(Лат. Hydrogenium), найлегший газоподібний хімічний елемент - член IA підгрупи періодичної системи елементів, іноді його відносять до VIIA підгрупі. У земній атмосфері водень в незв'язаному стані існує тільки частки хвилини, його кількість складає 1-2 частини на 1 500 000 частин повітря. Він виділяється зазвичай з іншими газами при виверженнях вулканів, з нафтових свердловин і в місцях розкладання великих кількостей органічних речовин. Водень з'єднується з вуглецем і (або) киснем в органічній речовині типу вуглеводів, вуглеводнів, жирів і тваринних білків. У гідросфері водень входить до складу води - найбільш поширеного сполуки на Землі. У породах, грунтах, грунтах та інших частинах земної кори водень з'єднується з киснем, утворюючи воду і гідроксид-іон OH-. Водень складає 16% всіх атомів земної кори, але за масою лише близько 1%, так як він в 16 разів легше кисню. Маса Сонця і зірок на 70% складається з водневої плазми: в космосі це найпоширеніший елемент. Концентрація водню в атмосфері Землі зростає з висотою завдяки його низької щільності і здатності підніматися на великі висоти. Виявлені на поверхні Землі метеорити містять 6-10 атомів водню на 100 атомів кремнію.
Історична довідка. Ще німецький лікар і натураліст Парацельс в 16 в. встановив горючість водню. У 1700 Н.Лемері виявив, що газ, що виділяється при дії сірчаної кислоти на залізо, вибухає на повітрі. Водень як елемент ідентифікував Г.Кавендиш в 1766 і назвав його "пальним повітрям", а в 1781 він довів, що вода - це продукт його взаємодії з киснем. Латинське hydrogenium, яке походить від грецького поєднання "що породжує воду", було присвоєно цьому елементу А.Лавуазье.
Загальна характеристика водню. Водень - це перший елемент в періодичній системі елементів; його атом складається з одного протона і обертається навколо нього одного електрона (див. також ПЕРІОДИЧНА СИСТЕМА ЕЛЕМЕНТІВ). Один з 5000 атомів водню відрізняється наявністю в ядрі одного нейтрона, що збільшує масу ядра з 1 до 2. Цей ізотоп водню називають дейтерієм 21H або 21D. Інший, більш рідкісний ізотоп водню містить два нейтрона в ядрі і називається тритієм 31H або 31T. Тритій радіоактивний і розпадається з виділенням гелію і електронів. Ядра різних ізотопів водню розрізняються спинами протонів.
Водень може бути отриманий а) дією активного металу на воду, б) дією кислот на певні метали, в) дією підстав на кремній і деякі амфотерні метали, г) дією перегрітої пари на вугілля і метан, а також на залізо, д) електролітичним розкладанням води і термічним розкладанням вуглеводнів. Хімічна активність водню визначається його здатністю віддавати електрон іншого атома або усуспільнювати його майже порівну з іншим елементами при утворенні хімічного зв'язку або приєднувати електрон іншого елемента в хімічній сполуці, званому гидридом.
Водень, вироблений промисловістю, в величезних кількостях витрачають на синтез аміаку, азотної кислоти, гідридів металів. Харчова промисловість застосовує водень для гідрування (гідрогенізації) рідких рослинних масел в тверді жири (наприклад, маргарин). При гідруванні насичені органічні масла, що містять подвійні зв'язки між вуглецевими атомами, перетворюються в насичені, що мають одинарні вуглець-вуглецеві зв'язки.
Високочистий (99,9998%) рідкий водень використовується в космічних ракетах в якості високоефективного пального.
Фізичні властивості. Для зрідження і затвердіння водню потрібні дуже низькі температури і високий тиск (див. Таблицю властивостей). У нормальних умовах водень - безбарвний газ, без запаху і смаку, дуже легкий: 1 л водню при 0. C і атмосферному тиску має масу 0,08987 г (пор. Щільність повітря і гелію 1,2929 і 0,1785 г / л відповідно ; тому повітряна куля, наповнена гелієм і має таку ж підйомну силу, як і повітряна куля з воднем, повинен мати на 8% більший обсяг). У таблиці наведено деякі фізичні та термодинамічні властивості водню.
Будова атома. Звичайний водневий атом (проти) складається з двох фундаментальних частинок (протона і електрона) і має атомну масу 1. Через величезній швидкості руху електрона (2,25 км / с або 7? 1015 об. / С) і його дуалістичної корпускулярно- хвильової природи неможливо точно встановити координату (положення) електрона в будь-який даний момент часу, але є деякі області високу ймовірність знаходження електрона, і вони визначають розміри атома. Більшість хімічних і фізичних властивостей водню, що відносяться до порушення (поглинання енергії), точно передбачаються математично (див. СПЕКТРОСКОПІЯ). Водень схожий з лужними металами в тому, що всі ці елементи здатні віддавати електрон атома-акцептора для утворення хімічного зв'язку, яка може змінюватися від частково іонної (перехід електрона) до ковалентного (загальна електронна пара). З сильним акцептором електронів водень утворює позитивний іон Н +, тобто протон. На електронній орбіті атома водню можуть перебувати 2 електрона, тому водень здатний також приймати електрон, утворюючи негативний іон Н, гідрид-іон, і це ріднить водень з галогенами, для яких характерне прийняття електрона з утворенням негативного галогенид-іона типу Cl-. Дуалізм водню знаходить відображення в тому, що в періодичній таблиці елементів його розташовують в IA підгрупі (лужні метали), а іноді - в VIIA підгрупі (галогени) (див. Також ХІМІЯ).
Хімічні властивості. Хімічні властивості водню визначаються його єдиним електроном. Кількість енергії, необхідне для відриву цього електрона, більше, ніж може надати будь-який відомий хімічний окислювач. Тому хімічний зв'язок водню з іншими атомами ближче до ковалентного, ніж до іонної. Чисто ковалентний зв'язок виникає при утворенні молекули водню:
При утворенні одного моля (тобто 2 г) H2 виділяється 434 кДж. Навіть при 3000 K ступінь дисоціації водню дуже невелика і дорівнює 9,03%, при 5000 K досягає 94% і лише при 10000 K дисоціація стає повною. При утворенні двох молей (36 г) води з атомарного водню та кисню (4H + O2. 2H2O) виділяється більше 1250 кДж і температура досягає 3000-4000. C, тоді як при згорянні молекулярного водню (2H2 + O2. 2H2O) виділяється всього 285,8 кДж і температура полум'я досягає лише 2500. C.
При кімнатній температурі водень менш реакционноспособен. Для ініціювання більшості реакцій необхідно розірвати або послабити міцний зв'язок H-H, витративши багато енергії. Швидкість реакцій водню зростає з використанням каталізатора (метали платинової групи, оксиди перехідних або важких металів) і методів збудження молекули (світло, електричний розряд, електрична дуга, високі температури). В таких умовах водень реагує практично з будь-яким елементом, крім благородних газів. Активні лужні і лужноземельні елементи (наприклад, літій і кальцій) реагують з воднем, будучи донорами електронів і утворюючи з'єднання, звані сольовими гідридами (2Li + H2. 2LiH; Ca + H2. CaH2).
Взагалі гідридами називаються сполуки, що містять водень. Широке різноманітність властивостей таких сполук (в залежності від атома, пов'язаного з воднем) пояснюється можливостями водню проявляти заряд від -1 до практично +1. Це чітко проявляється в подібності LiH і CaH2 і солей типу NaCl і CaCl2. Вважається, що в гидридах водень заряджений негативно (Н); такий іон є відновником в кислому водному середовищі: 2H- H2 + 2e- + 2,25B. Іон H- здатний відновлювати протон води H + до газоподібного водню: H- + H2O. H2 + OH-.
З'єднання водню з бором - Бороводні (борогідріда) - представляють незвичайний клас речовин, званих боранів. Найпростішим представником їх є BH3, що існує тільки в стійкій формі диборана B2H6. З'єднання з бльшим кількістю атомів бору отримують різними способами. Відомі, наприклад, тетраборан B4H10, стабільний пентаборан B5H9 і нестабільний пентаборан B5H11, гексаборан B6H10, декаборан B10H14. Диборан може бути отриманий з H2 і BCl3 через проміжне з'єднання B2H5Cl, яке при 0. C диспропорционирует до B2H6, а також взаємодією LiH або літійалюмінійгідріда LiAlH4 c BCl3. У літійалюмінійгідріде (комплексному поєднанні - сольовому гидриде) чотири атома водню утворюють ковалентні зв'язки з Al, але є іонна зв'язок Li + з -. Іншим прикладом водородсодержащего іона є борогідрид-іон BH4-. Нижче наведена приблизна класифікація гідридів за їх властивостями відповідно до положення елементів в періодичній системі елементів. Гідриди перехідних металів називаються металевими або проміжними і часто не утворюють стехиометрических з'єднань, тобто відношення атомів водню до металу не виражається цілим числом, наприклад, гідрид ванадію VH0,6 і гідрид торію ThH3,1. Метали платинової групи (Ru, Rh, Pd, Os, Ir і Pt) активно поглинають водень і служать ефективними каталізаторами реакцій гідрування (наприклад, гідрогенізації рідких масел з утворенням жирів, конверсії азоту в аміак, синтезу метанолу CH3OH з CO). Гідриди Be, Mg, Al і підгруп Cu, Zn, Ga - полярні, термічно нестабільні.
Неметали утворюють летючі гідриди загальної формули MHx (х - ціле число) з відносно низькою температурою кипіння і високим тиском парів. Ці гідриди істотно відрізняються від сольових гідридів, в яких водень має більш негативний заряд. У летючих гідридів (наприклад, вуглеводнів) переважає ковалентний зв'язок між неметалами і воднем. У міру посилення неметаллического характеру утворюються сполуки з частково іонним зв'язком, наприклад H + Cl-, (H2) 2 + O2-, N3- (H3) 3+. Окремі приклади освіти різних гідридів наведені нижче (в дужках вказана теплота освіти гідриду):
Завдяки близькості властивостей протію і дейтерію можна заміщати протий на дейтерій. Такі сполуки відносяться до так званим мітках. Змішуючи з'єднання дейтерію зі звичайним водородсодержащим речовиною, можна вивчати шляхи, природу і механізм багатьох реакцій. Таким методом користуються для вивчення біологічних і біохімічних реакцій, наприклад процесів травлення.
Третій ізотоп водню, тритій (31T), присутній в природі у невеликій кількості. На відміну від стабільного дейтерію тритій радіоактивний і має період напіврозпаду 12,26 років. Тритій розпадається до гелію (32He) з виділенням?-Частинки (електрона). Тритій і трітіди металів використовують для отримання ядерної енергії; наприклад, у водневій бомбі відбувається наступна реакція термоядерного синтезу:
21H + 31H. 42He + 10n + 17,6 МеВ
Отримання водню. Найчастіше подальше застосування водню залежно від сфери регулювання виробництва. У деяких випадках, наприклад при синтезі аміаку, невеликі кількості азоту в початковому водні, звичайно, не є шкідливою домішкою. Домішка оксиду вуглецю (II) теж стоятиме на заваді, якщо водень використовують як відновник.
1. Найбільше виробництво водню засновано на каталітичної конверсії вуглеводнів з водяною парою за схемою CnH2n + 2 + nH2O. nCO + (2n + 1) H2 і CnH2n + 2 + 2nH2O. nCO2 + (3n + 1) H2. Температура процесу залежить від складу каталізатора. Відомо, що температуру реакції з пропаном можна знизити до 370. З, використовуючи в якості каталізатора боксит. До 95% виробленого при цьому CO витрачається при подальшій реакції з парами води:
H2O + CO. CO2 + H2
2. Метод водяного газу дає значну частину загального виробництва водню. Суть методу полягає в реакції парів води з коксом з утворенням суміші CO і H2. Реакція ендотермічна (? H. = 121,8 кДж / моль), і її проводять при 1000. С. Нагрітий кокс обробляють паром; виділяється очищена газова суміш містить деяку кількість водню, великий відсоток CO і невелику домішку CO2. Для підвищення виходу H2 монооксид CO видаляють подальшої парової обробкою при 370. C, при цьому виходить більше CO2. Вуглекислий газ досить легко видалити, пропускаючи газову суміш через скрубер, зрошувану водою противотоком.
3. Електроліз. У електролітичному процесі водень є фактично побічним продуктом виробництва основних товарів - хлору і лугу (NaOH). Електроліз проводять в слабощелочной водному середовищі при 80. C і напрузі близько 2В, використовуючи залізний катод і нікелевий анод:
4. Залізо-парової метод, за яким пар при 500-1000. C пропускають над залізом: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 + 160,67 кДж. Одержуваний цим методом водень зазвичай використовують для гідрогенізації жирів і масел. Склад оксиду заліза залежить від температури процесу; при
Можливо Вам буде цікаво дізнатися лексичне, пряме або переносне значення цих слів:
водний транспорт - вид транспорту, що здійснює перевезення пасажирів і вантажів по.
водолазне справа - галузь виробничої діяльності, пов'язана із зануренням під воду.
водоочищення - процес видалення з води природних, побутових і промислових.
водоспад - вільне падіння потоку води з крутого обриву. Багато.
водоспад: найбільш відомі водоспади світу - До статті ВОДОПАД Анхель на р.Чурун (басейн р.Кароні, Венесуела).
воднева бомба - зброя величезної руйнівної сили (близько мегатонн у тротиловому.
водорості - (Algae), обширна і неоднорідна група примітивних, що нагадують рослини.
водорості: водорості в минулому - До статті ВОДОРОСЛИ Цілком ймовірно, що деякі форми водоростей.
водорості: класифікація водоростей - До статті ВОДОРОСЛИ У минулому водорості вважалися примітивними рослинами.
водорості: поширення і екологія - До статті ВОДОРОСЛИ Водні водорості. На планеті важко знайти.