Водород как химический элемент, интересные факты

Водород

Водоро́д — первый элемент периодической системы элементов. Широко распространён в природе.

Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Знаменитый 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 1783 г. 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.  Лавуазье дал водороду название hydrogène (от др. -греч. ὕδωρ — «вода» и γενναω — «рождаю» ) — «рождающий воду» . Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году — по аналогии с ломоносовским «кислородом».

Первый, наиболее легкий химический элемент периодической системы Менделеева, атомная мfccf 1,0794 + 0,0007 (второе слагаемое учитывает колебания изотопного состава).Природный водород состоит из двух стабильных изотопов. протия 1Н и дейтерия 2Н, или D; содержание последнего (1,1-1,6)*10-3 атомов %; известен также радиоактивный изотоп -тритий 3Н, или Т. Ядро атома протия - протон. Атом водорода имеет один электрон. занимающий 1s1-орбиталь; степень окисления + 1 (наиб. распространена), —1 (в гидридах щелочных металлов). Энергия ионизации Н° -> Н+ 13,595 эВ; сродство к электрону 0,75 эВ; электроотрицательность по Полингу 2,1; ат. радиус 0,046 нм.

Интересные факты о водороде:

Элемент "водород", первый, кто "посетил" периодическую систему. Самый известный и широко распространенный во вселенной элемент, в переводе с латыни означает "порождающий воду".

1. Название, которое можно дать водороду в человеческом обиходе - "проще простого".
2. В 1766 году элемент был признан в науке благодаря Генри Кавендишу. Он провел испытание, где соединил газ с кислой средой других металлов.
3. Знаете ли вы, что этот элемент в жидкой "консистенции" занимает гораздо меньше места, чем в своей привычной, летучей. К слову сказать, так его и хранят в промышленности.
4. Представьте себе, что если соединить 100 млн атомов "порождающего воду" в одну цепочку, то длина последней составит всего 1 см!
5. Два состояния водорода диаметрально разные по своей плотности. Так, элемент в виде газа - самый неплотный из всех, а вот жидкий водород, наоборот, самый плотный.
6. А вот еще интересные факты о водороде. Знаете ли вы, что 1 литр водорода в виде газа равен всего 0,08988 грамм?
7. Есть в народе и интересный "слух" о водороде. Говорят, Менделеев все время пытался доказать своей жене, что именно этот элемент должен занимать почетное место первенства в таблице, а не она и ребенок. Да уж, человек науки - человек, непонятный народу.
8. Знаете ли вы, что Солнце более чем на половину состоит из водорода?
9. При соединении водорода и кислорода получается "горючая смесь", а в данном случае, "гремучий газ". При их совместимости происходит водяной взрыв.
10. Промышленность широко использует водород для того, чтобы получить аммиак.
11. Уже существует даже автомобиль, который использует водородное топливо. Студенты из Астонского университета создали таковой и не прогадали. Эта машинка уже выиграла гонки, созданные компанией Shell именно для экологически чистых авто. Хотя конкуренты тоже не отстают.
12. Представители ВМФ США утверждают, что научились получать топливо из морской воды и вскоре смогут значительно повысить автономность и боеспособность своих кораблей. Основой получения топлива, является извлечение водорода и диоксида углерода из морской воды с последующим преобразованием данных компонентов в жидкое углеводородное топливо. А первое испытание такого топлива уже провели на летающей модели самолета.

Изотопы водорода образуют двухатомные молекулы: Н2, HEX D2, DT, НТ и Т2. Константа диссоциации Н2 2,56*10-34(300 К), 1,22*10-3 (2000 К); энергия диссоциации Н2436 кДж/моль; межъядерное расстояние 0,07414 нм; основная частота колебаний атомови4405,30 см -1, поправка на ангармоничность 125,32 см -1.

Содержание водорода в земной коре (литосфере и гидросфере) 1% по массе, или 16 ат.%, в атмосфере -10-4 ат.%. В природе водород распространен чаще всего в виде соединений с О, С, S, N и С1, реже - с Р, I, Вr и др. элементами; он входит в состав всех растительных и животных организмов, нефти, ископаемых углей, природного газа, воды, ряда минералов и пород (в форме гидратов). В свободном состоянии на Земле встречается очень редко (в небольших количествах - в вулканических газах и продуктах разложения орг. остатков). Водород - самый распространенный элемент Вселенной; в виде плазмы он составляет около половины массы Солнца и большинства звезд, основная часть газа межзвездной среды и газовых туманностей.

Свойства водорода - бесцветный газ без вкуса и запаха; плотность при 273,15 К и атмосферном давлении 0,0899 кг/м3 (0,0695 по отношению к воздуху); мольный объем 22,43 м3/кмоль. Коэффициент сжимаемости (pv/RT)при 273,15 К : 1,0006 (0,1013 МПа), 1,0124 (2,0266 МПа), 1,0644 (10,133 МПа), 1,134 (20,266 МПа), 1,277 (40,532 МПа); С°р 14,235 кДж/(кг*К), С? 10,090 кДж/(кг*К); ур-ние температурной зависимости Сp° в интервале 298-3000 К: С° = 4,1868(6,52 + 0,78*10-3 Т+ + 0,12*105/Т2) Дж/(моль*К); Нoсгор-143,06 МДж/кг; температурный коэф. объемного расширения 3658,8*10-1 К-1 в интервале 273-373 К;  газа 0,88-10" 5 Па*с (293,15 К); показатель преломления газа п589,3 1,000132.

Водород быстрее других газов распространяется в пространстве, проходит через мелкие поры, при высоких температурах сравнительно легко проникает сквозь сталь и другие материалы.

Обладает высокой теплопроводностью. равной при 273,15 К и 1013 гПа 0,1717 Вт/(м*К) (7,3 по отношению к воздуху); уравнение температурной зависимости теплопроводности: =0,1591 (367/T + 94)(Т/273)3/2 Вт/(м*К).

Растворимость водорода: в воде при 273,15 К и атм. давлении -0,0215% по объему; при 298,15 К и 10,133 МПа в воде - 1,73 см3/г, в метаноле - 11,0 см3/г. водород хорошо растворим во многих металлах. лучше всего в Pd (в одном объеме Pd растворимо 850 объемов водород). Губчатое железо при 0,1013 МПа и 973 К поглощает 0,14, а при 1173 К - 0,37 объемов водород на 1 объем металла.

Водород может находиться в орто- и пара-состояниях. Ортоводород (о-Н2) имеет параллельную (одного знака) ориентацию ядерных спинов. Пара-водород (п-Н2) - антипараллельную. Это обусловливает некоторое различие магнитных, оптических и термических свойств указанных модификаций. При обычных и высоких температурах Н2 (нормальный водород, н-Н2) представляет собой смесь 75% орто- и 25% пара-модификаций, которые могут взаимно превращаться друг в друга (орто-пара-превращение). Различают также равновесный водород (р-Н2), имеющий равновесный орто-пара-состав для данной температуры (табл. 1). При превращении о-Н2 п-Н2 выделяется тепло (1418 Дж/моль). Такое превращение характерно и для других изотопов водорода.

Табл. 1.-СОСТАВ РАВНОВЕСНОГО ВОДОРОДА И ТЕПЛОТА ПРЕВРАЩЕНИЯ н-Н2->р-Н2

Самопроизвольное орто-пара-превращение водорода при низкой температуре происходит очень медленно, что позволяет получать жидкий водород, близкий по орто-пара-составу к н-Н2, хотя термодинамически устойчив при этих условиях только п-Н2. Орто-пара-превращение ускоряется в присутствии катализаторов (активного угля, оксидов и гидроксидов ряда металлов, в т. ч. РЗЭ, и др.). Некоторые свойства модификаций водород приведены в табл. 2, свойства жидкого водорода в табл. 3.

Табл. 2-СВОЙСТВА МОДИФИКАЦИЙ ВОДОРОДА

Табл. 3.-СВОЙСТВА ЖИДКОГО ВОДОРОДА

Теплоемкость жидкого водорода мало зависит от орто-пара-состава; уравнение температурной зависимости: С? = 6,86 + + 0,66*10-4 T + 0,279*10-6 Т2 кДж/(кг*К); уравнение температурной зависимости теплопроводности жидкого водорода под давлением паров (независимо от орто-пара-состава):  =1,16(1,70+ 0,0557Т)*10-4 Вт/(м*К); показатель преломления n435,9 1,1118 при 20,33 К.

Уравнение температурной зависимости давления пара над жидким и твердым водород: lgO,0075p (Па) = А - В/Т + СТ (значения А, В и С приведены в табл. 4).

Табл. 4.-ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ А, В, С В УРАВНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ДАВЛЕНИЯ ПАРА Н2

Твердый водород кристаллизуется в гексагональной решетке (а = = 0,378 нм, с = 0,6167 нм), в узлах которой расположены молекулы Н2, связанные между собой слабыми межмолекулярными силами; плотность 86,67 кг/м3; С° 4,618 Дж/(моль*К) при 13 К; диэлектрик. При давлении свыше 10000 МПа предполагается фазовый переход с образованием структуры, построенной из атомов и обладающей металлическими свойствами. Теоретически предсказана возможность сверхпроводимости "металлический водород".

Водород в обычном состоянии при низких температурах малоактивен, без нагревания реагирует лишь с F2 и на свету с Сl2. С неметаллами водород взаимодействует активнее, чем с металлами. С кислородом реагирует практически необратимо, образуя воду с выделением 285,75 МДж/моль тепла; в присутствии катализаторов (Pt, Pel, Ni) эта реакция идет достаточно быстро при 80-130 °С. С азотом в присутствии катализатора при повышенных температурах и давлениях водород образует аммиак. с галогенами - галогеноводороды, с халькогенами - гидриды: H2S (выше 600 °С), H2Se (выше 530 °С) и Н2Те (выше 730 °С). С углеродом водород реагирует только при высоких температурах, образуя углеводороды. Практическое значение имеют реакции водород с СО, при которых в зависимости от условий и катализатора образуются метанол или (и) др. соединения. Со щелочными и щелочно-земельными металлами, элементами III, IV, V и VI группы периодической системы, а также с интерметаллическими соединениями водород образует гидриды. Водород восстанавливает оксиды и галогениды многих металлов до металлов, ненасыщенные углеводороды – до насыщенных (см. Гидрирование). Водород легко отдает свой электрон. В растворе отрывается в виде протон от многих соединений, обусловливая их кислотные свойства. В водных растворах Н+ образует с молекулой воды ион гидроксония Н3О . Входя в состав молекул различных соединений, водород склонен образовывать со многими электроотрицательными элементами (F, О, N, С, В, Cl, S, Р) водородную связь.

Получение. Основные виды сырья для промышленного производства водорода - природный газ, жидкие и твердые горючие ископаемые, вода. Наибольшее количество водород получают паровой конверсией природного газа, включающей следующие стадии.

1) Каталитическую конверсию газа с водяным паром:

СН4 + Н2О -> СО + ЗН2 - 206 кДж

Осуществляется в присутствии Ni на А12О3 при 750-870 °С в трубчатых реакторах. Для наружного обогрева стальных трубок реактора часть природного газа сжигают. По другому способу в смесь газа с водяным паром добавляют О2 (0,55 — 0,65 м3 на 1 м3 СН4), благодаря чему конверсия СН4 становится автотермичной (в результате экзотермической реакции: СН4 + 1/2О2-> СО + 2Н2 + 35,6 кДж) и не требует наружного обогрева реактора. Этот процесс осуществляют в реакторах шахтного типа при 830-1000°С.

2) Конверсию СО с водяным паром:

СО + ЗН2 + Н2О -> СО2 + 4Н2 + 41 кДж; процесс проводят при 370-440 °С в присутствии железохромового кат. (первая ступень) и при 230-260 °С в присутствии цинкхроммедного катализатора (вторая ступень).

3) Очистку газовой смеси от СО2 и остатков непрореагировавших СО, СН4 и Н2О осуществляют обычными методами.

Известен также способ высокотемпературной (1350-1450 °С) конверсии газообразных углеводородов, основанный на их неполном окислении кислородом до СО в свободном объеме без катализатора. Дальнейшие стадии конверсии СО и очистки газовой смеси аналогичны применяемым в первом способе.

Получение водорода из твердых горючих ископаемых включает их переработку с водяным паром и воздухом или О2 (газификацию): С + Н2О -> СО + Н2 - 118,9 кДж; 2С + О2 -> 2СО + 230 кДж. В результате образуется водяной газ (содержащий до 40% СО и 50% Н2), а также СО2, СН4, N2 и примеси сернистых соединений. После очистки от последних получают водород, как указано в первом способе. Аналогично перерабатывают и тяжелые нефтяные остатки.

Газ, содержащий 85-90% водорода и 10-15% др. газов, главным образом углеводородов, получают в качестве побочного продукта на нефтеперерабатывающих заводах. Из газа коксовых печей, содержащего 55-60% водород, последний выделяют методом фракционная конденсации при глубоком охлаждении.

Сравнительно небольшое количество водорода (и одновременно О2) получают электролизом воды. Электролитом служит водный раствор КОН (350-400 г/л); давление в электролизерах от атмосферного до 4 МПа, их производительность 4-500 м3/ч, расход электроэнергии 5,1-5,6 кВт*ч на 1 м3 водород (теоретич. расход при 25 °С 2,94 кВт*ч). Разрабатываются высокотемпературные процессы электролитического разложения воды (с целью снижения расхода электроэнергии и уменьшения объема аппаратуры). Значительные количества водорода образуются в качестве побочного продукта при электролитическом производстве С12 и щелочей, хлоратов, Н2О2.

Перспективные методы получения водород - термохимический и термоэлектрохимический циклы разложения воды с использованием тепла, выделяемого в атомных реакторах (см. Водородная энергетика). В этих циклах все компоненты системы, кроме воды, полностью регенерируются.

Производится также жидкий п-Н2. Для этого водород тщательно очищают от всех примесей, в т. ч. от О2 (до содержания менее 1*10-9 объемных долей), охлаждают жидким N2, сжижают путем дросселирования и расширения газа в детандере и осуществляют орто-пара-превращение водород в присутствии катализаторов. Расход энергии составляет 72-105 МДж на 1 кг жидкого водород. Мощность установок по производству жидкого водород в США превышает 155 т/сут.

Атомарный водород образуется из молекулярного при термической диссоциации, под действием электрических разрядов, излучения с длиной волны менее 85 нм и при воздействии медленных электронов.

Определение. В составе газовых смесей водород определяют методами хроматографии, масс-спектрометрии, каталитич. сжиганием с последующем определением количества образовавшейся воды, по уменьшению объема и тепловому эффекту, измерением теплопроводности газовой смеси.

Применение. Газообразный водород применяют для синтеза NH3, CH3OH, высших спиртов, углеводородов, НС1 и др., как восстановитель при получении многих органических соединений, в том числе пищевых жиров. В металлургии водород используют для получения металлов, создания защитной среды при обработке металлов и сплавов, в нефтепереработке - для гидроочистки нефтяных фракций и смазочных масел, гидрирования и гидрокрекинга нефтяных дистиллатов, нефтяных остатков и смол. Водород применяют также в производстве изделий из кварцевого стекла и других с использованием водородно-кислородного пламени (температура выше 2000°С), для атомно-водородной сварки тугоплавких сталей и сплавов, для охлаждения турбогенераторов, как восстановитель в топливных элементах.

Жидкий водород применяется как горючее в ракетной и космической технике, для заполнения пузырьковых камер, в качестве хладагента в криогенных конденсационных и адсорбционных вакуум-насосах.

В 1980 в США расход водорода составил (% к общему потреблению): на синтез NH3 - 26, синтез СН3ОН - 3,3, гидрокрекинг - 34,7, гидроочистку нефтепродуктов - 21, нефтехим. синтез - 3,5.

Водород нетоксичен, но пожаро- и взрывоопасен; температура взрывного самовоспламенения в воздухе 577 °С; КПВ в воздухе 4-75%, в О2-4,65-96% по объему. Жидкий водород при попадании на открытые участки тела может вызвать сильное обморожение. Газообразный водород хранят в мокрых и сухих газгольдерах, емкостях высокого давления и транспортируют по трубопроводам; малые количества хранят и транспортируют в стальных баллонах под давлением до 20 МПа. Разрабатываются проекты подземного хранения больших количеств водород в выработанных месторождениях нефти и газа, горных выработках, искусственнеых соляных кавернах. Жидкий водород хранят и транспортируют в специальных герметических резервуарах с эффективной тепловой изоляцией; сосуды емкостью от 15 до 75 л могут иметь экран из жидкого N2. Емкость автомобильных прицепов и полуприцепов 25-75 м3, железнодорожных цистерн 100-125 м3, стационарных хранилищ - до 3000 м3. Ведутся разработки в области техники получения и хранения водород в твердом и шугообразном (до 50% твердой фазы) состоянии. Водород можно хранить и транспортировать в виде твердых гидридов металлов и интерметаллических соединений, способных поглощать и отдавать при нагревании нескольких сотен объемов водород на единицу своей массы. Мировое производство водород свыше 30 млн. т/год .

Ещё немного химических свойств:

Молекулы водорода достаточно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

 - 432 кДж

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении:

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

Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

С галогенами образует галогеноводороды:

,   реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,

, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)

Оксиды восстанавливаются до металлов:

Гидрирование органических соединений

Молекулярный водород широко применяетсяв органическом синтезе  для восстановления органических соединений. Эти процессы называют реакциями гидрирования. Эти реакции проводят в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре. Катализатор может быть как гомогенным так и гетерогенным.

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