Общая характеристика водорода как элемента

Химический знак – Н

Относительная атомная масса – 1,008

В соединениях водород одновалентен, степень окисления в соединениях с неметаллами равна +1, в соединениях с металлами равна –1.

Водород как вещество

Химическая формула – Н 2

Относительная молекулярная масса – 2,016

Способы получения водорода:

В лабораторных условиях водород получают несколькими способами:

· Действием кислот (серной, соляной) на некоторые металлы, в частности на цинк и железо;

· Действием раствора щелочи на металлический алюминий;

· Вытеснением активными металлами (Na, Ca и др.) из воды.

В промышленности основным видом сырья для получения водорода являются природные и нефтезаводские газы. В СССР водород получали в небольших масштабах методом неполного окисления метана при температуре 850 - 900°С в присутствии катализатора – никеля, нанесенного на оксид алюминия:

2CH 4 + O 2 → 2CO + 4H 2 + 71,4 кдж

Отделить водород от оксида углерода (II) можно путем его окисления водяным паром при температуре 200 – 250°С и в присутствии катализатора:

CO + H 2 O ↔ H 2 + CO 2 + 42 кдж

В местах с дешевой электрической энергией водород получают электролизом воды, к которой для увеличения ее электропроводности прибавляют какой-либо электролит, обычно щелочь или кислоту.

Физические свойства водорода:

• Неметалл
• Бесцветный, легкий (в 14,5 раз легче воздуха), трудно сжижаемый газ
• Очень мало растворяется в воде, лучше – в органических растворителях
• Наибольшая среди газообразных веществ скорость диффузии – молекулы водорода быстрее любых иных распространяются в среде другого вещества
• Температура плавления равна -259,2°С, температура кипения равна -252,9°С.

Химические свойства водорода:

При комнатной температуре водород мало активен и реагирует только с фтором, а на свету – с хлором. В смесях с кислородом и воздухом водород при содержании более 4,5% образует взрывчатые смеси («гремучий газ»). Взрыв может произойти даже от маленькой искры.

1. Водород соединяется с кислородом

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

2. Водород реагирует с оксидами некоторых металлов (при нагревании)

H 2 + CuO → H 2 O + Cu

3. Водород соединяется с некоторыми неметаллами и активными металлами

H 2 + Cl 2 → 2HCl

H 2 + S → H 2 S

H 2 + 2Na → 2NaH

Применение водорода:

Большое количество водорода используется для синтеза аммиака, который, в свою очередь, применяется для производства удобрений, азотной кислоты и как рабочее вещество холодильных машин. Много водорода расходуют на такие важные химические производства, как получение синтетической соляной кислоты, превращение жидких растительных жиров в твердые, преобразования низкосортных углей в жидкое топливо, получение метилового спирта из оксида углерода (II) и т.д. В металлургии его используют для получения таких металлов, как молибден и вольфрам восстановлением их оксидов.

Источники

1. Барков, С. А. Галогены и подгруппа марганца. Элементы VII группы периодической системы Д. И. Менделеева. Пособие для учащихся / С. А. Барков // М.: Просвещение, 1976.

2. Кузнецова, Н. Е. Химия: 8 класс. Учебник для учащихся общеобразовательных учреждений / Н. Е. Кузнецова, И. М. Титова, Н. Н. Гара, А. Ю. Жегин // М.: Вентана-Граф, 2008.

3. Леенсон, И. А. Путеводитель по химическим элементам. Из чего состоит Вселенная? / И. А. Леенсон // М.: АСТ, 2014. – 168 с.: ил.

4. Лидин, Р. А. Химические свойства неорганических веществ / Р. А. Лидин, В. А. Молочко, Л. Л. Андреева // М.: Химия, 2000.

5. Рудзитис, Г. Е. Химия. Учебное пособие для 7 – 11 классов вечерней (сменной) общеобразовательной школы. Часть 1 // Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман // М.: Просвещение, 1985.

Вода из огня! Это кажется невероятным, но это факт. И этот факт впервые установил (1781-1782) английский ученый Генри Кэвендиш . Он сжег в закрытом сосуде бесцветный, без вкуса и запаха газ, который в те времена называли "горючим воздухом", и обнаружил, что продуктом горения была вода. Вначале Кэвендиш не поверил полученному результату, но, проделав ряд точных опытов по сжиганию "горючего воздуха", он убедился, что продуктом горения была только вода, "которая не имела ни вкуса, ни запаха и при испарении досуха не оставляла ни малейшего заметного осадка".

Следует отметить, что еще до Кэвендиша выдающийся английский естествоиспытатель Д. Пристли наблюдал появление влаги при горении и взрыве смеси "горючего воздуха", но... не обратил на это должного внимания.

Несмотря на то, что "горючий воздух" был известен еще средневековому немецкому врачу и естествоиспытателю Парацельсу (XVI в.), а знаменитый английский химик, физик и философ Роберт Бойль в 1660 г. сумел не только получить "горючий воздух" из серной кислоты и железа, но и собрать его в сосуд, чего не умели делать до него, простая (элементарная) природа этого газа была установлена только в 1783 г.

В этом году французский ученый Антуан Лоран Лавуазье, желая проверить опыты Кэвендиша , провел точные исследования по изучению продукта горения "горючего воздуха". Они подтвердили опыты Кэвендиша - продуктом горения "горючего воздуха" была только вода. Это доказал Лавуазье не только путем сжигания "горючего воздуха", но и разлагая продукты его горения. Правда, поводом к анализу воды послужило отыскание дешевого способа получения водорода, предпринятое Лавуазье по заданию французской Академии наук в связи с начавшимся развитием воздухоплавания.

За способность производить воду "горючий воздух" стали впоследствии называть водородом. Научное название водорода - "хидрогениум " происходит от греческих слов "хидор " - вода и "генао " - рождаю, произвожу. Таким образом, в названии водорода отражено его основное свойство - способность при горении образовывать воду.

Атомы водорода имеют наименьший вес среди всех атомов других химических элементов, и поэтому водород занимает первое место в периодической системе Д. И. Менделеева.

Водород - один из наиболее распространенных элементов природы, он всюду обнаружен во Вселенной - на Солнце, звездах, в туманностях, в мировом пространстве. На Земле основная масса водорода находится в связанном состоянии в виде различных соединений, главным образом на поверхности земли в виде воды. Общее количество водорода в земной коре достигает 1% от веса земной коры.

В межзвездном пространстве атомы водорода встречаются в несколько сот раз чаще, чем атомы всех остальных элементов, вместе взятых. Водород преобладает над другими элементами в атмосферах звезд и является главной составной частью солнечной атмосферы.

Значение водорода во Вселенной исключительно велико, он играет особую роль, являясь "космическим топливом", дающим энергию звездам, а в их числе и Солнцу.

В недрах Солнца, где температура достигает 20 миллионов градусов и вещество находится под давлением восьми миллиардов атмосфер, атомы водорода теряют электроны и ядра таких атомов (протоны) приобретают скорости, при которых протекают ядерные реакции. Ядерные реакции, происходящие при очень высокой температуре, называются термоядерными. Термоядерная реакция, при которой из 4-х ядер водорода образуется ядро нового химического элемента - гелия , и является источником солнечной энергии.

Образование гелия из водорода, как показал немецкий ученый Бете, происходит на Солнце значительно сложнее, но конечный итог реакции дает тот же результат: вместо 4-х ядер водорода появляется ядро гелия . Энергия, освобождающаяся при этой реакции, обеспечивает излучение того огромного количества тепла и света, которое дает Солнце в течение уже многих миллиардов лет. Чтобы представить себе количество энергии, излучаемой Солнцем, достаточно сказать, что для выработки такой энергии понадобилось бы 180000000 миллиардов электростанций, обладающих мощностью Волжской ГЭС.

Водород в свободном состоянии встречается на земле в вулканических газах; небольшое количество водорода выделяется растениями. В атмосфере, даже в верхних ее слоях, водород содержится в незначительных количествах, не превышающих 0,00005% по объему.

В чистом виде водород представляет собой газ в 14,45 раз легче воздуха, не имеющий цвета, запаха и вкуса. Не ядовит. Водород диффундирует и эффундирует быстрее всех других газов и лучше всех их проводит тепло (теплопроводность водорода в 7 раз больше чем у воздуха).

В природе водород встречается в виде трех изотопов: обычный водород, тяжелый и сверхтяжелый водород. Тяжелый водород содержится в обычном водороде в небольших количествах. На 5 тыс. атомов обычного водорода приходится 1 атом тяжелого. От греческого слова "деутерос ", что значит второй, тяжелый водород, как второй изотоп водорода, называется дейтерием. По аналогии с протоном ядро этого атома получило название дейтон ; часто его называют дейтерон .

Обозначают дейтерий или латинской буквой D, или сохраняют химическое обозначение водорода и, указывая цифрой 2 его массовое число, пишут Н 2 .

Дейтерий отличается от обычного водорода строением ядра. Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона, поэтому масса атома дейтерия в 2 раза больше массы атома обычного водорода. Такое резкое расхождение в массах изотопов одного и того же химического элемента является единственным случаем среди известных изотопов различных элементов. Обычный водород, атомы которого являются простейшими (состоят из одного протона и одного электрона), от слова "протос " - простой - называется иногда протием.

Вода, в которой протий заменен дейтерием, называется тяжелой. Она отличается от обычной своими свойствами. Так, тяжелая вода замерзает не при 0° С , как обычная, а при +3,8° С, кипит не при 100° С, а при 101,4° С, имеет большую плотность (1,1056), чем обычная; в тяжелой воде невозможна жизнь. В обычной воде всегда содержится примесь тяжелой . Количество ее невелико и составляет 0,02% от общей массы. Однако собранная со всего земного шара, она могла бы наполнить водоем, равный по величине объему Черного моря.

Тяжелая вода используется при получении атомной энергии в ядерных реакторах в качестве вещества, замедляющего нейтроны.

Получение тяжелой воды в чистом виде - длительный и дорогой процесс, основанный на электролизе (разложении электрическим током) воды, при котором в первую очередь разлагаются молекулы "обыкновенной" воды, тогда как тяжелая накапливается в остатке. В Западной Европе производство тяжелой воды в промышленном масштабе было впервые осуществлено немцами в годы второй мировой войны на территории оккупированной Норвегии, располагавшей дешевой энергией гидроэлектростанций. Тяжелая вода предназначалась для создания нового вида оружия (атомной бомбы), на которое командование фашистских армий возлагало последние надежды. 28 февраля 1943 г. норвежские патриоты совместно с английскими парашютистами взорвали цех тяжелой воды. Начавшиеся вслед за этим налеты на завод английской авиации вынудили фашистское командование перевезти оборудование и накопленный запас воды в Германию. Норвежские бойцы из армии сопротивления 20 февраля 1945 г. взорвали пароход уничтожив вместе с оборудованием и 16 куб. м тяжелой воды.

Известен и третий "сверхтяжелый" изотоп. Тритий - называют этот изотоп от латинского слова "тритиум " - третий. Он может быть получен искусственным путем в результате ядерных реакций, например, при "стрельбе" нейтронами в атомы легкого металла лития . В ядрах атомов трития имеется два нейтрона и один протон. В природе распространенность трития ничтожно мала. Один атом трития приходится на миллиард миллиардов атомов обычного водорода. Тритий является радиоактивным изотопом водорода. Он излучает бета-частицы и превращается в изотоп гелия с атомным весом 3. Период полураспада трития около 12,5 лет.

Группа итальянских физиков, изучив несколько тысяч снимков ядерных реакций, обнаружила четвертого "брата" в семействе атомов водорода (его атомный вес равен 4). Насколько трудной была задача обнаружения "сверхтяжелейшего " водорода, говорит время его существования, равное 0,00000000001 доли секунды.

Кроме обычных молекул водорода, состоящих из двух атомов, предполагается возможность получения трехатомной молекулы - гизония . Не исключено, что гизоний столь же недолговечен, как и "сверхтяжелейший " водород.

Практическое применение водорода разнообразно. Являясь наилегчайшим газом, он используется для наполнения оболочек воздушных шаров, метеорологических зондов, стратостатов и других воздухоплавательных аппаратов. История воздухоплавания, начиная с воздушного шара в 18 куб. м, созданного французским физиком Шарлем, до гигантских управляемых дирижаблей германского конструктора Цеппелина, неразрывно связана с водородом. Однако горючесть водорода при легкой его воспламеняемости от случайных и трудно устранимых причин (грозовые разряды, искры при электризации трением и др.) ограничивала возможности его использования в воздухоплавании.

С ясного и безоблачного неба в самых неожиданных местах на территории США в годы второй мировой войны падали бомбы раздавались взрывы, пылали пожары. Но об этих таинственных налетах, без сигналов тревоги и вражеских самолетов в воздухе, хранила молчание даже падкая на сенсации американская печать. Лишь несколько лет назад было сообщено, что эти таинственные бомбардировки осуществлялись воздушными шарами, запущенными с японских островов. Таких шаров было запущено более тысячи.

В химической промышленности водород служит исходным материалом для получения различных веществ (аммиака, твердых жиров и т. д.). Высокая температура горения водорода (до 2500°С) в кислороде используется с помощью специальных горелок для плавления кварца, тугоплавких металлов, разрезания стальных плит и т. д.

Весьма заманчива своей дешевизной идея двигателя внутреннего сгорания, использующего в качестве топлива водород. Такой мотор, потребляя водород и воздух, выбрасывает в качестве продукта сгорания воду.

Для получения водорода в качестве топлива нужна только...в ода. Запасы воды - основного "сырья" для получения водорода - на земном шаре буквально неисчерпаемы и составляют 2 миллиарда миллиардов тонн. Так же неисчерпаема и энергия текучей веды крупных рек, которая, превращаясь на электростанциях в энергию электричества, может служить для получения водорода из воды разложением ее электрическим током.

Успехи атомной физики и химии открыли путь к возможности использования в практических целях изотопов водорода. К сожалению, эти возможности в первую очередь были использованы для целей военного характера, для создания водородной бомбы.

В водородной бомбе используется энергия термоядерной реакции (между дейтерием и тритием), ведущей к образованию гелия и выделению нейтронов. Чтобы между изотопами водорода началась реакция, надо нагреть их до сверхвысоких температур порядка не менее 10 млн. градусов. Такая температура возникает при взрыве атомной бомбы, которая играет роль запала в водородной бомбе.

Водородная бомба превосходит по своей силе атомную . Дело в том, что в атомной бомбе количество атомного взрывчатого материала ограничено и не может превышать определенной так называемой критической массы; в водородной бомбе количество взрывчатого вещества (смесь изотопов водорода) не ограничено.

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.

3. Почему водород, в отличие от всех других элементов, записывают в Периодической таблице Д.И. Менделеева дважды? Докажите правомочность двойственного положения водорода в Периодической системе, сравнив строение и свойства его атома, простого вещества и соединений с соответствующими формами существования других элементов - щелочных металлов и галогенов.

Водород можно записать в первую группу, т.к. его атом имеет на внешней оболочке 1 электрон, как и щелочные металлы, но также ему не хватает до завершения внешнего электронного слоя одного электрона, как и галогенам, поэтому его можно записать в седьмую группу. Водород при обычных условиях образует как и галогены двухатомную молекулу простого вещества с одинарной связью - газа, как фтор или хлор. Водород, как и галогены, соединяется с металлами, образуя нелетучие гидриды. Однако как и щелочные металлы водород может проявлять валентность только равную I, а галогены, как правило, образуют множество соединений, проявляя различную валентность.

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.