Главная » Статьи » ПСЭ » Водород

Статьи

Водород

Водород
Атомный номер1
Внешний вид простого веществагаз без цвета, вкуса и запаха
Свойства атома
Атомная масса
(молярная масса)
1,00794 а.е.м. (г/моль)
Радиус атома79 пм
Энергия ионизации
(первый электрон)
1311,3 кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация1s1
Химические свойства
Ковалентный радиус32 пм
Радиус иона54 (−1 e) пм
Электроотрицательность
(по Полингу)
2,20
Электродный потенциал 
Степени окисления1, −1
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность
вещества
0,0000899 (при 273K (0 °C)) г/см³
Молярная теплоёмкость14,235 Дж/(K·моль)
Теплопроводность0,1815 Вт/(м·K)
Температура плавления14,01K
Теплота плавления0,117 кДж/моль
Температура кипения20,28K
Теплота испарения0,904 кДж/моль
Молярный объём14,1 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решёткигексагональная
Параметры решёткиa=3,780 c=6,167 Å
Отношение c/a1,631
Температура Дебая110 K
H1
1,00794
1s1
Водород

Водород является первым элементом 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.

Трое 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.

История водорода

Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Прямо указывал на выделение его и М. В. Ломоносов, но уже определённо сознавая, что это не флогистон. 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 1783г. 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 водород

Лавуазье дал водороду название hydrogène (отὕδωρ— «вода» и γενναω— «рождаю»)— «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М.Ф.Соловьев в 1824 году— по аналогии с ломоносовским «кислородом».

Распространённость водорода

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 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.

Земная кора и живые организмы

Массовая доля водорода в земной коре составляет 1%— это десятый 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).

Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках. В живых клетках по числу атомов на водород приходится почти 50%.

Получение Водорода

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 +2Н2O =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.

Получение водорода 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.

Получение водорода 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

Дополнительная информация про Водород

Биореактор для производства водорода

Физические свойства Водорода

Спектр излучения водорода, водород
Спектр излучения водорода

Эмиссионный спектр водорода, водород спектр эмиссии
Эмиссионный спектр водорода

Равновесная мольная концентрация пара-водорода
Равновесная мольная концентрация пара-водорода

Разделить модификации 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 (в условиях межзвездной среды— с характерными временами вплоть до космологических), что даёт возможность изучить свойства отдельных модификаций.

Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. 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 °C, удельная теплота сгорания 120.9·106 Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л. Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1объём 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). Практически не растворим в серебре.

Фазовая диаграмма водорода, водород
Фазовая диаграмма водорода


Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C 0,0708 г/см3) и текучая (вязкость при −253 °C 13,8 спуаз). Критические параметры водорода очень низкие: температура −240,2 °C 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 °C, плотность 0,0807 г/см3 (при −262 °C) — 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
Давление пара для различных изотопов водорода


Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия: 1H— протий (Н), 2Н— дейтерий (D), 3Н— тритий (радиоактивный) (T).

Протий и дейтерий являются стабильными изотопами с массовыми числами 1и 2. Содержание их в природе соответственно составляет 99,9885±0,0070% и 0,0115 ± 0,0070%. Это соотношение может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода.

Изотоп водорода 3Н (тритий) нестабилен. Его период полураспада составляет 12,32 лет. Тритий содержится в природе в очень малых количествах.

В литературе также приводятся данные об изотопах водорода с массовыми числами 4— 7и периодами полураспада 10−22— 10−23 с.

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 химических элементов физические и химические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов.

 Температура
плавления,
K
Температура
кипения,
K
Тройная
точка,
K /kPa
Критическая
точка,
K /kPa
Плотность
жидкий /газ,
кг/м³
H213.9520,3913,96 /7,332,98 /1,3170,811 /1,316
HD16,6022,1316,60 /12,835,91 /1,48114,80 /1,802
HT 22,9217,63 /17,737,13 /1,57158,62 /2,310
D218,6223,6718,73 /17,138,35 /1,67162,50 /2,230
DT 24.3819,71 /19,439,42 /1,77211,54 /2,694
T2 25,0420,62 /21,640,44 /1,85260,17 /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.

Химические свойства

Доля диссоциировавших молекул водорода
Доля диссоциировавших молекул водорода

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:

Ca2 =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:

О2 +2Н2 =2Н2О

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

CuO +Н2 =Cu2O

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:

2Na +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:

CuO +H2 → Cu +H2O
Fe2O3 +3H2 → 2Fe +3H2O
WO3 +3H2 → W+3H2O

Гидрирование органических соединений

Молекулярный водород широко применяется в органическом синтезе для восстановления органических соединений. Эти процессы навзывают реакциями гидрирования. Эти реакции проводят в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре. Катализатор может быть как гомогенным (напр. Катализатор Уилкинсона), так и гетерогенным (напр. никель Ренея, палладий на угле).

Так, в частности, при каталитическом гидрировании ненасыщенных соединений, таких как алкены и алкины, образуются насыщенные соединения — алканы.

Алканы,  формула алканов

Геохимия водорода

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. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство.

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 попадании 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.

Применение водорода

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.

Химическая промышленность

При производстве аммиака, метанола, мыла и пластмасс

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. XXв. произошло несколько катастроф, когда дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием.

Топливо

Водород используют в качестве ракетного топлива. Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар.

В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.

Водород, Hydrogenium, Н (1)
Как горючий (воспламеняемый) воздух водород известен довольно давно. Его получали действием кислот на металлы, наблюдали горение и взрывы гремучего газа Парацельс, Бойль, Лемери и другие ученые XVI— XVIII вв. С распространением теории флогистона некоторые химики пытались получить водород в качестве «свободного флогистона». В диссертации Ломоносова «О металлическом блеске» описано получение водорода действием «кислотных спиртов» (например, «соляного спирта», т. е. соляной кислоты) на железо и другие металлы; русский ученый первым (1745) выдвинул гипотезу, о том что водород («горючий пар»— vapor inflammabilis) представляет собой флогистон. Кавендиш, подробно исследовавший свойства водорода, выдвинул подобную же гипотезу в 1766 г. Он называл водород «воспламеняемым воздухом», полученным из «металлов» (Inflammable air from metals), и полагал, как и все флогистики, что при растворении в кислотах металл теряет свой флогистон. Лавуазье, занимавшийся в 1779 г. исследованием состава воды путем ее синтеза и разложения, назвал водород Hydrogine (гидроген), или Hydrogene (гидрожен), от греч. гидор— вода и гайноме— произвожу, рождаю.

Номенклатурная комиссия 1787 г. приняла словопроизводство Hydrogene от геннао, рождаю. В «Таблице простых тел» Лавуазье водород (Hydrogene) упомянут в числе пяти (свет, теплота, кислород, азот, водород) «простых тел, относящихся ко всем трем царствам природы и которые следует рассматривать как элементы тел»; в качестве старых синонимов названия Hydrogene Лавуазье называет горючий газ (Gaz inflammable), основание горючего газа. В русской химической литературе конца XVIII и начала XIX в. встречаются два рода названий водорода: флогистические (горючий газ, горючий воздух, воспламенительный воздух, загораемый воздух) и антифлогистические (водотвор, водотворное существо, водотворный гас, водородный гас, водород). Обе группы слов представляют собой переводы французских названий водорода.

Изотопы водорода были открыты в 30-x годах текущего столетия и быстро приобрели большое значение в науке и технике. В конце 1931 г. Юри, Брекуэдд и Мэрфи исследовали остаток после длительного выпаривания жидкого водорода и обнаружили в нем тяжелый водород с атомным весом 2. Этот изотоп назвали дейтерием (Deuterium, D) от греч.— другой, второй. Спустя четыре года в воде, подвергнутой длительному электролизу, был обнаружен еще более тяжелый изотоп водорода 3Н, который назвали тритием (Tritium, Т), от греч.— третий.

Периодическая система химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева:

 

Периодическая система элементов

IA

IIA

IIIB

IVB

VB

VIB

VIIB

----

VIIIB

----

IB

IIB

IIIA

IVA

VA

VIA

VIIA

VIIIA

Период                  
11

H

                2

He

23

Li

4

Be

          5

B

6

C

7

N

8

O

9

F

10

Ne

311

Na

12

Mg

          13

Al

14

Si

15

P

16

S

17

Cl

18

Ar

419

K

20

Ca

21

Sc

22

Ti

23

V

24

Cr

25

Mn

26

Fe

27

Co

28

Ni

29

Cu

30

Zn

31

Ga

32

Ge

33

As

34

Se

35

Br

36

Kr

537

Rb

38

Sr

39

Y

40

Zr

41

Nb

42

Mo

(43)

Tc

44

Ru

45

Rh

46

Pd

47

Ag

48

Cd

49

In

50

Sn

51

Sb

52

Te

53

I

54

Xe

655

Cs

56

Ba

*72

Hf

73

Ta

74

W

75

Re

76

Os

77

Ir

78

Pt

79

Au

80

Hg

81

Tl

82

Pb

83

Bi

(84)

Po

(85)

At

86

Rn

787

Fr

88

Ra

**(104)

Rf

(105)

Db

(106)

Sg

(107)

Bh

(108)

Hs

(109)

Mt

(110)

Ds

(111)

Rg

(112)

Cp

(113)

Uut

(114)

Uuq

(115)

Uup

(116)

Uuh

(117)

Uus

(118)

Uuo

8(119)

Uue

(120)

Ubn

                
Лантаноиды *57

La

58

Ce

59

Pr

60

Nd

(61)

Pm

62

Sm

63

Eu

64

Gd

65

Tb

66

Dy

67

Ho

68

Er

69

Tm

70

Yb

71

Lu

 
Актиноиды **89

Ac

90

Th

91

Pa

92

U

(93)

Np

(94)

Pu

(95)

Am

(96)

Cm

(97)

Bk

(98)

Cf

(99)

Es

(100)

Fm

(101)

Md

(102)

No

(103)

Lr


Химические семейства элементов периодической таблицы
Щелочные металлыЩёлочноземельные металлыЛантаноидыАктиноидыПереходные металлы
Лёгкие металлыПолуметаллыНеметаллыГалогеныИнертные газы
 

+7 (812)

Телефоны отделов продаж:

337-18-93 - отдел моющих средств и хозтоваров-многоканальный.
337-18-94 - отдел ветзоотехники и агрохимии
337-18-95 - отдел лабораторной посуды
337-18-96 - отдел химии и спецодежды
337-18-97 - отдел лабораторного оборудования и приборов

Адреса электронной почты:

him_spb@mail.ru
himsnab.53@list.ru

Адрес:

198095, г. Санкт-Петербург, ул. Швецова, дом 23 (Здание ТЭМП)

© 2009 — «ХИМСНАБ»
Все права защищены

Отказ от ответственности



Создание сайта — «Consepto»
Продвижение сайта — «1 Место»