Водород - неорганическое вещество, первый и самый легкий элемент таблицы Менделеева. Обозначается буквой H (Hydrogenium), переводится с греческого как «рождающий воду».

В природе существует три устойчивых атома водорода:
протий - стандартный вариант атома, состоящий из протона и электрона;
дейтерий - состоит из протона, нейтрона и электрона;
тритий - в ядре протон и два нейтрона.

Водорода на Земле достаточно много. Если исходить из числа атомов, то его примерно 17%. Больше лишь кислорода - около 52%. И это только в коре земли и атмосфере - ученые не знают, сколько его в мантии и ядре планеты. На Земле водород находится преимущественно в связанном состоянии. Он часть воды, всех живых клеток, природного газа, нефти, угля, некоторых горных пород и минералов. В несвязанном состоянии его можно обнаружить в вулканических газах, в продуктах разложения органики.

Свойства

Самый легкий газ. Не имеет цвета, вкуса и запаха. В воде плохорастворим, хорошо - в этаноле, во многих металлах, например, в железе, титане, палладии - в одном объеме палладия может раствориться 850 объемов Н2. Не растворяется в серебре. Лучше всех газов проводит тепло. При сильном охлаждении преобразуется в очень подвижную текучую бесцветную жидкость, и далее в твердое снегообразное вещество. Интересно, что жидкое состояние элемент сохраняет в очень узком температурном диапазоне: от −252,76 до −259,2 °C. Предполагается, что твердый водород при гигантских давлениях в сотни тысяч атмосфер приобретет металлические свойства. При высоких температурах вещество проникает сквозь мельчайшие поры металлов и сплавов.

Водород - важный биогенный элемент. Образует воду, содержится во всех живых тканях, в амино- и нуклеиновых кислотах, белках, липидах, жирах, углеводах.

С точки зрения химии, водород обладает уникальной особенностью - его относят сразу к двум группам таблицы Менделеева: к щелочным металлам и галогенам. Как щелочной металл, проявляет сильные восстановительные свойства. Реагирует с фтором при обычных условиях, с хлором - под действием света, с другими неметаллами - только при нагревании или в присутствии катализаторов. Вступает в реакции с кислородом, азотом, серой, углеродом, галогенами, угарным газом и др. Образует такие важные соединения как аммиак, сероводород, углеводороды, спирты, фтороводород (фтористоводородную кислоту) и хлороводород (соляную кислоту). При взаимодействии с оксидами и галогенидами металлов восстанавливает их до металлов; это свойство используется в металлургии.

Как галоген Н2 проявляет окислительные свойства при взаимодействии с металлами.

Во Вселенной водорода 88,6%. Большей частью он содержится в звездах и межзвездном газе.

Из-за своей легкости молекулы вещества двигаются с огромными скоростями, сопоставимыми со второй космической скоростью. Благодаря этому его теплопроводность превышает теплопроводность воздуха в 7,3 раза. Из верхних частей атмосферы молекулы Н2 легко улетают в космос. Таким образом наша планета теряет 3 кг водорода каждую секунду.

Техника безопасности

Водород нетоксичен, но пожаро- и взрывоопасен. Смесь с воздухом (гремучий газ) легко взрывается от малейшей искры. Сам водород горит. Это следует учитывать при его получении для лабораторных нужд или при проведении опытов, в ходе которых выделяется водород.

Пролив жидкий водород на кожу, можно получить серьезное обморожение.

Применение

В химпроме с помощью Н2 производят аммиак , спирты, соляную кислоту, мыло, полимеры, искусственное топливо, многие орг.вещества.
В нефтеперерабатывающей индустрии - для получения из нефти и нефтяных остатков различных производных (дизельного топлива, смазочных масел, бензинов, сжиженных газов и др.); для очистки нефтепродуктов, смазочных масел.
В пищепроме: при изготовлении твердых маргаринов методом гидрогенизации из растительных масел; используется как газ для упаковок некоторых продуктов (добавка Е949).
В металлургии в процессах получения металлов и сплавов. Для атомно-водородной (t пламени доходит до +4000 °С) и кислородно-водородной (до +2800 °С) резки и сварки жаростойких сталей и сплавов.
В метеорологии веществом наполняют воздушные зонды и шары.
Как топливо для ракет.
Как охладитель для крупных электрогенераторов.
В стекольной индустрии для выплавки кварцевого стекла в высокотемпературном пламени.
В газовой хроматографии; для заполнения (жидким Н2) пузырьковых камер.
Как хладагент в криогенных вакуумных насосах.
Дейтерий и тритий используются в атомной энергетике и военном деле.

Введение

Водород (Hudrogenium) был открыт в первой половине XVI века немецким врачом и естествоиспытателем Парацельсом. В 1776 г. Кавендиш (Англия) установил его свойства и указал отличия от других газов. Водород имеет три изотопа: протий №Н, дейтерий ІН или D, тритий іН или Т. Их массовые числа равны 1, 2 и 3. Протий и дейтерий стабильны, тритий - радиоактивен (период полураспада 12,5 лет). В природных соединениях дейтерий и протий в среднем содержатся в отношении 1:6800 (по числу атомов). Тритий в природе находится в ничтожно малых количествах.

Ядро атома водорода №Н содержит один протон. Ядро дейтерия и трития включают не только протон, но и один, два нейтрона. Молекула водорода состоит из двух атомов. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу водорода:

Энергия ионизации атома, эВ 13,60

Сродство атома к электрону, эВ 0,75

Относительная электроотрицательность 2,1

Радиус атома, нм 0,046

Межъядерное расстояние в молекуле, нм 0,0741

Стандартная энтальпия диссоциации молекул при 25єС 436,1

Водород. Положение водорода в периодической таблице Д.И. Менделеева

В самом конце XVIII и в начале XIХ века химия вступила в период установления количественных закономерностей: в 1803 году был сформулирован закон кратных отношений (вещества реагируют между собой в весовых отношениях, кратных химическим эквивалентам), а в 1814 году опубликована первая в истории химической науки таблица относительных атомных весов элементов. В этой таблице на первом месте оказался водород, а атомные массы других элементов выражались числами, близкими к целым.

Особое положение, которое с самого начала занял водород, не могло не привлечь внимания ученых, и в 1841 году химики смогли ознакомиться с теорией Уильяма Праута, развившего теорию Древнегреческих философов о единстве мира и предположившего, что все элементы образованы из водорода как из самого легкого элемента. Прауту возражал Й.Я. Берцелиус, как раз занимавшийся уточнением атомных весов: из его опытов следовало, что атомные веса элементов не находятся в целочисленных отношениях к атомному весу водорода. Но, возражали сторонники Праута, атомные веса определены еще недостаточно точно и в качестве примера ссылались на эксперименты Жана Стаса, который в 1840 году исправил атомный вес углерода с 11,26 (эта величина была установлена Берцелиусом) на 12,0.

И все же привлекательную гипотезу Праута пришлось на время оставить: вскоре тот же Стас тщательными и не подлежащими сомнению исследованиями установил, что, например, атомный вес хлора равен 35,45, т. е. никак не может быть выражен числом, кратным атомному весу водорода...

Но вот в 1869 году Дмитрий Иванович Менделеев создал свою периодическую классификацию элементов, положив в ее основу атомные веса элементов как их наиболее фундаментальную характеристику. И на первом месте в системе элементов, естественно, оказался водород.

С открытием периодического закона стадо ясно, что химические элементы образуют единый ряд, построение которого подчиняется какой-то внутренней закономерности. И это не могло вновь не вызвать к жизни гипотезу Праута, -- правда, в несколько измененной форме: в 1888 году Уильям Крукс предположил, что все элементы, в том числе и водород, образованы путем уплотнения некоторой первичной материи, названной им протилом. А так как протил, рассуждал Крукс, по-видимому, имеет очень малый атомный вес, то отсюда понятно и возникновение дробных атомных весов.

Но вот что любопытно. Самого Менделеева необычайно занимал вопрос: а почему периодическая система должна начинаться именно с водорода? Что мешает существованию элементов с атомным весом, меньше единицы? И в качестве такого элемента в 1905 году Менделеев называет... «мировой эфир». Более того, он помещает его в нулевую группу над гелием и рассчитывает его атомный вес -- 0,000001! Инертный газ со столь малым атомным весом должен быть по мнению Менделеева, всепроникающим, а его упругие колебания могли бы объяснить световые явления...

Увы, атому предвидению великого ученого не было суждено сбыться. Но Менделеев был прав в том отношении, что элементы не построены из тождественных частиц: мы знаем теперь, что они построены из протонов, нейтронов и электронов.

Но позвольте, воскликнете вы, ведь протон -- это ядро атома водорода. Значит Праут был все-таки прав? Да, он действительно был по-своему прав. Но это была, если можно так выразиться, преждевременная правота, потому что в то время ее нельзя было ни по-настоящему подтвердить, ни по-настоящему опровергнуть...

Впрочем, сам водород сыграл в истории развития научной мысли еще немалую роль. В 1913 году Нильс Бор сформулировал свои знаменитые постулаты, объяснившие на основе квантовой механики особенности строения атома и внутреннюю сущность закона периодичности. И теория Бора была признана потому, что рассчитанный на ее основе спектр водорода полностью совпал с наблюдаемым.

Заряд ядра атома водорода равен 1 и поэтому в Периодической системе он стоит под номером 1. Водород расположен в первом периоде, где находятся всего два химических элемента H и He. Емкость первого электронного слоя равна 2 и поэтому у атомов гелия имеется завершенная электронная оболочка, а He является аналогом инертных газов (Ne, Ar, Kr, Xe и Rn). У атома водорода один электрон и его электронная конфигурация 1s1. В реакциях окисления или восстановления атом водорода может либо присоединять, либо отдавать один электрон. Какие же (по группам Периодической системы) одновалентные аналоги могут быть у водорода? В первую очередь - это щелочные металлы, у атомов которых на внешнем электронном слое также имеется 1 s электрон. Кроме того, металлические свойства химических элементов уменьшаются при переходе в Периодической системе по группам снизу вверх, а значит увеличиваются неметаллические свойства. И, если мы отнесем водород к первой группе, у него могут появиться слабые неметаллические свойства? Да его считают самым слабым неметаллом. Так что помещение водорода в первую группу не противоречит логике Периодической системы.

У атома водорода для завершения электронной оболочки не хватает всего одного электрона, поэтому при взаимодействии с активными металлами (щелочными и щелочноземельными) атом водорода стремится их внешний валентный электрон присоединить себе и тем самым он ведет себя подобно атомам галогенов. А получаемые водородные соединения (гидриды металлов - MeH) подобны соединениям галогенов со щелочными и щелочноземельными металлам. Значит они являются солями? По внешнему виду, по физическим свойствам, по способности проводить электрический ток в расплавленном состоянии гидриды металлов напоминают хлориды соответствующих металлов. При переходе в группе неметаллические свойства химических элементов снизу вверх возрастают. Тогда водород должен бы быть самым активным неметаллом. Это не так. Самый активный неметалл это фтор. Поскольку свойства водорода в чем-то напоминает свойства галогенов, то условно (в скобках) его можно было бы поместить в 7-ую группу над фтором.

Есть учебники, в которых клетку в первом периоде, предназначенную для водорода - делают размером в семь клеток - от Li до F - и считают водород аналогом сразу всех семи элементов 2-го периода. С этим вряд ли можно согласиться, так как водород во всех своих соединениях является одновалентным, а для элементов 2 - 6 групп валентность равная 1 не характерна.

Мы специально излагаем этот материал не в категоричной, как обычно написаны учебники для школьников, а в дискуссионной форме. Химия как наука все еще находится в стадии становления и развития. И не нужно бояться "противоречий" в разных учебных пособиях по химии. Нужно попробовать понять точку зрения автора, понять его доводы и стремиться формировать собственное обоснованное мнение.

знать

• положение водорода в таблице Менделеева, нахождение в природе и практическое применение;
• строение атома, валентность, степени окисления водорода;
• способы получения и свойства простого вещества;
• основные типы соединений водорода;

уметь

• составить уравнения реакций получения водорода и реакций, характеризующих химические свойства водорода;
• проводить расчеты по уравнениям реакций, в которых участвует водород;

владеть

Навыками прогнозирования протекания реакций с участием водорода и его соединений.

Положение водорода в периодической системе элементов. Водород в природе

Водород Н - первый элемент в таблице Менделеева, состоящий из простейших атомов, имеющих заряд ядра +1 и всего один электрон. В гл. 5 и 6 уже рассматривалось строение атома водорода и молекул Н 2 . Водород не только имеет разнообразное практическое применение, но и сыграл важную роль в развитии химии и физики.

Водород был впервые получен в виде газообразного простого вещества в первой половине XVI в. Парацельсом. В 1776 г. Г. Кавендиш исследовал его и указал отличия от других газов. А. Лавуазье первый получил водород из воды и доказал, что вода есть химическое соединение водорода с кислородом (1783).

Существуют разные мнения о том, в какую группу таблицы Менделеева следует поместить водород. Первый период составляют лишь два химических элемента - водород и гелий. Положение гелия как химически инертного элемента в группе VIIIA не вызывает сомнений. Тогда остаются семь пустых клеток в группах с I по VII. В какую из этих групп поместить водород? По строению атома он может быть отнесен к группе IA, так как имеет лишь один электрон на внешнем уровне. Но одновременно у него недостает лишь одного электрона до завершенной оболочки с п = 1. Наличием одной вакансии во внешней оболочке характеризуются элементы группы VIIА. Следовательно, водород можно поместить и в эту группу. Кроме того, у водорода, как и у элемента углерода в группе IVА, имеется ровно половина от максимального числа электронов на соответствующем уровне. Водород проявляет также сходство с кислородом и азотом, так как образует двухатомные молекулы (Н 2 , N 2 , 0 2). Поэтому целесообразно не вести дискуссии о самом правильном положении водорода в таблице Менделеева, а отдать водороду всю полосу в первом периоде от I до VII группы, не деля ее на клетки.

Водород представляет собой самый распространенный элемент во Вселенной. На его долю приходится около 90% всех атомов. Это объясняется тем, что на этапе протекания ядерных реакций в горячей плазме после возникновения Вселенной большая часть протонов не подверглась превращениям. При достаточном остывании плазмы в ходе дальнейшего расширения протоны соединились с электронами, образовав атомы водорода. Первичные ядерные реакции привели к образованию значительного количества гелия, и он оказался вторым по распространенности элементом (9%). Все остальные элементы, образовавшиеся в процессе синтеза ядер в звездах, вместе составляют приблизительно 1%.

Вещество планеты Земля содержит значительно меньшую долю легких элементов. Водорода по числу атомов около 16%, а по массе 1%. Большая часть имеющегося водорода находится в составе воды, в подземных месторождениях углеводородов, в биомассе растений и животных, а также в различных органических остатках.

Водород представляет собой биогенный элемент , или элемент жизни, т.е., находясь в составе организмов всех растений и животных, водород необходим для их жизнедеятельности. По числу атомов водород в живых организмах стоит на первом месте среди всех химических элементов. В организме человека атомы водорода составляют более 62% от суммарного числа атомов. В биоорганических соединениях водород связан как с атомами углерода, гак и с кислородом, азотом и серой функциональных групп. Следует учитывать, что живые организмы состоят не только из органических веществ, но содержат также более 60% воды, без которой биологические процессы невозможны. В сухом веществе живых организмов доля атомов водорода достигает 70%. Водород играет активную роль в процессах жизнедеятельности, переходя в виде протона от одних молекул к другим и образуя водородные связи. Окисление органических соединений с переходом атомов водорода в состав воды является одним из источников необходимой для жизнедеятельности энергии. Например, окисление (дегидрирование) органического вещества с гидроксогруппой по схеме

дает более 250 кДж энергии на моль окисляемых групп (на схеме R - различные углеродсодержащие радикалы или водород).

У водорода три изотопа. В природе наиболее распространен легкий изотоп Н, называемый протием. Ядро протия представляет собой элементарную частицу протон. На долю протия приходится 99,985% от числа атомов. Второй изотоп ]Н называют тяжелым водородом или дейтерием. Для его обозначения используется особый символ D. Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона. Во всех водородсодержащих веществах имеется примесь дейтерия - около 0,015% общего числа атомов водорода. Третий изотоп водорода - радиоактивный тритий j Н (символ Т), имеющий период полураспада 12,33 лет. Тритий в ничтожно малом количестве имеется в природе, так как образуется в результате воздействия нейтронов космических лучей на атомы азота. Большое количество трития образуется в ядерных реакторах. Как тритий, так и дейтерий широко применяются в ядерной технике.

Относительное различие по массе между атомами протия и дейтерия составляет 100%. Этим обусловлено заметное отличие свойств веществ, содержащих иротий, от тех же веществ, содержащих дейтерий. Для примера сравним некоторые свойства обычного водорода Н 2 и тяжелого водорода D 2 (табл. 17.1). Наиболее сильно различаются плотности обоих веществ, так как при близости радиусов электронных орбиталей, определяющих межатомные расстояния, ядра дейтерия вдвое тяжелее, чем ядра протия. Двукратное увеличение массы атомов дейтерия но сравнению с нро- тием приводит также к существенному повышению температур плавления и кипения простых веществ.

Таблица 17.1

Свойства простых веществ водорода и дейтерия

Распространённость в природе. В. широко распространён в природе, его содержание в земной коре (литосфера и гидросфера) составляет по массе 1%, а по числу атомов 16%. В. входит в состав самого распространённого вещества на Земле - воды (11,19% В. по массе), в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, глины, а также организмы животных и растений (т. е. в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и др.). В свободном состоянии В. встречается крайне редко, в небольших количествах он содержится в вулканических и других природных газах. Ничтожные количества свободного В. (0,0001% по числу атомов) присутствуют в атмосфере. В околоземном пространстве В. в виде потока протонов образует внутренний ("протонный") радиационный пояс Земли. В космосе В. является самым распространённым элементом. В виде плазмы он составляет около половины массы Солнца и большинства звёзд, основную часть газов межзвёздной среды и газовых туманностей. В. присутствует в атмосфере ряда планет и в кометах в виде свободного H2, метана CH4, аммиака NH3, воды H2O, радикалов типа CH, NH, OH, SiH, PH и т.д. В виде потока протонов В. входит в состав корпускулярного излучения Солнца и космических лучей.

Изотопы, атом и молекула. Обыкновенный В. состоит из смеси 2 устойчивых изотопов: лёгкого В., или протия (1H), и тяжёлого В., или дейтерия (2H, или D). В природных соединениях В. на 1 атом 2H приходится в среднем 6800 атомов 1H. Искусственно получен радиоактивный изотоп - сверхтяжёлый В., или тритий (3H, или Т), с мягким β-излучением и периодом полураспада T1/2 = 12,262 года. В природе тритий образуется, например, из атмосферного азота под действием нейтронов космических лучей; в атмосфере его ничтожно мало (4-10-15% от общего числа атомов В.). Получен крайне неустойчивый изотоп 4H. Массовые числа изотопов 1H, 2H, 3H и 4H, соответственно 1,2, 3 и 4, указывают на то, что ядро атома протия содержит только 1 протон, дейтерия - 1 протон и 1 нейтрон, трития - 1 протон и 2 нейтрона, 4H - 1 протон и 3 нейтрона. Большое различие масс изотопов В. обусловливает более заметное различие их физических и химических свойств, чем в случае изотопов других элементов.

Атом В. имеет наиболее простое строение среди атомов всех других элементов: он состоит из ядра и одного электрона. Энергия связи электрона с ядром (потенциал ионизации) составляет 13,595 эв. Нейтральный атом В. может присоединять и второй электрон, образуя отрицательный ион Н-; при этом энергия связи второго электрона с нейтральным атомом (сродство к электрону) составляет 0,78 эв. Квантовая механика позволяет рассчитать все возможные энергетические уровни атома В., а следовательно, дать полную интерпретацию его атомного спектра. Атом В. используется как модельный в квантовомеханических расчётах энергетических уровней других, более сложных атомов. Молекула В. H2 состоит из двух атомов, соединённых ковалентной химической связью. Энергия диссоциации (т. е. распада на атомы) составляет 4,776 эв (1 эв = 1,60210-10-19 дж). Межатомное расстояние при равновесном положении ядер равно 0,7414-Å. При высоких температурах молекулярный В. диссоциирует на атомы (степень диссоциации при 2000°C 0,0013, при 5000°C 0,95). Атомарный В. образуется также в различных химических реакциях (например, действием Zn на соляную кислоту). Однако существование В. в атомарном состоянии длится лишь короткое время, атомы рекомбинируют в молекулы H2.

Физические и химические свойства. В. - легчайшее из всех известных веществ (в 14,4 раза легче воздуха), плотность 0,0899 г/л при 0°C и 1 атм. В. кипит (сжижается) и плавится (затвердевает) соответственно при -252,6°C и -259,1°C (только гелий имеет более низкие температуры плавления и кипения). Критическая температура В. очень низка (-240°C), поэтому его сжижение сопряжено с большими трудностями; критическое давление 12,8 кгс/см2 (12,8 атм), критическая плотность 0,0312 г/см3. Из всех газов В. обладает наибольшей теплопроводностью, равной при 0°C и 1 атм 0,174 вт/(м-К), т. е. 4,16-0-4 кал/(с-см-°C). Удельная теплоёмкость В. при 0°C и 1 атм Ср 14,208-103 дж/(кг-К), т. е. 3,394 кал/(г-°C). В. мало растворим в воде (0,0182 мл/г при 20°C и 1 атм), но хорошо - во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1 объём Pd). С растворимостью В. в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия В. с углеродом (так называемая декарбонизация). Жидкий В. очень лёгок (плотность при -253°C 0,0708 г/см3) и текуч (вязкость при - 253°C 13,8 спуаз).

В большинстве соединений В. проявляет валентность (точнее, степень окисления) +1, подобно натрию и другим щелочным металлам; обычно он и рассматривается как аналог этих металлов, возглавляющий 1 гр. системы Менделеева. Однако в гидридах металлов ион В. заряжен отрицательно (степень окисления -1), т. е. гидрид Na+H- построен подобно хлориду Na+Cl-. Этот и некоторые другие факты (близость физических свойств В. и галогенов, способность галогенов замещать В. в органических соединениях) дают основание относить В. также и к VII группе периодической системы (подробнее см. Периодическая система элементов). При обычных условиях молекулярный В. сравнительно мало активен, непосредственно соединяясь лишь с наиболее активными из неметаллов (с фтором, а на свету и с хлором). Однако при нагревании он вступает в реакции со многими элементами. Атомарный В. обладает повышенной химической активностью по сравнению с молекулярным. С кислородом В. образует воду: H2 + 1/2O2 = H2O с выделением 285,937-103 дж/моль, т. е. 68,3174 ккал/моль тепла (при 25°C и 1 атм). При обычных температурах реакция протекает крайне медленно, выше 550°C - со взрывом. Пределы взрывоопасности водородо-кислородной смеси составляют (по объёму) от 4 до 94% H2, а водородо-воздушной смеси - от 4 до 74% H2 (смесь 2 объёмов H2 и 1 объёма О2 называется гремучим газом). В. используется для восстановления многих металлов, так как отнимает кислород у их окислов:

CuO +Н2 = Cu + H2O,
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O, и т.д.
С галогенами В. образует галогеноводороды, например:
H2 + Cl2 = 2HCl.

При этом с фтором В. взрывается (даже в темноте и при -252°C), с хлором и бромом реагирует лишь при освещении или нагревании, а с иодом только при нагревании. С азотом В. взаимодействует с образованием аммиака: 3H2 + N2 = 2NH3 лишь на катализаторе и при повышенных температурах и давлениях. При нагревании В. энергично реагирует с серой: H2 + S = H2S (сероводород), значительно труднее с селеном и теллуром. С чистым углеродом В. может реагировать без катализатора только при высоких температурах: 2H2 + С (аморфный) = CH4 (метан). В. непосредственно реагирует с некоторыми металлами (щелочными, щёлочноземельными и др.), образуя гидриды: H2 + 2Li = 2LiH. Важное практическое значение имеют реакции В. с окисью углерода, при которых образуются в зависимости от температуры, давления и катализатора различные органические соединения, например HCHO, CH3OH и др. (см. Углерода окись). Ненасыщенные углеводороды реагируют с В., переходя в насыщенные, например: CnH2n + H2 = CnH2n+2 (см. Гидрогенизация).