Водень

Водень - перший елемент періодичної системи елементів; позначається символом H. Назва являє собою кальку з латинської: лат. Hydrogenium (Від др.-греч. ὕδωρ - "Вода" і γεννάω - "Народжую") - "породжує воду". Широко поширений в природі. Катіон (і ядро) найпоширенішого ізотопу водню ¹ H - протон.

Три ізотопу 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 ^[2]. Розчинний в етанолі та ряді металів : залозі, нікелі, паладії, платині.

1. Історія

Виділення горючого газу при взаємодії кислот та металів спостерігали в XVI і XVII століттях на зорі становлення хімії як науки. Прямо вказував на виділення його і Михайло Васильович Ломоносов, але вже виразно усвідомлюючи, що це не флогістон. Англійський фізик і хімік Генрі Кавендіш в 1766 досліджував цей газ і назвав його "пальним повітрям". При спалюванні "горючий повітря" давав воду, але прихильність Кавендіша теорії флогістону завадила йому зробити правильні висновки. Французький хімік Антуан Лавуазьє спільно з інженером Ж. Менье, використовуючи спеціальні газометри, в 1783 здійснив синтез води, а потім і її аналіз, розклавши водяну пару розжареним залізом. Таким чином він встановив, що "горючий повітря" входить до складу води і може бути з неї отримано.

2. Походження назви

Лавуазьє дав водню назва hydrogne (від др.-греч. ὕδωρ - Вода і γεννάω - Народжую) - "що породжує воду". Російське найменування "водень" запропонував хімік М. Ф. Соловйов у 1824 - по аналогії з " киснем " М. В. Ломоносова.

3. Поширеність

3.1. У Всесвіті

Водень - найпоширеніший елемент у Всесвіту. На його частку доводиться близько 92% всіх атомів (8% складають атоми гелію, частка всіх інших разом узятих елементів - менше 0,1%). Таким чином, водень - основна складова частина зірочок і міжзоряного газу. В умовах зоряних температур (наприклад, температура поверхні Сонця ~ 6000 C) водень існує у вигляді плазми, в міжзоряному просторі цей елемент існує у вигляді окремих молекул, атомів і іонів і може утворювати молекулярні хмари, значно різняться за розмірами, густиною та температурою.

3.2. Земна кора і живі організми

Масова частка водню у земній корі становить 1% - це десятий за поширеністю елемент. Проте 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 велика, як і кисню. На відміну від кисню, що існує на Землі і в зв'язаному, і у вільному станах, практично весь водень на Землі перебуває у вигляді сполук; лише в дуже незначній кількості водень у вигляді простого речовини міститься в атмосфері (0,00005% за об'ємом).

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

4. Отримання

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

Основний промисловий спосіб отримання водню - реакція з водою метану, який входить до складу природного газу. Вона проводиться при високій температурі:

СН ₄ + 2 Н ₂ O = CO ₂ ↑ + 4Н ₂ -165 кДж

Один з лабораторних способів отримання водню, який іноді застосовується і в промисловості, - розкладання води електрострумом.

Зазвичай в лабораторії водень отримують взаємодією цинку з соляною кислотою.

4.1. У промисловості

1. Електроліз водних розчинів солей:

2 NaCl + 2 H ₂ O → H ₂ ↑ + 2 NaOH + Cl ₂

2.Пропусканіе парів води над розпеченим коксом при температурі близько 1000 C:

H ₂ O + C ⇄ H ₂ + CO

3.Із природного газу.

Конверсія з водяною парою:

CH ₄ + H ₂ O ⇄ CO + 3H ₂ (1000 C)

Каталітичне окислення киснем:

2 CH ₄ + O ₂ ⇄ 2 CO + 4H ₂

4. Крекінг і риформінг вуглеводнів в процесі переробки нафти.

4.2. У лабораторії

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

Zn + 2 HCl → ZnCl ₂ + H ₂ ↑

2. Взаємодія кальцію з водою:

Ca + 2 H ₂ O → Ca (OH) ₂ + H ₂ ↑

3. Гідроліз гідридів:

NaH + H ₂ O → NaOH + H ₂ ↑

4. Дія лугів на цинк або алюміній:

2 Al + 2 NaOH + 6 H ₂ O → 2Na [Al (OH) _4] + 3H ₂ ↑

Zn + 2 KOH + 2 H ₂ O → K ₂ [Zn (OH) _4] + 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 ↑ + 2 H ₂ O

Див також

• Біореактор для виробництва водню

4.3. Фізичні властивості

Спектр випромінювання водню

Емісійний спектр водню

Водень - найлегший газ, він легший за повітря в 14,5 разів. Очевидно, що чим менше маса молекул, тим вище їх швидкість при одній і тій же температурі. Як найлегші, молекули водню рухаються швидше молекул будь-якого іншого газу і тим самим 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 вище теплопровідності повітря.

Молекула водню двоатомних - Н _2. При нормальних умовах - це газ без кольору, запаху і смаку. Щільність 0,08987 г / л (н.у.), температура кипіння -252,76 C, питома теплота згоряння 120.9 10 ⁶ Дж / ​​кг, малорастворим у воді - 18,8 мл / л. Водень добре розчинний у багатьох металах ( Ni, Pt, Pd тощо), 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 сріблі.

Фазова діаграма водню

Рідкий водень існує в дуже вузькому інтервалі температур від -252,76 до -259,2 C. Це безбарвна рідина, дуже легка (щільність при -253 C 0,0708 г / см ) і 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 труднощі при зрідження водню. У рідкому стані рівноважний водень складається з 99,79% пара-Н _2, 0,21% орто-Н _2.

Твердий водень, температура плавлення -259,2 C, щільність 0,0807 г / см (при -262 C) - снегоподобная маса, кристали Гексагональні сингонії, просторова група P6/mmc, параметри комірки a = 3,75 c = 6,12. При високому тиску водень переходить в металевий стан.

Молекулярний водень існує в двох спінових формах (модифікаціях) - у вигляді орто- і пара водню. У молекулі ортоводорода o-H ₂ (т. пл. -259,10 C, т. кип. -252,56 C) ядерні спини спрямовані однаково (паралельні), а у параводорода p-H ₂ (т. пл. -259,32 C, т. кип. -252,89 C) - протилежно один одному (антіпараллельни). Рівноважна суміш o-H ₂ і p-H ₂ при заданій температурі називається рівноважний водень e-H _2.

Рівноважна мольна концентрація пара-водню

Розділити модифікації водню можна адсорбцією на активному вугіллі при температурі рідкого азоту. При дуже низьких температурах рівновагу між ортоводородом і параводородом майже без остачі зрушено в бік останнього. При 80 К співвідношення форм приблизно 1:1. Десорбувати параводород при нагріванні перетворюється в 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.

5. Ізотопи

Тиск пари для різних ізотопів водню

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

Протій і дейтерій є стабільними ізотопами з масовими числами 1 і 2. Зміст їх в природі відповідно складає 99,9885 0,0070% і 0,0115 0,0070% ^[3]. Це співвідношення може незначно змінюватися в залежності від джерела та способу одержання водню.

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

У літературі ^[3] також наводяться дані про изотопах водню з масовими числами 4-7 і 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 D ₂ ще менше. Відношення концентрацій HD і D _2, приблизно, 6400:1.

З усіх ізотопів хімічних елементів фізичні і хімічні властивості ізотопів водню відрізняються один від одного найбільш сильно. Це пов'язано з найбільшим відносним зміною мас атомів ^[4].

Дейтерій і тритій також мають орто-і парамодіфікаціі: p-D _2, o-D _2, p-T _2, o-T _2. Гетероізотопний водень (HD, HT, DT) не мають орто-і парамодіфікацій.

6. Властивості ізотопів

Властивості ізотопів водню представлені в таблиці ^{[5] [3]}.

В круглих дужках наведено середньоквадратичне відхилення значення в одиницях останнього розряду відповідного числа.

Властивості ядра ¹ H дозволяють широко використовувати ЯМР - спектроскопію в аналізі органічних речовин.

7. Хімічні властивості

Частка дисоційованому молекул водню

Молекули водню Н ₂ досить міцні, і для того, щоб водень міг вступити в реакцію, повинна 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 неметаллом - фтором, утворюючи фтороводень:

F ₂ + H ₂ = ₂ HF

З більшістю ж металів і неметалів водень реагує при підвищеній температурі або при іншому впливі, наприклад при освітленні:

О ₂ + 2Н ₂ = 2Н ₂ О

Він може "віднімати" кисень від деяких оксидів, наприклад:

CuO + Н ₂ = Cu + Н ₂ O

Записане рівняння відображає відновні властивості водню.

N ₂ + 3H ₂ → 2 NH ₃

З галогенами утворює галогеноводороди:

F ₂ + H ₂ → 2 HF, реакція протікає з вибухом у темряві і при будь-якій температурі,

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

З сажею взаємодіє при сильному нагріванні:

C + 2H ₂ → CH ₄

8.1. Взаємодія з лужними і лужноземельними металами

При взаємодії з активними металами водень утворює гідриди:

2 Na + H ₂ → 2 NaH

Ca + H ₂ → CaH ₂

Mg + H ₂ → MgH ₂

Гідриди - солеобразние, тверді речовини, легко гідролізуються:

CaH ₂ + 2 H ₂ O → Ca (OH) ₂ + 2H ₂ ↑

8.1.2. 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 → 2 Fe + 3 H ₂ O

WO ₃ + 3H ₂ → W + 3 H ₂ O

8.2.3. Гідрування органічних сполук

Молекулярний водень широко застосовується в органічному синтезі для відновлення органічних сполук. Ці процеси називають реакціями гідрування. Ці реакції проводять в присутності каталізатора при підвищених тиску і 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 і алкіни, утворюються насичені сполуки - алкани.

8.3. Геохімія водню

На Землі вміст водню знижений у порівнянні з Сонцем, планетами-гігантами і первинними метеоритами, з чого випливає, що під час утворення Земля була значно дегазовані і водень разом з іншими летючими елементами покинув планету під час аккреции або незабаром після неї.

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

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

В атмосфері водень безперервно утворюється в результаті розкладання води сонячним випромінюванням ^[6]. Маючи малу масу, молекули водню володіють високою швидкістю дифузійного руху (вона близька до другої космічної швидкості) і, потрапляючи у верхні шари атмосфери, можуть полетіти в космічний простір.

9. Особливості обігу

Водень при суміші з повітрям утворює вибухонебезпечну суміш - так званий гримучий газ. Найбільшу вибухонебезпечність цей газ має при об'ємному відношенні водню і кисню 2:1, або водню і повітря наближено 2:5, так як в повітрі кисню міститься приблизно 21%. Також водень пожароопасен. Рідкий водень при попаданні на шкіру може викликати 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.

10. Економіка

Вартість водню при крупнооптових поставках коливається в діапазоні 2-5 $ за кг ^[7].

11. Застосування

Атомарний водень використовується для атомно-водневої зварювання.

12.1. Хімічна промисловість

• При виробництві аміаку, метанолу, мила і пластмас

12.1.2. Харчова промисловість

• При виробництві маргарину з рідких рослинних олій.
• Зареєстровано в якості харчової добавки E949 (пакувальний газ, клас " Інші "). Входить в список харчових добавок, допустимих до застосування в харчовій промисловості Російської Федерації як допоміжний засіб для виробництва харчової продукції.

12.2.3. Авіаційна промисловість

Водень дуже легкий і в повітрі завжди піднімається вгору. Колись дирижаблі і повітряні кулі наповнювали воднем. Але в 30-х рр.. XX ст. відбулося декілька катастроф, в ході яких дирижаблі вибухали і згорали. У наш час дирижаблі наповнюють гелієм, незважаючи на його більш високу вартість.

12.3.4. Паливо

Водень використовують як ракетного палива.

Ведуться дослідження щодо використання водню як палива для легкових і вантажних автомобілів. Водневі двигуни не забруднюють навколишнє середовище і виділяють тільки водяний пар.

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

12.4. Цікаві факти

• Водень - найпоширеніша речовина у Всесвіті (приблизно 90% всіх атомів у всесвіті) ^[8].
• Водень - найлегший газ. Маса 1 літра водню в газоподібному стані при нормальних умовах складає всього 0,08988 грам ^[8].
• Хорватське назва водню - Vodik, ввів у вживання філолог Богослав Шулеко.

Примітки

Література

1. Почала хімії. Сучасний курс для вступників у вузи: Навчальний посібник для вузів / Н. Е. Кузьменко, В. В. Єрьомін, В. А. Попков. - М.: Видавництво "Іспит", 2005.

2. Навчальний довідник школяра. Навчальне видання. - М.: Дрофа, 2001.

3. Дігонскій С. В., Тен В. В. Невідомий водень. - СПб: Наука, 2006 ISBN 5-02-025114-3