виступати як у ролі відновника (частіше), так і окислювача (рідше).

Водень виявляє властивості відновлювача(Н 2 0 -2е → 2Н +) у наступних реакціях:

1. Реакції взаємодії із простими речовинами – неметалами. Водень реагує з галогенами, причому, реакція взаємодії з фтором за звичайних умов, у темряві, з вибухом, з хлором – при освітленні (або УФ-опроміненні) по ланцюгового механізму, з бромом та йодом тільки при нагріванні; киснем(суміш кисню та водню в об'ємному відношенні 2:1 називають «гримким газом»), сірої, азотомі вуглецем:

H 2 + Hal 2 = 2HHal;

2H2+O2=2H2O+Q(t);

H 2 + S = H 2 S (t = 150 - 300C);

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);

2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat).

2. Реакції взаємодії зі складними речовинами. Водень реагує з оксидами малоактивних металів, причому він здатний відновлювати тільки метали, що стоять у ряду активності правіше цинку:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O(t);

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O(t);

WO3+3H2=W+3H2O(t).

Водень реагує з оксидами неметалів:

H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O(t);

2H 2 + CO ↔ CH 3 OH (t = 300C, p = 250 – 300 атм., kat = ZnO, Cr 2 O 3).

Водень вступає в реакції гідрування з органічними сполуками класу циклоалканів, алкенів, аренів, альдегідів та кетонів та ін. Всі ці реакції проводять при нагріванні, під тиском, як каталізаторів використовують платину або нікель:

CH 2 = CH 2 + H 2 ↔ CH 3 -CH 3;

C 6 H 6 + 3H 2 ↔ C 6 H 12;

C 3 H 6 + H 2 ↔ C 3 H 8;

CH 3 CHO + H 2 ↔ CH 3 -CH 2 -OH;

CH 3 -CO-CH 3 + H 2 ↔ CH 3 -CH(OH)-CH 3 .

Водень як окислювач(Н 2 +2е → 2Н -) виступає в реакціях взаємодії з лужними та лужноземельними металами. У цьому утворюються гідриди – кристалічні іонні сполуки, у яких водень виявляє ступінь окислення -1.

2Na +H 2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

Фізичні властивості водню

Водень – легкий безбарвний газ, без запаху, густина при н.у. - 0,09 г/л, в 14,5 разів легше за повітря, t кип = -252,8С, t пл = - 259,2С. Водень погано розчинний у воді та органічно розчинниках, добре розчинний у деяких металах: нікелі, паладії, платині.

За даними сучасної космохімії водень є найпоширенішим елементом Всесвіту. Основна форма існування водню у космічному просторі – окремі атоми. За поширеністю Землі водень займає 9 місце серед всіх елементів. Основна кількість водню Землі перебуває у зв'язаному стані – у складі води, нафти, газу, кам'яного вугілляі т.д. У вигляді простої речовини водень трапляється рідко – у складі вулканічних газів.

Одержання водню

Розрізняють лабораторні та промислові способи одержання водню. До лабораторних способів відносять взаємодію металів із кислотами (1), а також взаємодію алюмінію з водними розчинами лугів (2). Серед промислових способів одержання водню велику рольграють електроліз водних розчинів лугів і солей (3) та конверсія метану (4):

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (1);

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na +3 H 2 (2);

2NaCl + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2NaOH (3);

CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

ПРИКЛАД 2

Водень (Н) дуже легкий хімічний елемент, з вмістом Земна кора 0,9% за масою, а у воді 11,19%.

Характеристика водню

Легко він перший серед газів. За нормальних умов без смаку, безбарвний, і абсолютно без запаху. При попаданні в термосферу відлітає в космос через малу вагу.

У всьому всесвіті це найчисленніший хімічний елемент (75% від усієї маси речовин). Настільки, що багато зірок у космічному просторі складаються повністю з нього. Наприклад, Сонце. Його основний компонент – водень. А тепло і світло це результат виділення енергії при злитті ядер матеріалу. Також у космосі є цілі хмари з його молекул різної величини, щільності та температури.

Фізичні властивості

Висока температура і тиск значно змінюють його якості, але за звичайних умов він:

Має високу теплопровідність, якщо порівнювати з іншими газами,

Нетоксичний і погано розчинний у воді,

З щільністю 0,0899 г/л при 0°З 1 атм.,

Перетворюється на рідину при температурі -252,8°С

Стає твердим при -259,1°С.

Питома теплота згоряння 120,9.106 Дж/кг.

Для перетворення на рідину або твердий стан потрібні високий тискта дуже низькі температури. У зрідженому стані він плинний і легкий.

Хімічні властивості

Під тиском і при охолодженні (-252,87 гр. С) водень знаходить рідкий стан, який за вагою легший за будь-який аналог. У ньому він займає менше місця, ніж у газоподібному вигляді.

Він типовий неметал. У лабораторіях його одержують шляхом взаємодії металів (наприклад, цинку чи заліза) з розведеними кислотами. За звичайних умов малоактивний і входить у реакцію лише з активними неметалами. Водень може відокремлювати кисень з оксидів і відновлювати метали з сполук. Він та його суміші утворюють водневий зв'язок з деякими елементами.

Газ добре розчиняється в етанолі та у багатьох металах, особливо в паладії. Срібло його не розчиняє. Водень може окислюватися під час спалювання в кисні або на повітрі та при взаємодії з галогенами.

Під час з'єднання з киснем утворюється вода. Якщо температура при цьому звичайна, то реакція йде повільно, якщо вище 550 ° С - з вибухом (перетворюється на гримучий газ).

Знаходження водню у природі

Хоча водню дуже багато на нашій планеті, але у чистому вигляді його знайти нелегко. Небагато можна виявити при виверженні вулканів, під час видобутку нафти та в місці розкладання органічних речовин.

Більше половини усієї кількості перебуває у складі з водою. Також він входить у структуру нафти, різної глини, горючих газів, тварин і рослин (присутність у кожній живій клітині 50% за кількістю атомів).

Кругообіг водню в природі

Щороку у водоймах і ґрунті розкладається колосальна кількість (мільярди тонн) залишків рослин і це розкладання виплескує в атмосферу величезну масу водню. Так само він виділяється при будь-якому бродінні, що викликається бактеріями, спалюванні та нарівні з киснем бере участь у кругообігу води.

Області застосування водню

Елемент активно використовується людством у своїй діяльності, тому ми навчилися отримувати його у промислових масштабах для:

Метеорології, хімвиробництва;

Виробництва маргарину;

Як пальне для ракет (рідкий водень);

електроенергетики для охолодження електричних генераторів;

Зварювання та різання металів.

Маса водню використовується при виробництві синтетичного бензину (для покращення якості палива низької якості), аміаку, хлороводню, спиртів, та інших матеріалів. Атомна енергетикаактивно використовує його ізотопи.

Препарат «перекис водню» широко застосовують у металургії, електронній промисловості, целюлозно-паперовому виробництві, при відбілюванні лляних та бавовняних тканин, для виготовлення фарб для волосся та косметики, полімерів та в медицині для обробки ран.

"Вибуховий" характер цього газу може стати згубною зброєю - водневою бомбою. Її вибух супроводжується викидом величезної кількості радіоактивних речовин і згубно для живого.

Дотик рідкого водню та шкірних покривів загрожує сильним та болючим обмороженням.