На каком физическом свойстве водорода основано его применение
Гидроген Н – химический элемент, один из самых распространённых в нашей Вселенной. Масса водорода как элемента в составе веществ составляет 75 % от общего содержания атомов другого типа. Он входит в наиважнейшее и жизненно необходимое соединение на планете — воду. Отличительной особенностью водорода также является то, что он первый элемент в периодический системе химических элементов Д. И. Менделеева.
Открытие и исследование
Первые упоминания о водороде в трудах Парацельса датируются шестнадцатым веком. Но его выделение из газовой смеси воздуха и исследование горючих свойств были произведены уже в семнадцатом веке учёным Лемери. Досконально изучил гидроген английский химик, физик и естествоиспытатель Генри Кавендиш, который опытным путём доказал, что масса водорода наименьшая в сравнении с другими газами. В последующих этапах развития науки многие учёные работали с ним, в частности Лавуазье, назвавший его «рождающим воду».
Характеристика по положению в ПСХЭ
Элемент, открывающий периодическую таблицу Д. И. Менделеева, – это водород. Физические и химические свойства атома проявляют некую двойственность, так как гидроген одновременно относят к первой группе, главной подгруппе, если он ведёт себя как металл и отдаёт единственный электрон в процессе химической реакции, и к седьмой — в случае полного заполнения валентной оболочки, то есть приёме отрицательной частицы, что характеризует его как подобный галогенам.
Особенности электронного строения элемента
Свойства атома водорода, сложных веществ, в состав которых он входит, и самого простого вещества Н2 в первую очередь определяются электронной конфигурацией гидрогена. Частица имеет один электрон с Z= (-1), который вращается по своей орбите вокруг ядра, содержащего один протон с единичной массой и положительным зарядом (+1). Его электронная конфигурация записывается как 1s1, что означает наличие одной отрицательной частицы на самой первой и единственной для гидрогена s-орбитали.
При отрыве или отдаче электрона, а атом этого элемента имеет такое свойство, что роднит его с металлами, получается катион. По сути ион водорода – это положительная элементарная частица. Поэтому лишенный электрона гидроген называют попросту протоном.
Физические свойства
Если описывать физические свойства водорода кратко, то это бесцветный, малорастворимый газ с относительной атомной массой равной 2, в 14,5 раза легче, чем воздух, с температурой сжижения, составляющей -252,8 градуса Цельсия.
На опыте можно легко убедиться в том, что Н2 самый легкий. Для этого достаточно наполнить три шара различными веществами – водородом, углекислым газом, обычным воздухом — и одновременно выпустить их из руки. Быстрее всех достигнет земли тот, который наполнен СО2, после него опустится надутый воздушной смесью, а содержащий Н2 вовсе поднимется к потолку.
Маленькая масса и размер частиц водорода обосновывают его способность проникать через различные вещества. На примере того же шара в этом легко убедиться, через пару дней он сам сдуется, так как газ просто пройдёт через резину. Также водород может накапливаться в структуре некоторых металлов (палладий или платина), а при повышении температуры испаряться из неё.
Свойство малорастворимости водорода используют в лабораторной практике для его выделения способом вытеснения воды. Физические свойства водорода (таблица, изображенная ниже, содержит основные параметры) определяют сферы его применения и методы получения.
| Параметр атома или молекулы простого вещества | Значение |
| Атомная масса (молярная масса) | 1,008 г/моль |
| Электронная конфигурация | 1s1 |
| Кристаллическая решётка | Гексагональная |
| Теплопроводность | (300 K) 0,1815 Вт/(м·К) |
| Плотность при н. у. | 0,08987 г/л |
| Температура кипения | -252,76 °C |
| Удельная теплота сгорания | 120,9·106 Дж/кг |
| Температура плавления | -259,2 °C |
| Растворимость в воде | 18,8 мл/л |
Изотопный состав
Как и многие другие представители периодической системы химических элементов, гидроген имеет несколько природных изотопов, то есть атомов с одинаковым числом протонов в ядре, но различным числом нейтронов – частиц с нулевым зарядом и единичной массой. Примеры атомов, обладающих подобным свойством — кислород, углерод, хлор, бром и прочие, в том числе радиоактивные.
Физические свойства водорода 1Н, самого распространённого из представителей данной группы, значительно отличаются от таких же характеристик его собратьев. В частности, разнятся особенности веществ, в состав которых они входят. Так, существует обычная и дейтерированная вода, содержащая в своём составе вместо атома водорода с одним-единственным протоном дейтерий 2Н – его изотоп с двумя элементарными частицами: положительной и незаряженной. Этот изотоп в два раза тяжелее обычного гидрогена, что и объясняет кардинальное различие в свойствах соединений, которые они составляют. В природе дейтерий встречается в 3200 раз реже, чем водород. Третий представитель – тритий 3Н, в ядре он имеет два нейтрона и один протон.
Способы получения и выделения
Лабораторные и промышленные методы получения водорода весьма отличаются. Так, в малых количествах газ получают в основном с помощью реакций, в которых участвуют минеральные вещества, а крупномасштабные производства в большей степени используют органический синтез.
В лаборатории применяют следующие химические взаимодействия:
- Реакция щелочных и щелочноземельных металлов с водой с образованием щёлочи и искомого газа.
- Электролиз водного раствора электролита, на аноде выделяется Н2↑, а на катоде — кислород.
- Разложение гидридов щелочных металлов водой, продуктами являются щёлочь и, соответственно, газ Н2↑.
- Взаимодействие разбавленных кислот с металлами с образованием солей и Н2↑.
- Действие щелочей на кремний, алюминий и цинк также способствует выделению водорода параллельно с образованием комплексных солей.
В промышленных интересах газ получают такими методами, как:
- Термическое разложение метана в присутствии катализатора до составляющих его простых веществ (350 градусов достигает значение такого показателя, как температура) – водорода Н2↑ и углерода С.
- Пропускание парообразной воды через кокс при 1000 градусов Цельсия с образованием углекислого газа СО2 и Н2↑ (самый распространённый метод).
- Конверсия газообразного метана на никелевом катализаторе при температуре, достигающей 800 градусов.
- Водород является побочным продуктом при электролизе водных растворов хлоридов калия или натрия.
Химические взаимодействия: общие положения
Физические свойства водорода во многом объясняют его поведение в процессах реагирования с тем или иным соединением. Валентность гидрогена равняется 1, так как он в таблице Менделеева расположен в первой группе, а степень окисления проявляет различную. Во всех соединениях, кроме гидридов, водород в с.о.= (1+), в молекулах типа ХН, ХН2, ХН3 – (1-).
Молекула газа водорода, образованная посредством создания обобщенной электронной пары, состоит из двух атомов и довольно устойчива энергетически, именно поэтому при нормальных условиях несколько инертна и в реакции вступает при изменении нормальных условий. В зависимости от степени окисления водорода в составе прочих веществ, он может выступать как в качестве окислителя, так и восстановителя.
Вещества, с которыми реагирует и которые образует водород
Элементные взаимодействия с образованием сложных веществ (часто при повышенных температурах):
- Щелочной и щелочноземельный металл + водород = гидрид.
- Галоген + Н2 = галогеноводород.
- Сера + водород = сероводород.
- Кислород + Н2 = вода.
- Углерод + водород = метан.
- Азот + Н2 = аммиак.
Взаимодействие со сложными веществами:
- Получение синтез-газа из монооксида углерода и водорода.
- Восстановление металлов из их оксидов с помощью Н2.
- Насыщение водородом непредельных алифатических углеводородов.
Водородная связь
Физические свойства водорода таковы, что позволяют ему, находясь в соединении с электроотрицательным элементом, образовывать особый тип связи с таким же атомом из соседних молекул, имеющих неподелённые электронные пары (например, кислородом, азотом и фтором). Ярчайший пример, на котором лучше рассмотреть подобное явление, – это вода. Она, можно сказать, прошита водородными связями, которые слабее ковалентных или ионных, но за счёт того, что их много, оказывают значительное влияние на свойства вещества. По сути, водородная связь – это электростатическое взаимодействие, которое связывает молекулы воды в димеры и полимеры, обосновывая её высокую температуру кипения.
Гидроген в составе минеральных соединений
В состав всех неорганических кислот входит протон – катион такого атома, как водород. Вещество, кислотный остаток которого имеет степень окисления больше (-1), называется многоосновным соединением. В нём присутствует несколько атомов водорода, что делает диссоциацию в водных растворах многоступенчатой. Каждый последующий протон отрывается от остатка кислоты всё труднее. По количественному содержанию водородов в среде определяется его кислотность.
Водород содержат и гидроксильные группы оснований. В них водород соединён с атомом кислорода, в результате степень окисления этого остатка щёлочи всегда равна (-1). По содержанию гидроксилов в среде определяется её основность.
Применение в деятельности человека
Баллоны с веществом, так же как и емкости с другими сжиженными газами, например кислородом, имеют специфический внешний вид. Они выкрашены в темновато-зелёный цвет с ярко-красной надписью «Водород». Газ закачивают в баллон под давлением порядка 150 атмосфер. Физические свойства водорода, в частности легкость газообразного агрегатного состояния, используют для наполнения им в смеси с гелием аэростатов, шаров-зондов и т.д.
Водород, физические и химические свойства которого люди научились использовать много лет назад, на сегодняшний момент задействован во многих отраслях промышленности. Основная его масса идёт на производство аммиака. Также водород участвует в получении металлов (гафния, германия, галлия, кремния, молибдена, вольфрама, циркония и прочих) из окислов, выступая в реакции в качестве восстановителя, синильной и соляной кислот, метилового спирта, а также искусственного жидкого топлива. Пищевая промышленность использует его для превращения растительных масел в твёрдые жиры.
Определили химические свойства и применение водорода в различных процессах гидрогенизации и гидрирования жиров, углей, углеводородов, масел и мазута. С помощью него производят драгоценные камни, лампы накаливания, проводят ковку и сварку металлических изделий под воздействием кислородно-водородного пламени.
Элемент водород начинает Периодическую систему – он имеет порядковый номер 1. Это самый легкий из химических элементов. Обладая уникальными свойствами, частично напоминающими свойства галогенов, частично – щелочных металлов, он оказывается расположенным и в первой, и в VII группах Периодической системы.
Строение водорода
Атом водорода имеет очень простое строение – в нем содержится всего один протон и один электрон. Отдавая электрон, атом приобретает степень окисления +1, а принимая его – степень окисления –1. Относительная атомная масса атома водорода равна 1. Однако в природе существуют и более тяжелые атомы водорода – дейтерий (содержит один нейтрон, поэтому его масса равна 2) и тритий (содержит два нейтрона, атомная масса равна 3).
Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. На Земле он уступает по распространенности кислороду, кремнию и некоторым другим элементам. Главное соединение водорода – вода. Также он содержится в природном газе, нефти, в некоторых минералах, в белках, жирах и углеводах.
Физические свойства
При обычных условиях водород – газ, состоящий из двухатомных молекул. Он не имеет ни цвета, ни запаха, мало растворим в воде (1,82 мл в 100 г воды при 20 $^circ C$). При сильном сжатии и охлаждении переходит в жидкое состояние. Жидкий водород кипит при –253°C, при этой температуре азот и кислород находятся в кристаллическом состоянии. Твердый водород образуется при охлаждении до –259°C.
Газообразный водород обладает рядом уникальных свойств. Благодаря маленькому радиусу атомы и молекулы водорода могут проникать через резину, стекло и даже через металлы. Некоторые металлы, например, платина и палладий, способны растворять значительные количества газообразного водорода. Водород в 14,5 раз легче воздуха, 100 л водорода при 0$^circ C$ весят всего 9 г. Это самый легкий из газов и самое легкое вещество.
Химические свойства
При комнатной температуре реагирует лишь с фтором, а на свету – с хлором, при нагревании – с кислородом, серой, азотом, углеродом:
H$_2$ + X$_2$ = 2HX (X = F, Cl)
2H$_2$ + O$_2$ = 2H$_2$O,
H$_2$ + S = H$_2$S,
3H$_2$ + N$_2$ = 2NH$_3$.
С кислородом и воздухом водород образует взрывчатые смеси. Особенно опасна смесь одного объема кислорода и двух объемов водорода. Ее называют гремучим газом.
При взаимодействии с щелочными и щелочноземельными металлами образует гидриды. Восстанавливает некоторые металлы из оксидов:
CuO + H$_2$ = Cu + H$_2$O
HgO + H$_2$ = Hg + H$_2$O
Получение водорода
В лаборатории получают действием цинка на разбавленные кислоты – серную или соляную:
Zn + H$_2$SO$_4$ = ZnSO$_4$ + H$_2$
Реакцию обычно проводят в аппарате Киппа.
Также образуется при действии растворов щелочей на цинк, кремний и алюминий, при реакции щелочных и щелочноземельных металлов и их гидридов с водой.
В промышленности водород получают электролизом воды, термическим разложением (пиролизом) углеводородов, в смеси с угарным газом взаимодействием угля и природного газа с перегретым водяным паром (водяной газ, синтез-газ).
Применяется водород в синтезе аммиака, хлороводорода и соляной кислоты, метилового спирта, получении некоторых металлов из оксидов, при гидрировании растительных жиров. В смеси с угарным газом (синтез-газ) используется для получения разнообразным органических веществ. Является перспективным топливом.
Если кислород является самым распространенным химическим элементом на Земле, то водород – самый распространенный элемент во всей Вселенной. Наше Солнце (и другие звезды) примерно на половину состоит из водорода, а что касается межзвездного газа, то он на 90% состоит из атомов водорода. Немалое место этот химический элемент занимает и на Земле, ведь вместе с кислородом он входит в состав воды, а само его название «водород» происходит от двух древнегреческих слов: «вода» и «рожаю». Помимо воды водород присутствует в большинстве органических веществ и клеток, без него, как и без кислорода, была бы немыслима сама Жизнь.
История открытия водорода
Первым среди ученых водород заметил еще великий алхимик и лекарь средневековья Теофраст Парацельс. В своих алхимических опытах, в надежде отыскать «философский камень» смешивая металлы с кислотами Парацельс получил некий неизвестный до того горючий газ. Правда отделить этот газ от воздуха так и не удалось.
Только спустя полтора века после Парацельса французскому химику Лемери таки удалось отделить водород от воздуха и доказать его горючесть. Правда Лемери так и не понял, что полученный им газ является чистым водородом. Параллельно подобными химическими опытами занимался и русский ученый Ломоносов, но настоящий прорыв в исследовании водорода был сделан английским химиком Генри Кавендишом, которого по праву считают первооткрывателем водорода.
В 1766 году Кавендишу удалось получить чистый водород, который он называл «горючим воздухом». Еще через 20 лет талантливый французский химик Антуан Лавуазье смог синтезировать воду и выделить из нее этот самый «горючий воздух» – водород. И к слову именно Лавуазье предложил водороду его название – «Hydrogenium», он же «водород».
Антуан Лавуазье со своей женой, помогавшей ему проводить химические опыты, в том числе и по синтезу водорода.
Водород в таблице Менделеева
В основе расположения химических элементов в периодической системе Менделеева лежит их атомный вес, рассчитанный относительно атомного веса водорода. То есть иными словами водород и его атомный вес является краеугольным камнем таблицы Менделеева, той точкой опоры, на основе которой великий химик создал свою систему. Поэтому не удивительно, что в таблице Менделеева водород занимает почетное первое место.
Помимо этого водород имеет такие характеристики:
- Атомная масса водорода составляет 1,00795.
- У водорода в наличии три изотопа, каждый из которых обладает индивидуальными свойствами.
- Водород – легкий элемент имеющий малую плотность.
- Водород обладает восстановительными и окислительными свойствами.
- Вступая в химические реакции с металлами, водород принимает их электрон и стает окислителем. Подобные соединения называются гидратами.
Строение молекулы водорода
Водород это газ, молекула его состоит из двух атомов.
Так схематически выглядит молекула водорода.
Молекулярный водород, образованный из таких вот двухатомных молекул взрывается при поднесенной горящей спичке. Молекула водорода при взрыве распадается на атомы, которые превращаются в ядра гелия. Именно таким образом происходят ядерные реакции на Солнце и других звездах – за счет постоянного распадение молекул водорода наше светило горит и обогревает нас своим теплом.
Физические свойства водорода
У водорода в наличие следующие физические свойства:
- Температура кипения водорода составляет 252,76 °C;
- А при температуре 259,14 °C он уже начинает плавиться.
- В воде водород растворяется слабо.
- Чистый водород – весьма опасное взрывчатое и горючее вещество.
- Водород легче воздуха в 14,5 раз.
Химические свойства водорода
Поскольку водород может быть в разных ситуациях и окислителем и восстановителем его используют для осуществления реакций и синтезов.
Окислительные свойства водорода взаимодействуют с активными (обычно щелочными и щелочноземельными) металлами, результатом этих взаимодействий является образование гидридов – солеподобных соединений. Впрочем, гидриды образуются и при реакциях водорода с малоактивными металлами.
Восстановительные свойства водорода обладают способностью восстанавливать металлы до простых веществ из их оксидов, в промышленности это называется водородотермией.
Как получить водород?
Среди промышленных средств получения водорода можно выделить:
- газификацию угля,
- паровую конверсию метана,
- электролиз.
В лаборатории водород можно получить:
- при гидролизе гидридов металлов,
- при реакции с водой щелочных и щелочноземельных металлов,
- при взаимодействии разбавленных кислот с активными металлами.
Применение водорода
Так как водород в 14 раз легче воздуха, то в былые времена им начиняли воздушные шары и дирижабли. Но после серии катастроф произошедших с дирижаблями конструкторам пришлось искать водороду замену (напомним, чистый водород – взрывоопасное вещество, и малейшей искры было достаточно, чтобы случился взрыв).
Взрыв дирижабля Гинденбург в 1937 году, причиной взрыва как раз и стало воспламенение водорода (вследствие короткого замыкания), на котором летал этот огромный дирижабль.
Поэтому для подобных летательных аппаратов вместо водорода стали использовать гелий, который также легче воздуха, получение гелия более трудоемкое, зато он не такой взрывоопасный как водород.
Тем не менее, водород весьма хорошо зарекомендовал себя в качестве одного из компонентов ракетного топлива. А автомобили, работающие на водородном топливе более экологичнее своих дизельных и бензиновых собратьев.
Также с помощью водорода производится очистка различных видов топлива, в особенности на основе нефти и нефтепродуктов.
Водород, видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.