Водень

Водень (лат. Hydrogenium), H, хімічний елемент з атомним номером 1, атомна маса 1,00794. Хімічний символ водню Н читається в нашій країні «аш», як вимовляється ця буква по-французьки.

Природний водень складається з суміші двох стабільних нуклідів з масовими числами 1,007825 (99,985% у суміші) і 2,0140 (0,015%). Крім того, у природному водні завжди присутні незначні кількості радіоактивної нукліда - тритію 3Н (період напіврозпаду Т 1/2 = 12,43 року). Тому що в ядрі атома водню міститься тільки 1 протон (менше в ядрі атома елемента протонів бути не може), то іноді говорять, що водень утворює природну нижню межу періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва (хоча сам елемент водень розташований в самій верхній частині таблиці). Елемент водень розташований в першому періоді таблиці Менделєєва. Його відносять і до 1-й групі (групі IА лужних металів), і до 7-й групі (групі VIIA галогенів).

Маси атомів у ізотопів водню розрізняються між собою дуже сильно (у рази). Це призводить до помітних відмінностей в їхній поведінці у фізичних процесах (дистиляція, електроліз і ін) і до певних хімічних відмінностей (відмінності в поведінці ізотопів одного елемента називають ізотопними ефектами, для водню ізотопні ефекти найбільш істотні). Тому на відміну від ізотопів всіх решти елементів ізотопи водню мають спеціальні символи і назви. Водень з масовим числом 1 називають легким воднем, або проти (лат. Protium, від грецького protos - перший), позначають символом Н, а його ядро називають протоном, символ р. Водень з масовим числом 2 називають тяжким воднем, дейтерієм (лат Deuterium, від грецького deuteros - друга), для його позначення використовують символи 2Н, або D (читається «де»), ядро d - Дейтрон. Радіоактивний ізотоп з масовим числом 3 називають надважким воднем, або тритієм (лат. Tritum, від грецького tritos - третє), символ 3Н або Т (читається «Ті»), ядро t - тритон.

Конфігурація єдиного електронного шару нейтрального не збудженому атома водню 1s1. У сполуках проявляє ступені окиснення +1 і, рідше, -1 (валентність I). Радіус нейтрального атома водню 0,0529 нм. Енергія іонізації атома 13,595 еВ, спорідненість до електрона 0,75 еВ. За шкалою Полінга електронегативність водню 2,20. Водень належить до числа неметалів.

В вільному вигляді - легкий горючий газ без кольору, запаху і смаку.

Фізичні та хімічні властивості: за звичайних умов водень - легкий (щільність при нормальних умовах 0,0899 кг/м3) безбарвний газ. Температура плавлення -259,15 ° C, температура кипіння -252,7 ° C. Рідкий водень (при температурі кипіння) володіє щільністю 70,8 кг/м3 і є найлегшою рідиною. Стандартний електродний потенціал Н2/Н- у водному розчині приймають рівним 0. Водень погано розчинний у воді: при 0 ° C розчинність становить менше 0,02 см3/мл, але добре розчиняється в деяких металах (губчате залізо та інших), особливо добре - в металевому палладії (близько 850 обсягів водню в 1 обсязі металу). Теплота згоряння водню дорівнює 143,06 МДж/кг.

Існує у вигляді двоатомних молекул Н2. Константа дисоціації Н2 на атоми при 300 К 2,56 · 10-34. Енергія дисоціації молекули Н2 на атоми 436 кДж/моль. Меж'ядерное відстань у молекулі Н2 0,07414 нм.

Так як ядро кожного атома Н, що входить до складу молекули, має свій спін, то молекулярний водень може знаходитися в двох формах: у формі ортоводорода (о-Н2) (обидва спина мають однакову орієнтацію) і у формі параводорода (п-Н2) (спини мають різну орієнтацію). За звичайних умов стандартний водень являє собою суміш 75% о-Н2 і 25% п-Н2. Фізичні властивості п-і о-Н2 трохи розрізняються між собою. Так, якщо температура кипіння чистого о-Н2 20,45 К, то чистого п-Н2 - 20,26 К. Перетворення о-Н2 в п-Н2 супроводжується виділенням 1418 Дж/моль теплоти.

В науковій літературі неодноразово висловлювалися міркування про те, що при високому тиску (вище 10 ГПа) і при низьких температурах (близько 10 К і нижче) твердий водень, зазвичай кристалізується в гексагональної решітці молекулярного типу, може переходити в речовину з металевими властивостями, можливо, навіть надпровідник. Однак поки однозначних даних про можливість такого переходу немає.

Висока міцність хімічного зв'язку між атомами в молекулі Н2 (що, наприклад, використовуючи метод молекулярних орбіталей, можна пояснити тим, що в цій молекулі електронна пара знаходиться на зв'язує орбіталі, а розпушуються орбіталь електронами не заселена) призводить до того, що при кімнатній температурі газоподібний водень хімічно малоактивний. Так, без нагрівання, при простому змішуванні водень реагує (з вибухом) тільки з газоподібним фтором (F):

H2 + F2 = 2HF + Q.

Якщо суміш водню і хлору (Cl) при кімнатній температурі опромінити ультрафіолетовим світлом, то спостерігається негайне освіта хлороводню НСl. Реакція водню з киснем (O) відбувається з вибухом, якщо до складу цих газів внести каталізатор - металевий паладій (Pd) (або платину (Pt)). При підпалюванні суміш водню і кисню (O) (так званий гримучий газ) вибухає, при це вибух може відбутися в сумішах, у яких вміст водню становить від 5 до 95 об'ємних відсотків. Чистий водень на повітрі або в чистому кисні (O) спокійно горить з виділенням великої кількості теплоти:

H2 + 1/2O2 = Н2О + 285,75 кДж/моль

З рештою неметалами і металами водень якщо і взаємодіє, то тільки за певних умов (нагрівання, підвищений тиск, присутність каталізатора). Так, з азотом (N) водень оборотно реагує при підвищеному тиску (20-30 МПа і більше) і при температурі 300-400 ° C у присутності каталізатора - заліза (Fe):

3H2 + N2 = 2NH3 + Q.

Також тільки при нагріванні водень реагує з сіркою (S) з утворенням сірководню H2S, з бромом (Br) - з утворенням бромоводорода НBr, з йодом (I) - з освітою іодоводорода НI. З вугіллям (графітом) водень реагує з утворенням суміші вуглеводнів різного складу. З бором (B), кремнієм (Si), фосфором (P) водень безпосередньо не взаємодіє, з'єднання цих елементів з воднем отримують непрямими шляхами.

При нагріванні водень здатний вступати в реакції з лужними, лужноземельними металами і магній (Mg) з утворенням сполук з іонним характером зв'язку, в складі яких міститься водень в ступені окислення -1. Так, при нагріванні кальцію в атмосфері водню утворюється солеобразний гідрид складу СаН2. Полімерний гідрид алюмінію (AlH3) x - одна з найсильніших відновників -- отримують непрямими шляхами (наприклад, за допомогою алюмінійорганіческіх з'єднань). З багатьма перехідними металами (наприклад, цирконієм (Zr), гафнію (Hf) тощо) водень утворює сполуки змінного складу (тверді розчини).

Водень здатний реагувати не тільки з багатьма простими, але й зі складними речовинами. Перш за все, треба відзначити здатність водню відновлювати багато метали з їх оксидів (такі, як залізо (Fe), нікель (Ni), свинець (Pb), вольфрам (W), мідь (Cu) та ін.) Так, при нагріванні до температури 400-450 ° C і вище відбувається відновлення заліза (Fe) воднем з його будь-якого оксиду, наприклад:

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O.

Слід відзначити, що відновити воднем з оксидів можна тільки метали, розташовані в ряду стандартних потенціалів за марганцем (Mn). Активніші метали (у тому числі і марганець (Mn)) до металу з оксидів НЕ відновлюються.

Водень здатний приєднуватися за подвійною чи потрійною зв'язку до багатьох органічним сполук (це - так звані реакції гідрування). Наприклад, в присутності нікелевого каталізатора можна здійснити гідрування етилену С2Н4, причому утворюється Етан С2Н6:

С2Н4 + Н2 = С2Н6.

Взаємодією оксиду вуглецю (II) і водню в промисловості отримують метанол:

2Н2 + СО = СН3ОН.

В з'єднаннях, в яких атом водню сполучений з атомом більше електронегативний елемент Е (Е = F, Cl, O, N), між молекулами утворюються водневі зв'язки (два атоми Е одного і того ж або двох різних елементів пов'язані між собою через атом Н: Е '... Н. .. Е'', причому всі три атома розташовані на одній прямій). Такі зв'язки існують між молекулами води, аміаку, метанолу та ін і призводять до помітного зростання температур кипіння цих речовин, збільшенню теплоти випаровування і т. д.

Історія відкриття: виділення горючого газу при взаємодії кислот та металів спостерігали в 16 і 17 століттях на зорі становлення хімії як науки. Знаменитий англійський фізик і хімік Г. Кавендіш у 1766 досліджував цей газ і назвав його «Горючим повітрям». При спалюванні «горючий повітря» давав воду, але прихильність Кавендіша теорії флогістону завадила йому зробити правильні висновки. Французька хімік А. Лавуазьє разом із інженером Ж. Менье, використовуючи спеціальні газометри, в 1783 р. здійснив синтез води, а потім і її аналіз, розклавши водяну пару розжареним залізом. Таким чином, він встановив, що «горючий повітря »входить до складу води та може бути з неї отримано. У 1787 Лавуазьє прийшов до висновку, що «горючий повітря» є проста речовина, і, отже, відноситься до числа хімічних елементів. Він дав йому назву hydrogene (від грецького hydor - вода і gennao - народжують) - «що породжує воду». Встановлення складу води поклало край «теорії флогістону». Русское найменування «водень» запропонував хімік М. Ф. Соловйов у 1824 році. На рубежі 18 і 19 століття було встановлено, що атом водню дуже легкий (у порівнянні з атомами інших елементів), і вага (маса) атома водню був прийнятий за одиницю порівняння атомних мас елементів. Массі атома водню приписали значення, дорівнює 1.

Знаходження в природі: на частку водню припадає близько 1% маси земної кори (10-е місце серед всіх елементів). У вільному стані водень на нашій планеті практично не зустрічається (його сліди є в верхніх шарах атмосфери), але у складі води поширений на Землі майже повсюдно. Елемент водень входить до складу органічних і неорганічних сполук живих організмів, природного газу, нафти, кам'яного вугілля. Він міститься, зрозуміло, у складі води (близько 11% у масі), в різних природних кристалогідратів і мінералах, у складі яких є один або кілька гідроксогрупп ОН.

Водень як елемент домінує у Всесвіті. На його частку припадає близько половини маси Сонця та інших зірок, він присутній в атмосфері ряду планет.

Отримання: водень можна отримати багатьма способами. У промисловості для цього використовують природні гази, а також гази, одержувані при переробці нафти, коксуванні і газифікації вугілля і інших палив. При виробництві водню з природного газу (основний компонент - метан) проводять його каталітичне взаємодію з водяною парою і неповне окислення киснем (O):

CH4 + H2O = CO + 3H2 і CH4 + 1/2 O2 = CO2 + 2H2

Виділення водню з коксового газу та газів нафтопереробки засноване на їх зрідження при глибокому охолодженні і видалення із суміші газів, зріджується легше, ніж водень. За наявності дешевої електроенергії водень отримують електролізом води, пропускаючи струм через розчини лугів. У лабораторних умовах водень легко отримати взаємодією металів з кислотами, наприклад, цинку (Zn) з соляною кислотою.

Застосування: водень використовують при синтезі аміаку NH3, хлороводню HCl, метанолу СН3ОН, при гідрокрекінгу (крекінгу в атмосфері водню) природних вуглеводнів, як відновник при отриманні деяких металів. Гідруванням природних рослинних олій отримують твердий жир - маргарин. Рідкий водень знаходить застосування як ракетне паливо, а також як холодоагент. Суміш кисню (O) з воднем використовують при зварюванні.

Одне час висловлювалося припущення, що в недалекому майбутньому основним джерелом отримання енергії стане реакція горіння водню, і воднева енергетика витіснить традиційні джерела отримання енергії (вугілля, нафта та ін.) При цьому передбачалося, що для отримання водню в великих масштабах можна буде використовувати електроліз води. Електроліз води - досить енергоємний процес, і в даний час одержувати водень електролізом в промислових масштабах невигідно. Але очікувалося, що електроліз буде заснований на використанні середньотемпературних (500-600 ° C) теплоти, яка у великих кількостях виникає при роботі атомних електростанцій. Ця теплота має обмежене застосування, і можливості отримання з її допомогою водню дозволили б вирішити як проблему екології (при згорянні водню на повітрі кількість утворюються екологічно шкідливих речовин мінімально), так і проблему утилізації середньотемпературних теплоти. Однак після Чорнобильської катастрофи розвиток атомної енергетики повсюдно згортається, так що вказаний джерело енергії стає недоступним. Тому перспективи широкого використання водню як джерела енергії поки зсуваються, щонайменше, до середини 21-го століття.

Особливості обігу: водень не отруйний, але при поводженні з ним потрібно постійно враховувати його високу пожежо-і вибухонебезпечність, причому вибухонебезпечність водню підвищена через високу здатність газу до дифузії навіть через деякі тверді матеріали. Перед початком будь-яких операцій по нагрівання в атмосфері водню слід переконатися в його чистоті (при підпалюванні водню в переверненої вгору дном пробірці звук повинен бути глухий, а не гавкаючий).

Біологічна роль: біологічне значення водню визначається тим, що він входить до складу молекул води і всіх найважливіших груп природних сполук, в тому числі білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, вуглеводів. Приблизно 10% маси живих організмів припадає на водень. Здатність водню утворювати водневий зв'язок відіграє вирішальну роль у підтриманні просторової структури четвертинної білків, а також у здійсненні принципу комплементарності в побудові й функціях нуклеїнових кислот (тобто в зберіганні та реалізації генетичної інформації), взагалі в здійсненні «пізнавання» на молекулярному рівні. Водень (іон Н +) бере участь у найважливіших динамічні процеси та реакції в організмі - в біологічному окисленні, що забезпечує живі клітини енергією, у фотосинтезі у рослин, у реакціях біосинтезу, в азотфіксації і бактеріальному фотосинтезі, у підтримці кислотно-лужної рівноваги і гомеостазу, в процеси мембранного транспорту. Таким чином, поряд з киснем (O) і вуглецем (C) водень утворює структурну і функціональну основи явищ життя.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.alhimikov.net/