Водород. Его физические и химические свойства.
Водород как элемент. Положение в Периодической таблице.
Распространенность в природе.
Водород – 1-й элемент Периодической таблицы (заряд ядра +1),
химический знак – Н, относительная атомная масса (атомный вес) 1,008 (округленно 1).
Валентность водорода в соединениях равна единице, наиболее распространенная степень окисления +1.
Молекула водорода Н2, молекулярная масса (молекулярный вес) 2,016 (округленно 2 а.е.м). Молярная масса 2 г/моль.
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 – наиболее легкий из всех элементов, то такая внушительная масса требует огромного количества атомов этого элемента. Из каждых 100 атомов, встречающихся во Вселенной, 90 – атомы водорода.
Вероятно, когда-то водород входил и в атмосферу Земли. Но из-за своей легкости он способен покидать атмосферу, поэтому доля водорода в воздухе ничтожно мала. В связанном виде водород составляет 0,76 % массы Земли. Наиболее важным соединением водорода, встречающимся в природе, является вода.
Водород – газ, типичный неметалл. Образует прочные ковалентные двухатомные молекулы Н2.
Водород становится жидким при очень низких температурах (-253 °С), а твердый водород получить еще труднее (температура плавления твердого водорода -259 °С).
Водород как химический элемент. Атом водорода – самый простой из всех атомов. Его ядро состоит из единственного протона. Этот (самый распространенный) изотоп водорода называют также протием, чтобы отличить от дейтерия – другого изотопа водорода, в ядре которого 1 протон и 1 нейтрон. Дейтерий не радиоактивен, но находится в природе в очень небольшом количестве. Тем не менее, его научились выделять для нужд ядерной энергетики. Дейтерий – один из немногих изотопов в химии, имеющий свой собственный символ D. Наиболее известным химическим соединением, в которое входит дейтерий, является "тяжелая вода" D2O.
В ядерных реакциях образуется еще один изотоп водорода – тритий, в ядре которого 1 протон и 2 нейтрона. Тритий (химический символ T) радиоактивен, период его полураспада чуть больше 12 лет. Однако в природе он все-таки встречается, хотя и в ничтожных количествах - в обычной воде один атом трития приходится на 1018 атомов протия. Этот тритий - космического происхождения. Он постоянно образуется в атмосфере благодаря тому, что быстрые космические нейтроны расщепляют атомы азота на два фрагмента: углерод-12 и тритий. Протоны высоких энерний, из которых в основном состоят космические лучи, тоже могут порождать тритий при взаимодействии с ядрами любых элементов, входящих в состав атмосферы.
Таким образом, известны 3 изотопа водорода: 11H (или просто H), 21H (или D), 31H (или T). Поскольку в ядре любого изотопа водорода всегда только один протон, то электронная оболочка включает только один электрон, занимающий самый нижний электронный уровень 1s. Таким образом, любой изотоп водорода имеет только одну – и притом валентную – оболочку 1s1.
Электронный уровень 1s вмещает не более 2-х электронов и атому водорода достаточно приобрести или потерять один электрон, чтобы достичь устойчивой электронной конфигурации:
Н - 1е- = Н+ положительный ион водорода (нет е-)
Н + 1е- = Н- отрицательный ион водорода (1s2)
Первое уравнение говорит о родственной связи водорода с элементами I группы – щелочными металлами, которые охотно отдают единственный внешний электрон и образуют положительные ионы Li+, Na+, K+ 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-, Cl-, Br- и т.д.
Типичными неметаллическими свойствами этот элемент больше похож на элементы VII группы (фтор, хлор, бром т.д.). Но водород не является р-элементом и более охотно ОТДАЕТ электрон, чем принимает. Поэтому его нахождение в группе s-элементов – активных восстановителей – также имеет смысл. В связи с этим водород часто помещают в I 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.
Получение водорода.
Лабораторный способ получения водорода.
В земных условиях водород встречается преимущественно в связанном состоянии, например, Н2О, HCl, HF и т.д. В этих соединениях водород имеет степень окисления +1, поскольку его электроотрицательность (2,2) меньше, чем электроотрицательность кислорода (3,44), хлора (3,16) и фтора (3,98).
Когда водород уже находится в степени окисления +1, он может отбирать электрон у многих элементов – особенно металлов, которые склонны отдавать электроны. Поэтому способы получения водорода часто основаны на реакции какого-либо металла с одним из соединений водорода, например:
Реакцию между цинком и водным раствором хлористого водорода (соляной кислотой) наиболее часто используют для получения водорода в лаборатории.
Современное имя водороду дал знаменитый французский химик Лавуазье, придумав латинское название "hydrogen" из слов "hydro" (вода) и "genes" (рождающий).
Промышленный способ получения водорода
Водяной пар пропускают над раскаленным добела коксом (углем, нагреваемым без доступа воздуха). В результате получается смесь оксида углерода с водородом, которую называют "водяным газом".
Водород может получаться и при сильном нагревании метана:
Наиболее чистый 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 получения водорода.
Химические свойства водорода.
Из всех соединений водорода одним из важнейших является аммиак, который получают 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 из более активного в химическом отношении аммиака получают множество азотистых соединений – азотную кислоту, красители, взрывчатые вещества, азотные удобрения.
Восстановительные свойства водорода используют для получения чистых металлов из их оксидов. Например, при нагревании оксида меди CuO в токе водорода образуется вода и порошок металлической меди:
Для некоторых очень тугоплавких металлов восстановление их оксидов водородом оказывается удобным и экономичным способом получения. Например, металл вольфрам, из которого делают нити лампочек накаливания, получают с помощью реакции:
WO3 + 3 H2 = W + 3 H2O
Металл получается в виде порошка, который затем можно прессовать в готовые изделия. После спекания такие изделия не требуют дальнейшей обработки. Этот способ получения металлов и деталей из них называется порошковой металлургией.
Важной является также реакция горения водорода.
Н2 + О2 = 2Н2О
Таким образом, водород является чрезвычайно теплотворным химическим топливом. Кроме того, при сжигании водорода образуется только вода, в то время как другие топлива загрязняют атмосферу оксидами углерода, азота и несгоревшими остатками топлива.
Применение водорода
Водород используется в качестве горючего в современной ракетной технике. Российская ракета-носитель "Энергия" выводила на орбиту более 100 тонн различных грузов благодаря водородно-кислородным двигателям. В ее двигателях использовались жидкий кислород и жидкий водород.
Вы уже знаете, что смеси водорода с кислородом называются гремучим газом и взрываются от малейшей искры. Поэтому работа с водородом в качестве топлива 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 легче воздуха – дирижаблей.
Дирижабли – это управляемые аэростаты с сигарообразной оболочкой, наполненной водородом. Большой объем водорода в оболочке обеспечивал высокую грузоподъемность этих воздушных кораблей. На снимке вы видите один из первых дирижаблей небольшого размера, но 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, прогулочные палубы и т.д. Такие дирижабли совершали регулярные рейсы из Европы в Америку.
Однако большое количество энергии, выделяющееся в реакции водорода с кислородом, таит в себе огромную опасность. 6 мая 1937 года крупнейший в мире пассажирский дирижабль "Гинденбург", прилетевший из Германии в Нью-Джерси (США), взорвался и рухнул на землю от искры, проскочившей между причальной мачтой и корпусом дирижабля. На фотографии ниже запечатлен этот трагический момент. Во многом именно из-за этой катастрофы строительство пассажирских дирижаблей вскоре прекратилось.
В настоящее время водород не применяют для наполнения аэростатов и других летательных аппаратов легче воздуха. Для этих целей используют более дорогой, но зато безопасный газ гелий.
Использованы материалы сайта http://www.hemi.nsu.ru