Водень якийсь газ. Водень – це що за речовина? Хімічні та фізичні властивості водню

У періодичної системі має певне місце становища, яке відбиває проявляемые їм властивості і свідчить про його електронному будову. Однак є серед усіх один особливий атом, який займає одразу два осередки. Він розташовується у двох абсолютно протилежних по властивостях групах елементів. Це водень. Такі особливості роблять його унікальним.

Водень - це не просто елемент, а й проста речовина, а також складова частина багатьох складних сполук, біогенний та органогенний елемент. Тому розглянемо його характеристики та властивості докладніше.

Водень як хімічний елемент

Водень - це елемент першої групи головної підгрупи, а також сьомої групи головної підгрупи у першому малому періоді. Цей період складається з двох атомів: гелію і аналізованого нами елемента. Опишемо основні особливості становища водню в періодичній системі.

  1. Порядковий номер водню - 1, кількість електронів така ж, відповідно, протонів стільки ж. Атомна маса – 1,00795. Існує три ізотопи даного елемента з масовими числами 1, 2, 3. Однак властивості кожного з них дуже різняться, так як збільшення маси навіть на одиницю саме для водню є відразу подвійним.
  2. Те, що на зовнішньому він містить лише один електрон, дозволяє успішно виявляти йому як окисні, так і відновлювальні властивості. Крім того, після віддачі електрона у нього залишається вільна орбіталь, яка бере участь в утворенні хімічних зв'язків донорно-акцепторного механізму.
  3. Водень – це сильний відновник. Тому основним місцем його вважається перша група головної підгрупи, де він очолює найактивніші метали – лужні.
  4. Однак при взаємодії з сильними відновниками, такими як, наприклад, метали, він може бути окислювачем, приймаючи електрон. Ці сполуки отримали назву гідридів. За цією ознакою він очолює підгрупу галогенів, з якими схожим.
  5. Завдяки зовсім невеликій атомній масі, водень вважається найлегшим елементом. Крім того, його щільність також дуже мала, тому він є еталоном легкості.

Таким чином, очевидно, що атом водню - це унікальний, несхожий на всі інші елемент. Отже, властивості його теж особливі, а прості і складні речовини, що утворюються, дуже важливі. Розгляньмо їх далі.

Проста речовина

Якщо говорити про цей елемент як про молекулу, треба сказати, що вона двоатомна. Тобто водень (проста речовина) – це газ. Формула його емпірична записуватиметься як Н 2 , а графічна - через одинарну сигма-зв'язок Н-Н. Механізм утворення зв'язку між атомами – ковалентний неполярний.

  1. Парова конверсія метану.
  2. Газифікація вугілля - процес передбачає нагрівання вугілля до 1000 0 З, у результаті утворюється водень і високовуглецеве вугілля.
  3. Електроліз. Даний метод може використовуватися тільки для водних розчинів різних солей, оскільки розплави не призводять до розряджання води на катоді.

Лабораторні способи одержання водню:

  1. Гідроліз гідридів металів.
  2. Дія розведених кислот на активні метали та середню активність.
  3. Взаємодія лужних та лужноземельних металів з водою.

Щоб зібрати водень, що утворюється, необхідно тримати пробірку перевернутої вгору дном. Адже цей газ не можна зібрати так, як, наприклад, вуглекислий газ. Це водень, він набагато легший за повітря. Швидко випаровується, а у великих кількостях при змішуванні з повітрям вибухає. Тому слід перевертати пробірку. Після заповнення її потрібно закрити гумовою пробкою.

Щоб перевірити чистоту зібраного водню, слід піднести до шийки запалений сірник. Якщо бавовна глуха і тиха - значить газ чистий, з мінімальними домішками повітря. Якщо ж гучний і свистячий – брудний, з великою часткою сторонніх компонентів.

Області використання

При згорянні водню виділяється настільки велика кількість енергії (теплоти), що цей газ вважається найвигіднішим паливом. До того ж, екологічно чистим. Однак на сьогоднішній день його застосування в цій галузі обмежене. Це пов'язано з непродуманими до кінця та не вирішеними проблемами синтезу чистого водню, який був би придатний для використання як паливо в реакторах, двигунах та портативних пристроях, а також опалювальних котлах житлових будинків.

Адже способи отримання даного газу досить дорогі, тому насамперед необхідно розробити особливий метод синтезу. Такий, який дозволить отримувати продукт у великому обсязіта з мінімальними витратами.

Можна виділити кілька основних областей, в яких знаходить застосування аналізований нами газ.

  1. Хімічні синтези. З гідрування отримують мила, маргарини, пластмаси. За участю водню синтезується метанол та аміак, а також інші сполуки.
  2. У харчовій промисловості – як добавка Е949.
  3. Авіаційна промисловість (ракетобудування, літакобудування).
  4. Електроенергетика
  5. Метеорологія.
  6. Паливо екологічно чистий.

Очевидно, що водень так само важливий, як і поширений у природі. Ще більшу роль відіграють різні сполуки, що утворюються ним.

З'єднання водню

Це складні речовини, що містять атоми водню. Можна виділити кілька основних типів подібних речовин.

  1. Галогеноводні. Загальна формула – HHal. Особливе значення у тому числі має хлорид водню. Це газ, що розчиняється у воді з утворенням розчину соляної кислоти. Ця кислота знаходить широке застосування практично у всіх хімічних синтезах. Причому як органічних, і неорганічних. Хлорид водню - це з'єднання, що має емпіричну формулу HCL і є одним із найбільших за обсягами виробництва в нашій країні щорічно. Також до галогеноводів відносяться йодоводород, фтороводород і бромоводень. Усі вони утворюють відповідні кислоти.
  2. Практично всі вони досить отруйні гази. Наприклад, сірководень, метан, силан, фосфін та інші. При цьому дуже горючі.
  3. Гідриди – з'єднання з металами. Належать до класу солей.
  4. Гідроксиди: основи, кислоти та амфотерні сполуки. До їхнього складу обов'язково входять атоми водню, один або кілька. Приклад: NaOH, K 2 , H 2 SO 4 та інші.
  5. Гідроксид водню. Це з'єднання більше відоме як вода. Інша назва оксид водню. Емпірична формула виглядає так - Н2О.
  6. Перекис водню. Це найсильніший окислювач, формула якого має вигляд Н2О2.
  7. Численні органічні сполуки: вуглеводні, білки, жири, ліпіди, вітаміни, гормони, ефірні олії та інші.

Очевидно, що розмаїття сполук елемента, що розглядається, дуже велике. Це ще раз підтверджує його високе значення для природи та людини, а також для всіх живих істот.

- це найкращий розчинник

Як згадувалося вище, простонародна назва даної речовини - вода. Складається з двох атомів водню та одного кисню, з'єднаних між собою ковалентними полярними зв'язками. Молекула води є диполем, це пояснює багато властивостей. Зокрема, те, що вона є універсальним розчинником.

Саме у водному середовищі відбуваються практично всі хімічні процеси. Внутрішні реакції пластичного та енергетичного обміну у живих організмах також здійснюються за допомогою оксиду водню.

Вода по праву вважається найважливішою речовиною планети. Відомо, що без неї не зможе жити жоден живий організм. На Землі вона здатна існувати у трьох агрегатних станах:

  • рідина;
  • газ (пар);
  • тверде (лід).

Залежно від ізотопу водню, що входить до складу молекули, розрізняють три види води.

  1. Легка чи протиєва. Ізотоп з масовим числом 1. Формула – Н 2 О. Це звична форма, яку використовують усі організми.
  2. Дейтерієва чи важка, її формула - D 2 O. Містить ізотоп 2 Н.
  3. Надважка чи тритієва. Формула виглядає як Т3О, ізотоп - 3Н.

Дуже важливими є запаси прісної протиєвої води на планеті. Вже зараз у багатьох країнах відчувається її нестача. Розробляються способи обробки солоної води з одержання питної.

Пероксид водню – це універсальний засіб

Дане з'єднання, як згадувалося вище, прекрасний окислювач. Однак із сильними представниками може поводитися і як відновник теж. Крім того, має виражений бактерицидний ефект.

Інша назва цієї сполуки - перекис. Саме у такому вигляді його використовують у медицині. 3% розчин кристалогідрату цієї сполуки - це медичні ліки, які застосовують для обробки невеликих ран з метою їх знезараження. Однак доведено, що при цьому загоєння поранення за часом збільшується.

Також пероксид водню використовується в ракетному паливі, в промисловості для дезінфекції та відбілювання, як піноутворювач для отримання відповідних матеріалів (пінопласту, наприклад). Крім того, перекис допомагає очищати акваріуми, знебарвлювати волосся та відбілювати зуби. Однак при цьому завдає шкоди тканинам, тому фахівцями з цією метою не рекомендується.

Водень

ВОДОРОД-а; м.Хімічний елемент (H), легкий газ без кольору та запаху, що утворює у поєднанні з киснем воду.

◁ Водневий, -а, -е. Перші сполуки. Перші бактерії. В-а бомба(бомба величезної руйнівної сили, вибухова дія якої ґрунтується на термоядерній реакції). Водневий, -а, -ое.

водень

(Лат. Hydrogenium), хімічний елемент VII групи періодичної системи. У природі зустрічаються два стабільні ізотопи (протий і дейтерій) і один радіоактивний (тритій). Молекула двоатомна (Н2). Газ без кольору та запаху; густина 0,0899 г/л, tстос - 252,76°C. Поєднується з багатьма елементами, з киснем утворює воду. Найпоширеніший елемент космосу; становить (у вигляді плазми) понад 70% маси Сонця та зірок, основна частина газів міжзоряного середовища та туманностей. Атом водню входить до складу багатьох кислот та основ, більшості органічних сполук. Застосовують у виробництві аміаку, соляної кислоти, для гідрогенізації жирів та ін, при зварюванні та різанні металів. Перспективний як пальне (див. Воднева енергетика).

ВОДОРОД

ВОДОРОД (лат. Hydrogenium), H, хімічний елемент з атомним номером 1, атомна маса 1,00794. Хімічний символ водню Н читається нашій країні «аш», як вимовляється ця літера французькою.
Природний водень складається із суміші двох стабільних нуклідів. (див.НУКЛІД)з масовими числами 1,007825 (99,985 % у суміші) та 2,0140 (0,015 %). Крім того, у природному водні завжди присутні мізерні кількості радіоактивного нукліду - тритію (див.ТРІТІЙ) 3 Н (період напіврозпаду Т 1/2 12,43 року). Так як в ядрі атома водню міститься лише 1 протон (менше в ядрі атома елемента протонів бути не може), то іноді кажуть, що водень утворює природну нижню межу періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва (хоча сам елемент водень розташований у верхній частині таблиці). Елемент водень розташований у першому періоді таблиці Менделєєва. Його відносять і до 1-ї групи (групи ІА лужних металів. (див.ЛУЖНІ МЕТАЛИ)), і до 7-ї групи (групі VIIA галогенів (див.ГАЛОГЕНИ)).
Маси атомів у ізотопів водню різняться між собою дуже сильно (в рази). Це призводить до помітних відмінностей у їх поведінці у фізичних процесах (дистиляція, електроліз та ін) і до певних хімічних відмінностей (відмінності у поведінці ізотопів одного елемента називають ізотопними ефектами, для водню ізотопні ефекти є найбільш суттєвими). Тому на відміну від ізотопів решти елементів ізотопи водню мають спеціальні символи і назви. Водень з масовим числом 1 називають легким воднем або протиєм (лат. Protium, від грецького protos - перший), позначають символом Н, а його ядро ​​називають протоном (див.ПРОТОН (елементарна частка), символ нар. Водень з масовим числом 2 називають важким воднем, дейтерієм (див.ДЕЙТЕРІЙ)(лат Deuterium, від грецького deuteros – другий), для його позначення використовують символи 2 Н, або D (читається «де»), ядро ​​d – дейтрон. Радіоактивний ізотоп з масовим числом 3 називають надважким воднем, або тритієм (лат. Tritum, від грецького tritos - третій), символ 2 Н або Т (читається "ті"), ядро ​​t - тритон.
Конфігурація єдиного електронного шару нейтрального незбудженого атома водню s 1 . У сполуках виявляє ступеня окиснення +1 і, рідше, -1 (валентність I). Радіус нейтрального атома водню 0,024 нм. Енергія іонізації атома 13,595 еВ, спорідненість до електрона 0,75 еВ. За шкалою Полінг електронегативність водню 2,20. Водень належить до неметалів.
У вільному вигляді – легкий горючий газ без кольору, запаху та смаку.
Історія відкриття
Виділення пального газу при взаємодії кислот і металів спостерігали в 16 і 17 століттях на зорі становлення хімії як науки. Знаменитий англійський фізик та хімік Г. Кавендіш (див.Кавендіш Генрі) 1766 року досліджував цей газ і назвав його «горючим повітрям». При спалюванні «горюче повітря» давало воду, але відданість Кавендіша теорії флогістону (див.Флогістон)завадила йому зробити правильні висновки. Французький хімік А. Лавуазьє (див.Лавуазье Антуан Лоран)спільно з інженером Ж. Меньє (див.МЕНЬЄ Жан Батіст Марі Шарль), використовуючи спеціальні газометри, в 1783 р. здійснив синтез води, а потім і її аналіз, розклавши водяну пару розпеченим залізом. Таким чином він встановив, що «горюче повітря» входить до складу води і може бути отримано з неї. У 1787 Лавуазьє дійшов висновку, що «горюче повітря» є простою речовиною, і, отже, належить до хімічних елементів. Він дав йому назву hydrogene (від грецького hydor – вода і gennao – народжую) – «що народжує воду». Встановлення складу води поклало край «теорії флогістону». Російське найменування «водень» запропонував хімік М. Ф. Соловйов (див.СОЛОВ'ЄВ Михайло Федорович)в 1824. На рубежі 18 і 19 століть було встановлено, що атом водню дуже легкий (порівняно з атомами інших елементів), і вага (маса) атома водню була прийнята за одиницю порівняння атомних мас елементів. Масі атома водню приписали значення 1.
Знаходження у природі
На частку водню припадає близько 1% маси земної кори (10 місце серед усіх елементів). У вільному вигляді водень нашій планеті мало зустрічається (його сліди є у верхніх шарах атмосфери), але у складі води поширений Землі майже повсюдно. Елемент водень входить до складу органічних та неорганічних сполук живих організмів, природного газу, нафти, кам'яного вугілля. Він міститься, зрозуміло, у складі води (близько 11% за масою), у різних природних кристалогідратах і мінералах, у складі яких є одна або кілька гідроксогруп ВІН.
Водень як елемент домінує у Всесвіті. На його частку припадає близько половини маси Сонця та інших зірок, він присутній у атмосфері низки планет.
Отримання
Водень можна отримати багатьма способами. У промисловості для цього використовують природні гази, а також гази, що отримуються під час переробки нафти, коксування та газифікації вугілля та інших палив. При виробництві водню з природного газу (основний компонент - метан) проводять його каталітичну взаємодію з водяною парою та неповне окислення киснем:
CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 і CH 4 + 1/2 O 2 = CO 2 + 2H 2
Виділення водню з коксового газу та газів нафтопереробки засноване на їх зрідженні при глибокому охолодженні та видаленні із суміші газів, що скраплюються легше, ніж водень. За наявності дешевої електроенергії водень одержують електролізом води, пропускаючи струм через розчини лугів. У лабораторних умовах водень легко отримати взаємодією металів із кислотами, наприклад, цинку із соляною кислотою.
Фізичні та Хімічні властивості
За звичайних умов водень - легкий (щільність за нормальних умов 0,0899 кг/м 3 ) безбарвний газ. Температура плавлення –259,15 °C, температура кипіння –252,7 °C. Рідкий водень (при температурі кипіння) має щільність 70,8 кг/м 3 і є найлегшою рідиною. Стандартний електродний потенціал Н 2 /Н - у водному розчині приймають рівним 0. Водень погано розчинний у воді: при 0 °C розчинність становить менше 0,02 см 3 /мл, але добре розчинний у деяких металах (губчасте залізо та інших), особливо добре - у металевому паладії (близько 850 об'ємів водню в 1 об'ємі металу). Теплота згоряння водню дорівнює 143,06 МДж/кг.
Існує як двоатомних молекул Н 2 . Константа дисоціації Н 2 на атоми при 300 К 2,56 · 10 -34. Енергія дисоціації молекули Н2 на атоми 436 кДж/моль. Міжядерна відстань у молекулі Н 2 0,07414 нм.
Оскільки ядро ​​кожного атома Н, що входить до складу молекули, має свій спин (див.СПІН), то молекулярний водень може бути у двох формах: у вигляді ортоводорода (о-Н 2) (обидва спина мають однакову орієнтацію) й у формі параводню (п-Н 2) (спини мають різну орієнтацію). При звичайних умовах нормальний водень є сумішшю 75% про-Н 2 і 25% п-Н 2 . Фізичні властивості п-і про-Н2 трохи різняться між собою. Так, якщо температура кипіння чистого о-Н 2 20,45 К, то чистого п-Н 2 - 20,26 К. Перетворення про-Н 2 п-Н 2 супроводжується виділенням 1418 Дж/моль теплоти.
У науковій літературі неодноразово висловлювалися міркування у тому, що за високих тисках(вище 10 ГПа) і при низьких температурах (близько 10 К і нижче) твердий водень, який зазвичай кристалізується в гексагональній решітці молекулярного типу, може переходити в речовину з металевими властивостями, можливо навіть надпровідник. Однак поки що однозначних даних про можливість такого переходу немає.
Висока міцність хімічного зв'язкуміж атомами в молекулі Н 2 (що, наприклад, використовуючи метод молекулярних орбіталей, можна пояснити тим, що в цій молекулі електронна пара знаходиться на зв'язувальній орбіталі, а орбіталь, що розпушує, електронами не заселена) призводить до того, що при кімнатній температурі газоподібний водень хімічно малоактивний . Так, без нагрівання при простому змішуванні водень реагує (з вибухом) тільки з газоподібним фтором:
H2+F2=2HF+Q.
Якщо суміш водню і хлору при кімнатній температурі опромінити ультрафіолетовим світлом, спостерігається негайне утворення хлороводню НСl. Реакція водню з киснем відбувається з вибухом, якщо суміш цих газів внести каталізатор - металевий паладій (або платину). При підпалюванні суміш водню та кисню (так званий гримучий газ (див.ГРІМКИЙ ГАЗ)) вибухає, при цьому вибух може відбутися у сумішах, у яких вміст водню становить від 5 до 95 об'ємних відсотків. Чистий водень на повітрі або в чистому кисні спокійно горить з великою кількістю теплоти:
H 2 + 1/2O 2 = Н 2 Про + 285,75 кДж/моль
З іншими неметалами та металами водень якщо і взаємодіє, то лише за певних умов (нагрівання, підвищений тиск, присутність каталізатора). Так, з азотом водень оборотно реагує при підвищеному тиску(20-30 МПа і більше) та при температурі 300-400 °C у присутності каталізатора - заліза:
3H2+N2=2NH3+Q.
Також тільки при нагріванні водень реагує з сіркою з утворенням сірководню H 2 S, з бромом - з утворенням бромоводню НBr, з йодом - з утворенням іодоводу НI. З вугіллям (графітом) водень реагує з утворенням суміші вуглеводнів різного складу. З бором, кремнієм, фосфором водень безпосередньо не взаємодіє, з'єднання цих елементів з воднем отримують непрямими шляхами.
При нагріванні водень здатний вступати в реакції з лужними, лужноземельними металами та магнієм з утворенням сполук з іонним характером зв'язку, у складі яких міститься водень у ступені окислення –1. Так, при нагріванні кальцію в атмосфері водню утворюється солеподібний гідрид складу СаН2. Полімерний гідрид алюмінію (AlH 3) x - один із найсильніших відновників - отримують непрямими шляхами (наприклад, за допомогою алюмінійорганічних сполук). З багатьма перехідними металами (наприклад, цирконієм, гафнієм та ін) водень утворює сполуки змінного складу (тверді розчини).
Водень здатний реагувати не тільки з багатьма простими, але і складними речовинами. Насамперед треба відзначити здатність водню відновлювати багато металів із їх оксидів (такі, як залізо, нікель, свинець, вольфрам, мідь та інших.). Так, при нагріванні до температури 400-450 °C і вище відбувається відновлення заліза воднем з будь-якого оксиду, наприклад:
Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.
Слід зазначити, що відновити воднем з оксидів можна лише метали, які у ряді стандартних потенціалів за марганцем. Більш активні метали (у тому числі марганець) до металу з оксидів не відновлюються.
Водень здатний приєднуватися за подвійним або потрійним зв'язком до багатьох органічних сполук (це - так звані реакції гідрування). Наприклад, у присутності нікелевого каталізатора можна здійснити гідрування етилену 2 Н 4 , причому утворюється етан 2 Н 6:
2 Н 4 + Н 2 = З 2 Н 6 .
Взаємодією оксиду вуглецю(II) та водню в промисловості одержують метанол:
2Н 2 + СО = СН 3 ВІН.
У з'єднаннях, у яких атом водню з'єднаний з атомом більш електронегативного елемента Е (Е = F, Cl, O, N), між молекулами утворюються водневі зв'язки (див.Водневий зв'язок)(Два атоми Е одного і того ж або двох різних елементів пов'язані між собою через атом Н: Е "... Н ... Е"", причому всі три атоми розташовані на одній прямій.. Такі зв'язки існують між молекулами води, аміаку , метанолу та ін і призводять до помітного зростання температур кипіння цих речовин, збільшення теплоти випаровування і т.д.
Застосування
Водень використовують при синтезі аміаку NH 3 , хлороводню HCl, метанолу СН 3 ОН, при гідрокрекінгу (крекінгу в атмосфері водню) природних вуглеводнів, як відновник при отриманні деяких металів. Гідруванням (див.Гідрування)природних рослинних олійодержують твердий жир - маргарин. Рідкий водень знаходить застосування як ракетне паливо, і навіть як холодоагент. Суміш кисню з воднем використовують при зварюванні.
У свій час висловлювалося припущення, що в недалекому майбутньому основним джерелом одержання енергії стане реакція горіння водню, і воднева енергетика витіснить традиційні джерела одержання енергії (вугілля, нафта та ін.). При цьому передбачалося, що для отримання водню у великих масштабах можна використовувати електроліз води. Електроліз води – досить енергоємний процес, і нині отримувати водень електролізом у промислових масштабах невигідно. Але очікувалося, що електроліз буде заснований на використанні середньотемпературної (500-600 ° C) теплоти, яка у великих кількостях виникає під час роботи атомних електростанцій. Ця теплота має обмежене застосування, і можливості отримання з її допомогою водню дозволили б вирішити як проблему екології (при згорянні водню на повітрі кількість екологічно шкідливих речовин, що утворюються, мінімально), так і проблему утилізації середньотемпературної теплоти. Однак після Чорнобильської катастрофи розвиток атомної енергетикиповсюдно згортається, тому зазначене джерело енергії стає недоступним. Тому перспективи широкого використання водню як джерела енергії поки що зсуваються щонайменше до середини 21 століття.
Особливості звернення
Водень не отруйний, але при поводженні з ним потрібно постійно враховувати його високу пожежо- та вибухонебезпечність, причому вибухонебезпечність водню підвищена через високу здатність газу до дифузії навіть через деякі тверді матеріали. Перед початком будь-яких операцій з нагрівання в атмосфері водню слід переконатися в його чистоті (при підпалюванні водню в перевернутій вгору дном пробірці звук повинен бути глухим, а не гавкаючим).
Біологічна роль
Біологічне значення водню визначається тим, що він входить до складу молекул води та всіх найважливіших груп природних сполук, у тому числі білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, вуглеводів. Приблизно 10 % маси живих організмів посідає водень. Здатність водню утворювати водневий зв'язок відіграє вирішальну роль у підтримці просторової четвертинної структури білків, а також у здійсненні принципу комплементарності (див.КОМПЛЕМЕНТАРНІСТЬ)у побудові та функціях нуклеїнових кислот (тобто у зберіганні та реалізації генетичної інформації), взагалі у здійсненні «впізнавання» на молекулярному рівні. Водень (іон Н+) бере участь у найважливіших динамічних процесах і реакціях в організмі - в біологічному окисленні, що забезпечує живі клітини енергією, у фотосинтезі у рослин, у реакціях біосинтезу, в азотфіксації та бактеріальному фотосинтезі, у підтримці кислотно-лужної рівноваги (див.ГОМЕОСТАЗ), у процесах мембранного транспорту Таким чином, поряд з киснем та вуглецем водень утворює структурну та функціональну основи явищ життя.


Енциклопедичний словник. 2009 .

Синоніми:

Дивитись що таке "водень" в інших словниках:

    Таблиця нуклідів Загальні відомостіНазва, символ Водень 4, 4H Нейтронів 3 Протонів 1 Властивості нукліду Атомна маса 4,027810(110) … Вікіпедія

    Таблиця нуклідів Загальні відомості Назва, символ Водень 5, 5H Нейтронів 4 Протонів 1 Властивості нукліду Атомна маса 5,035310(110) … Вікіпедія

    Таблиця нуклідів Загальні відомості Назва, символ Водень 6, 6H Нейтронів 5 Протонів 1 Властивості нукліду Атомна маса 6,044940(280) … Вікіпедія

    Таблиця нуклідів Загальні відомості Назва, символ Водень 7, 7H Нейтронів 6 Протонів 1 Властивості нукліду Атомна маса 7,052750(1080) … Вікіпедія

Водень (Hydrogenium) був відкритий у першій половині XVI століття німецьким лікарем та природознавцем Парацельсом. У 1776 р. Г. Кавендіш (Англія) встановив його властивості та вказав відмінності від інших газів. Лавуазьє перший отримав водень із води та довів, що вода є хімічною сполукою водню з киснем (1783 р.).

Водень має три ізотопи: протий, дейтерій або D і тритій або Т. Їх масові числа дорівнюють 1, 2 і 3. Протий і дейтерій стабільні, тритій - радіоактивний (період напіврозпаду 12,5 років). У природних сполуках дейтерій та протий у середньому містяться щодо 1:6800 (за кількістю атомів). Тритій перебуває у природі у мізерно малих кількостях.

Ядро атома водню містить один протон. Ядра дейтерію і тритію включають крім протона відповідно один і два нейтрони.

Молекула водню і двох атомів. Наведемо деякі властивості, що характеризують атом та молекулу водню:

Енергія іонізації атома, еВ 13,60

Спорідненість атома до електрона, еВ 0,75

Відносна електронегативність 2,1

Радіус атома, нм 0,046

Міжядерна відстань у молекулі, нм 0,0741

Стандартна еітальпія дисоціації молекул при 436,1

115. Водень у природі. Одержання водню.

Водень у вільному стані зустрічається Землі лише у незначних кількостях. Іноді він виділяється разом з іншими газами при вулканічних виверженнях, а також бурових свердловин при добуванні нафти. Але як сполук водень дуже поширений. Це вже з того, що він становить дев'яту частину маси води. Водень входить до складу всіх рослинних і тваринних організмів, нафти, кам'яного та бурого вугілля, природних газів та ряду мінералів. На частку водню з усієї маси земної кори, рахуючи воду та повітря, припадає близько 1%. Однак при перерахунку на відсотки від загальної кількості атомів вміст водню у земній корі дорівнює 17%.

Водень - найпоширеніший елемент космосу. На його частку припадає близько половини маси Сонця та більшості інших зірок. Він міститься у газових туманностях, у міжзоряному газі, входить до складу зірок. У надрах зірок відбувається перетворення ядер атомів водню на ядра атомів гелію. Цей процес протікає з виділенням енергії, для багатьох зірок, у тому числі для Сонця, він є основним джерелом енергії. Швидкість процесу, тобто кількість ядер водню, що перетворюються на ядра гелію в одному кубічному метрі за одну секунду, мала. Тому і кількість енергії, що виділяється за одиницю часу в одиниці обсягу, замало. Однак, внаслідок величезності маси Сонця, загальна кількість енергії, що генерується та випромінюється Сонцем, дуже велика. Воно відповідає зменшенню маси Сонця приблизно на секунду.

У промисловості водень отримують головним чином природного газу. Цей газ, що складається в основному з метану, змішують з водяною парою та з киснем. При нагріванні суміші газів до при каталізатора відбувається реакція, яку схематично можна зобразити рівнянням:

Отриману суміш газів поділяють. Водень очищають і використовують лібро на місці отримання, або транспортують в сталеві балонах під підвищеним тиском.

Важливим промисловим способом отримання водню є його виділення з коксового газу чи з газів переробки нафти. Воно здійснюється глибоким охолодженням, коли всі гази, крім водню скраплюються.

У лабораторіях водень отримують переважно електролізом водних розчинів. Концентрація цих розчинів вибирається такою, що відповідає їх максимальній електричній провідності. Електроди зазвичай виготовляють із листового нікелю. Цей метал не піддається корозії у розчинах лугів, навіть будучи анодом. У разі потреби водень, що виходить, очищають від парів води і від слідів кисню. З інших лабораторних методів найбільш поширений метод виділення водню з розчинів сірчаної чи соляної кислот дією на них цинку. Реакцію зазвичай проводять в апараті Кіппа (рис. 105).

ВИЗНАЧЕННЯ

Водень- Перший елемент Періодичної таблиці. Позначення – H від латинського «hydrogenium». Розташований у першому періоді, ІА групі. Належить до неметалів. Заряд ядра дорівнює 1.

Водень є одним із найпоширеніших хімічних елементів - його частка становить близько 1% від маси всіх трьох оболонок земної кори (атмосфери, гідросфери та літосфери), що при перерахунку на атомні відсотки дає цифру 17,0.

Основна кількість цього елемента перебуває у зв'язаному стані. Так, вода містить близько 11 ваги. %, глина – близько 1,5% тощо. У вигляді сполук із вуглецем водень входить до складу нафти, горючих природних газів та всіх організмів.

Водень є газом без кольору і запаху (схема будови атома представлена ​​на рис. 1). Його температури плавлення і кипіння лежать дуже низько (-259 o З -253 o З відповідно). При температурі (-240 o С) і під тиском водень здатний зріджуватися, а при швидкому випаровуванні отриманої рідини переходити в твердий стан(Прозорі кристали). У воді він розчинний незначно – 2:100 за обсягом. Характерна для водню розчинність у деяких металах, наприклад, у залізі.

Рис. 1. Будова атома водню.

Атомна та молекулярна маса водню

ВИЗНАЧЕННЯ

Відносною атомною масоюелемента називають відношення маси атома даного елемента до 1/12 маси атома вуглецю.

Відносна атомна маса безрозмірна і позначається A r (індекс "r" - початкова літера англійського слова relative, що у перекладі означає «відносний»). Відносна атомна маса атомарного водню дорівнює 1,008 а.

Маси молекул, як і маси атомів виражаються в атомних одиницях маси.

ВИЗНАЧЕННЯ

Молекулярною масоюречовини називається маса молекули, що виражена в атомних одиницях маси. Відносною молекулярною масоюречовини називають відношення маси молекули даної речовини до 1/12 маси атома вуглецю, маса якого дорівнює 12 а.

Відомо, що молекула водню двоатомна - H2. Відносна молекулярна маса молекули водню дорівнюватиме:

M r (H2) = 1,008 × 2 = 2,016.

Ізотопи водню

Водень має три ізотопи: протий 1 H, дейтерій 2 Н або D і тритій 3 Н або Т. Їх масові числа дорівнюють 1, 2 і 3. Протий і дейтерій стабільні, тритій - радіоактивний (період напіврозпаду 12,5 років). У природних сполуках дейтерій та протий у середньому містяться щодо 1:6800 (за кількістю атомів). Тритій перебуває у природі у мізерно малих кількостях.

Ядро атома водню H містить один протон. Ядра дейтерію і тритію включають крім протона один і два нейтрони.

Іони водню

Атом водню може або віддавати свій єдиний електрон з утворенням позитивного іона (що є «голий» протон), або приєднувати один електрон, переходячи в негативний іон, що має гелійну електронну конфігурацію.

Повний відрив електрона від атома водню потребує витрати дуже великої енергії іонізації:

Н + 315 ккал = Н + + е.

Внаслідок цього при взаємодії водню з металоїдами виникають не іонні, а лише полярні зв'язки.

Тенденція тієї чи іншої нейтрального атома до приєднання надлишкового електрона характеризується значенням його спорідненості електрону. У водню воно виражене досить слабо (проте це не говорить про неможливість існування такого іона водню):

Н + е = Н - + 19 ккал.

Молекула та атом водню

Молекула водню і двох атомів - Н 2 . Наведемо деякі властивості, що характеризують атом та молекулу водню:

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання Доведіть, що є гідриди загальної формули ЕН х, що містять 12,5% водню.
Рішення Розрахуємо маси водню та невідомого елемента, прийнявши масу зразка за 100 г:

m(H) = m (ЕН х) × w (H);

m(H) = 100 × 0,125 = 12,5г.

m(Е) = m (ЕН х) - m(H);

m(Е) = 100 - 12,5 = 87,5 р.

Знайдемо кількість речовини водню та невідомого елемента, позначивши за «х» молярну масу останнього (молярна маса водню дорівнює 1 г/моль):

Водень – хімічний елемент із символом H та атомним номером 1. Маючи стандартну атомну вагу близько 1.008, водень є найлегшим елементом у періодичній таблиці. Його одноатомна форма (Н) є найбільш поширеною хімічною речовиною у Всесвіті, становлячи приблизно 75% усієї маси баріону. Зірки в основному складаються з водню в плазмовому стані. Найбільш поширений ізотоп водню, званий протиєм (ця назва рідко використовується, символ 1Н), має один протон і жодного нейтрону. Повсюдна поява атомарного водню вперше сталася в епоху рекомбінації. При стандартних температурах і тиску водень являє собою безбарвний, не має запаху і смаку, нетоксичний, неметалевий двозатомний газ, що легко займається, з молекулярною формулою H2. Оскільки водень легко утворює ковалентні зв'язки з більшістю неметалевих елементів, більшість водню Землі існує у молекулярних формах, як-от вода чи органічні сполуки. Водень відіграє важливу роль у кислотно-лужних реакціях, тому що більшість реакцій на основі кислоти пов'язані з обміном протонів між розчинними молекулами. У іонних сполуках водень може набувати форми негативного заряду (тобто аніону), при цьому він відомий як гідрид, або як позитивно заряджений (тобто катіон) вид, що позначається символом H+. Катіон водню описується як складається з простого протона, але насправді водневі катіони в іонних сполуках завжди складніші. Будучи єдиним нейтральним атомом, котрого рівняння Шредингера може бути вирішено аналітично, водень (зокрема, вивчення енергетики та зв'язування його атома) зіграв ключову роль розвитку квантової механіки. Спочатку водневий газ штучно отримано на початку 16-го століття реакцією кислот на метали. У 1766-81 р.р. Генрі Кавендіш першим визнав, що водневий газ є дискретною речовиною і що він виробляє воду при спалюванні, завдяки чому він і був так названий: грецькою водень означає «виробник води». Промислове виробництво водню в основному пов'язане з паровим перетворенням природного газу і, рідше, з більш енергоємними методами, такими як електроліз води. Більшість водню використовується поблизу місць його виробництва, причому два найпоширеніших використання - обробка викопного палива (наприклад, гідрокрекінг) і виробництво аміаку, в основному, для ринку добрив. Водень викликає занепокоєння в металургії, оскільки він може робити тендітними багато металів, що ускладнює проектування трубопроводів та резервуарів для зберігання.

Властивості

Горіння

Водневий газ (дигідроген або молекулярний водень) є легкозаймистим газом, який горітиме на повітрі в дуже широкому діапазоні концентрацій від 4% до 75% за обсягом . Ентальпія горіння становить 286 кДж/моль:

    2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 кДж (286 кДж/моль)

Водневий газ утворює вибухонебезпечні суміші з повітрям у концентраціях від 4-74% та з хлором у концентраціях до 5,95%. Вибухонебезпечні реакції можуть бути спричинені іскрами, теплом або сонячним світлом. Температура самозаймання водню, температура спонтанного займання на повітрі становить 500 °C (932 °F). Чисті воднево-кисневі полум'я випромінюють ультрафіолетове випромінювання і з високою кисневою сумішшю майже невидимі неозброєним оком, про що свідчить слабкий шлейф головного двигуна космічного човника в порівнянні з добре видимим шлейфом космічного човникового твердого ракет. Для виявлення витікання водню, що горить, може знадобитися детектор полум'я; такі витікання може бути дуже небезпечними. Водневе полум'я в інших умовах є синім і нагадує блакитне полум'я природного газу. Загибель дирижабля «Гінденбург» є сумнозвісним прикладом спалювання водню, і справа, як і раніше, обговорюється. Очевидне помаранчеве полум'я в цьому інциденті було викликане впливом суміші водню з киснем у поєднанні зі сполуками вуглецю зі шкіри дирижабля. H2 реагує з кожним окислюючим елементом. Водень може спонтанно реагувати при кімнатній температурі з хлором та фтором з утворенням відповідних галогенідів водню, хлористого водню та фтористого водню, які також є потенційно небезпечними кислотами.

Рівні енергії електронів

Рівень енергії основного стану електрона в атомі водню становить -13,6 еВ, що еквівалентно ультрафіолетовому фотону з довжиною хвилі близько 91 нм. Енергетичні рівніводню можуть бути розраховані досить точно з використанням борівської моделі атома, що концептуалізує електрон як «орбітальний» протон за аналогією із земною орбітою Сонця. Однак атомний електрон і протон утримуються разом електромагнітною силою, а планети та небесні об'єкти утримуються гравітацією. Через дискретизацію кутового моменту, постулюваного в ранній квантової механікиБором, електрон у моделі Бора може займати лише певні допустимі відстані від протона і, отже, лише певні допустимі енергії. Точніший опис атома водню походить з чисто квантовомеханічної обробки, в якій використовується рівняння Шредінгера, рівняння Дірака або навіть інтегральна схема Фейнмана для обчислення щільності розподілу ймовірності електрона навколо протона. Найбільш складні методи обробки дозволяють отримати невеликі ефекти спеціальної теоріївідносності та поляризації вакууму. У квантовій механічній обробці електрон в атомі водню основного стану взагалі не має обертального моменту, що ілюструє, як «планетарна орбіта» відрізняється від руху електрона.

Елементарні молекулярні форми

Існують два різні спінові ізомери двоатомних молекул водню, які відрізняються відносним спином їх ядер. В ортоводородной формі, спини двох протонів паралельні і утворюють триплетний стан з молекулярним спіновим квантовим числом 1 (1/2 + 1/2); у формі параводню, спини антипаралельні і утворюють синглет з молекулярним спіновим квантовим числом 0 (1/2 1/2). При стандартній температурі та тиску газоподібний водень містить близько 25% пара-форми і 75% орто-форми, також відомої як «нормальна форма» . Рівноважне відношення ортоводороду до пароводню залежить від температури, але оскільки орто-форма є збудженим станом і має більш високу енергію, ніж пара-форма, вона нестійка і не може бути очищена. При дуже низьких температурах стан рівноваги складається майже виключно з пара-форми. Теплові властивостірідкої та газової фази чистого пароводню значно відрізняються від властивостей нормальної форми через відмінності у обертальних теплоємностях, що більш докладно обговорюється у спінових ізомерах водню. Орто/парна відмінність також зустрічається в інших водневмісних молекулах або функціональних групах, таких як вода і метилен, але це має мале значення для їх теплових властивостей. Некаталізоване взаємоперетворення між парою та орто H2 збільшується з підвищенням температури; таким чином, швидко сконденсована Н2 містить великі кількостіортогональної форми високих енергій, яка дуже повільно перетворюється на пара-форму. Коефіцієнт орто/пари в конденсованому H2 є важливим фактором при приготуванні та зберіганні рідкого водню: перетворення з орто на пару є екзотермічним і дає достатньо тепла для випаровування частини водневої рідини, що призводить до втрати зрідженого матеріалу. Каталізатори для орто-пара-конверсії, такі як оксид заліза, активоване вугілля, платинований азбест, рідкісноземельні метали, сполуки урану, оксид хрому або деякі сполуки нікелю, що використовуються при охолодженні воднем.

Фази

    Газоподібний водень

    Рідкий водень

    Шугоподібний водень

    Твердий водень

    Металевий водень

З'єднання

Ковалентні та органічні сполуки

У той час як H2 не дуже реакційноздатний у стандартних умовах, він утворює сполуки з більшістю елементів. Водень може утворювати сполуки з елементами, які є електронегативними, такими як галогени (наприклад, F, Cl, Br, I) або кисень; у цих сполуках водень приймає частковий позитивний заряд. При зв'язуванні з фтором, киснем або азотом водень може брати участь у формі нековалентного зв'язку середньої сили з воднем інших подібних молекул, явище, зване водневим зв'язком, яке має вирішальне значення для стійкості багатьох біологічних молекул. Водень також утворює сполуки з меншими електронегативними елементами, такими як метали і металоїди, де він приймає частковий негативний заряд. Ці сполуки часто відомі як гідриди. Водень утворює безліч сполук з вуглецем, звані вуглеводнями, і ще більша кількість сполук – з гетероатомами, які, через їхній спільний зв'язок з живими істотами, називаються органічними сполуками. Вивченням їх властивостей органічна хімія, та його дослідження у тих живих організмів відомо як біохімія . За деякими визначеннями, органічні сполуки повинні містити тільки вуглець. Однак, більшість з них також містять водень, і оскільки це вуглець-водневий зв'язок, який надає цьому класу сполук більшу частину їх конкретних хімічних характеристик, вуглець-водневі зв'язки потрібні в деяких визначеннях слова "органічні" в хімії. Відомі мільйони вуглеводнів, і зазвичай утворюються складними синтетичними шляхами, які рідко включають елементарний водень.

Гідриди

Сполуки водню часто називають гідридами. Термін «гідрид» передбачає, що атом Н набув негативного або аніонного характеру, позначений H-, і використовується, коли водень утворює з'єднання з більш електропозитивним елементом. Існування гідридного аніону, запропоноване Гілбертом Н. Льюїсом в 1916 для солевмісних гідридів групи 1 і 2, було продемонстровано Моерсом в 1920 р. електролізом розплавленого гідриду літію (LiH), виробляючи стехіометричну кількість водню на анод. Для гідридів, відмінних від металів групи 1 і 2, цей термін вводить в оману з огляду на низьку електронегативність водню. Винятком у гідридах групи 2 є BeH2, який є полімерним. У літійалюмінійгідриді AlH-4 аніон несе гідридні центри, міцно прикріплені до Al (III). Хоча гідриди можуть утворюватися майже у всіх елементах основної групи, кількість та комбінація можливих сполук сильно різняться; наприклад, відомо більше 100 бінарних гідридів борану і лише один бінарний гідрид алюмінію. Бінарний гідрид ще не ідентифікований, хоча існують великі комплекси. У неорганічній хімії, гідриди можуть також служити як місткові ліганди, які пов'язують два металеві центри в координаційному комплексі. Ця функція особливо характерна для елементів групи 13, особливо в боранах (гідридах бору) та алюмінієвих комплексах, а також кластеризованих карборанах.

Протони та кислоти

Окислення водню видаляє його електрон і дає Н+, який не містить електронів та ядра, яке зазвичай складається з одного протону. Саме тому H+ часто називають протоном. Цей вид є центральним обговорення кислот. Згідно з теорією Бронстеда-Лоурі, кислоти є донорами протонів, а основи є акцепторами протонів. Голий протон, H+, не може існувати в розчині або в іонних кристалах через його непереборне тяжіння до інших атомів або молекул з електронами. За винятком високих температур, пов'язаних із плазмою, такі протони не можуть бути видалені з електронних хмар атомів та молекул і залишатимуться прикріпленими до них. Однак термін «протон» іноді використовується метафорично для позначення позитивно зарядженого або катіонного водню, приєднаного до інших видів таким чином, і як такий, позначається як «Н+» без будь-якого значення, що будь-які окремі протони існують вільно як вид. Щоб уникнути появи голого «сольватованого протона» у розчині, іноді вважається, що кислі водні розчини містять менш малоймовірні фіктивні види, які називають «іоном гідроніуму» (H 3О+). Однак навіть у цьому випадку такі сольватовані катіони водню більш реалістично сприймаються як організовані кластери, які утворюють види, близькі до H 9O+4. Інші іони оксонію виявляються, коли вода знаходиться в кислому розчині з іншими розчинниками. Незважаючи на свою екзотичність на Землі, одним із найпоширеніших іонів у Всесвіті є H+3, відомий як протонований молекулярний водень або катіон тригідрогена.

Ізотопи

Водень має три природні ізотопи, позначених 1H, 2H і 3H. Інші сильно нестійкі ядра (від 4H до 7H) були синтезовані в лабораторії, але не спостерігалися в природі. 1H є найпоширенішим ізотопом водню з поширеністю понад 99,98%. Оскільки ядро ​​цього ізотопу складається тільки з одного протона, йому дається описове, але формальне ім'я протий, що рідко використовується. 2H, інший стабільний ізотоп водню, відомий як дейтерій і містить один протон та один нейтрон в ядрі. Вважається, що весь дейтерій у Всесвіті був зроблений під час Великого вибуху і існує з того часу досі. Дейтерій не є радіоактивним елементом і не становить значної небезпеки токсичності. Вода, збагачена молекулами, які включають дейтерій замість нормального водню, називається тяжкою водою. Дейтерій та його сполуки використовуються як нерадіоактивна мітка в хімічних експериментах та в розчинниках для 1H-ЯМР-спектроскопії. Тяжка вода використовується як сповільнювач нейтронів і рідина, що охолоджує, для ядерних реакторів. Дейтерій є потенційним паливом для комерційного ядерного синтезу. 3H відомий як тритій і містить один протон і два нейтрони в ядрі. Він радіоактивний, розпадається на гелій-3 через бета-розпад із періодом напіврозпаду 12,32 року. Він настільки радіоактивний, що його можна використовувати в фарбі, що світиться, що робить його корисним при виготовленні, наприклад, годинника зі циферблатом, що світиться. Скло запобігає виходу невеликої кількості випромінювання. Невелика кількість тритію утворюється природним шляхом взаємодії космічних променів з атмосферними газами; тритій також вивільнявся під час випробувань ядерної зброї. Він використовується в реакціях ядерного синтезу як індикатор ізотопної геохімії та спеціалізованих освітлювальних пристроях з автономним живленням. Тритій також використовувався в експериментах з хімічного та біологічного маркування як радіоактивну мітку. Водень є єдиним елементом, який має різні назви для його ізотопів, які сьогодні широко використовуються. Під час раннього вивчення радіоактивності різним важким радіоактивним ізотопам давалися власні назвиале такі назви більше не використовуються, за винятком дейтерію і тритію. Символи D і T (замість 2H і 3H) іноді використовуються для дейтерію та тритію, але відповідний символ для протию P вже використовується для фосфору і, отже, недоступний для протию . У своїх номенклатурних керівних принципах Міжнародний союз чистої та прикладної хімії дозволяє використовувати будь-які символи з D, T, 2H та 3H, хоча переважними є 2H та 3H. Екзотичний атом мюоній (символ Mu), що складається з антимюону та електрона, також іноді розглядається як легкий радіоізотоп водню через різницю мас між антимюоном та електроном, який був виявлений у 1960 році. Під час життя мюона, 2,2 мкс, мюоній може входити в такі сполуки, як хлорид мюонію (MuCl) або мюонід натрію (NaMu), аналогічно водню хлориду і гідриду натрію відповідно.

Історія

Відкриття та використання

У 1671 році Роберт Бойл відкрив і описав реакцію між залізною тирсою і розведеними кислотами, що призводить до отримання газоподібного водню. У 1766 році Генрі Кавендіш першим визнав водневий газ як дискретну речовину, назвавши цей газ через метал-кислотну реакцію «займистим повітрям». Він припустив, що «займисте повітря» було фактично ідентичне гіпотетичній речовині, названій «флогістоном», і ще раз виявив у 1781 році, що газ виробляє воду при спалюванні. Вважається, що він відкрив водень як елемент. В 1783 Антуан Лавуазьє дав цьому елементу назву водень (від грецького ὑδρο-hydro означає «вода» і -γενής гени, що означає «творець»), коли він і Лаплас відтворили дані Кавендіша про те, що при спалюванні водню утворюється вода. Лавуазьє виробляв водень для своїх експериментів зі збереження маси шляхом реакції потоку пари з металевим залізом через лампу розжарювання, нагріту у вогні. Анаеробне окислення заліза протонами води за високої температури може бути схематично представлено набором наступних реакцій:

    Fe + H2O → FeO + H2

    2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

    3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Багато металів, таких як цирконій, піддаються аналогічній реакції з водою, що призводить до одержання водню. Водень був зріджений вперше Джеймсом Дьюаром в 1898 з використанням регенеративного охолодження і його винаходу, вакуумної колби. Наступного року він виготовив твердий водень. Дейтерій був виявлений у грудні 1931 Гарольдом Юреєм, а тритій був підготовлений в 1934 Ернестом Рутерфордом, Марком Оліфантом і Полом Хартеком. Тяжка вода, яка складається з дейтерію замість звичайного водню, була виявлена ​​групою Юрея у 1932 році. Франсуа Ісаак де Ріваз побудував перший двигун «Ріваз», двигун внутрішнього згоряння, що приводиться в рух воднем та киснем, у 1806 році. Едвард Даніель Кларк винайшов водневу газову трубу у 1819 році. Кресало Деберейнера (перша повноцінна запальничка) було винайдено в 1823 році. Перший водневий балон був винайдений Жаком Чарльзом у 1783 році. Водень забезпечив підйом першої надійної форми повітряного руху після винаходу в 1852 першого піднятого воднем дирижабля Анрі Гіффарда. Німецький граф Фердинанд фон Цепелін просував ідею жорстких дирижаблів, що піднімаються в повітря воднем, які пізніше називалися Цепелін; перший з них вперше злетів у повітря 1900 року. Регулярно заплановані рейси розпочалися 1910 року і на початок Першої світової війни у ​​серпні 1914 року вони перенесли 35000 пасажирів без серйозних інцидентів. Під час війни водневі дирижаблі використовувалися як спостережні платформи і бомбардувальники. Перший безпосадковий трансатлантичний переліт був зроблений британським дирижаблем R34 у 1919 році. Регулярне пасажирське обслуговування відновилося в 1920-х роках, і відкриття запасів гелію в Сполучених Штатах мало підвищити безпеку перельотів, але уряд США відмовився продавати газ для цієї мети, тому H2 використовувався в дирижаблі Гінденбурга, який був знищений внаслідок пожежі в Мілані в Нью -Джерсі 6 травня 1937 року. Інцидент транслювався у прямому ефірі по радіо та проводилися відеозйомки. Широко передбачалося, що причиною займання був витік водню, проте подальші дослідження вказують на запалення алюмінієвого тканинного покриття статичною електрикою. Але на той час репутації водню як підйомного газу було вже завдано шкоди. У тому ж році, вступив в експлуатацію перший воднево-охолодний турбогенератор з газоподібним воднем як холодоагент в роторі і статором в 1937 році в Дейтоні, Огайо, компанією Dayton Power & Light Co; через теплопровідність водневого газу, це найпоширеніший газ для використання у цій галузі сьогодні. Нікель-воднева батарея була вперше використана в 1977 на борту навігаційного технологічного супутника-2 США (NTS-2). МКС, Mars Odyssey та Mars Global Surveyor оснащені нікель-водневими батареями. У темній частині своєї орбіти, Космічний телескоп Хаббла також харчується нікель-водневими батареями, які були остаточно замінені у травні 2009 року, більш ніж через 19 років після запуску та через 13 років після їхнього проектування.

Роль у квантовій теорії

Через свою просту атомну структуру, що складається тільки з протона і електрона, атом водню разом зі спектром світла, створеного з нього або поглиненого ним, був центральним у розвитку теорії атомної структури. Крім того, вивчення відповідної простоти молекули водню і відповідного катіону Н+2 призвело до розуміння природи хімічного зв'язку, яка невдовзі була фізичною обробкою атома водню в квантовій механіці в середині 2020 р. Одним з перших квантових ефектів, які явно спостерігалися (але не були в той час), було спостереження Максвелла за участю водню за півстоліття до того, як з'явилася повна квантовомеханічна теорія. Максвел відзначив, що питома теплоємністьН2 незворотно відходить від двоатомного газу нижче за кімнатну температуру і починає все більше нагадувати питому теплоємність одноатомного газу при кріогенних температурах. Згідно квантової теорії, така поведінка виникає через відстань (квантованих) рівнів обертальної енергії, які особливо широко розставлені в H2 через його низьку масу. Ці широко розставлені рівні перешкоджають рівному поділу теплової енергії на обертальний рух водню при низьких температурах. Діатомові гази, що складаються з більш важких атомів, не мають таких широко розставлених рівнів і не мають такого ж ефекту. Антиводень є антиматеріальним аналогом водню. Він складається з антипротону із позитроном. Антиводень є єдиним типом атома антиречовини, отриманого станом на 2015 рік.

Знаходження у природі

Водень є найпоширенішим хімічним елементом у Всесвіті, становлячи 75% нормальної речовини за масою та понад 90% за кількістю атомів. (Більшість маси всесвіту, однак, знаходиться не у формі цього хімічного елемента, А вважається, що має ще невиявлені форми маси, такі як темна матерія і темна енергія.) Цей елемент знаходиться у великому достатку в зірках та газових гігантах. Молекулярні хмари Н2 пов'язані із зіркоутворенням. Водень відіграє життєво важливу роль при включенні зірок через протон-протонну реакцію та ядерний синтез циклу CNO. У всьому світі водень зустрічається, в основному, в атомному та плазмовому станах з властивостями, зовсім відмінними від властивостей молекулярного водню. Як плазма, електрон і протон водню не пов'язані один з одним, що призводить до дуже високої електропровідності та високої випромінювальної здатності (виробляючи світло від Сонця та інших зірок). На заряджені частинки сильно впливають магнітні та електричні поля. Наприклад, у сонячному вітрі вони взаємодіють із магнітосферою Землі, створюючи течії Біркеланда та полярне сяйво. Водень знаходиться в нейтральному атомному стані в міжзоряному середовищі. Вважається, що велика кількість нейтрального водню, виявленого в затухаючих системах Лімана-альфа, домінує в космологічній баріонній щільності Всесвіту до червоного зміщення z = 4. У звичайних умовах на Землі елементарний водень існує як двоатомний газ, H2. Однак водневий газ дуже рідкісний у земній атмосфері (1 чнм за обсягом) через його легкої ваги, що дозволяє йому легше долати гравітацію Землі, ніж важкі гази. Однак водень є третім найпоширенішим елементом на поверхні Землі, існуючи в основному у вигляді хімічних сполук, таких як вуглеводні та вода. Водневий газ утворюється деякими бактеріями та водоростями і є природним компонентом флюту, як і метан, який є все більш значущим джерелом водню. Молекулярна форма, яка називається протонованим молекулярним воднем (H+3), знаходиться в міжзоряному середовищі, де вона генерується іонізацією молекулярного водню з космічних променів. Цей заряджений іон також був у верхній атмосфері планети Юпітер. Іон відносно стійкий навколишньому середовищічерез низьку температуру і щільність. H+3 є одним із найпоширеніших іонів у Всесвіті і відіграє помітну роль у хімії міжзоряного середовища. Нейтральний тріатомний водень H3 може існувати лише у збудженій формі та нестійкий. Навпаки, позитивний молекулярний іон водню (Н+2) є рідкісною молекулою у Всесвіті.

Виробництво водню

H2 виробляється в хімічних та біологічних лабораторіях, часто як побічний продукт інших реакцій; у промисловості для гідрування ненасичених субстратів; й у природі як витіснення відновлювальних еквівалентів у біохімічних реакціях.

Паровий риформінг

Водень може бути отриманий декількома способами, але економічно найважливіші процеси включають видалення водню з вуглеводнів, так як близько 95% виробництва водню в 2000 надійшло з парового риформінгу. Комерційно, великі обсяги водню зазвичай одержують шляхом парового риформінгу природного газу. При високих температурах(1000-1400 K, 700-1100 °C або 1300-2000 °F) пар (водяна пара) реагує з метаном з одержанням монооксиду вуглецю та H2.

    СН4 + H2O → CO + 3 H2

Ця реакція краще проходить при низьких тисках, але її можна проводити і при високих тисках (2,0 МПа, 20 атм або 600 дюймів ртутного стовпа). Це пов'язано з тим, що H2 з високим тиском є ​​найпопулярнішим продуктом, а системи очищення від перегріву під тиском краще працюють при більш високих тисках. Суміш продуктів відома як «синтез-газ», оскільки вона часто використовується безпосередньо для одержання метанолу та споріднених сполук. Вуглеводні, відмінні від метану, можуть бути використані для отримання синтез-газу з різними співвідношеннями продуктів. Одним із численних ускладнень цієї високооптимізованої технології є утворення коксу або вуглецю:

    СН4 → C + 2 H2

Отже, паровий риформінг зазвичай використовує надлишок H2О. Додатковий водень може бути вилучений з пари з використанням вуглецю монооксиду через реакцію зміщення водяного газу, особливо з використанням каталізатора оксиду заліза. Ця реакція також є загальним промисловим джерелом вуглекислого газу:

    CO + H2O → CO2 + H2

Інші важливі методи H2 включають часткове окислення вуглеводнів:

    2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

І реакція вугілля, яка може бути прелюдією до реакції зсуву, описаної вище:

    C + H2O → CO + H2

Іноді водень виробляється і споживається у тому промисловому процесі, без поділу. У процесі Хабер для виробництва аміаку, водень генерується з природного газу. Електроліз сольового розчину для отримання хлору також призводить до утворення водню як побічний продукт.

Металева кислота

У лабораторії Н2 зазвичай отримують реакцією розведених неокисляючих кислот на деякі реакційноздатні метали, такі як цинк з апаратом Кіппа.

    Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

Алюміній також може виробляти H2 при обробці основами:

    2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

Електроліз води є простим способом отримання водню. Через воду протікає струм низької напруги, і аноді утворюється газоподібний кисень, тоді як і катоді утворюється газоподібний водень. Зазвичай катод виготовляють із платини або іншого інертного металу під час виробництва водню для зберігання. Якщо, однак, газ повинен бути спалений на місці, для сприяння згорянню бажано наявність кисню, і тому обидва електроди будуть виготовлені з інертних металів. (Наприклад, залізо окислюється і, отже, зменшує кількість кисню, що виділяється). Теоретична максимальна ефективність (електрика, що використовується по відношенню до енергетичної величини водню, що виробляється) знаходиться в діапазоні 80-94%.

    2 Н2О (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Сплав алюмінію та галію у формі гранул, доданих у воду, можна використовувати для отримання водню. Цей процес також виробляє оксид алюмінію, але дорогий галій, який запобігає утворенню оксидної шкіри на гранулах, може бути повторно використаний. Це має важливі потенційні наслідки для економіки водню, оскільки водень може бути отриманий на місці і не потребує транспортування.

Термохімічні властивості

Існує більше 200 термохімічних циклів, які можна використовувати для поділу води, близько дюжини цих циклів, такі, як цикл оксиду заліза, цикл оксиду церію (IV) оксиду церію (III), цинк-оксидний цинк, цикл сірчаного йоду, цикл міді та хлору та гібридний цикл сірки, знаходяться на стадії дослідження та на стадії випробувань для отримання водню та кисню з води та тепла без використання електрики. Ряд лабораторій (у тому числі у Франції, Німеччині, Греції, Японії та США) розробляють термохімічні методи отримання водню із сонячної енергії та води.

Анаеробна корозія

В анаеробних умовах залізо та сталеві сплави повільно окислюються протонами води, одночасно відновлюючись у молекулярному водні (H2). Анаеробна корозія заліза призводить спочатку до утворення гідроксиду заліза (зелена іржа) і може бути описана наступною реакцією: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. У свою чергу, в анаеробних умовах гідроксид заліза (Fe(OH)2) може бути окислений протонами води з утворенням магнетиту та молекулярного водню. Цей процес описується реакцією Шикорра: 3 Fe(OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 гідроксид заліза → магній + вода + водень. Добре кристалізований магнетит (Fe3O4) термодинамічно стійкіший, ніж гідроксид заліза (Fe(OH)2). Цей процес відбувається під час анаеробної корозії заліза і сталі в безкисневих ґрунтових водахі за відновлення грунтів нижче рівня грунтових вод.

Геологічне походження: реакція серпентинізації

За відсутності кисню (O2) у глибоких геологічних умов, що переважають далеко від атмосфери Землі, водень (H2) утворюється в процесі серпентинізації шляхом анаеробного окислення протонами води (H+) силікату заліза (Fe2 +), що присутній у кристалічній решітці фаяліту (Fe2SiO4, мінал олівін-заліза). Відповідна реакція, що призводить до утворення магнетиту (Fe3O4), кварцу (SiO2) та водню (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 фаяліт + вода → магнетит + кварц + водень. Ця реакція дуже нагадує реакцію Шикорра, яка спостерігається при анаеробному окисленні гідроксиду заліза в контакті з водою.

Формування у трансформаторах

З усіх небезпечних газів, що утворюються в силових трансформаторах, водень є найпоширенішим і генерується здебільшого несправностей; таким чином, освіта водню є ранньою ознакою серйозних проблем у життєвому циклі трансформатора.

Застосування

Споживання у різних процесах

Великі кількості H2 необхідні у нафтовій та хімічній промисловості. Найбільшою мірою H2 застосовується для переробки («модернізації») викопного палива і для виробництва аміаку. На нафтохімічних заводах, H2 використовується при гідродеалкілуванні, гідродесульфуванні та гідрокрекінгу. H2 має декілька інших важливих застосувань. H2 використовується як гідрувальний агент, зокрема, для підвищення рівня насичення ненасичених жирів і масел (виявлених у таких предметах, як маргарин), і у виробництві метанолу. Це також джерело водню під час виробництва соляної кислоти. Н2 також використовується як відновник металевих руд. Водень є високорозчинною речовиною в багатьох рідкісноземельних і перехідних металах і розчинний як у нанокристалічних, так і в аморфних металах. Розчинність водню в металах залежить від локальних спотворень або домішок у кристалічній решітці. Це може бути корисно, коли водень очищається шляхом проходження через гарячі паладієві диски, але висока розчинність газу є металургійною проблемою, що сприяє крихкій багатьох металів, ускладнюючи проектування трубопроводів і резервуарів для зберігання. Крім використання як реагент, H2 має широке застосування у фізиці та техніці. Він використовується як захисний газ у методах зварювання, таких як атомно-водневе зварювання. H2 використовується як охолоджувальна рідина ротора в електричних генераторах на електростанціях, оскільки він має найвищу теплопровідність серед усіх газів. Рідкий H2 використовується в кріогенних дослідженнях, включаючи дослідження надпровідності. Оскільки Н2 легше повітря, маючи трохи більше 1/14 від щільності повітря, він колись широко використовувався як газ, що піднімає в повітряних кулях і дирижаблях. У новіших застосуваннях, водень використовується в чистому вигляді або змішується з азотом (іноді званим формувальним газом) в якості газу-індикатора для миттєвого виявлення витоку. Водень застосовується в автомобільній, хімічній, енергетичній, аерокосмічній та телекомунікаційній галузях. Водень – це дозволена харчова добавка (E 949), яка дозволяє проводити випробування на герметичність харчових продуктів, крім інших антиокислювальних властивостей. Рідкісні ізотопи водню також мають конкретні застосування. Дейтерій (водень-2) використовується в додатках ядерного поділу як сповільнювач повільних нейтронів та в реакціях ядерного синтезу. Сполуки дейтерію застосовуються в галузі хімії та біології при дослідженнях ізотопних ефектів реакції. Тритій (водень-3), що виробляється в ядерних реакторах, використовується у виробництві водневих бомб, як ізотопна мітка в біологічних науках, і як джерело випромінювання в фарбах, що світяться. Температура потрійної точки рівноважного водню є визначальною нерухомою точкою температурної шкалі ITS-90 при 13,8033 кельвінах.

Охолоджувальне середовище

Водень зазвичай використовується на електростанціях як холодоагент в генераторах через низку сприятливих властивостей, які є прямим результатом його легких двоатомних молекул. До них відносяться низька щільність, низька в'язкість та максимальна питома теплоємність та теплопровідність серед усіх газів.

Енергетичний носій

Водень не є енергетичним ресурсом, за винятком гіпотетичного контексту комерційних термоядерних електростанцій, що використовують дейтерій або тритій, причому ця технологія в даний час далека від розвитку. Енергія Сонця походить від ядерного синтезу водню, але цей процес важко досягти на Землі. Елементарний водень із сонячних, біологічних або електричних джерел потребує більше енергії для його виробництва, ніж витрачається при його спалюванні, тому в цих випадках водень функціонує як носій енергії за аналогією з батареєю. Водень може бути отриманий з копалин (таких як метан), але ці джерела є вичерпними. Щільність енергії на одиницю об'єму як рідкого водню, так і стисненого газоподібного водню за будь-якого практично досяжного тиску значно менше, ніж у традиційних джерел енергії, хоча щільність енергії на одиницю маси палива вища. Проте елементний водень широко обговорювався в контексті енергетики як можливий майбутній носій енергії в масштабах усієї економіки. Наприклад, секвестрація СО2 з подальшим уловлюванням та зберіганням вуглецю може бути проведена в точці виробництва H2 з копалин палива. Водень, що використовується при транспортуванні, горітиме відносно чисто, з деякими викидами NOx, але без викидів вуглецю. Проте вартість інфраструктури, пов'язана з повною конверсією у водневу економіку, буде суттєвою. Паливні елементи можуть перетворювати водень і кисень безпосередньо на електрику ефективніше, ніж двигуни внутрішнього згоряння.

Напівпровідникова промисловість

Водень використовується для насичення обірваних зв'язків аморфного кремнію та аморфного вуглецю, що допомагає стабілізувати властивості матеріалу. Він також є потенційним донором електронів у різних оксидних матеріалах, включаючи ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 та Sr.

Біологічні реакції

H2 є продуктом деяких видів анаеробного метаболізму і виробляється кількома мікроорганізмами, зазвичай за допомогою реакцій, що каталізуються залізо або нікельсодержащими ферментами, званими гідрогеназами. Ці ферменти каталізують оборотну окислювально-відновну реакцію між Н2 та його компонентами – двома протонами та двома електронами. Створення газоподібного водню відбувається під час передачі відновлювальних еквівалентів, що утворюються при ферментації пірувату у воду. Природний цикл виробництва та споживання водню організмами називається водневим циклом. Розщеплення води, процес, коли вода розкладається на складові її протони, електрони і кисень, відбувається у світлових реакціях в усіх фотосинтезирующих організмів. Деякі такі організми, у тому числі водорості Chlamydomonas Reinhardtii та cyanobacteria, розвинули другу стадію в темних реакціях, у яких протони та електрони відновлюються з утворенням H2-газу спеціалізованими гідрогеназами у хлоропласті. Були зроблені спроби генетично модифікувати ціанобактеріальні гідрази для ефективного синтезу газоподібного H2 навіть у присутності кисню. Також було зроблено зусилля з використанням генетично модифікованої водорості в біореакторі.