Властивості водню

(Hydrogenium – від грецького – вода і- народжую) Н – хім. Елемент, перший в періодичній системі елементів; ат. М. 1,0079. Б звичайних умовах газ без кольору, запаху і смаку. Проявляє різні ступені окислення утворюючи ковалентні зв’язки (Н2, НСl, органічні сполуки), виступаючи у вигляді позитивно зарядженого протона в к-тах, у вигляді негативно зарядженого Н⁻ в солеобразние гидридах і беручи участь в металевій зв’язку в гидридах перехідних металів. Природний В. складається з суміші ізотопів; легкого В. , або протію ¹Н (99,98%) і важкого В. (²Н), або дейтерію D (0,02%) з масовими числами відповідно 1 і 2. У невеликих кількостях існує в природі і отриманий штучно бета-радіоактивний ізотоп В. (³Н), або тритій Т з масовим числом 3, період напіврозпаду догрого 12,262 року. Ізотопи В. сильно відрізняються за своїм св-вам внаслідок великого відмінності мас. В.- найпоширеніший елемент всесвіту, напр. атмосфера Сонця містить 84% В. Земна кора на 1,0% за масою і на 16 ат.% складається з В., гл. обр. у вигляді води.

Майже всі орган, речовини містять водень він зустрічається у вулканічних та ін. Природних газах. Вперше В. виділив англ. фізик і хімік Г. Кавендіш в 1766, назвавши його «горючим повітрям». У 1787 франц. хімік А, Лавуазьє визначив «горюче повітря» як новий хім. елемент і дав йому сучасну назву. У звичайних умовах молекула В. складається з двох атомів, пов’язаних ковалентним зв’язком. При високих т-рах молекулярний В. дисоціює на атоми (ступінь дисоціації при т-рі 2500 ° С дорівнює 0,0013, при т-рі 5000 ° С становить 0,95). Молекулярний В.- легчайший газ (у 14,32 рази легше повітря); щільність його (т-ра 0 ° С, тиск 1 am) 0,089870 г / л;
tпл – 259,1 ° С; tкип -252,6 ° С. Критична точка: т-ра – 239 ° С, тиск 12,8 am, критична щільність 0,031 г / см. Температурний коефіцієнт об’ємного розширення (в інтервалі температура 0-100 ° С, тиск 1 am) 0,003662.
З усіх газів В. володіє найбільшою теплопровідністю, рівний (т-ра 0 ° С) 0,000412 кал / см. сек X град. Теплоємність (в інтервалі т-р 12-198 ° С) при пост, тиску 3,394 кал / г – град.
Рідкий водень
Прозора, безбарвна, що не проводить електр. струму рідина, поверхневий натяг до-рій в 35 разів менше, ніж у води. Щільність рідкого В. при т-рі кипіння 0,0708 г / см. Теплота випаровування (т-ра 20,4 К) 108-114 кал / г. При т-рі 1,65 До твердий В. має гексагональну решітку з періодами а = 3,75 А, с = 6,13 А, с / а = 1,633. Рентгенівська щільність 0,088 г / см. Теплота плавлення ~ 14 кал / г. Стисливість твердого В. найбільша в порівнянні зі стискальністю твердих тіл і становить (т-ра 4,2 К, тиск ~ 10000 аm) 4,8. 10-4 см² / кг. В. погано розчиняється у воді (при т-рі 20 ° С в 100 об’ємах води розчиняється 1,82, при т-рі 80 ° С – 0,85 обсягу В.). Ще менше розчинність В. в органічних розчинниках. У невеликих кількостях розчиняється у всіх розплавлених металах, у багатьох (нікелі, платині та ін.) Добре, особливо в паладії (850 об’ємів на 1 об’єм паладію). При високих т-рах розчиняється у вогнетривких матеріалах, у кварці (при т-рі 690 ° С і тиску 788 мм рт. Ст. Міститься 6,0 X 10⁻⁸ г / см² В.). В.- один із самих реакційноздатних хім. елементів, безпосередньо взаємодіє зі мн. металами і неметалами, входить до складу мн. неорганічних і майже всіх органічних сполук.
У звичайних умовах молекулярний В. малоактивний. Однак при нагріванні вступає в реакцію »з мн. «Хім.» Елементами; с. киснем утворює воду (межі вибухонебезпечності від 4 до 94% В.), з фтором реакція йде зі вибу-вом, з хлором і бромом – при освітленні, з йодом – тільки при нагріванні. З азотом взаємодіє (з утворенням аміаку) при наявності каталізатора, під тиском і при високій т-рі. При нагріванні В. енергійно реагує із сіркою, значно важче – з селеном і телуром. Безпосередньо реагує з деякими металами (лужними, лужноземельними та ін.), Утворюючи гідриди (NaH, СаН2, ТiH2 і т. Д.). Пром. способи отримання В.- переробка коксових газів і газів крекінгу нафти, природних газів, гл. обр. метану, на основі реакцій:

СН4 + Н2О ↔ СО + 3Н2

версії водяної пари. Чистий В. отримують електролізом водних розчинів лугів. В. застосовують в хім. проммсти, гл. обр. для синтезу аміаку; в произове метилового та ін. спиртів, синтетичного бензину та ін. продуктів на основі взаємодії В. з окисом вуглецю. В. використовують також для гідрогенізації твердого і рідкого палива, жирів, для синтезу соляної к-ти, при зварюванні і різанні металів киснево-водневим полум’ям, для відновлення руд. Дейтерій і тритій знайшли застосування в атомній енергетиці.

Приміщення водню в періодичній системі елементів не однозначно. Раніше його поміщали в головну підгрупу I групи періодичної системи, а в даний час його розташовують на початку підгрупи галогенів.
На користь приміщення водню в початок підгрупи галогенів:

1. Водень, як і лужні метали, проявляє в більшості з’єднань ступінь окислення I +.
2. Подібно лужним металів, водень має яскраво вираженими відновними властивостями.
3. Для водню і металів, у тому числі і лужних, характерна реакція взаємного витіснення.

Подібність водню з галогенами
1. Подібно атомам галогенів, атом водню може приєднувати електрон з утворенням іона водню, який є ізоелектронного найближчого благородному газу.
2. Як і легкі галогени, проста речовина – водень – газоподібні при звичайних умовах і молекула складається з двох атомів.
3. Водень у з’єднаннях заміщається галогенами. Численні приклади в органічній хімії.
4. Потенціал іонізації водню порівняємо з потенціалом іонізації галогенів. Так як, потенціал іонізації атома водню дорівнює 13,6 еВ, атома фтору 17,4 еВ, а атом літію всього 5,6 еВ.

Водень – один з найбільш поширених елементів на Землі. Його загальний вміст в земній корі становить ~ 1% (мас.). При перерахунку на атомарні кількість виявляється, що з кожних 100 атомів земної кори на частку водню припадає 17.
Крім легкого водню H відомі два інших його ізотопу, дейтерій і тритій.
Дейтерій відіграє важливу роль в атомній техніці, важку воду D2O використовують як сповільнювач нейтронів в ядерних реакторах.
Тритій є радіоактивним ізотопом водню, в результаті розпаду ядро ​​тритію випускає β – частку і перетворюється в ядро ​​атома гелію:
T> β + He
В результаті заміни в з’єднаннях легкого водню на тритій отримують «мічені» препарати, які широко використовувалися в хімічних дослідженнях.

Отримання водню
У лабораторіях водень отримують дією кислоти (розведеної сірчаної кислотою або соляною кислотою) на цинк:

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2 ↑

Технічний спосіб отримання водню засновані на дешевшій сировині, зокрема його отримують при взаємодії водяної пари з розпеченим вугіллям (вуглець):

C + H2O = CO + H ↑

Отриманий таким чином суміш називають водяним газом. У присутності каталізаторів (Fe2O3) при 500 ° C оксид вуглецю (II) може бути перетворений на CO2 по реакції:

CO + H2O = CO2 + H2 ↑

Водень у великих кількостях використовують у виробництві аміаку. Шляхом гідрогенізації (приєднання водню) отримують тверде паливо паливо, а також важке паливо (важкі залишки від переробки нафти і кам’яної смоли) в легке моторне паливо.
Гідрогенізація рідких рослинних жирів (сонячного, бавовняного, соєвого) отримують тверді жири, використовувані для вироблення маргарину, в миловарінні і т.д. У процесі гідрогенізації жирів утворюється граничні гліцериди з більш високою температурою плавлення, ніж вихідні жири.

Хімічні властивості
За своїми хімічними властивостями водень є досить активною речовиною. При нагріванні він легко взаємодіє з багатьма неметалами: бромом, киснем, сіркою і т.д. З фтором реакція йде з вибухом вже при комнотной температурі:

H2 + F2 = 2HF + 535 кДж (128 ккал)

Відновні властивості водню проявляються при виділенні металів з їх солей:

CuO + H2 = Cu + H2O

При взаємодії з активними металами, такі як лужно земельні, водень виступає як окислювач:

2Na + H2 = 2NaH

У гидридах лужних і лужноземельних металів водень знаходиться в ступені окислення 1. Гідриди за своїми властивостями нагадують галогеніди відповідних металів. При взаємодії з водою вони утворюють водень:

NaH + H2O = NaOH + H2

Гідриди для більшості хімічних елементів, за своїми властивостями і будовою можуть бути розділені на чотири групи:
1. Газоподібні або легко летючі [(BH3) 2, NH3, CH4]
2. Солеобразние [NaH, CaH]
3. Полімерні [(BeH2) x, (AlH3) x]
4. Металообразние. Ці сполуки не мають постійного складу і можуть розглядатися як тверді розчини водню в металах (водень розчинений у паладії)
Хімічна активність водню особливо висока в момент виділення. Це пояснюється тим, що в початковий момент, наприклад при взаємодії цинку з киснем, водень перебуває у вигляді атома. А в реакціях з атомами відпадає необхідність витрати енергії на розрив зв’язку в молекулі H2. На відміну від молекулярного, атомарний водень вже при кімнатній температурі відновлює оксиди металів, з’єднується з молекулярним киснем, сіркою, фосфором і миш’яком.

Посилання на основну публікацію