ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Водород - первый элемент Периодической таблицы. Обозначение - H от латинского «hydrogenium». Расположен в первом периоде, IА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 1.

Водород является одним из наиболее распространенных химических элементов - его доля составляет около 1% от массы всех трех оболочек земной коры (атмосферы, гидросферы и литосферы), что при пересчете на атомные проценты дает цифру 17,0.

Основное количество этого элемента находится в связанном состоянии. Так, вода содержит около 11 вес. %, глина - около 1,5% и т.д. В виде соединений с углеродом водород входит в состав нефти, горючих природных газов и всех организмов.

Водород представляет собой газ без цвета и запаха (схема строения атома представлена на рис. 1). Его температуры плавления и кипения лежат весьма низко (-259 o С и -253 o С соответственно). При температуре (-240 o С) и под давлением водород способен сжижаться, а при быстром испарении полученной жидкости переходить в твердое состояние (прозрачные кристаллы). В воде он растворим незначительно - 2:100 по объему. Характерна для водорода растворимость в некоторых металлах, например, в железе.

Рис. 1. Строение атома водорода.

Атомная и молекулярная масса водорода

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительной атомной массой элемента называют отношение массы атома данного элемента к 1/12 массы атома углерода.

Относительная атомная масса безразмерна и обозначается A r (индекс «r» — начальная буква английского слова relative, что в переводе означает «относительный»). Относительная атомная масса атомарного водорода равна 1,008 а.е.м.

Массы молекул, также как массы атомов выражаются в атомных единицах массы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Молекулярной массой вещества называется масса молекулы, выраженная в атомных единицах массы. Относительной молекулярной массой вещества называют отношение массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода, масса которого равна 12 а.е.м.

Известно, что молекула водорода двухатомна - H 2 . Относительная молекулярная масса молекулы водорода будет равна:

M r (H 2) = 1,008 × 2 = 2,016.

Изотопы водорода

Водород имеет три изотопа: протий 1 H, дейтерий 2 Н или D и тритий 3 Н или Т. Их массовые числа равны 1, 2 и 3. Протий и дейтерий стабильны, тритий - радиоактивен (период полураспада 12,5 лет). В природных соединениях дейтерий и протий в среднем содержатся в отношении 1:6800 (по числу атомов). Тритий находится в природе в ничтожно малых количествах.

Ядро атома водорода 1 H содержит один протон. Ядра дейтерия и трития включают кроме протона один и два нейтрона.

Ионы водорода

Атом водорода может либо отдавать свой единственный электрон с образованием положительного иона (представляющего собой «голый» протон), либо присоединять один электрон, переходя в отрицательный ион, имеющий гелийную электронную конфигурацию.

Полный отрыв электрона от атома водорода требует затраты очень большой энергии ионизации:

Н + 315 ккал = Н + + е.

Вследствие этого при взаимодействии водорода с металлоидаими возникают не ионные, а лишь полярные связи.

Тенденция того или иного нейтрального атома к присоединению избыточного электрона характеризуется значением его сродства к электрону. У водорода оно выражено довольно слабо (однако это не говорит о невозможности существования такого иона водорода):

Н + е = Н — + 19 ккал.

Молекула и атом водорода

Молекула водорода состоит из двух атомов - Н 2 . Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу водорода:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Занимает первое место в периодической системе химических элементов Менделеева и обозначается символом H.

Читайте статью и заходите на сайт www.h2miraclewater-russia.ru для получения более подробной информации о водородных аппаратах и водородной воде.

В трудах химиков 16 и 17 веков неоднократно упоминалось о выделении горючего газа при действии кислот на металлы. В 1766 году Г. Кавендиш собрал и исследовал выделяющийся газ, назвав его "горючий воздух". Будучи сторонником теории флогистона, Кавендиш полагал, что этот газ и есть чистый флогистон. В 1783 году А. Лавуазье путем анализа и синтеза воды доказал сложность ее состава, а в 1787 определил "горючий воздух" как новый химический элемент (Водород) и дал ему современное название hydrogene (от греч. hydor - вода и gennao - рождаю), что означает "рождающий воду"; этот корень употребляется в названиях соединений Водорода и процессов с его участием (например, гидриды, гидрогенизация). Современное русское наименование "Водород" было предложено М. Ф. Соловьевым в 1824 году.

Распространение Водорода в природе. Водород широко распространен в природе, его содержание в земной коре (литосфера и гидросфера) составляет по массе 1%, а по числу атомов 16%. Водород входит в состав самого распространенного вещества на Земле - воды (11,19% Водорода по массе), в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, глины, а также организмы животных и растений (то есть в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других). В свободном состоянии Водород встречается крайне редко, в небольших количествах он содержится в вулканических и других природных газах. Ничтожные количества свободного Водорода (0,0001% по числу атомов) присутствуют в атмосфере. В околоземном пространстве Водород в виде потока протонов образует внутренний ("протонный") радиационный пояс Земли. В космосе Водород является самым распространенным элементом. В виде плазмы он составляет около половины массы Солнца и большинства звезд, основную часть газов межзвездной среды и газовых туманностей. Водород присутствует в атмосфере ряда планет и в кометах в виде свободного Н 2 , метана СН 4 , аммиака NH 3 , воды Н 2 О, радикалов типа CH, NH, OH, SiH, PH и т. д. В виде потока протонов Водород входит в состав корпускулярного излучения Солнца и космических лучей.

Изотопы, атом и молекула Водорода. Обыкновенный Водород состоит из смеси 2 устойчивых изотопов: легкого Водорода, или протия (1 H), и тяжелого Водорода, или дейтерия (2 Н, или D). В природных соединениях Водорода на 1 атом 2 Н приходится в среднем 6800 атомов 1 Н. Радиоактивный изотоп с массовым числом 3 называют сверхтяжелым Водородом, или тритием (3 Н, или Т), с мягким β-излучением и периодом полураспада T ½ = 12,262 года. В природе тритий образуется, например, из атмосферного азота под действием нейтронов космических лучей; в атмосфере его ничтожно мало (4·10 -15 % от общего числа атомов Водорода). Получен крайне неустойчивый изотоп 4 Н. Массовые числа изотопов 1 Н, 2 Н, 3 Н и 4 Н, соответственно 1, 2, 3 и 4, указывают на то, что ядро атома протия содержит только один протон, дейтерия - один протон и один нейтрон, трития - один протон и 2 нейтрона, 4 Н - один протон и 3 нейтрона. Большое различие масс изотопов Водорода обусловливает более заметное различие их физических и химических свойств, чем в случае изотопов других элементов.

Атом Водорода имеет наиболее простое строение среди атомов всех других элементов: он состоит из ядра и одного электрона. Энергия связи электрона с ядром (потенциал ионизации) составляет 13,595 эв. Нейтральный атом Водород может присоединять и второй электрон, образуя отрицательный ион Н - при этом энергия связи второго электрона с нейтральным атомом (сродство к электрону) составляет 0,78 эв. Квантовая механика позволяет рассчитать все возможные энергетические уровни атома Водород, а следовательно, дать полную интерпретацию его атомного спектра. Атом Водорода используется как модельный в квантовомеханических расчетах энергетических уровней других, более сложных атомов.

Молекула Водород Н 2 состоит из двух атомов, соединенных ковалентной химической связью. Энергия диссоциации (то есть распада на атомы) составляет 4,776 эв. Межатомное расстояние при равновесном положении ядер равно 0,7414Å. При высоких температурах молекулярный Водород диссоциирует на атомы (степень диссоциации при 2000°С 0,0013, при 5000°С 0,95). Атомарный Водород образуется также в различных химических реакциях (например, действием Zn на соляную кислоту). Однако существование Водорода в атомарном состоянии длится лишь короткое время, атомы рекомбинируют в молекулы Н 2 .

Физические свойства Водорода. Водород - легчайшее из всех известных веществ (в 14,4 раза легче воздуха), плотность 0,0899 г/л при 0°С и 1 атм. Водород кипит (сжижается) и плавится (затвердевает) соответственно при -252,8°С и -259,1°С (только гелий имеет более низкие температуры плавления и кипения). Критическая температура Водорода очень низка (-240°С), поэтому его сжижение сопряжено с большими трудностями; критическое давление 12,8 кгс/см 2 (12,8 атм), критическая плотность 0,0312 г/см 3 . Из всех газов Водород обладает наибольшей теплопроводностью, равной при 0°С и 1 атм 0,174 вт/(м·К), то есть 4,16·10 -4 кал/(с·см·°С). Удельная теплоемкость Водорода при 0°С и 1 атм С p 14,208 кДж/(кг·К), то есть 3,394 кал/(г·°С). Водород мало растворим в воде (0,0182 мл/г при 20°С и 1 атм), но хорошо - во многих металлах (Ni, Pt, Pa и других), особенно в палладии (850 объемов на 1 объем Pd). С растворимостью Водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия Водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Жидкий Водород очень легок (плотность при -253°С 0,0708 г/см 3) и текуч (вязкость при -253°С 13,8 спуаз).

Химические свойства Водорода. В большинстве соединений Водород проявляет валентность (точнее, степень окисления) +1, подобно натрию и другим щелочным металлам; обычно он и рассматривается как аналог этих металлов, возглавляющий I группу системы Менделеева. Однако в гидридах металлов ион Водорода заряжен отрицательно (степень окисления -1), то есть гидрид Na + H - построен подобно хлориду Na + Cl - . Этот и некоторые других факты (близость физических свойств Водорода и галогенов, способность галогенов замещать Водород в органических соединениях) дают основание относить Водород также и к VII группе периодической системы. При обычных условиях молекулярный Водород сравнительно мало активен, непосредственно соединяясь лишь с наиболее активными из неметаллов (с фтором, а на свету и с хлором). Однако при нагревании он вступает в реакции со многими элементами. Атомарный Водород обладает повышенной химические активностью по сравнению с молекулярным. С кислородом Водород образует воду:

Н 2 + 1 / 2 О 2 = Н 2 О

с выделением 285,937 кДж/моль, то есть 68,3174 ккал/моль тепла (при 25°С и 1 атм). При обычных температурах реакция протекает крайне медленно, выше 550°С - со взрывом. Пределы взрывоопасности водородо-кислородной смеси составляют (по объему) от 4 до 94% Н 2 , а водородо-воздушной смеси - от 4 до 74% Н 2 (смесь 2 объемов Н 2 и 1 объема О 2 называется гремучим газом). Водород используется для восстановления многих металлов, так как отнимает кислород у их оксидов:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O,

Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4Н 2 О, и т. д.

С галогенами Водород образует галогеноводороды, например:

Н 2 + Cl 2 = 2НСl.

При этом с фтором Водород взрывается (даже в темноте и при - 252°С), с хлором и бромом реагирует лишь при освещении или нагревании, а с иодом только при нагревании. С азотом Водород взаимодействует с образованием аммиака:

ЗН 2 + N 2 = 2NН 3

лишь на катализаторе и при повышенных температуpax и давлениях. При нагревании Водород энергично реагирует с серой:

Н 2 + S = H 2 S (сероводород),

значительно труднее с селеном и теллуром. С чистым углеродом Водород может реагировать без катализатора только при высоких температуpax:

2Н 2 + С (аморфный) = СН 4 (метан).

Водород непосредственно реагирует с некоторыми металлами (щелочными, щелочноземельными и другими), образуя гидриды:

Н 2 + 2Li = 2LiH.

Важное практическое значение имеют реакции Водорода с оксидом углерода (II), при которых образуются в зависимости от температуры, давления и катализатора различные органические соединения, например НСНО, СН 3 ОН и другие. Ненасыщенные углеводороды реагируют с Водородом, переходя в насыщенные, например:

С n Н 2n + Н 2 = С n Н 2n+2 .

Роль Водород и его соединений в химии исключительно велика. Водород обусловливает кислотные свойства так называемых протонных кислот. Водород склонен образовывать с некоторыми элементами так называемую водородную связь, оказывающую определяющее влияние на свойства многих органических и неорганических соединений.

Получение Водорода. Основные виды сырья для промышленного получения Водорода - газы природные горючие, коксовый газ и газы нефтепереработки. Водород получают также из воды электролизом (в местах с дешевой электроэнергией). Важнейшими способами производства Водорода из природного газа являются каталитическое взаимодействие углеводородов, главным образом метана, с водяным паром (конверсия):

СН 4 + H 2 О = СО + ЗН 2 ,

и неполное окисление углеводородов кислородом:

СН 4 + 1 / 2 О 2 = СО + 2Н 2

Образующийся оксид углерода (II) также подвергается конверсии:

СО + Н 2 О = СО 2 + Н 2 .

Водород, добываемый из природного газа, самый дешевый.

Из коксового газа и газов нефтепереработки Водород выделяют путем удаления остальных компонентов газовой смеси, сжижаемых более легко, чем Водород, при глубоком охлаждении. Электролиз воды ведут постоянным током, пропуская его через раствор КОН или NaOH (кислоты не используются во избежание коррозии стальной аппаратуры). В лабораториях Водород получают электролизом воды, а также по реакции между цинком и соляной кислотой. Однако чаще используют готовый заводской Водород в баллонах.

Применение Водорода. В промышленном масштабе Водород стали получать в конце 18 века для наполнения воздушных шаров. В настоящее время Водород широко применяют в химической промышленности, главным образом для производства аммиака. Крупным потребителем Водорода является также производство метилового и других спиртов, синтетического бензина и других продуктов, получаемых синтезом из Водорода и оксида углерода (II). Водород применяют для гидрогенизации твердого и тяжелого жидкого топлив, жиров и других, для синтеза HCl, для гидроочистки нефтепродуктов, в сварке и резке металлов кислородо-водородным пламенем (температура до 2800°С) и в атомно-водородной сварке (до 4000°С). Очень важное применение в атомной энергетике нашли изотопы Водорода - дейтерий и тритий.

Самый распространенный элемент во вселенной - это водород. В веществе звезд он имеет вид ядер - протонов - и является материалом для термоядерных процессов. Почти половина массы Солнца также состоит из молекул H 2 . Содержание его в земной коре достигает 0,15 % , а атомы присутствуют в составе нефти, природного газа, воды. Вместе с кислородом, азотом и углеродом он является органогенным элементом, входящим в состав всех живых организмов на Земле. В нашей статье мы изучим физические и химические свойства водорода, определим основные области его применения в промышленности и значение в природе.

Положение в периодической системе химических элементов Менделеева

Первый элемент, открывающий периодическую систему - это водород. Его атомная масса составляет 1,0079. Имеет два стабильных (протий и дейтерий) и один радиоактивный изотоп (тритий). Физические свойства определяются местом неметалла в таблице химических элементов. В обычных условиях водород (формула его - H 2) представляет газ, который почти в 15 раз легче воздуха. Строение атома элемента уникально: он состоит только из ядра и одного электрона. Молекула вещества двухатомная, частицы в ней соединяются с помощью ковалентной неполярной связи. Ее энергоемкость достаточно велика - 431 кДж. Это объясняет невысокую химическую активность соединения в обычных условиях. Электронная формула водорода такова: H:H.

Вещество имеет еще целый ряд свойств, аналогов которым нет среди других неметаллов. Рассмотрим некоторые из них.

Растворимость и теплопроводность

Лучше всего проводят тепло металлы, но водород по теплопроводности приближается к ним. Объяснение феномена заключается в очень большой скорости теплового движения легких молекул вещества, поэтому в водородной атмосфере нагретый предмет остывает в 6 раз быстрее, чем на воздухе. Соединение может хорошо растворяться в металлах, например, почти 900 объемов водорода могут быть поглощены одним объемом палладия. Металлы могут вступать с H 2 в химические реакции, в которых проявляются окислительные свойства водорода. В этом случае образуются гидриды:

2Na + H 2 =2 NaH.

В этой реакции атомы элемента принимают электроны от частиц металла, превращаясь в анионы с единичным отрицательным зарядом. Простое вещество H 2 в данном случае является окислителем, что для него обычно не характерно.

Водород как восстановитель

Объединяет металлы и водород не только высокая теплопроводность, но и способность их атомов в химических процессах отдавать собственные электроны, то есть окисляться. Например, основные оксиды вступают в реакции с водородом. Окислительно-восстановительная реакция заканчивается выделением чистого металла и образованием молекул воды:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O.

Взаимодействие вещества с кислородом при нагревании приводит также к получению молекул воды. Процесс является экзотермическим и сопровождается выделением большого количества тепловой энергии. Если газовая смесь H 2 и O 2 реагирует в соотношении 2:1, то ее называют так как при поджигании она взрывается:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O.

Вода является и играет важнейшую роль в формировании гидросферы Земли, климата, погоды. Она обеспечивает круговорот элементов в природе, поддерживает все жизненные процессы организмов - обитателей нашей планеты.

Взаимодействие с неметаллами

Наиболее важные химические свойства водорода - это его реакции с неметаллическими элементами. При нормальных условиях достаточно химически инертны, поэтому вещество может реагировать только с галогенами, например с фтором или хлором, являющимися наиболее активными среди всех неметаллов. Так, смесь фтора и водорода взрывается в темноте или на холоде, а с хлором - при нагревании или на свету. Продуктами реакции будут галогеноводороды, водные растворы которых известны как фторидная и хлоридная кислоты. С взаимодействует при температуре 450-500 градусов, давлении 30-100 мПа и в присутствии катализатора:

N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH₃.

Рассмотренные химические свойства водорода имеют большое значение для промышленности. Например, можно получить ценный химический продукт - аммиак. Он является основным сырьем для получения нитратной кислоты и азотных удобрений: карбамида, нитрата аммония.

Органические вещества

Между углеродом и водородом приводит к получению простейшего углеводорода - метана:

C + 2H 2 = CH 4.

Вещество является важнейшей составной частью природного и Они применяются в качестве ценного вида топлива и сырья для промышленности органического синтеза.

В химии соединений углерода элемент входит в состав огромного количества веществ: алканов, алкенов, углеводов, спиртов и т. д. Известно много реакций органических соединений с молекулами H 2 . Они носят общее название - гидрирование или гидрогенизация. Так, альдегиды можно восстановить водородом до спиртов, непредельные углеводороды - до алканов. Например, этилен превращается в этан:

C 2 H 4 + H 2 = C 2 H 6 .

Важное практическое значение имеют такие химические свойства водорода, как, например, гидрогенизация жидких масел: подсолнечного, кукурузного, рапсового. Она приводит к получению твердого жира - саломаса, который используют в производстве глицерина, мыла, стеарина, твердых сортов маргарина. Для улучшения внешнего вида и вкусовых качеств пищевого продукта в него добавляют молоко, животные жиры, сахар, витамины.

В нашей статье мы изучили свойства водорода и выяснили его роль в природе и жизни человека.

ВОДОРОД (латинский Hydrogenium), Н, химический элемент VII группы короткой формы (1-й группы длинной формы) периодической системы; атомный номер 1, атомная масса 1,00794; неметалл. В природе два стабильных изотопа: протий 1 Н (99,985% по массе) и дейтерий D, или 2 Н (0,015%). Искусственно получаемый радиоактивный тритий 3 Н, или Т (ß-распад, Т 1/2 12,26 года), в природе образуется в ничтожно малых количествах в верхних слоях атмосферы в результате взаимодействия космического излучения главным образом с ядрами N и О. Искусственно получены крайне неустойчивые радиоактивные изотопы 4 Н, 5 Н, 6 Н.

Историческая справка. Впервые водород исследован в 1766 году Г. Кавендишем и назван им «горючим воздухом». В 1787 году А. Лавуазье показал, что этот газ при горении образует воду, включил его в список химических элементов и предложил название hydrogène (от греческого?δωρ - вода и γενν?ω - рождать).

Распространённость в природе. Содержание водорода в атмосферном воздухе 3,5-10 % по массе, в земной коре 1%. Главный резервуар водорода на Земле - вода (11,19% водорода по массе). Водород относится к числу биогенных элементов, входит в состав соединений, образующих угли, нефть, природные горючие газы, многие минералы и пр. В околоземном пространстве водород в виде потока протонов образует внутренний радиационный пояс Земли. Водород - самый распространённый элемент в космосе; в виде плазмы составляет около 70% массы Солнца и звёзд, основную часть межзвёздной среды и газовых туманностей, присутствует в атмосфере ряда планет в форме Н 2 , СН 4 , NН 3 , Н 2 О и пр.

Свойства . Конфигурация электронной оболочки атома водород 1s 1 ; в соединениях проявляет степени окисления +1 и -1. Электроотрицательность по Полингу 2,1; радиусы (пм): атомный 46, ковалентный 30, ван-дер-ваальсов 120; энергия ионизации Н°→ Н + 1312,0 кДж/моль. В свободном состоянии водород образует двухатомную молекулу Н 2 , межъядерное расстояние 76 пм, энергия диссоциации 432,1 кДж/моль (0 К). В зависимости от взаимной ориентации ядерных спинов существуют орто-водород (параллельные спины) и пара-водород (антипараллельные спины), различающиеся по магнитным, оптическим и термическим свойствам и содержащиеся обычно в соотношении 3:1; при превращении пара-водорода в орто-водород затрачивается 1418 Дж/моль энергии.

Водород - газ без цвета, вкуса и запаха; t ПЛ -259,19 °С, t KИП -252,77 °С. Водород - самый лёгкий и наиболее теплопроводный из всех газов: при 273 К плотность 0,0899 кг/м 3 , теплопроводность 0,1815 Вт/(м·К). Не растворяется в воде; хорошо растворяется во многих металлах (лучше всего в Pd - до 850% по объёму); диффундирует через многие материалы (например, сталь). На воздухе горит, образует взрывоопасные смеси. Твёрдый водород кристаллизуется в гексагональной решётке; при давлении свыше 10 4 МПа возможен фазовый переход с образованием структуры, построенной из атомов и обладающей металлическими свойствами, - так называемый металлический водород.

Водород образует соединения со многими элементами. С кислородом образует воду (при температуре выше 550 °С реакция сопровождается взрывом), с азотом -аммиак, с галогенами - галогеноводороды, с металлами, интерметаллидами, а также со многими неметаллами (например, халькогенами) - гидриды, с углеродом - углеводороды. Практическое значение имеют реакции с СО (смотри Синтез-газ). Водород восстанавливает оксиды и галогениды многих металлов до металлов, ненасыщенные углеводороды - до насыщенных (смотри Гидрирование). Ядро атома водорода - протон Н + - определяет кислотные свойства соединений. В водных растворах Н + образует с молекулой воды ион гидроксония Н 3 О + . В составе молекул различных соединений водород склонен образовывать водородную связь со многими электроотрицательные элементами.

Применение . Газообразный водород используют в промышленном синтезе аммиака, соляной кислоты, метанола и высших спиртов, синтетического жидкого топлива и пр., для гидрогенизации жиров и других органических соединений; в нефтепереработке - для гидроочистки и гидрокрекинга нефтяных фракций; в металлургии - для получения металлов (например, W, Mo, Re из их оксидов и фторидов), создания защитной среды при обработке металлов и сплавов; в производстве изделий из кварцевого стекла с использованием водородно-кислородного пламени, для атомно-водородной сварки тугоплавких сталей и сплавов и пр., как подъёмный газ аэростатов. Жидкий водород - горючее в ракетной и космической технике; применяется также в качестве хладагента.

Об основных способах получения, а также о хранении, транспортировке и применении водорода в качестве носителя энергии смотри Водородная энергетика.

Лит. смотри при ст. Водородная энергетика.