ЧАСТЬ И

ОБЩАЯ ХИМИЯ

ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

ГИДРОГЕН. ВОДОРОД. ВОДА

Водород

Характеристика химического элемента

Водород - 1-й элемент Периодической системы (заряд ядра 1), химический знак - Н, относительная атомная масса 1,008 (округленно 1). Валентность Водорода в соединениях равна единицы, самый распространенный степень окисления +1. Молекула водорода Н₂, молекулярная масса 2,016 (округленно 2). Молярная масса 2 г/моль.

Распространенность Водорода

Если Кислород является самым распространенным элементом в земной коре, то Водород - самый распространенный элемент во Вселенной. Водород составляет около 70% массы Солнца и звезд. Поскольку Водород - самый легкий из всех элементов, то такая значительная масса требует огромного количества атомов этого элемента. Из каждых 100 атомов, которые встречаются в Вселенной, 90 - атомы Водорода.

Вероятно, когда Водород входил в атмосферу Земли. Но из-за своей легкости он способен покидать атмосферу, поэтому доля Водорода в воздухе чрезвычайно мала. В связанном виде Водород составляет 0,76% массы Земли. Важнейшим соединением Водорода, что случается в природе, есть вода.

Физические свойства

Водород - газ, типичный неметал. Образует прочные ковалентные двухатомные молекулы Н₂.

Нетрудно подсчитать плотность водорода: 1 моль при обычных условиях занимает 22,4 л, а молярная масса водорода равна 2 г. Следовательно, плотность в пересчете на 1л составит 22 г/22,4 л = 0,09 г/л. Плотность воздуха заметно выше - 1,305 г/л, поэтому наполненные водородом предметы испытывают выталкивающей силы атмосферы.

Водород становится жидким при очень низких температурах (-253 °С), а твердый водород добыть еще тяжелее (температура плавления твердого водорода -259 °С).

Изотопы Водорода

Атом Водорода - самый простой из всех атомов. Его ядро состоит из единственного протона. Этот (самый распространенный) изотоп Водорода называют также протієм, чтобы отличить от дейтерия - другого изотопа Водорода, в ядре которого содержится 1 протон и 1 нейтрон. Дейтерий находится в природе в очень небольшом количестве. Однако его научились выделять для нужд ядерной энергетики. Дейтерий - один из немногих изотопов в химии, который имеет свой собственный символ D. Самой известной химическим соединением, к которой входит дейтерий, есть «тяжелая вода» D₂О.

В ядерных реакциях образуется еще один изотоп Водорода - тритий, в ядре которого 1 протон и 2 нейтронов. Тритий (химический символ Т). радиоактивный и в природе не случается.

Таким образом, наиболее известны три изотопа Водорода: ₁¹Н (или просто Н), ₁²H (или D), ₁³Н (или Т). В последнее время также добытые тяжелые изотопы Водорода с массой от 4 до 8.

Электронная строение и положение Водорода в Периодической системе

Поскольку в ядре любого изотопа Водорода всегда только один протон, то электронная оболочка включает только один электрон, занимающий нижний электронный уровень 1s. Таким образом, любой изотоп Водорода имеет только одну - и к тому же валентную - оболочку 1s¹.

Электронный уровень 1s вмещает не более 2-х электронов и атома Водорода достаточно присоединить или потерять один электрон, чтобы достичь устойчивой электронной конфигурации:

Н - 1ē → Н⁺ - положительный ион Водорода (в электронной оболочке отсутствуют электроны)

Н + 1ē → H^- - отрицательный ион Водорода (1s²)

Первое уравнение свидетельствует о родственную связь Водорода с элементами группы - щелочными металлами, которые охотно отдают единственный внешний электрон и образуют положительные ионы Li⁺, Na⁺, К⁺ и т.д. Второе уравнение свидетельствует о близости Водорода к элементам VII группы, которым не хватает одного электрона для завершения внешней оболочки и которые легко принимают чужой электрон с образованием ионов F^-, Сl^-, Вr^- т.д.

Типичными неметаллическими свойствами этот элемент больше подобный элементов VII группы (Фтора, Хлор, Бром и т.п.). Но Водород не является р-элементом и более охотно отдает электрон, чем принимает. Поэтому его пребывание в группе s-элементов - активных восстановителей - также имеет смысл. В связи с этим Водород часто помещают в И группу Периодической таблицы, а в VII группе повторяют его символ в скобках. Но есть и такие издания Периодической таблицы, где его основным местом является именно VII группа. И то и другое - правильно.

Методы добыча

В земных условиях Водород встречается преимущественно в связанном состоянии, в виде соединений со степенью окисления +1.

Когда Водород уже находится в степени окисления +1, он может отбирать электрон в многих элементов, особенно металлов, которые склонны отдавать электроны. Поэтому способы добывания водорода часто основываются на реакции какого-либо металла с одним из соединений Водорода, например:

Реакцию между цинком и водным раствором соляной кислоты чаще всего используют для добыча водорода в лаборатории.

Вместо цинка в реакции с НСl можно использовать другие металлы (хотя и не любые) - например железо, олово, магний.

А реакция между железом и водяным паром при нагревании имеет историческое значение - когда-то ее использовали для наполнения водородом воздушных шаров.

Движущей силой подобных реакций добывания водорода является не только стремление отдать металлов электрон атома Водорода в степени окисления +1, но и получить большую количество энергии в случае скрепления нейтральных атомов Водорода, образующихся при этом, в молекулу Н₂. Поэтому в реакции такого типа вступают даже неметаллы:

Эта реакция лежит в основе промышленного способа добывания водорода. Водяной пар пропускают над раскаленным до белого коксом (углем, который нагревается без доступа воздуха). В результате образуется смесь карбон оксида с водородом, которую называют «водяным газом».

Водород может образоваться и вследствие сильного нагрева метана:

Поэтому в промышленности большое количество водорода добывают именно из метана, добавляя к него за высокой температуры перегретый водяной пар:

1) СН₄ + Н₂O = СО + 3Н₂;

2) СО + Н₂O = СO₂ + Н₂.

В сумме этот процесс можно записать уравнением:

СН₄ + 2Н₂O = 4 Н₂ + СO₂.

Смесь газов охлаждают и промывают водой под давлением. При этом СO₂ растворяется, а малорастворим в воде водород идет на промышленные нужды.

Чистейший водород в промышленности получают электролизом воды:

Этот способ требует больших затрат энергии, поэтому распространен меньше, чем высокотемпературная реакция кокса или метана с водой. Существуют и другие способы добывания водорода.

Химические свойства Водорода

Водород - один из рекордсменов по числу многообразие соединений. Наибольшее их количество приходится на соединения с Карбоном, которые изучает органическая химия.

Но и неорганические соединения Водорода очень разнообразны.

В в таблице приведены примеры соединений Водорода с типичными s- и р-элементами, Указанный степень окисления Водорода во всех соединениях.

Соединения металлов с Гідрогеном (они называются гидридами металлов) являются твердыми веществами. Гидриды металлов можно добывать непосредственно из металла и водорода:

Са + Н₂ → СаН₂ (кальций гидрид, t_пл = 1000 °С)

Гидриды бурно реагируют с водой с образованием газуватого водорода:

СаН₂ + 2Н₂O → Са(ОН)₂ + 2Н₂.

Это еще один удобный способ добывания газуватого водорода. Источником атомов Водорода является как гидрид металла, так и вода. Поэтому для добывания 1 м³ водорода необходимо всего 0,94 кг кальций гидрида, тогда как для получения того же количества газа действием металлов на кислоты нужно 2,5 кг железа или 2,9 кг цинка.

Соединения Водорода с неметаллами преимущественно являются газами. Исключение составляет вода и фтороводорода. Такое резкое отличие воды от других летучих соединений Водорода объясняется существованием между молекулами воды особого вида химической связи - водородного.

С всех соединений Водорода одной из важнейших является аммиак, который добывают реакцией водорода с азотом при высокой температуре, давлении и в присутствии катализатора:

Это один из немногих химических процессов, позволяющих связывать довольно инертный атмосферный азот. В дальнейшем с более активного в химическом отношении аммиака добывают множество нитратных соединений - нитратную кислоту, красители, взрывчатые вещества, нитратные удобрения.

Восстановительные свойства Водорода используют для получения чистых металлов из их оксидов. Например, во время нагрева купрум(II) оксида СuО в струе водорода образуется вода и порошок меди:

СuО + Н₂ → Сu + Н₂O.

Для некоторых очень тугоплавких металлов восстановления их оксидов водородом оказывается удобным и экономичным способом добывания. Например, металл вольфрам, из которого делают нити лампочек накаливания, добывают с помощью реакции:

WO₃ + 3Н₂ → W + 3Н₂O.

Металл получается в виде порошка, который затем можно прессовать в готовые изделия. После спекание такие изделия не требуют дальнейшей обработки. Этот способ добывания металлов и деталей из них называется порошковой металлургией.

Применение водорода

Водород чрезвычайно теплотворним химическим топливом. Кроме того, в результате сжигания водорода образуется только вода, тогда как другие топлива загрязняют атмосферу оксидами Углерода, Азота и незгорілими остатками топлива.

Водород используется в качестве горючего в современной ракетной технике. Ракетоносители способные выводить на орбиту более 100 тонн различных грузов благодаря водородно-кислородным двигателям. В их баках содержится жидкий кислород и жидкий водород.

Смеси водорода с кислородом называются гремучим газом и взрываются от малейшей искры. Поэтому работа с водородом как топливом требует таких мер предосторожности, которые бы исключали возможность взрыва. Современная техника позволяет достичь высокого уровня безопасности, но история знает трагедии, связанные со взрывами водорода.

В первой половине века в разных странах было построено большое количество летательных аппаратов, легких воздуха - дирижаблей.

Дирижабли - это управляемые аэростаты со сигароподібною оболочкой, наполненной водородом. Большой объем водорода в оболочке обеспечивал высокую грузоподъемность этих воздушных кораблей. Крупнейшие пассажирские дирижабли 30-х годов XX века могли перевозить до 100 человек на очень большие расстояния. На этих летательных аппаратах были комфортабельные каюты, рестораны, душевые, палубы для прогулок и т.д. Такие дирижабли осуществляли регулярные рейсы из Европы в Америку.

Однако большое количество энергии, выделяющейся в реакции водорода с кислородом, таит в себе огромную опасность. 6 мая 1937 года крупнейший в мире пассажирский дирижабль «Гинденбург», который прилетел из Германии в Нью-Джерси (США), взорвался и упал на землю от искры, которая проскочила между причальною мачтой и корпусом дирижабля. Во многом именно через эту катастрофу строительство пассажирских дирижаблей вскоре прекратилось.

В наше время водород не применяют для наполнения аэростатов и других летательных аппаратов, легких воздуха. Для этих целей используют более дорогой, и однако безопасный газ гелий.