Хімія підготовка до ЗНО та ДПА
комплексне видання

ЧАСТИНА І

ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

ХІМІЯ ЕЛЕМЕНТІВ

поширеність Водню

Якщо Кисень є найпоширенішим елементом у земній корі, то Водень - найпоширеніший елемент у Всесвіті. Водень складає близько 70% маси Сонця і зірок. Оскільки Водень - найлегший з усіх елементів, то така значна маса вимагає величезної кількості атомів цього елемента. З кожних 100 атомів, які зустрічаються в Всесвіту, 90 - атоми водню.

Ймовірно, коли Водень входив в атмосферу Землі. Але через свою легкості він здатний залишати атмосферу, тому частка водню в повітрі надзвичайно мала. У зв'язаному вигляді Водень складає 0,76% маси Землі. Найважливішим з'єднанням водню, що трапляється в природі, є вода.

ізотопи водню

Атом водню - найпростіший з усіх атомів. Його ядро ​​складається з єдиного протона. Цей (найпоширеніший) ізотоп водню називають також протієм, щоб відрізнити від дейтерію - іншого ізотопу водню, в ядрі якого міститься 1 протон і 1 нейтрон. Дейтерій знаходиться в природі в дуже невеликій кількості. Однак його навчилися виділяти для потреб ядерної енергетики. Дейтерій - один з небагатьох ізотопів в хімії, який має свій власний символ D. Найвідомішою хімічною сполукою, до якої входить дейтерій, є «важка вода» D 2 О.

У ядерних реакціях утворюється ще один ізотоп водню - тритій, в ядрі якого 1 протон і 2 нейтронів. Тритій (хімічний символ Т). радіоактивний і в природі не трапляється.

Таким чином, найбільш відомі три ізотопи водню: 1 + 1 Н (або просто Н), 1 2 Показати H (або D), 1 3 Н (або Т). Останнім часом також здобуті важкі ізотопи водню з масою від 4 до 8.

Електронна будова і положення Водню в Періодичної системі

Оскільки в ядрі будь-якого ізотопу водню завжди тільки один протон, то електронна оболонка включає тільки один електрон, що займає нижній електронний рівень 1 s. Таким чином, будь-який ізотоп водню має лише одну - і до того ж валентну - оболонку 1 s 1.

Електронний рівень 1 s вміщує не більше 2-х електронів і атома водню досить приєднати або втратити один електрон, щоб досягти стійкої електронної конфігурації:

Н - 1 ē → Н + - позитивний іон водню (в електронній оболонцівідсутні електрони)

Н + 1 ē → H - - негативний іон водню(1 s 2)

Перше рівняння свідчить про родинний зв'язок водню з елементами групи - лужними металами, які охоче віддають єдиний зовнішній електрон і утворюють позитивні іони Li +, Na +, До + і т.д. Друге рівняння свідчить про близькість водню до елементів VII групи, яким не вистачає одного електрона для завершення зовнішньої оболонки і які легко приймають чужий електрон з утворенням іонів F -, С l -, В r - т.д.

Типовими неметаллическими властивостями цей елемент більше подібний елементів VII групи (Фтору, Хлор, Бром і т.п.). Але Водень не є р-елементом і більш охоче віддає електрон, ніж приймає. Тому його перебування в групі s -елементів - активних відновників - також має сенс. У зв'язку з цим Водень часто поміщають в І групу Періодичної таблиці, а в VII групі повторюють його символ в дужках. Але є і такі виданняПеріодичної таблиці, де його основним місцем є саме VII група. І те й інше - правильно.

методи видобуток

У земних умовах Водень зустрічається переважно в зв'язаному стані, у вигляді сполук із ступенем окислення +1.

Коли Водень вже знаходиться в ступені окислення +1, він може відбирати електрон в багатьох елементів, особливо металів, які схильні віддавати електрони. Тому способи добування водню часто ґрунтуються на реакції будь-якого металу з одним із з'єднань водню, наприклад:

Реакцію між цинком і водним розчином соляної кислоти найчастіше використовують для добування водню в лабораторії.

Замість цинку в реакції з НС l можна використовувати інші метали (хоча і не будь-які) - наприклад залізо, олово, магній.

А реакція між залізом і водяною парою при нагріванні має історичне значення- колись її використовували для наповнення воднем повітряних куль.

Рушійною силою подібних реакцій добування водню є не тільки прагнення віддати металів електрон атома водню в ступені окислення +1, а й отримати велику кількість енергії в разі скріплення нейтральних атомів водню, що утворюються при цьому, в молекулу Н 2. Тому в реакції такого типу вступають навіть неметали:

Ця реакція лежить в основі промислового способу добування водню. Водяна пара пропускають над розпеченим до білого коксом (вугіллям, який нагрівається без доступу повітря). В результаті утворюється суміш карбон оксиду з воднем, яку називають «водяним газом».

Водень може утворитися і внаслідок сильного нагріву метану:

Тому в промисловості велика кількістьводню добувають саме з метану, додаючи до нього через високу температуру перегрітий водяний пар:

1) СН 4 + Н 2 O = СО + 3 Н 2;

2) СО + Н 2 O = С O 2 + Н 2.

В сумі цей процес можна записати рівнянням:

СН 4 + 2Н 2 O = 4 Н 2 + С O 2.

Суміш газів охолоджують і промивають водою під тиском. При цьому С O 2 розчиняється, а малорастворим в воді водень йде на промислові потреби.

Найчистіше водень в промисловості отримують електролізом води:

Цей спосіб вимагає великих витрат енергії, тому поширений менше, ніж високотемпературна реакція коксу або метану з водою. Існують і інші способи добування водню.

Хімічні властивості водню

Водень - один з рекордсменів за кількістю різноманіття з'єднань. Найбільша їх кількість припадає на сполуки з Карбоном, які вивчає органічна хімія.

Але і не органічні сполукиВодню дуже різноманітні.

У в таблиці наведені приклади сполук водню з типовими s - і р-елементами, Зазначений ступінь окислення водню в усіх з'єднаннях.

другий період
літій гідрид	берилій гідрид		метан		аміак		вода	фтористий водень
	Ве H 2		CH 4		NH 3		H 2 O
твердий	твердий		газ		газ		рідина	рідина
третій період
магній гідрид		силан		фосфін		сірководень		хлористий водень
MgH 2		SiH 4		PH 3		H 2 S
твердий		газ		газ		газ		газ

Сполуки металів з Гідрогеном (вони називаються гідридами металів) є твердими речовинами. Гідриди металів можна добувати безпосередньо з металу і водню:

Са + Н 2 → СаН 2 (кальцій гідрид, t пл = 1000 ° С)

Гідриди бурхливо реагують з водою з утворенням газуватого водню:

СаН 2 + 2Н 2 O → Са (ОН) 2 + 2Н 2.

Це ще один зручний спосіб добування газуватого водню. Джерелом атомів водню є як гідрид металу, так і вода. Тому для добування 1 м 3 водню необхідно всього 0,94 кг кальцій гідриду, тоді як для отримання того ж кількості газу дією металів на кислоти потрібно 2,5 кг заліза або 2,9 кг цинку.

З'єднання водню з неметалами переважно є газами. Виняток становить вода і фтороводорода. Таке різке відміну води від інших летких сполук водню пояснюється існуванням між молекулами води особливого виду хімічного зв'язку- водневого.

З усіх з'єднань водню однієї з найважливіших є аміак, який добувають реакцією водню з азотом при високій температурі, тиску і в присутності каталізатора:

Це один з небагатьох хімічних процесів, що дозволяють пов'язувати досить інертний атмосферний азот. Надалі з більш активного в хімічному відношенні аміаку добувають безліч нітратних сполук - нітратну кислоту, барвники, вибухові речовини, нітратні добрива.

Відновлювальні властивості водню використовують для отримання чистих металів з їх оксидів. Наприклад, під час нагрівання купрум (II) оксиду З u Про в струмені водню утворюється вода і порошок міді:

З u О + Н 2 → З u + Н 2 O.

Для деяких дуже тугоплавких металів відновлення їх оксидів воднем виявляється зручним і економічним способом добування. Наприклад, метал вольфрам, з якого роблять нитки лампочок розжарювання, добувають за допомогою реакції:

WO 3 + 3 Н 2 → W + 3 Н 2 O.

Метал виходить у вигляді порошку, який потім можна пресувати в готові вироби. Після спікання такі вироби не вимагають подальшої обробки. Цей спосіб добування металів і деталей з них називається порошкової металургією.

застосування водню

Водень надзвичайно теплотворної хімічним паливом. Крім того, в результаті спалювання водню утворюється лише вода, тоді як інші палива забруднюють атмосферу оксидами вуглецю, Азоту і незгорілімі залишками палива.

Водень використовується як пальне в сучасній ракетній техніці. Ракетоносії здатні виводити на орбіту понад 100 тонн різних вантажів завдяки воднево-кисневим двигунів. В їх баках міститься рідкий кисень і рідкий водень.

Суміші водню з киснем називаються гримучим газом і вибухають від найменшої іскри. Тому робота з воднем як паливом вимагає таких запобіжних заходів, які б виключали можливість вибуху. Сучасна техніка дозволяє досягти високого рівня безпеки, але історія знає трагедії, пов'язані з вибухами водню.

У першій половині століття в різних країнах було побудовано велику кількість літальних апаратів, легких повітря - дирижаблів.

Дирижаблі - це керовані аеростати з сігароподібною оболонкою, наповненою воднем. Великий обсяг водню в оболонці забезпечував високу вантажопідйомність цих повітряних кораблів. Найбільші пасажирські дирижаблі 30-х років XX століття могли перевозити до 100 чоловік на дуже великі відстані. На цих літальних апаратах були комфортабельні каюти, ресторани, душові, палуби для прогулянок і т.д. Такі дирижаблі здійснювали регулярні рейси з Європи в Америку.

Однак велика кількість енергії, що виділяється в реакції водню з киснем, таїть в собі величезну небезпеку. 6 травня 1937 року найбільший в світі пасажирський дирижабль «Гінденбург», який прилетів з Німеччини в Нью-Джерсі (США), вибухнув і впав на землю від іскри, яка проскочила між причальної щогли і корпусом дирижабля. Багато в чому саме через цю катастрофу будівництво пасажирських дирижаблів незабаром припинилося.

У наш час водень не застосовують для наповнення аеростатів та інших літальних апаратів, легких повітря. Для цих цілей використовують дорожчий, і проте безпечний газ гелій.

рідкий

водень(Лат. Hydrogenium; позначається символом H) - перший елемент періодичної системи елементів. Широко поширений в природі. Катіон (і ядро) найпоширенішого ізотопу водню 1 H - протон. Властивості ядра 1 H дозволяють широко використовувати ЯМР-спектроскопію в аналізі органічних речовин.

Три ізотопу водню мають власні назви: 1 H - проти (Н), 2 H - дейтерій (D) і 3 H - тритій (радіоактивний) (T).

Проста речовина водень - H 2 - легкий безбарвний газ. У суміші з повітрям або киснем горючий і вибухонебезпечний. Нетоксичний. Розчинний в етанолі і рядеметаллов: залозі, нікелі, паладії, платині.

Історія

Виділення горючого газу при взаємодії кислот і металів спостерігали в XVI і XVII століттяхна зорі становлення хімії як науки. Прямо вказував на виділення його і Михайло Васильович Ломоносов, але вже виразно усвідомлюючи, що це не флогистон. Англійський фізик і хімік Генрі Кавендіш в 1766 році досліджував цей газ і назвав його «горючим повітрям». При спалюванні «горючий повітря» давав воду, але прихильність Кавендіша теорії флогістону завадила йому зробити правильні висновки. Французький хімік Антуан Лавуазьє спільно з інженером Ж. Меньє, 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 і може бути з неї отримано.

походження назви

Лавуазьє дав водню назву hydrogène - «народжує воду». Російське найменування «водень» запропонував хімік М. Ф. Соловйов в 1824 році - за аналогією сломоносовскім «киснем».

поширеність

Водень - найпоширеніший елемент у Всесвіті. На його частку припадає близько 92% всіх атомів (8% складають атоми гелію, частка всіх інших разом узятих елементів - менше 0,1%). Таким чином, водень - основна складова частиназірок і міжзоряного газу. В умовах зоряних температур (наприклад, температура поверхні Сонця ~ 6000 ° C) водень існує у вигляді плазми, в міжзоряному просторі цей елемент існує у вигляді окремих молекул, атомів і іонів і може утворювати молекулярні хмари, значно різняться за розмірами, густиною та температурою.

Земна кора і живі організми

Масова частка водню в земній корі становить 1% - це десятий за поширеністю елемент. Однак його роль в природі визначається не масою, а числом атомів, частка яких серед інших елементів становить 17% (друге місце після кисню, частка атомів якого дорівнює ~ 52%). Тому значення водню в хімічних процесах, що відбуваються на Землі, майже так само велика, як і кисню. На відміну від кисню, що існує на Землі і в зв'язаному, і у вільному станах, практично весь водень на Землі знаходиться у вигляді сполук; лише в дуже незначній кількості водень у вигляді простого речовини міститься в атмосфері (0,00005% за обсягом).

Водень входить до складу практично всіх органічних речовин і присутній у всіх живих клітинах. У живих клітинах за кількістю атомів на водень припадає майже 50%.

отримання

Промислові способи отримання простих речовинзалежать від того, в якому вигляді відповідний елемент знаходиться в природі, тобто що може бути сировиною для його отримання. Так, кисень, наявний у вільному стані, отримують фізичним способом - виділенням з рідкого повітря. Водень ж практично весь знаходиться у вигляді сполук, тому для його отримання застосовують хімічні методи. Зокрема, можуть бути використані реакції розкладання. Одним із способів отримання водню служить реакція розкладання води електричним струмом.

Основний промисловий спосіб отримання водню - реакція з водою метану, який входить до складу природного газу. Вона проводиться при високій температурі (легко переконатися, що при пропущенні метану навіть через киплячу воду ніякої реакції не відбувається):

СН 4 + 2Н 2 O = CO 2 + 4Н 2 -165 кДж

У лабораторії для отримання простих речовин використовують не обов'язково природна сировина, а вибирають ті вихідні речовини, з яких легше виділити необхідне речовина. Наприклад, в лабораторії кисень не отримують з повітря. Це саме можна сказати і до отримання водню. Один з лабораторних методів отримання водню, який іноді застосовується і в промисловості, - розкладання води електричним струмом.

Зазвичай в лабораторії водень отримують взаємодією цинку з соляною кислотою.

У промисловості

1.Електроліз водних розчинів солей:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Пропусканіе парів води над розпеченим коксом при температурі близько 1000 ° C:

H 2 O + C? H 2 + CO

3.Із природного газу.

Конверсія з водяною парою:

CH 4 + H 2 O? CO + 3H 2 (1000 ° C)

Каталітичне окислення киснем:

2CH 4 + O 2? 2CO + 4H 2

4. Крекінг і риформінг вуглеводнів в процесі переробки нафти.

В лабораторії

1.Дія розбавлених кислот на метали.Для проведення такої реакції найчастіше використовують цинк і розбавлену соляну кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Взаємодія кальцію з водою:

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

3.Гідроліз гідридів:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Дія лугів на цинк або алюміній:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2

Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.За допомогою електролізу.При електролізі водних розчинів лугів або кислот на катоді відбувається виділення водню, наприклад:

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

Фізичні властивості

Водень може існувати в двох формах (модифікаціях) - у вигляді орто- і пара- водню. У молекулі ортоводорода o-H 2 (т. Пл. -259,10 ° C, т. Кип. -252,56 ° C) ядерні спини спрямовані однаково (паралельні), а у параводорода p-H 2 (т. Пл. -259,32 ° C, т. Кип. -252,89 ° C) - протилежно одна одній (антіпараллельни). рівноважна суміш o-H 2 і p-H 2 при заданій температурі називається рівноважний водень e-H 2.

Розділити модифікації водню можноадсорбціейна активному вугіллі при температурі рідкого азоту. при дуже низьких температурахрівновагу між ортоводорода і параводорода майже без остачі зрушено в бік останнього. При 80 К співвідношення форм приблизно 1: 1. Десорбувати параводорода при нагріванні перетворюється в ортоводорода аж до утворення рівноважної при кімнатній температурі суміші (орто-пара: 75:25). Без каталізатора перетворення відбувається повільно (в умовах міжзоряного середовища - з характерними часомаж до космологічних), що дає можливість вивчити властивості окремих модифікацій.

Водень - самий лёгкійгаз, він легший за повітря в 14,5 разів. Очевидно, що чим менше маса молекул, тим вище їх швидкість при одній і тій же температурі. Як найлегші, молекули водню рухаються швидше молекул будь-якого іншого газу і тим самим швидше можуть передавати теплоту від одного тіла до іншого. Звідси випливає, що водень має найвищу теплопровідність серед газоподібних речовин. Його теплопровідність приблизно в сім разів вище теплопровідності повітря.

Молекула водню двохатомних - Н 2. При нормальних умовах - це газ без кольору, запаху і смаку. Щільність 0,08987 г / л (н.у.), температура кипіння -252,76 ° C, питома теплотазгоряння 120.9 × 10 6 Дж / кг, малорастворим в воді - 18,8 мл / л. Водень добре розчинний у багатьох металах (Ni, Pt, Pdі ін.), Особливо в паладії (850 обсягів на 1 обсяг Pd). З розчинність водню в металах пов'язана його здатність дифундувати через них; дифузія через вуглецевий сплав (наприклад, сталь) іноді супроводжується руйнуванням сплаву унаслідок взаємодії водню з вуглецем (так звана декарбонізація). Практично не розчинний всеребре.

рідкий воденьіснує в дуже вузькому інтервалі температур від -252,76 до -259,2 ° C. Це безбарвна рідина, дуже легка (щільність при -253 ° C 0,0708 г / см 3) і текуча (в'язкість при -253 ° C 13,8 спуаз). Критичні параметри водню дуже низькі: температура -240,2 ° C і тиск 12,8 атм. Цим пояснюються труднощі при зрідження водню. У рідкому стані рівноважний водень складається з 99,79% пара-Н 2, 0,21% орто-Н 2.

Твердий водень, температура плавлення -259,2 ° C, щільність 0,0807 г / см 3 (при -262 ° C) - снегоподобная маса, кристали гексогональний сингонії, просторова група P6 / mmc, параметри комірки a=3,75 c= 6,12. При високому тиску водень переходить в металевий стан.

ізотопи

Водень зустрічається в вигляді трьохізотопів, які мають індивідуальні назви: 1 H - проти (Н), 2 Н - дейтерій (D), 3 Н - тритій (радіоактивний) (T).

Протій і дейтерій є стабільними ізотопами з масовими числами 1 і 2. Зміст їх в природі відповідно становить 99,9885 ± 0,0070% і 0,0115 ± 0,0070%. Це співвідношення може незначно змінюватися в залежності від джерела і способу отримання водню.

Ізотоп водню 3 Н (тритій) нестабільний. Його період напіврозпаду становить 12,32 років. Тритій міститься в природі в дуже малих кількостях.

В літературі також наводяться дані про ізотопи водню з масовими числами 4 - 7 і періодами напіврозпаду 10 -22 - 10 -23 с.

Природний водень складається з молекул H 2 і HD (дейтероводород) в співвідношенні 3200 1. Зміст чистого дейтерійного водню D 2 ще менше. Ставлення концентрацій HD і D 2, приблизно, 6400: 1.

З усіх ізотопів хімічних елементів фізичні і Хімічні властивостіізотопів водню відрізняються один від одного найбільш сильно. Це пов'язано з найбільшим відносним зміною мас атомів.

	температура плавлення, K	температура кипіння, K	Потрійна крапка, K / kPa	критична крапка, K / kPa	густина рідкий / газ, кг / м³

Дейтерій і тритій також мають орто- і пара- модифікації: p-D 2, o-D 2, p-T 2, o-T 2. Гетероізотопний водень (HD, HT, DT) не мають орто- і пара- модифікацій.

Хімічні властивості

Частка диссоциированного молекул водню

Молекули водню Н 2 досить міцні, і для того, щоб водень міг вступити в реакцію, повинна бути витрачена велика енергія:

Н 2 = 2Н - 432 кДж

Тому при звичайних температурах водень реагує тільки з дуже активними металами, Наприклад з кальцієм, утворюючи гідрид кальцію:

Ca + Н 2 = СаН 2

і з єдиним неметаллом - фтором, утворюючи фтороводород:

З більшістю же металів і неметалів водень реагує при підвищеній температурі або при іншому впливі, наприклад при освітленні:

О 2 + 2Н 2 = 2Н 2 О

Він може «забирати» кисень від деяких оксидів, наприклад:

CuO + Н 2 = Cu + Н 2 O

Записане рівняння відображає відновні властивості водню.

N 2 + 3H 2 → 2NH 3

З галогенами утворює галогеноводороди:

F 2 + H 2 → 2HF, реакція протікає з вибухом в темряві і при будь-якій температурі,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, реакція протікає з вибухом, тільки на світлі.

З сажею взаємодіє при сильному нагріванні:

C + 2H 2 → CH 4

Взаємодія з лужними і лужноземельними металами

При взаємодії з активними металами водень утворює гідриди:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H 2 → MgH 2

гідриди- солеобразние, тверді речовини, легко гідролізуються:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + 2H 2

Взаємодія з оксидами металів (як правило, d-елементів)

Оксиди відновлюються до металів:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Гідрування органічних сполук

Молекулярний водень широко застосовується в органічному синтезі для відновлення органічних сполук. Ці процеси називають реакціями гідрування. Ці реакції проводять в присутності каталізатора при підвищених тиску і температурі. Каталізатор може бути як гомогенним (напр.Каталізатор Уїлкінсона), так і гетерогенним (напр. Нікель Ренея, паладій на вугіллі).

Так, зокрема, при каталітичному гідруванні ненасичених сполук, таких як алкени і алкіни, утворюються насичені сполуки - алкани.

геохімія водню

Вільний водень H 2 відносно рідко зустрічається в земних газах, але у вигляді води він приймає виключно важливе участь в геохімічних процесах.

До складу мінералів водень може входити у вигляді іона амонію, гідроксил-іона і кристалічної води.

В атмосфері водень безперервно утворюється в результаті розкладання води сонячним випромінюванням. Маючи малу масу, молекули водню володіють високою швидкістю дифузійного руху (вона близька до другої космічної швидкості) і, потрапляючи у верхні шари атмосфери, можуть полетіти в космічний простір.

особливості звернення

Водень при суміші з повітрям утворює вибухонебезпечну суміш - так званий гримучий газ. Найбільшу вибухонебезпечність цей газ має при об'ємному відношенні водню і кисню 2: 1, або водню і повітря приблизно 2: 5, так як в повітрі кисню міститься приблизно 21%. Також водородпожароопасен. Рідкий водень при попаданні на шкіру може викликати сильне обмороження.

Вибухонебезпечні концентрації водню з киснем виникають від 4% до 96% об'ємних. При суміші з повітрям від 4% до 75 (74)% об'ємних.

Економіка

Вартість водню при великих оптових поставках коливається в діапазоні 2-5 $ за кг.

застосування

Атомарний водень використовується для атомно-водневої зварювання.

Хімічна промисловість

• При виробництві аміаку, метанолу, мила і пластмас
• При виробництві маргарину з рідких рослинних масел
• З нами в якості харчової добавки E949(Пакувальний газ)

Харчова промисловість

авіаційна промисловість

Водень дуже легкий і в повітрі завжди піднімається вгору. Колись дирижаблі та повітряні кулі наповнювали воднем. Але в 30-х рр. XX ст. відбулося несколькокатастроф, в ході яких дирижаблі вибухали і згорали. У наш час дирижаблі наповнюють гелієм, незважаючи на його більш високу вартість.

паливо

Водень використовують в якості ракетного палива.

Ведуться дослідження по застосуванню водню як палива для легкових і вантажних автомобілів. Водневі двигуни не забруднюють довкілля і виділяють тільки водяну пару.

У воднево-кисневих паливних елементах використовується водень для безпосереднього перетворення енергії хімічної реакції в електричну.

«Рідкий водень»( «ЖВ») - рідке агрегатний стан водню, з низькою питомою щільністю 0.07 г / см³ і кріогенними властивостями з точкою замерзання 14.01 K (-259.14 ° C) і точкою кипіння 20.28 K (-252.87 ° C). Є безбарвною рідиною без запаху, яка при змішуванні з повітрям відноситься до вибухонебезпечних речовин з діапазоном коефіцієнта займання 4-75%. Спіновий співвідношення ізомерів в рідкому водні становить: 99,79% -параводород; 0,21% - ортоводорода. Коефіцієнт розширення водню при зміні агрегатного стану на газоподібне складає 848: 1 при 20 ° C.

Як і для будь-якого іншого газу, скраплення водню призводить до зменшення його обсягу. Після скраплення «ЖВ» зберігається в термічно ізольованих контейнерах під тиском. Рідкий водень (англ. Liquid hydrogen, LH2, LH 2) Активно використовується в промисловості, в якості форми зберігання газу, і в косміческойотраслі, як ракетне паливо.

Історія

Перше документоване використання штучного охолодження в 1756 році було здійснено англійським вченим Вільямом Калленом, Гаспар Монж першим отримав рідкий стан оксиду сірки в 1784 році, Майкл Фарадей першим отримав скраплений аміак, американський винахідник Олівер Еванс першим розробив холодильний компресор в 1805 році, Яків Перкінс першим запатентував охолоджуючу машину в 1834 році і Джон Горі першим в США запатентовалкондіціонер в 1851 році. Вернер Сіменс запропонував концепцію регенеративного охолодження в 1857 році, Карл Лінде запатентував обладнання для отримання рідкого повітря з використанням каскадного «ефекту розширення Джоуля - Томсона» і регенеративного охолодження в 1876 році. У 1885 році польскійфізік і хімік Зигмунд Вро? Блевскій опублікував критичну температуру водню 33 K, критичне тиск 13.3 атм. і точку кипіння при 23 K. Впервиеводород був зріджений Джеймсом Дьюара в 1898 році з використанням регенеративного охолодження і свого винаходу, cосуда Дьюара. Перший синтез стабільного ізомеру рідкого водню - параводорода - був здійснений Полом Хартек і Карлом Бонхеффер в 1929 році.

Спінові ізомери водню

Водень при кімнатній температурі складається в основному з спинового ізомери, ортоводорода. Після виробництва, рідкий водень знаходиться в метастабільних станів і повинен бути перетворений в параводородную форму, для того щоб уникнути вибухонебезпечної екзотермічної реакції, яка має місце при його зміні при низьких температурах. Перетворення в параводородную фазу зазвичай проводиться з використанням таких каталізаторів, як оксид заліза, оксид хрому, активоване вугілля, покритих платиною азбестом, рідкоземельних металів або шляхом використання уранових або нікелевих добавок.

Використання

Рідкий водень може бути використаний в якості форми зберігання палива для двигунів внутрішнього згоряння і паливних елементів. Різні підводного човна (проекти «212А» і «214», Німеччина) та концепти водневого транспорту були створені з використанням цієї агрегатної форми водню (див. Наприклад «DeepC» або «BMW H2R»). Завдяки близькості конструкцій, творці техніки на «ЖВ» можуть використовувати або тільки модифікувати системи, що використовують зріджений природний газ ( «СПГ»). Однак через більш низької об'ємної щільності енергії для горіння потрібно більший обсяг водню, ніж природного газу. Якщо рідкий водень використовується замість «СПГ» в поршневих двигунах, зазвичай потрібно більш громіздка паливна система. При прямому уприскуванні збільшилися втрати у впускному тракті зменшують наповнення циліндрів.

Рідкий водень використовується також для охолодження нейтронів в експериментах по нейтронного розсіювання. Маси нейтрона і ядра водню практично рівні, тому обмін енергією при пружному зіткненні найбільш ефективний.

переваги

Перевагою використання водню є «нульова емісія» його застосування. Продуктом його взаємодії з повітрям є вода.

перешкоди

Один літр «ЖВ» важить всього 0.07 кг. Тобто його питома щільність становить 70.99 г / л при 20 K. Рідкий водень вимагає кріогенної технології зберігання, такий як спеціальні термічно ізольовані контейнери і вимагає особливого поводження, що властиво для всіх кріогенних матеріалів. Він близький в цьому відношенні до рідкого кисню, але вимагає більшої обережності через пожежонебезпеки. Навіть у випадку з контейнерами з тепловою ізоляцією, його важко утримувати при тій низькій температурі, яка потрібна для його збереження в рідкому стані (зазвичай він випаровується зі швидкістю 1% на день). При зверненні з ним також потрібно дотримуватися звичайних заходів безпеки при роботі з воднем - він досить холодний для скраплення повітря, що вибухонебезпечне.

ракетне паливо

Рідкий водень є поширеним компонентом ракетного палива, яке використовується для реактивного прискорення ракет-носіїв і космічних апаратів. У більшості рідинних ракетних двигунах на водні, він спочатку застосовується для регенеративного охолодження сопла і інших частин двигуна, перед його змішуванням з окислювачем і спалюванням для отримання тяги. Використовувані сучасні двигуни на компонентах H 2 / O 2 споживають переобогащенная воднем паливну суміш, що призводить до деякого кількості незгорілого водню в вихлопі. Крім збільшення питомої імпульсадвігателя за рахунок зменшення молекулярного ваги, це ще скорочує ерозію сопла і камери згоряння.

Такі перешкоди використання «ЖВ» в інших областях, як кріогенна природа і мала щільність, є також стримуючим фактором для використання в даному випадку. На 2009 рік існує тільки одна ракета-носій (РН «Дельта-4»), яка цілком є ​​водневої ракетою. В основному «ЖВ» використовується або на верхніх щаблях ракет, або на блоках, які значну частину роботи з виведення корисного навантаження в космос виконують в вакуумі. У якості одного із заходів по збільшенню щільності цього виду палива існують пропозиції використання шугообразного водню, тобто напівзамерзлий форми «ЖВ».

Точність - перш за все

Відносна маса легкого ізотопу водню визначена прямо-таки з фантастичною точністю: 1,007276470 (якщо прийняти масу ізотопу вуглецю 12С рівний 12,0000000). Якби з такою точністю була виміряна, наприклад, довжина екватора, то помилка не перевищила б 4 см!

Але навіщо потрібна така точність? Адже кожна нова цифра вимагає від експериментаторів все більших і більших зусиль ... Секрет розкривається просто: ядра протію, протони, беруть участь у багатьох ядерних реакціях. А якщо відомі маси реагуючих ядер і маси продуктів реакції, то, користуючись формулою, можна розрахувати її енергетичний ефект. А так як енергетичні ефекти навіть ядерних реакцій супроводжуються лише незначною зміною маси, то і доводиться ці маси вимірювати якомога точніше.

ізотопні ефекти

Уже багато років дейтерій і зовсім недавно тритій стали широко застосовувати в якості мічених атомовМечение атоми (ізотопні індикатори) містять ізотопи, які за своїми властивостями (радіоактивність, атомної масі) відрізняються від інших ізотопів даного елемента .. Зручність застосування цих мічених атомів пояснюється тим, що відмінності в масах або радіоактивності дозволяють виявляти і розділити їх, а хімічно вони подібні звичайним атомам водню. Для більшості елементів зміна маси ядра на одну або кілька одиниць проводить до вельми невеликому процентному зміни атомної ваги, що обумовлює лише опосередкований вплив маси ядра на хімічну поведінку речовини, взагалі ж хімічне відмінність між ізотопами не вдається виявити. Однак для найлегших елементів B, C, N і особливо Н, реакції з речовинами, що містять різні ізотопи одного і того ж елемента, протікають з невеликими, але вимірюється різними швидкостями. Часто це дає хороші результати при детальному вивченні механізмів реакції. Заміна дейтерію воднем в біологічних системах істотно може змінити тонкі рівноважні процеси. У разі дейтерію ця різниця не така велика, щоб применшити цінність його в якості міченого атома, хоча при інтерпретації даних іноді необхідно дотримуватися обережності. Тритій, однак, настільки важче водню, що не можна вважати, що будь-який дане з'єднання тритію буде реагувати так само, як і його водневий аналог. Однак все ж можна вважати, що навіть для водню хімія всіх ізотопів одна і та ж.

Найлегший ізотоп водню

Протій - назва самого легкого ізотопу водню, позначається символом. Ядро протію складається з одного протона, звідси і назва ізотопу.

Таблиця 5.1.

Протій становить 99,9885 ± 0,0070% від загального числа атомів водню у Всесвіті і є найбільш поширеним нуклідом в природі серед ізотопів всіх хімічних елементів. Є не металом. У нормальних умовах прибуває завжди в газоподібному стані, Без кольору, смаку і запаху, але при бажанні водень можна довести до зрідженого або затверділого стану, але для цього потрібна неймовірно низька температура і дуже високий тиск.

Водень - хімічний елемент із символом H і атомним номером 1. Маючи стандартний атомний вага близько 1.008, водень є легким елементомв періодичній таблиці. Його одноатомна форма (Н) є найбільш поширеним хімічною речовиноюу Всесвіті, складаючи приблизно 75% всієї маси баріону. Зірки, в основному, складаються з водню в плазмовому стані. Найбільш поширений ізотоп водню, званий протієм (ця назва рідко використовується, символ 1Н), має один протон і жодного нейтрона. Повсюдне поява атомарного водню вперше відбулося в епоху рекомбінації. При стандартних температурах і тиску, водень являє собою безбарвний, не має запаху і смаку, нетоксичний, неметаллический, легкозаймистий двоатомний газ з молекулярною формулою H2. Оскільки водень легко утворює ковалентні зв'язкиз більшістю неметалічних елементів, Велика частина водню на Землі існує в молекулярних формах, таких як вода або органічні сполуки. Водень відіграє особливо важливу роль в кислотно-лужних реакціях, тому що більшість реакцій на основі кислоти пов'язані з обміном протонів між розчинними молекулами. У іонних з'єднаннях, водень може приймати форму негативного заряду (тобто, аниона), при цьому він відомий як гідрид, або як позитивно заряджений (тобто катіон) вид, що позначається символом H +. Катіон водню описується як що складається з простого протона, але насправді водневі катіони в іонних з'єднаннях завжди більш складні. Будучи єдиним нейтральним атомом, для якого рівняння Шредінгера може бути вирішено аналітично, водень (а саме, вивчення енергетики і зв'язування його атома) зіграв ключову роль у розвитку квантової механіки. Спочатку водневий газ був штучно отриманий на початку 16-го століття реакцією кислот на метали. У 1766-81 рр. Генрі Кавендіш першим визнав, що водневий газ є дискретним речовиною, і що він виробляє воду при спалюванні, завдяки чому він і був так названий: по-грецьки водень означає «виробник води». Промислове виробництвоводню, в основному, пов'язано з паровим перетворенням природного газу і, рідше, з більш енергоємними методами, такими як електроліз води. Велика частина водню використовується поблизу місць його виробництва, причому два найбільш поширених використання - обробка викопного палива (наприклад, гідрокрекінг) та виробництво аміаку, в основному, для ринку добрив. Водень викликає заклопотаність у металургії, оскільки він може робити крихкими багато метали, що ускладнює проектування трубопроводів і резервуарів для зберігання.

властивості

горіння

Водневий газ (дігідрогена або молекулярний водень) є легкозаймистою газом, який буде горіти на повітрі в дуже широкому діапазоні концентрацій від 4% до 75% за обсягом. Ентальпія горіння становить 286 кДж / моль:

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 кДж (286 кДж / моль)

Водневий газ утворює вибухонебезпечні суміші з повітрям в концентраціях від 4-74% і з хлором в концентраціях до 5,95%. Вибухонебезпечні реакції можуть бути викликані іскрами, теплом або сонячним світлом. Температура самозаймання водню, температура спонтанного займання на повітрі, становить 500 ° C (932 ° F). Чисті воднево-кисневі полум'я випускають ультрафіолетове випромінювання і з високою кисневою сумішшю майже невидимі неозброєним оком, про що свідчить слабкий шлейф головного двигуна космічного човника в порівнянні з добре видимим шлейфом космічного човникового твердого ракетного підсилювача, який використовує композит перхлората амонію. Для виявлення витоку палаючого водню може знадобитися детектор полум'я; такі витоку можуть бути дуже небезпечними. Водневе полум'я в інших умовах є синім, і нагадує блакитне полум'я природного газу. Загибель дирижабля «Гінденбург» являє собою сумнозвісний приклад спалювання водню, і справа, як і раніше обговорюється. Видиме помаранчеве полум'я в цьому інциденті було викликано впливом суміші водню з киснем у поєднанні з сполуками вуглецю зі шкіри дирижабля. H2 реагує з кожним окислюючими елементом. Водень може спонтанно реагувати при кімнатній температурі з хлором і фтором з утворенням відповідних галогенідів водню, хлористого водню і фтористого водню, які також є потенційно небезпечними кислотами.

Рівні енергії електронів

Рівень енергії основного стану електрона в атомі водню становить -13,6 еВ, що еквівалентно ультрафіолетового фотона з довжиною хвилі близько 91 нм. енергетичні рівніводню можуть бути розраховані досить точно з використанням боровськой моделі атома, яка концептуалізірует електрон як "орбітальний" протон по аналогії із земною орбітою Сонця. Однак, атомний електрон і протон утримуються разом електромагнітної силою, а планети і небесні об'єкти утримуються гравітацією. Через дискретизації кутового моменту, постулированного в ранній квантовій механіці Бором, електрон в моделі Бора може займати тільки певні допустимі відстані від протона і, отже, тільки певні допустимі енергії. Більш точний опис атома водню відбувається з чисто квантово-механічної обробки, в якій використовується рівняння Шредінгера, рівняння Дірака або навіть інтегральна схема Фейнмана для обчислення щільності розподілу ймовірності електрона навколо протона. Найбільш складні методи обробки дозволяють отримати невеликі ефекти спеціальної теорії відносності і поляризації вакууму. У квантовій механічній обробці, електрон в атомі водню основного стану взагалі не має обертального моменту, що ілюструє, як «планетарна орбіта» відрізняється від руху електрона.

Елементарні молекулярні форми

Існують два різних спінових ізомери двоатомних молекул водню, які відрізняються відносним спіном їх ядер. У ортоводородной формі, спини двох протонів паралельні і утворюють тріплетное стан з молекулярним квантовим числом 1 (1/2 + 1/2); в формі параводорода, спини антіпараллельни і утворюють синглет з молекулярним квантовим числом 0 (1/2 1/2). При стандартній температурі і тиску, газоподібний водень містить близько 25% пара-форми і 75% орто-форми, також відомої як «нормальна форма». Рівноважний ставлення ортоводорода до параводорода залежить від температури, але, оскільки орто-форма є збудженим станом і має більш високу енергію, ніж пара-форма, вона нестійка і не може бути очищена. При дуже низьких температурах, стан рівноваги складається майже виключно з пара-форми. Теплові властивості рідкої і газової фази чистого параводорода значно відрізняються від властивостей нормальної форми через відмінності у обертальних теплоємність, що більш детально обговорюється в спінових ізомери водню. Орто / парне відмінність також зустрічається в інших водородсодержащих молекулах або функціональних групах, таких як вода і метилен, але це має мале значення для їх теплових властивостей. Некаталізірованное взаємоперетворенням між пара і орто H2 збільшується з підвищенням температури; таким чином, швидко сконденсована Н2 містить велику кількість ортогональної форми високих енергій, Яка дуже повільно перетворюється в пара-форму. Коефіцієнт орто / пара в конденсованому H2 є важливим фактором при приготуванні і зберіганні рідкого водню: перетворення з орто в пара є екзотермічним і дає досить тепла для випаровування частини водневої рідини, що призводить до втрати скрапленого матеріалу. Каталізатори для орто-пара-конверсії, такі як оксид заліза, активоване вугілля, платинованим азбест, рідкоземельні метали, сполуки урану, оксид хрому або деякі сполуки нікелю, використовуються при охолодженні воднем.

фази

газоподібний водень

рідкий водень

Шугообразний водень

твердий водень

металевий водень

з'єднання

Ковалентні і органічні сполуки

У той час як H2 не надто реакционноспособен в стандартних умовах, він утворює сполуки з більшістю елементів. Водень може утворювати сполуки з елементами, які є більш електронегативними, такими як галогени (наприклад, F, Cl, Br, I) або кисень; в цих з'єднаннях, водень приймає частковий позитивний заряд. При зв'язуванні зі фтором, киснем або азотом, водень може брати участь в формі Нековалентні зв'язку середньої сили з воднем інших подібних молекул, явище, зване водневої зв'язком, яке має вирішальне значення для стійкості багатьох біологічних молекул. Водень також утворює сполуки з менш електронегативними елементами, такими як метали і металоїди, де він приймає частковий негативний заряд. Ці сполуки часто відомі як гідриди. Водень утворює велике безліч з'єднань з вуглецем, звані вуглеводнями, і ще більше безліч з'єднань - з гетероатомами, які, через їх загальної зв'язку з живими істотами, називаються органічними сполуками. Вивченням їх властивостей займається органічна хімія, і їх дослідження в контексті живих організмів відомо як біохімія. За деякими визначеннями, «органічні» з'єднання повинні містити тільки вуглець. Однак, більшість з них також містять водень, і оскільки це вуглець-воднева зв'язок, яка надає цьому класу з'єднань більшу частину їх конкретних хімічних характеристик, Вуглець-водневі зв'язку потрібні в деяких визначеннях слова «органічні» в хімії. Відомі мільйони вуглеводнів, і вони зазвичай утворюються складними синтетичними шляхами, які рідко включають елементарний водень.

гідриди

З'єднання водню часто називають гідридами. Термін «гідрид» передбачає, що атом Н придбав негативний або аніонний характер, позначений H-, і використовується, коли водень утворює з'єднання з більш електропозитивні елементом. Існування гидридного аниона, запропоноване Гилбертом Н. Льюїсом в 1916 році для солесодержащих гідридів групи 1 і 2, було продемонстровано Моерс в 1920 р електролізом розплавленого гідриду літію (LiH), виробляючи стехиометрическое кількість водню на анод. Для гідридів, відмінних від металів групи 1 і 2, цей термін вводить в оману, з огляду на низьку електронний торгівельний водню. Винятком в гидридах групи 2 є BeH2, який є полімерним. У літійалюмінійгідріде, AlH-4 аніон несе гідридні центри, міцно прикріплені до Al (III). Хоча гідриди можуть утворюватися майже у всіх елементах основної групи, кількість та комбінація можливих з'єднань сильно розрізняються; наприклад, відомо понад 100 бінарних гідридів борана і тільки один бінарний гідрид алюмінію. Бінарний гідрид індію ще не ідентифікований, хоча існують великі комплекси. В неорганічної хімії, Гідриди можуть також служити в якості мостікових лігандів, які пов'язують два металевих центру в координаційній комплексі. Ця функція особливо характерна для елементів групи 13, особливо в боранів (гидридах бору) і алюмінієвих комплексах, а також в кластеризованих карборанах.

Протони і кислоти

Окислення водню видаляє його електрон і дає Н +, який не містить електронів і ядра, яке зазвичай складається з одного протона. Ось чому H + часто називають протоном. Цей вид є центральним для обговорення кислот. Відповідно до теорії Бронстеда-Лоурі, кислоти є донорами протонів, а підстави є акцепторами протонів. Голий протон, H +, не може існувати в розчині або в іонних кристалах через його непереборного тяжіння до інших атомів або молекул з електронами. За винятком високих температур, пов'язаних з плазмою, такі протони не можуть бути видалені з електронних хмар атомів і молекул і залишатимуться прикріпленими до них. Однак, термін «протон» іноді використовується метафорично для позначення позитивно зарядженого або катіонного водню, приєднаного до інших видів таким чином, і як такий, позначається як «Н +» без будь-якого значення, що будь-які окремі протони існують вільно як вид. Щоб уникнути появи голого «сольватованих протона» в розчині, іноді вважається, що кислі водні розчини містять менш малоймовірні фіктивні види, звані «іоном гідроніума» (H 3О +). Однак, навіть в цьому випадку такі сольватовані катіони водню більш реалістично сприймаються як організовані кластери, які утворюють види, близькі до H 9O + 4. Інші іони оксония виявляються, коли вода знаходиться в кислому розчиніз іншими розчинниками. Незважаючи на свою екзотичність на Землі, одним з найбільш поширених іонів у Всесвіті є H + 3, відомий як протоновану молекулярний водень або катіон трігідрогена.

ізотопи

Водень має три природних ізотопу, позначених 1H, 2H і 3H. Інші, сильно нестійкі ядра (від 4H до 7H) були синтезовані в лабораторії, але не спостерігалися в природі. 1H є найбільш поширеним ізотопом водню з поширеністю більш 99,98%. Оскільки ядро ​​цього ізотопу складається тільки з одного протона, йому дається описову, але рідко використовується формальне ім'я протий. 2H, інший стабільний ізотоп водню, відомий як дейтерій і містить один протон і один нейтрон в ядрі. Вважається, що весь дейтерій у Всесвіті був проведений під час Великого вибуху і існує з того часу до сих пір. Дейтерій не є радіоактивним елементом і не становить значної небезпеки токсичності. Вода, збагачена молекулами, які включають дейтерій замість нормального водню, називається важкою водою. Дейтерій та його сполуки використовуються в якості Нерадіоактивні мітки в хімічних експериментах і в розчинниках для 1H-ЯМР-спектроскопії. Важка вода використовується як сповільнювач нейтронів і охолоджуюча рідина для ядерних реакторів. Дейтерій також є потенційним паливом для комерційного ядерного синтезу. 3H відомий як тритій і містить один протон і два нейтрони в ядрі. Він радіоактивний, розпадається на гелій-3 через бета-розпад з періодом напіврозпаду 12,32 року. Він настільки радіоактивний, що його можна використовувати в світиться фарбі, що робить його корисним при виготовленні, наприклад, годин зі світловим циферблатом. Скло запобігає вихід невеликої кількості випромінювання. Невелика кількість тритію утворюється природним шляхом при взаємодії космічних променівз атмосферними газами; тритій також вивільнявся під час випробувань ядерної зброї. Він використовується в реакціях ядерного синтезу в якості індикатора изотопной геохімії і в спеціалізованих освітлювальних приладах з автономним живленням. Тритій також використовувався в експериментах по хімічного і біологічного маркування в якості радіоактивної мітки. Водень - єдиний елемент, який має різні назви для його ізотопів, які сьогодні широко використовуються. Під час раннього вивчення радіоактивності, різних важких радіоактивних ізотопів давалися власні назви, але такі назви більше не використовуються, за винятком дейтерію і тритію. Символи D і T (замість 2H і 3H) іноді використовуються для дейтерію і тритію, але відповідний символ для протію P вже використовується для фосфору і, отже, недоступний для протію. У своїх номенклатурних керівних принципах, Міжнародний союз чистої і прикладної хімії дозволяє використовувати будь-які символи з D, T, 2H і 3H, хоча перевагу надають 2H і 3H. Екзотичний атом мюонів (символ Mu), що складається з антимюонів і електрона, також іноді розглядається як легкий радіоізотоп водню через різницю мас між антимюонів і електроном, який був виявлений в 1960 році. Під час життя мюона, 2,2 мкс, мюонів може входити в такі з'єднання, як хлорид мюонія (MuCl) або мюонід натрію (NaMu), аналогічно хлориду водню і гідрид натрію відповідно.

Історія

Відкриття та використання

У 1671 році Роберт Бойл відкрив і описав реакцію між залізними тирсою і розведеними кислотами, яка призводить до отримання газоподібного водню. У 1766 році Генрі Кавендіш першим визнав водневий газ в якості дискретного речовини, назвавши цей газ через метал-кислотної реакції «легкозаймистою повітрям». Він припустив, що «легкозаймистий повітря» був фактично ідентичний гіпотетичному речовини, названого «флогистоном», і ще раз виявив в 1781 році, що газ виробляє воду при спалюванні. Вважається, що саме він відкрив водень як елемент. У 1783 році Антуан Лавуазьє дав цьому елементу назва водень (від грецького ὑδρο-hydro означає «вода» і -γενής гени, що означає «творець»), коли він і Лаплас відтворили дані Кавендіша про те, що при спалюванні водню утворюється вода. Лавуазьє виробляв водень для своїх експериментів по збереженню маси шляхом реакції потоку пара з металевим залізом через лампу розжарювання, нагріту в вогні. Анаеробне окислення заліза протонами води при високій температурі може бути схематично представлено набором наступних реакцій:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Багато метали, такі як цирконій, піддаються аналогічної реакції з водою, що приводить до отримання водню. Водень був зріджений в перший раз Джеймсом Дьюара в 1898 році з використанням регенеративного охолодження і його винаходу, вакуумної колби. В наступному році він справив твердий водень. Дейтерій був виявлений в грудні 1931 року Гарольдом Юреем, а тритій був підготовлений в 1934 році Ернестом Рутерфордом, Марком Оліфант і Полом Хартек. Важка вода, яка складається з дейтерію замість звичайного водню, була виявлена ​​групою Юрея в 1932 році. Франсуа Ісаак де Ріваз побудував перший двигун «Ріваз», двигун внутрішнього згоряння, що приводиться в рух воднем і киснем, в 1806 році. Едвард Даніель Кларк винайшов водневу газову трубу в 1819 році. Кресало Деберейнера (перша повноцінна запальничка) було винайдено в 1823 році. Перший водневий балон був винайдений Жаком Чарльзом в 1783 році. Водень забезпечив підйом першої надійної форми повітряного руху після винаходу в 1852 році першого піднятого воднем дирижабля Анрі Гіффарда. Німецький граф Фердинанд фон Цеппелін просував ідею жорстких дирижаблів, що піднімаються в повітря воднем, які пізніше називалися Цепелін; перший з них вперше злетів у повітря в 1900 році. Регулярно заплановані рейси почалися в 1910 році і до початку Першої світової війни в серпні 1914 року вони перенесли 35000 пасажирів без серйозних інцидентів. Під час війни, водневі дирижаблі використовувалися в якості спостережних платформ і бомбардувальників. Перший безпосадочний трансатлантичний переліт був проведений британським дирижаблем R34 в 1919 році. Регулярне пасажирське обслуговування відновилося в 1920-х роках, і відкриття запасів гелію в Сполучених Штатах мало підвищити безпеку перельотів, але уряд США відмовилося продавати газ для цієї мети, тому H2 використовувався в дирижаблі Гінденбурга, який був знищений в результаті пожежі в Мілані в Нью -Джерсі 6 травня 1937 року. Інцидент транслювався в прямому ефірі по радіо і проводилися відеозйомки. Широко передбачалося, що причиною займання був витік водню, проте подальші дослідження вказують на запалення алюмінізірованной тканинного покриття статичною електрикою. Але до цього часу репутації водню як підйомного газу був уже завдано збитків. У тому ж році, вступив в експлуатацію перший воднево-охолоджуваний турбогенератор з газоподібним воднем в якості холодоагенту в роторі і статором в 1937 році в Дейтоні, Огайо, компанією Dayton Power & Light Co; через теплопровідності водневого газу, це найпоширеніший газ для використання в цій галузі сьогодні. Нікель-воднева батарея була вперше використана в 1977 році на борту навігаційного технологічного супутника-2 США (NTS-2). МКС, Mars Odyssey і Mars Global Surveyor оснащені нікель-водневими батареями. У темній частині своєї орбіти, Космічний телескоп Хаббла також харчується нікель-водневими батареями, які були остаточно замінені в травні 2009 року, більш ніж через 19 років після запуску і через 13 років після їх проектування.

Роль в квантової теорії

Через свою простий атомної структури, що складається тільки з протона і електрона, атом водню разом зі спектром світла, створеного з нього або поглиненого їм, був центральним у розвитку теорії атомної структури. Крім того, вивчення відповідної простоти молекули водню і відповідного катіона Н + 2 привело до розуміння природи хімічного зв'язку, яка послідувала незабаром фізичної обробки атома водню в квантовій механіці в середини 2020 г. Однією з перших квантових ефектів, які явно спостерігалися (але не зрозуміли в той час), було спостереження Максвелла за участю водню за півстоліття до того, як з'явилася повна квантовомеханічна теорія. Максвелл зазначив, що питома теплоємність Н2 необоротно відходить від двоатомних газу нижче кімнатної температури і починає все більше нагадувати питому теплоємність одноатомного газу при кріогенних температурах. Згідно квантової теорії, така поведінка виникає через відстані (квантованих) рівнів обертальної енергії, які особливо широко розставлені в H2 через його низьку маси. Ці широко розставлені рівні перешкоджають рівному поділу теплової енергії на обертальний рух в водні при низьких температурах. Діатомові гази, що складаються з більш важких атомів, не мають таких широко розставлених рівнів і не виявляють такого ж ефекту. Антиводень є антиматеріальна аналогом водню. Він складається з антипротона з позитроном. Антиводень є єдиним типом атома антиречовини, який був отриманий за станом на 2015 рік.

Знаходження в природі

Водень є найпоширенішим хімічним елементом у Всесвіті, складаючи 75% нормального речовини по масі і більш 90% за кількістю атомів. (Велика частина маси всесвіту, проте, знаходиться не в формі цього хімічного елемента, а вважається, що має ще невиявлені форми маси, такі як темна матерія і темна енергія.) Цей елемент знаходиться у великій кількості в зірках і газових гігантах. Молекулярні хмари Н2 пов'язані зі звездообразованием. Водень відіграє життєво важливу роль при включенні зірок через протон-протонної реакцію і ядерний синтез циклу CNO. У всьому світі, водень зустрічається, в основному, в атомному і плазмовому станах з властивостями, абсолютно відмінними від властивостей молекулярного водню. Як плазми, електрон і протон водню не пов'язані один з одним, що призводить до дуже високої електропровідності і високою випромінювальної здатності (виробляючи світло від Сонця та інших зірок). На заряджені частинки сильно впливають магнітні та електричні поля. Наприклад, в сонячному вітрі вони взаємодіють з магнітосферою Землі, створюючи течії Біркеланд і полярне сяйво. Водень знаходиться в нейтральному атомному стані в міжзоряному середовищі. Вважається, що велика кількість нейтрального водню, виявленого в згасаючих системах Лиману-альфа, домінує в космологічної баріонів щільності Всесвіту до червоного зсуву z = 4. У звичайних умовах на Землі, елементарний водень існує як двоатомний газ, H2. Однак, водневий газ дуже рідкісний в земній атмосфері (1 чнм за обсягом) через його легкої ваги, що дозволяє йому легше долати гравітацію Землі, ніж більш важкі гази. Однак, водень є третім найбільш поширеним елементом на поверхні Землі, існуючи, в основному, у вигляді хімічних сполук, таких як вуглеводні і вода. Водневий газ утворюється деякими бактеріями і водоростями і є природним компонентом Флют, як і метан, який є все більш значущим джерелом водню. Молекулярна форма, звана протоновану молекулярним воднем (H + 3) знаходиться в міжзоряному середовищі, де вона генерується іонізацією молекулярного водню з космічних променів. Цей зарядженийіон також спостерігався у верхній атмосфері планети Юпітер. Іон відносно стійкий в навколишньому середовищі через низьку температури і щільності. H + 3 є одним з найпоширеніших іонів у Всесвіті і відіграє помітну роль в хімії міжзоряного середовища. Нейтральний тріатомний водень H3 може існувати тільки в збудженої формі і нестійкий. Навпаки, позитивний молекулярний іон водню (Н + 2) є рідкісною молекулою у Всесвіті.

виробництво водню

H2 проводиться в хімічних і біологічних лабораторіях, часто в якості побічного продукту інших реакцій; в промисловості для гідрування ненасичених субстратів; і в природі як засіб витіснення відновлювальних еквівалентів в біохімічних реакціях.

паровий риформинг

Водень може бути отриманий декількома способами, але економічно найбільш важливі процесивключають видалення водню з вуглеводнів, так як близько 95% виробництва водню 2000 року надійшло з парового риформінгу. Комерційно, великі обсяги водню зазвичай отримують шляхом парового риформінгу природного газу. При високих температурах (1000-1400 K, 700-1100 ° C або 1300-2000 ° F) пар (водяна пара) реагує з метаном з отриманням монооксиду вуглецю і H2.

СН4 + H2O → CO + 3 H2

Ця реакція краще проходить при низькому тиску, але, тим не менше, її можна проводити і при високому тиску (2,0 МПа, 20 атм або 600 дюймів ртутного стовпа). Це пов'язано з тим, що H2 з високим тиском є ​​найбільш популярним продуктом, а системи очищення від перегріву під тиском краще працюють при більш високому тиску. Суміш продуктів відома як «синтез-газ», оскільки вона часто використовується безпосередньо для отримання метанолу і споріднених сполук. Вуглеводні, відмінні від метану, можуть бути використані для отримання синтез-газу з різними співвідношеннями продуктів. Одним з численних ускладнень цієї високооптимізовані технології є утворення коксу або вуглецю:

СН4 → C + 2 H2

Отже, паровий риформінг зазвичай використовує надлишок H2О. Додатковий водень може бути витягнутий з пара з використанням монооксиду вуглецю через реакцію зміщення водяного газу, особливо з використанням каталізатора оксиду заліза. Ця реакція також є загальним промисловим джерелом вуглекислого газу:

CO + H2O → CO2 + H2

Інші важливі методи для H2 включають часткове окислення вуглеводнів:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

І реакція вугілля, яка може служити прелюдією до реакції зсуву, описаної вище:

C + H2O → CO + H2

Іноді водень виробляється і споживається в тому ж промисловому процесі, без поділу. В процесі Хабера для виробництва аміаку, водень генерується з природного газу. Електроліз сольового розчину для отримання хлору також призводить до утворення водню в якості побічного продукту.

металева кислота

У лабораторії, Н2 зазвичай отримують реакцією розбавлених неокисляющих кислот на деякі реакционноспособниє метали, такі як цинк з апаратом Киппа.

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

Алюміній також може виробляти H2 при обробці підставами:

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

Електроліз води являє собою простий спосіб отримання водню. Через воду протікає струм низької напруги, і на аноді утворюється газоподібний кисень, в той час як на катоді утворюється газоподібний водень. Зазвичай катод виготовляють з платини або іншого інертного металу при виробництві водню для зберігання. Якщо, проте, газ повинен бути спалений на місці, для сприяння згорянню бажана присутність кисню, і тому обидва електроди будуть виготовлені з інертних металів. (Наприклад, залізо окислюється і, отже, зменшує кількість виробленого кисню). Теоретична максимальна ефективність (електрика, що використовується по відношенню до енергетичної величиною виробленого водню) знаходиться в діапазоні 80-94%.

2 Н2О (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Сплав алюмінію і галію в формі гранул, доданих в воду, можна використовувати для отримання водню. Цей процес також виробляє оксид алюмінію, але дорогою галій, який запобігає утворенню оксидної шкіри на гранулах, може бути повторно використаний. Це має важливі потенційні наслідки для економіки водню, оскільки водень може бути отриманий на місці і не потребує транспортуванні.

термохімічні властивості

Існує більше 200 термохімічних циклів, які можна використовувати для розділення води, близько дюжини цих циклів, такі, як цикл оксиду заліза, цикл оксиду оксиду церію (IV) оксиду церію (III), цинк-оксидний цинк, цикл сірчаного йоду, цикл міді і хлору і гібридний цикл сірки, знаходяться на стадії дослідження і на стадії випробувань для отримання водню і кисню з води і тепла без використання електрики. Ряд лабораторій (в тому числі, у Франції, Німеччині, Греції, Японії та США) розробляють термохимические методи отримання водню з сонячної енергіїі води.

анаеробна корозія

В анаеробних умовах, залізо і сталеві сплави повільно окислюються протонами води, одночасно відновлюючись в молекулярному водні (H2). Анаеробна корозія заліза призводить спочатку до утворення гідроксиду заліза (зелена іржа) і може бути описана наступною реакцією: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. У свою чергу, в анаеробних умовах гідроксид заліза (Fe (OH) 2) може бути окислений протонами води з утворенням магнетиту і молекулярного водню. Цей процес описується реакцією Шікорра: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 гідроокис заліза → магній + вода + водень. Добре кристалізований магнетит (Fe3O4) термодинамічно більш стійкий, ніж гідроксид заліза (Fe (OH) 2). Цей процес відбувається під час анаеробної корозії заліза і сталі в безкисневих грунтових водах і при відновленні ґрунтів нижче рівня грунтових вод.

Геологічне походження: реакція серпентинизации

За відсутності кисню (O2) в глибоких геологічних умовах, що переважають далеко від атмосфери Землі, водень (H2) утворюється в процесі серпентинизации шляхом анаеробного окислення протонами води (H +) силікату заліза (Fe2 +), присутнього в кристалічній решітці фаяліта (Fe2SiO4, міна олівін -заліза). Відповідна реакція, що приводить до утворення магнетиту (Fe3O4), кварцу (SiO2) і водню (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 фаяліт + вода → магнетит + кварц + водень. Ця реакція дуже нагадує реакцію Шікорра, що спостерігається при анаеробному окисленні гідроксиду заліза в контакті з водою.

Формування в трансформаторах

З усіх небезпечних газів, що утворюються в силових трансформаторах, водень є найбільш поширеним і генерується в більшості випадків несправностей; таким чином, утворення водню є ранньою ознакою серйозних проблем в життєвому циклітрансформатора.

застосування

Споживання в різних процесах

Великі кількості H2 необхідні в нафтової та хімічної промисловості. У найбільшій мірі, H2 застосовується для переробки ( «модернізації») викопного палива і для виробництва аміаку. На нафтохімічних заводах, H2 використовується при гідродеалкілірованіі, гідродесульфірованіі і гідрокрекінгу. H2 має кілька інших важливих застосувань. H2 використовується в якості гидрируются агента, зокрема, для підвищення рівня насичення ненасичених жирів і масел (виявлених в таких предметах, як маргарин), і у виробництві метанолу. Це також джерело водню при виробництві соляної кислоти. Н2 також використовується в якості відновника металевих руд. Водень є високорозчинний речовиною в багатьох рідкісноземельних і перехідних металах і розчинний як в нанокристалічних, так і в аморфних металах. Розчинність водню в металах залежить від локальних спотворень або домішок в кристалічній решітці. Це може бути корисно, коли водень очищується шляхом проходження через гарячі паладієві диски, але висока розчинність газу є металургійної проблемою, що сприяє охрупчіванію багатьох металів, ускладнюючи проектування трубопроводів і резервуарів для зберігання. Крім використання в якості реагенту, H2 має широке застосування у фізиці і техніці. Він використовується в якості захисного газу в методах зварювання, таких як атомно-воднева зварювання. H2 використовується в якості охолоджуючої рідини ротора в електричних генераторах на електростанціях, оскільки він має найвищу теплопровідність серед всіх газів. Рідкий H2 використовується в кріогенних дослідженнях, включаючи дослідження надпровідності. Оскільки Н2 легший за повітря, маючи трохи більше 1/14 від щільності повітря, він колись широко використовувався в якості піднімає газу в повітряних кулях і дирижаблях. У новіших застосуваннях, водень використовується в чистому вигляді або змішується з азотом (іноді званим формувальних газом) в якості газу-індикатора для миттєвого виявлення витоку. Водень застосовується в автомобільній, хімічній, енергетичній, аерокосмічній і телекомунікаційній галузях. Водень - це дозволена харчова добавка(E 949), яка дозволяє проводити випробування на герметичність харчових продуктів, крім інших антиокисних властивостей. Рідкісні ізотопи водню також мають конкретні застосування. Дейтерій (водень-2) використовується в додатках ядерного ділення як сповільнювач повільних нейтронів і в реакціях ядерного синтезу. З'єднання дейтерію застосовуються в області хімії і біології при дослідженнях ізотопних ефектів реакції. Тритій (водень-3), вироблений в ядерних реакторах, використовується у виробництві водневих бомб, як изотопной мітки в біологічних науках, і в якості джерела випромінювання в світяться фарбах. Температура потрійний точки рівноважного водню є визначальною нерухомою точкою в температурній шкалі ITS-90 при 13,8033 кельвінах.

охолодне середовище

Водень зазвичай використовується на електростанціях в якості холодоагенту в генераторах через низку сприятливих властивостей, які є прямим результатом його легких двоатомних молекул. До них відносяться низька щільність, низька в'язкість і максимальна питома теплоємність і теплопровідність серед всіх газів.

енергетичний носій

Водень не є енергетичним ресурсом, за винятком гіпотетичного контексту комерційних термоядерних електростанцій, що використовують дейтерій або тритій, причому ця технологія в даний час далека від розвитку. Енергія Сонця відбувається від ядерного синтезу водню, але цей процес труднодостіжім на Землі. Елементарний водень з сонячних, біологічних чи електричних джерел вимагає більше енергії для його виробництва, ніж витрачається при його спалюванні, тому в цих випадках водень функціонує як носій енергії, за аналогією з батареєю. Водень може бути отриманий з викопних джерел (таких як метан), але ці джерела є вичерпаними. Щільність енергії на одиницю об'єму як рідкого водню, так і стисненого газоподібного водню при будь-якому практично досяжному тиску значно менше, ніж у традиційних джерел енергії, хоча щільність енергії на одиницю маси палива вище. Проте, елементний водень широко обговорювалося в контексті енергетики як можливий майбутній носій енергії в масштабах всієї економіки. Наприклад, секвестрация СО2 з подальшим улавливанием і зберіганням вуглецю може бути проведена в точці виробництва H2 з викопних видів палива. Водень, який використовується при транспортуванні, буде горіти щодо чисто, з деякими викидами NOx, але без викидів вуглецю. Однак, вартість інфраструктури, пов'язана з повною конверсією в водневу економіку, буде суттєвою. Паливні елементи можуть перетворювати водень і кисень безпосередньо в електрику більш ефективно, ніж двигуни внутрішнього згоряння.

напівпровідникова промисловість

Водень використовується для насичення обірваних зв'язків аморфного кремнію і аморфного вуглецю, що допомагає стабілізувати властивості матеріалу. Він також є потенційним донором електронів в різних оксидних матеріалах, включаючи ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 і SrZrO3.

біологічні реакції

H2 є продуктом деяких видів анаеробного метаболізму і проводиться декількома мікроорганізмами, зазвичай за допомогою реакцій, каталізуються залізо або никельсодержащая ферментами, званими гидрогеназу. Ці ферменти каталізують оборотну окислювально-відновну реакцію між Н2 і його компонентами - двома протонами і двома електронами. Створення газоподібного водню відбувається при передачі відновлювальних еквівалентів, що утворюються при ферментації пірувату в воду. Природний цикл виробництва і споживання водню організмами називається водневим циклом. Розщеплення води, процес, при якій вода розкладається на складові її протони, електрони і кисень, відбувається в світлових реакціях у всіх фотосинтезуючих організмів. Деякі такі організми, в тому числі водорості Chlamydomonas Reinhardtii і cyanobacteria, розвинули другу стадію в темних реакціях, в яких протони й електрони відновлюються з утворенням H2-газу спеціалізованими гидрогеназу в хлоропласті. Були зроблені спроби генетично модифікувати ціанобактеріальние гідрази для ефективного синтезу газоподібного H2 навіть в присутності кисню. Також були зроблені зусилля з використанням генетично модифікованої водорості в біореакторі.

Водень має три ізотопу з масовими числами 1, 2 і 3.

Найпоширеніший ізотоп водню - це звичайний, звичний нам водень « 1 H»З ядром, що складається з одного єдиного протона. Нейтронів в цьому ядрі немає зовсім. За замовчуванням, коли кажуть «водень», мають на увазі саме такий ізотоп, але коли ми говоримо про різні ізотопи водню, то термін «водень» буде незрозумілий - то ми маємо на увазі саме цей ізотоп без нейтронів, то чи будь ізотоп водню . Тому для такого ізотопу є своя власна назва: « протий».

Ще один ізотоп, який зустрічається в природі, це « дейтерій» - « 2 H». Ядро дейтерію складається з одного протона і одного нейтрона. Зміст дейтерію в природі дуже мало - близько 0.01% від всіх атомів водню. Дейтерій ще позначають для стислості буквою « D»

Третій ізотоп - «тритій» - « 3 H». Його для стислості позначають ще як « T»

У природі водень зустрічається у вигляді молекул H 2і HDв співвідношенні 3200 1.

Якщо взяти різні хімічні елементи і подивитися - наскільки сильно відрізняються фізичні властивості їх ізотопів, то ми побачимо, що ізотопи водню відрізняються один від одного найсильніше. Це можна легко пояснити, адже в ядрі водню лише один протон, і додаток нейтрона до одного протону збільшує масу ядра аж на 100%! Тобто маса ядра змінюється дуже сильно, відповідно і фізичні властивості теж сильно змінюються.