Водород (от латинского - Hydrogenium) — это химический элемент первого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Его поряклвый номер 1, так как с него эта система и начинается. По своему строению это простейший химический элемент. Однако, как элемент, он довольно хитрый. В отличие от всех остальных элементов, он имеит не одно, а аж но два места в периодической системе: 1 период IA группа и 1 период VIIA. Почему так произошло, мы разберемся немного позже.
Водорода — самый распространённый химический элемент во Вселенной. На Земле, большая часть водорода существует в виде молекулярных соединениях, таких как вода или органические вещества. Известно три изотопа данного химического элемента:
Протий — самый лёгкий изотоп водорода. Ядро протия состоит из одного протона. Название «протий» произошло от греческого слова «protos» - «первый». Он является наиболее распространённым изотопом в природе. Обычно, когда говорят о водороде, имеют в виду именно лёгкий водород — протий. Протий — стабильный изотоп, не имеющий нейтронов в ядре (атом содержит один протон и один электрон).
Дейте́рий (от латинского deuterium - «второй») - это тяжёлый водород, обозначается символом D. Это стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2. Ядро (дейтрон) состоит из одного протона и одного нейтрона. По своим химическим свойствам соединения дейтерия имеют определённые особенности. Так, например, углерод-дейтериевые связи оказываются более «прочными», чем углерод-протиевые, из-за чего химические реакции с участием атомов дейтерия идут в несколько раз медленнее. Этим, в частности, обусловлена токсичность тяжёлой воды (вода состава D2O называется тяжёлой водой из-за большой разницы в массе протия и дейтерия).
Тритий — это радиоактивный изотоп водорода.
История открытия водорода.
Водород был открыт в 1766 году британским физиком и химиком Генри Кавендишем. Он проводил эксперименты с различными газами и обнаружил, что при сгорании "горючего воздуха", как он называл водород, образуется вода. Это открытие было революционным, поскольку впервые человечество получило доказательство того, что вода не является элементом, а состоит из более простых веществ.
Открытие водорода имело огромное значение для развития химической науки. Водород стал первым шагом в разработке периодической системы элементов, которая позже была создана Дмитрием Менделеевым. Водород занял свое место в верхнем левом углу таблицы, символизируя начало понимания химической природы материи.
Физические свойства.
При обычных условиях водород — это бесцветный, не имеющий запаха газ, почти не растворимый ни в каких растворителях. При сильном сжатии и охлаждении переходит в жидкое состояние.
Газообразный водород обладает рядом уникальных свойств. Благодаря маленькому радиусу атомы и молекулы водорода могут проникать через резину, стекло и даже через металлы. Некоторые металлы, такие как платина, палладий, никель способны растворять водород. Это позволило создать высокоэффективные никель-металл-гидридные аккумуляторы, которые используются в телефонах, компьютерах, плеерах.
Водород — самый лёгкий газ, который в четырнадцать с половиной раз легче воздуха. Лёгкость водорода позволила использовать его для наполнения дирижаблей и аэростатов, однако из-за взрывоопасных свойств применение водорода для этих целей прекратилось.
Способы получения.
Промышленные способы.
1. Конверсия метана с водяным паром при 1000 °C:
CH4 + H2O = CO + 3H2
2. Пропускание паров воды над раскалённым коксом при температуре 1000 °C:
C + H2O = CO + H2
3. Электролиз водных растворов солей активных металов:
2KCl + 2H2O = 2KOH + Cl2 + H2
4. Электролиз воды:
2H2O = 2H2 + O2
5. Каталитическое окисление метана кислородом:
2CH4 + O2 = 2CO + 4H2
Лабороторные способы.
1. Взаимодействие кислот с металлами:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
2. Взаимодействие щелочных и щелочно-земельных металов с водой:
Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2
3. Гидролиз некоторых гидридов:
NaH + H2O = NaOH + H2
BaH2 + 2H2O = Ba(OH)2 + H2
4. Действие щелочей на амфотерный метал (чаще всего цинк или алюминий):
2Al + 2KOH + 6H2O = 2K[Al(OH)4] + 3H2
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2
Химические свойства.
1. При обычных температурах водород реагирует с самыми активными металлами, а при нагревание може вступить в реакцию с менее активными (тут он принимает роль окислителя, подобно элементам VIIA группы)
Ca + H2 = CaH2
2Na + H2 = 2NaH
Mg+H2 = MgH2
2. Реакция горения.
2H2 + O2 = 2H2O
3. Взаимодействие с галогенами:
H2 + F2 = 2HF
H2 + Cl2 = 2HCl
4. Взаимодействие с серой при нагревании:
H2+S = H2S
5. Взаимодействие с азотом в присутствии катализатора, например железа, с образованием аммиака:
N2 + 3H2 = 2NH3
Самые внимательные заметили что в реакциях 2-5, водород реагирует с неметалами, проявляя свойства востановителя, подобно элементам IA группы.
6. Восстанавливает многие металлы из их оксидов, например:
Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O
СuO + H2 = Cu + H2O
7. Смесь водорода с угарным газом называется «синтез-газом». Синтез-газ широко используется в органическом синтезе. Например, в присутствии катализатора синтез-газ используется для получения метанола:
CO + 2H2 = CH3OH
8. Большое значение имеет взаимодействие водорода с оксидом азота(II). Эта реакция используется в очистительных системах при производстве азотной кислоты:
2NO + 2H2 = N2 + 2H2O
9. Гидрирование непредельных органических соединений
R - CH = CH - R + H2 = R - CH2 - CH2 - R
Применение водорода:
- Для производства аммиака (NH3)
- Для получения хлороводорода (HCl)
- Для получения метилового спирта (CH3OH) и других органических веществ из синтез-газа
- В производстве маргарина
- В металургии, для получения металлов из оксидов.
- Жидкий водород используют как ракетное топливо.
Разумеится есть так же множество других сфер применения водорода, однако это самые очевидные.
13 интересных фактов о водороде:
1. Звёзды состоят в основном из водорода. У Солнца, например, на его долю приходится около 74%, еще 24% – гелий, а остальное – другие элементы.
2. Обычный двигатель внутреннего сгорания, рассчитанный на бензин, после небольших доработок может работать на водородном топливе.
3. Из всех газов водород является самым летучим. Это осложняет процесс его хранения и транспортировки.
4. Водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ.
5. В среднем человечество потребляет около 75 миллионов тонн водорода ежегодно. Большую его часть поглощают производство аммиака и нефтяная промышленность.
6. Некоторые учёные считают, что астероиды станут основными центрами добычи водорода в недалёком будущем. Другие же утверждают, что его источникам могут послужить планеты Солнечной системы – газовые гиганты.
7. На Земле перспективным методом получения водорода является анаэробное брожение обыкновенных бытовых отходов. Эта технология была протестирована еще в 2006 году, и с тех пор она постепенно внедряется.
8. Разные автомобильные компании активно ведут разработки автомобилей с водородными двигателями.
9. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца около 6000 градусов Цельсия) водород существует в виде раскалённой плазмы.
10. Водород могут производить некоторые виды зеленых водорослей. Они получают его из морской воды. Если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают и начинается бурная выработка водорода.
11. Средневековые учёные называли водород “горючим воздухом”.
12. Молекулы водорода движутся быстрее, чем молекулы любого другого газа.
13. Водород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 – упаковочный газ, класс «Прочие».