Водород
Введение
Если бы химическим элементам давали премии, то водород с огромным отрывом победил бы в номинации «Самый распространённый элемент с момента сотворения вселенной». По некоторым данным, Солнце на 3/4 состоит из водорода, а в атмосфере Юпитера его 86%. На Земле водород чаще можно встретить в соединениях, например, в составе воды, природного газа, нефтепродуктов. А вот в виде простого вещества (H₂) днем с огнем не сыщешь.
Водород как химический элемент
Водород – это первый элемент в Периодической системе Д.И. Менделеева. Его химический символ – «H». Это сокращение от латинского названия «hydrogenium» – рождающий воду.
Имя выбрано не случайно, при горении водорода появляются капельки воды и никакой копоти. Ниже рассмотрим эту реакцию в разделе про химические свойства.
Химик из Англии Генри Кавендиш был первым, кто описал свойства водорода и нашел способы его получения. Он долгое время изучал газ, который появлялся при растворении цинка или олова в соляной кислоте. Только ученый решил, что это «флогистон», некая мифическая «огненная субстанция», которая выделяется при горении веществ или при их обжиге. Что-то на алхимическом. В Хогвартсе бы одобрили. В нашем мире теорию о флогистоне со временем опровергли, но потребовалось немало исследований и ученых мужей, чтобы спустя примерно двадцать лет доказать, что водород — никакая не тонкая материя, а самый настоящий газ и входит в состав воздуха.
Существует три изотопа. Но 99,9 % от общего числа атомов водорода занимает протий. В ядре у него только 1 протон. Атомная масса = 1.
Дейтерий (D или ²H) в ядре содержит 1 протон и 1 нейтрон. Масса больше чем у протия на единицу, поэтому его еще называют тяжелым водородом. Тритий (T или ³H) — ещё массивнее, так как содержит в ядре 2 нейтрона и 1 протон. За это его называют сверхтяжелым водородом. Ещё он радиоактивный, период полураспада около 12 лет. В мизерных количествах он образуется в верхних слоях атмосферы под действием космического излучения.
Изотопы водорода отличаются только наличием и количеством нейтронов в ядре. На электронной орбитали у них всех бегает одинокий s-электрон. Поэтому валентность у водорода всегда I, и неважно сколько он весит.
Химические свойства
У водорода всего один электрон. Так что у него всего два пути. Либо отдать электрон нуждающимся, либо принять на свою орбиталь ещё электрон.
Из-за такой двойственности водород в соединениях проявляет разную степень окисления: +1 и -1.
Стоит отметить, что водород очень неохотно с кем-то реагирует и часто требует пинок для храбрости, например: катализатор, разряд тока, высокую температуру или давление.
1) Взаимодействует с простыми веществами металлами. Соединения называется гидриды.
2Na + H₂ = 2NaH (гидрид натрия)
Ca + H₂ = CaH₂ (гидрид кальция)
2) С простыми веществами неметаллами:
Смесь кислорода и водорода называется «гремучий газ». Реакция протекает со взрывом. Как-то одному ученому даже чуть не оторвало нос, когда он вдохнул водород, а потом выдохнул на пламя.
2H₂ + O₂ = 2H₂O
Реакция протекает с катализатором и при повышенном давлении.
3Н₂ + N₂ = 2NH₃
Хлор с водородом реагирует при нагревании или освещении.
H₂ + Cl₂ = 2HCl
С йодом(реакция обратима).
H₂ + I₂ = 2HI
3) Взаимодействие с оксидами металлов:
Реакция протекает при температуре 1000°С.
WO₃ (оксид вольфрама) + 3H₂ = W + 3H₂O
Тоже водород взаимодействует с оксидом меди при нагревании, но при более низкой температуре, около 250°С.
CuO (оксид меди) + H₂ = Cu + H₂O
Физические свойства
Простое вещество водород состоит из двух атомов водорода, соединенных ковалентной неполярной связью.
Если бы Хемингуэй написал самый короткий рассказ про водородный газ, то выглядело это следующим образом.
Нет цвета. Нет запаха. Не ядовит. Легче воздуха. Взрывоопасен.
Ещё Г. Кавендиш высчитал, что водород в 14 раз легче воздуха. Поэтому его использовали для наполнения аэростатов и дирижаблей, но из-за несоблюдения техники безопасности такие штуки иногда взрывались. Ведь водород довольно взрывоопасен, перемешиваясь с кислородом, он образует «гремучий газ». И после того как рухнул дирижабль «Гинденбург» в 1937 эпоха дирижаблей закончилась.
Водород почти не растворяется в воде, но может растворяться в некоторых металлах, например, железе (Fe), никеле (Ni). Молекулы водорода настолько маленькие, что при высокой температуре они могут проходить через поры в стекле.
Плавится при температуре -259,2 °С, а кипения -253 °С.
Способы получения
В лаборатории водород получают с помощью реакций замещения. А для того, чтобы газ не рассеялся, процедуру проводят в аппарате Киппа.
- Металлы с кислотами, например, соляной или серной кислоты. Реакция протекает при обычных условиях.
Zn + 2HCl(соляная кислота) = ZnCl₂ (хлорид цинка, соль) + H₂
Zn +H₂SO₄(серная кислота) = ZnSO₄(сульфат цинка)+H₂
- Взаимодействие натрия с водой:
2Na (активный металл) + 2Н₂О = 2NaOH+H₂
В промышленности добывают водород более глобально:
- Разложение воды. Причем воду нагревают до 1000 градусов или пропускают электрический ток
2H₂O=2H₂+O₂
2. Паровая конверсия метана или угля. Реакция идет при нагревании.
CH₄(метан)+H₂O=CO+3H₂
C(уголь)+H₂O=CO+H₂
Применение водорода
- Водород используют в металлургии для восстановления металлов из оксидов и фторидов, например, вольфрам(W), молибден(Mo), рений (Re)
- Водород в виде газа применяют в синтезе аммиака (для минеральных удобрений), соляной кислоты, метанола, для промышленных целей.
- Водород требуется при атомно-водородной сварке. Она используется для создания герметичных швов и сварки тугоплавких металлов, таких как вольфрам. А у него температура плавления 3 422°C
- В жидком виде водород входит в состав криогенного ракетного топлива.
- Производство маргарина. Для этого жидкие растительные масла гидрируют, и они становятся твердыми.
- Дейтерий нашел применение в термоядерных реакторах (в качестве индикатора).
- Химические свойства водорода легли в основу создания водородно-никелевого аккумулятора для телефонов, ноутов.
- Говорят, что водородное топливо — это наше будущее. Оно поможет спасти озоновый слой, ведь совсем не загрязняет окружающую среду. Крупные фирмы Toyota, Honda, Hyundai уже производят автомобили с таким двигателем. Посмотрим, насколько это реально, ведь пока водород синтезируют из нефтепродуктов.
Проверь себя
С помощью какого аппарата собирают водород в условиях лаборатории?
Аппарата Киппа.
Обычной колбой, ходят ловят. Всё хорошо получается.
Водород легче воздуха, поэтому проще его собрать под самым потолком перевернутым стаканом.
Что такое «гремучая смесь»?
Смесь газообразного водорода и кислорода.
Водород смешанный с угарным газом.
Чай с капелькой яда гремучей змеи.
Какой из изотопов водорода содержит в ядре атома два нейтрона?
Дейтерий.
Тритий.
Двухнейтроний.