- Е949
-
Водород / Hydrogenium (H) Атомный номер 1 Внешний вид простого вещества Свойства атома Атомная масса
(молярная масса)1,00794 а. е. м. (г/моль) Радиус атома 79 пм Энергия ионизации
(первый электрон)1311,3 кДж/моль (эВ) Электронная конфигурация 1s1 Химические свойства Ковалентный радиус 32 пм Радиус иона 54 (−1 e) пм Электроотрицательность
(по Полингу)2,20 Электродный потенциал Степени окисления 1, −1 Термодинамические свойства простого вещества Плотность 0,0000899 (при 273K (0 °C)) г/см³ Удельная теплоёмкость 14,267 Дж/(K·моль) Теплопроводность 0,1815 Вт/(м·K) Температура плавления 14,01 K Теплота плавления 0,117 кДж/моль Температура кипения 20,28 K Теплота испарения 0,904 кДж/моль Молярный объём 14,1 см³/моль Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки гексагональная Период решётки 3,750 Å Отношение c/a 1,731 Температура Дебая 110,00 K H 1 1,00794 1s1 Водород Водоро́д — первый элемент периодической системы элементов. Широко распространён в природе. Катион (и ядро) самого распространённого изотопа водорода 1H — протон. Свойства ядра 1H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.
Три из пяти изотопов водорода имеют собственные названия: ¹H — протий (Н), ²H — дейтерий (D) и ³H — тритий (радиоактивен) (T).
Простое вещество водород — H2 — лёгкий бесцветный газ. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен. Нетоксичен. Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, платине.
Содержание
История
Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Знаменитый английский физик и химик Г. Кавендиш в 1766 году исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду, но приверженность Кавендиша теории флогистона помешала ему сделать правильные выводы. Французский химик А. Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783 г. осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Таким образом он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.
Происхождение названия
Лавуазье дал водороду название hydrogène (от др.-греч. ὕδωρ — «вода» и γενναω — «рождаю») — «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году — по аналогии с ломоносовским «кислородом».
Распространённость
Во Вселенной
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 92% всех атомов (8% составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1%). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~ 6000 °С) и межзвёздного пространства, пронизанного космическим излучением, этот элемент существует в виде отдельных атомов.
Земная кора
Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это девятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17% (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~ 52%). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005% по объёму).
Получение
Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом — выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре (легко убедиться, что при пропускании метана даже через кипящую воду никакой реакции не происходит):
СН4 + 2Н20 = CO2 + 4Н2 − 165 кДж
В лаборатории для получения простых веществ используют не обязательно природное сырьё, а выбирают те исходные вещества, из которых легче выделить необходимое вещество. Например, в лаборатории кислород не получают из воздуха. Это же относится и к получению водорода. Один из лабораторных способов получения водорода, который иногда применяется и в промышленности, — разложение воды электротоком.
Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.
В промышленности
1.Электролиз водных растворов солей:
- 2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2
2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:
- H2O + C ⇄ H2 + CO
3.Из природного газа.
- Конверсия с водяным паром:
- CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (1000 °C)
- Каталитическое окисление кислородом:
- 2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2
4. Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
В лаборатории
1.Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную соляную кислоту:
- Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑
2.Взаимодействие кальция с водой:
- Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑
3.Гидролиз гидридов:
- NaH + H2O → NaOH + H2↑
4.Действие щелочей на цинк или алюминий:
- 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
- Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + H2↑
5.С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:
- 2H3O+ + 2e- → H2↑ + 2H2O
См. также
Физические свойства
Газообразный водород может существовать в двух формах (модификациях) — в виде орто- и пара-водорода. В молекуле ортоводорода o-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H2 и p-H2 при заданной температуре называется равновесный водород e-H2.
Равновесная мольная концентрация пара-водородаРазделить модификаци водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно, что даёт возможность изучить свойства отдельных модификаций.
Водород — самый лёгкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.
Молекула водорода двухатомна — Н2. При нормальных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н.у.), температура кипения -252,76 °С, малорастворим в воде — 18,8 мл/л. Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1 объём Pd). С растворимостью водород 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). Практически не растворим в серебре.
Фазовая диаграмма водорода Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от -252,76 до -259,2 °С. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при -253 °С 0,0708 г/см3) и текучая (вязкость при -253 °С 13,8 спуаз). Критические параметры водорода очень низкие: температура -240,2 °С и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99.79% пара-Н2, 0.21% орто-Н2.
Твердый водород, температура плавления -259,2 °С, плотность 0,0807 г/см3 (при -262 °С) - снегоподобная масса, кристаллы гексогональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a=3,75 c=6,12. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние.
Изотопы
Давление пара для различных изотопов водорода Водород имеет три изотопа с массовыми числами 1, 2 и 3. Водороды 1Н и ²Н стабильны. Содержание в природе 99,9849-99,9861 и 0,0139-0,0151 %; соответственно. Состав немного меняется в зависимости от источника и способа получения водорода.
Водород ³Н нестабилен, период полураспада 12,4 лет.
Некоторые изотопы водорода имеют индивидуальный названия: ²Н — дейтерий (D), ³Н — тритий (T).
Природный водород состоит из молекул H2 и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание чистого дейтерийного водорода D2 ещё меньше. Отношение концентраций HD и D2, примерно, 6400:1.
Из всех изотопов физические и химические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наибольшим образом. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов. [1]
Температура
плавления,
KТемпература
кипения,
KТройная
точка,
K / kPaКритическая
точка,
K / kPaПлотность
жидкий / газ,
кг/м³H2 13.95 20,39 13,96 / 7,3 32,98 / 1,31 70,811 / 1,316 HD 22,13 16,60 / 12,8 35,91 / 1,48 114,80 / 1,802 HT 22,92 17,63 / 17,7 37,13 / 1,57 158,62 / 2,310 D2 18,62 23,67 18,73 / 17,1 38,35 / 1,67 162,50 / 2,230 DT 24.38 19,71 / 19,4 39,42 / 1,77 211,54 / 2,694 T2 25,04 20,62 / 21,6 40,44 / 1,85 260,17 / 3,136 Дейтерий и тритий также имеют орто- и пара- модификации: p-D2, o-D2, p-T2, o-T2. Гетероизотопный водород (HD, HT, DT) не имеют орто- и пара- модификаций.
В литературе приводятся данные о изотопах водорода с массовыми числами 4 — 7. Однако, приводимые периоды полураспада 10-15 — 10-23 сек, настолько малы, что вызывают оправданные сомнения в результатах.
Химические свойства
Молекулы водорода Н2 довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
- Н2 = 2Н − 432 кДж
Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:
- Ca + Н2 = СаН2
и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:
- F2 + H2 = 2HF
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении. Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:
- CuO + Н2 = Cu + Н2O
Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.
- N2 + 3H2 → 2NH3
С галогенами образует галогеноводороды:
- F2 + H2 → 2HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,
- Cl2 + H2 → 2HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
- C + 2H2 → CH4
Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами
При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:
- Na + H2 → 2NaH
- Ca + H2 → CaH2
- Mg + H2 → MgH2
Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:
- CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2 ↑
Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)
Оксиды восстанавливаются до металлов:
- WO3 + 3H2 → W + 3H2O
Гидрирование органических соединений
При действии водорода на ненасыщенные углеводороды в присутствии никелевого катализатора и повышенной температуре происходит реакция гидрирования:
Водород восстанавливает альдегиды до спиртов:
Геохимия водорода
Водород — основной строительный материал вселенной. Это самый распространённый элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем, гигантскими планетами и первичными метеоритами, из чего следует, что во время образования Земля была значительно дегазирована и водород вместе с другими летучими элементами покинул планету во время аккреции или вскоре после неё.
Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением. Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.
Особенности обращения
Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%. Также водород пожароопасен. Жидкий водород при попадении на кожу может вызвать сильное обморожение.
Взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4% до 96 % объёмных. При смеси с воздухом от 4% до 75(74) % объёмных.
Использование
Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.
Химическая промышленность
Пищевая промышленность
- При производстве маргарина из жидких растительных масел
Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 (упаковочный газ)
Авиационная промышленность
Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько ужасных катастроф, когда дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием.
Солнце
Солнце в основном состоит из водорода. Солнечное тепло и свет — это результат высвобождения ядерной энергии при слиянии ядер водорода.
Как топливо
Водород используют также в качестве ракетного топлива. Когда-нибудь водород, возможно, будут широко применять как топливо для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар (однако, само получение водорода приводит к некоторому загрязнению окружающей среды).
Экономическая эффективность
Важнейшей характеристикой веществ, используемых в качестве топлива, является их теплота сгорания. Из курса общей химии известно, что реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла. Если взять 1 моль H2 (2г) и 0,5 моль O2 (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению
- 2Н2 + О2= 2Н2О
после завершения реакции образуется 1 моль H2O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль (для сравнения: теплота сгорания ацетилена составляет 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль). 1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль). Поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии. С учётом того, что 1 кВт·ч = 3600 кДж, получим 3,56 кВт·ч электроэнергии. Зная тариф на 1 кВт·ч электричества и стоимость 1 м³ газа, можно делать вывод о целесообразности перехода на водородное топливо.
Однако не следует забывать того, что при сжигании водорода мы получаем чистую воду, из которой его и добыли. То есть имеем возобновляемый ресурс, использование которого не причиняет вред окружающей среде, в отличие от газа или бензина, которые являются первичными источниками энергии.
Примечания
- ↑ Züttel A.,Borgschulte A.,Schlapbach L. Hydrogen as a Future Energy Carrier.- Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008. - ISBN 9783527308170
Литература
- 1. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы: Учебное пособие для вузов /Н. Е. Кузьменко, В. В. Еремин, В. А. Попков. — М.: Издательство «Экзамен»,2005.
- 2. Учебный справочник школьника. Учебное издание. - М.: Дрофа, 2001.
См. также
- Жидкий водород
- Соединения водорода
- Антиводород
Ссылки
Wikimedia Foundation. 2010.
