Водород

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Водоро́д — бесцветный газ, первый элемент периодической системы элементов. Самое лёгкое вещество. Ион самого распространённого изотопа водорода ¹H — протон. Некоторые изотопы водорода имеют собственные названия: ¹H — протий (Н), ²H — дейтерий (D) и ³H — тритий (T). Широко распространён в природе, горюч.

[править] История

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.

[править] Происхождение названия

Лавуазье дал водороду название hydrogène (от греческого hydor — вода и gennao — рождаю) — «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году.

[править] Получение

Водород можно получить многими способами. В промышленности для этого используют природные газы, а также газы, получаемые при переработке нефти, коксовании и газификации угля и других топлив. При производстве водорода из природного газа (основной компонент — метан) проводят его каталитическое взаимодействие с водяным паром и неполное окисление кислородом:

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂ и CH₄ + 1/2 O₂ = CO₂ + 2H₂

Выделение водорода из коксового газа и газов нефтепереработки основано на их сжижении при глубоком охлаждении и удалении из смеси газов, сжижаемых легче, чем водород. При наличии дешёвой электроэнергии водород получают электролизом воды, пропуская ток через растворы щелочей. В лабораторных условиях водород легко получить взаимодействием металлов с кислотами, например, цинка с соляной кислотой.

[править] Физические свойства

Газообразный водород может существовать в двух формах (модификациях) — в виде орто- и пара- водорода.

В молекуле ортоводорода (т. пл. -259,20 °С, т. кип. -252,76 °С) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. -259,32 °С, т. кип. -252,89 °С) — 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 дает возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм.

[править] Химические свойства

Молекула водорода состоит из двух атомов. Химическая связь в молекуле водорода — ковалентная неполярная, так как образована атомами с одинаковой электроотрицательностью (атомами одного вида). Общая связывающая электронная пара находится в середине между ядрами взаимодействующих атомов. Благодаря обобщению электронов молекула водорода более энергетически устойчива, чем отдельные атомы водорода.

Химическая связь в молекуле водорода прочная: чтобы разорвать все молекулы водорода в 1 моль простого вещества, необходимо затратить энергию в 436 кДж, поэтому активность молекулярного водорода при обычной температуре мала. Для разрыва связи требуется активация молекулы — необходимы повышение температуры, электрическая искра, свет.

Для водорода характерны следующие реакции с простыми веществами (с Al, B, Si, P соединения водорода получают косвенным путём):

[править] Взаимодействие с неметаллами

При поджигании или в присутствии платинового катализатора реагирует с кислородом

O₂ + 2H₂ = 2H₂O, реакция протекает со взрывом.

Смесь двух объёмов водорода и одного объёма кислорода называется гремучим газом.

При нагревании водород обратимо взаимодействует с серой:

S + H₂ ⇔ H₂S

С азотом — при нагревании, повышенном давлении и в присутствии катализатора (железо):

N₂ + 3H₂ = 2NH₃

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ = 2HF, реакция протекает со взрывом при любой температуре,

Cl₂ + H₂ = 2HCl, реакция протекает только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H₂ = CH₄

[править] Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

Водород образует с активными металлами гидриды:

Na + H₂ = 2NaH

Ca + H₂ = CaH₂

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

CaH₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + 2H₂ ↑

[править] Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)

Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H₂ = Cu + H₂O

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O

WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O

[править] Гидрирование органических соединений

При действии водорода на ненасыщенные углеводороды в присутствии никель-катализатора и повышенной температуре происходит реакция гидрирования:

CH₂=CH₂ + H₂ = CH₃-CH₃

Водород восстанавливает альдегиды до спиртов:

CH₃CHO + H₂ = C₂H₅OH

[править] 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. Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

[править] Применение

Водород используют при синтезе аммиака NH₃, хлороводорода HCl, метанола СН₃ОН, при гидрокрекинге (крекинге в атмосфере водорода) природных углеводородов, как восстановитель при получении некоторых металлов. Гидрированием природных растительных масел получают твёрдый жир — маргарин. Жидкий водород находит применение как ракетное топливо, а также как хладагент. Смесь кислорода с водородом используют при сварке.

Одно время высказывалось предположение, что в недалёком будущем основным источником получения энергии станет реакция горения водорода, и водородная энергетика вытеснит традиционные источники получения энергии (уголь, нефть и др.). При этом предполагалось, что для получения водорода в больших масштабах можно будет использовать электролиз воды. Электролиз воды — довольно энергоёмкий процесс, и в настоящее время получать водород электролизом в промышленных масштабах невыгодно. Но ожидалось, что электролиз будет основан на использовании среднетемпературной (500—600 °C) теплоты, которая в больших количествах возникает при работе атомных электростанций. Эта теплота имеет ограниченное применение, и возможности получения с её помощью водорода позволили бы решить как проблему экологии (при сгорании водорода на воздухе количество образующихся экологически вредных веществ минимально), так и проблему утилизации среднетемпературной теплоты.

Атомарный водород используется для Атомно-водородной сварки.

[править] Ссылки

На Викискладе есть страница по теме
Водород

• Водород на Webelements
• Водород в Популярной библиотеке химических элементов