Физические свойства водорода. Свойства и применение водорода
Гидроген Н – химический элемент, один из самых распространённых в нашей Вселенной. Масса водорода как элемента в составе веществ составляет 75 % от общего содержания атомов другого типа. Он входит в наиважнейшее и жизненно необходимое соединение на планете - воду. Отличительной особенностью водорода также является то, что он первый элемент в периодический системе химических элементов Д. И. Менделеева.
Открытие и исследование
Первые упоминания о водороде в трудах Парацельса датируются шестнадцатым веком. Но его выделение из газовой смеси воздуха и исследование горючих свойств были произведены уже в семнадцатом веке учёным Лемери. Досконально изучил гидроген английский химик, физик и естествоиспытатель Генри Кавендиш, который опытным путём доказал, что масса водорода наименьшая в сравнении с другими газами. В последующих этапах развития науки многие учёные работали с ним, в частности Лавуазье, назвавший его «рождающим воду».
Характеристика по положению в ПСХЭ
Элемент, открывающий периодическую таблицу Д. И. Менделеева, – это водород. Физические и химические свойства атома проявляют некую двойственность, так как гидроген одновременно относят к первой группе, главной подгруппе, если он ведёт себя как металл и отдаёт единственный электрон в процессе химической реакции, и к седьмой - в случае полного заполнения валентной оболочки, то есть приёме отрицательной частицы, что характеризует его как подобный галогенам.
Особенности электронного строения элемента
Свойства атома водорода, сложных веществ, в состав которых он входит, и самого простого вещества Н2 в первую очередь определяются электронной конфигурацией гидрогена. Частица имеет один электрон с Z= (-1), который вращается по своей орбите вокруг ядра, содержащего один протон с единичной массой и положительным зарядом (+1). Его электронная конфигурация записывается как 1s1, что означает наличие одной отрицательной частицы на самой первой и единственной для гидрогена s-орбитали.
При отрыве или отдаче электрона, а атом этого элемента имеет такое свойство, что роднит его с металлами, получается катион. По сути ион водорода – это положительная элементарная частица. Поэтому лишенный электрона гидроген называют попросту протоном.
Физические свойства
Если описывать физические свойства водорода кратко, то это бесцветный, малорастворимый газ с относительной атомной массой равной 2, в 14,5 раза легче, чем воздух, с температурой сжижения, составляющей -252,8 градуса Цельсия.
На опыте можно легко убедиться в том, что Н2 самый легкий. Для этого достаточно наполнить три шара различными веществами – водородом, углекислым газом, обычным воздухом - и одновременно выпустить их из руки. Быстрее всех достигнет земли тот, который наполнен СО2, после него опустится надутый воздушной смесью, а содержащий Н2 вовсе поднимется к потолку.
Маленькая масса и размер частиц водорода обосновывают его способность проникать через различные вещества. На примере того же шара в этом легко убедиться, через пару дней он сам сдуется, так как газ просто пройдёт через резину. Также водород может накапливаться в структуре некоторых металлов (палладий или платина), а при повышении температуры испаряться из неё.
Свойство малорастворимости водорода используют в лабораторной практике для его выделения способом вытеснения воды. Физические свойства водорода (таблица, изображенная ниже, содержит основные параметры) определяют сферы его применения и методы получения.
| Параметр атома или молекулы простого вещества | Значение |
| Атомная масса (молярная масса) | 1,008 г/моль |
| Электронная конфигурация | 1s1 |
| Кристаллическая решётка | Гексагональная |
| Теплопроводность | (300 K) 0,1815 Вт/(м·К) |
| Плотность при н. у. | 0,08987 г/л |
| Температура кипения | -252,76 °C |
| Удельная теплота сгорания | 120,9·106 Дж/кг |
| Температура плавления | -259,2 °C |
| Растворимость в воде | 18,8 мл/л |
Изотопный состав
Как и многие другие представители периодической системы химических элементов, гидроген имеет несколько природных изотопов, то есть атомов с одинаковым числом протонов в ядре, но различным числом нейтронов – частиц с нулевым зарядом и единичной массой. Примеры атомов, обладающих подобным свойством - кислород, углерод, хлор, бром и прочие, в том числе радиоактивные.
Физические свойства водорода 1Н, самого распространённого из представителей данной группы, значительно отличаются от таких же характеристик его собратьев. В частности, разнятся особенности веществ, в состав которых они входят. Так, существует обычная и дейтерированная вода, содержащая в своём составе вместо атома водорода с одним-единственным протоном дейтерий 2Н – его изотоп с двумя элементарными частицами: положительной и незаряженной. Этот изотоп в два раза тяжелее обычного гидрогена, что и объясняет кардинальное различие в свойствах соединений, которые они составляют. В природе дейтерий встречается в 3200 раз реже, чем водород. Третий представитель – тритий 3Н, в ядре он имеет два нейтрона и один протон.
Способы получения и выделения
Лабораторные и промышленные методы получения водорода весьма отличаются. Так, в малых количествах газ получают в основном с помощью реакций, в которых участвуют минеральные вещества, а крупномасштабные производства в большей степени используют органический синтез.
В лаборатории применяют следующие химические взаимодействия:
- Реакция щелочных и щелочноземельных металлов с водой с образованием щёлочи и искомого газа.
- Электролиз водного раствора электролита, на аноде выделяется Н2↑, а на катоде - кислород.
- Разложение гидридов щелочных металлов водой, продуктами являются щёлочь и, соответственно, газ Н2↑.
- Взаимодействие разбавленных кислот с металлами с образованием солей и Н2↑.
- Действие щелочей на кремний, алюминий и цинк также способствует выделению водорода параллельно с образованием комплексных солей.
В промышленных интересах газ получают такими методами, как:
- Термическое разложение метана в присутствии катализатора до составляющих его простых веществ (350 градусов достигает значение такого показателя, как температура) – водорода Н2↑ и углерода С.
- Пропускание парообразной воды через кокс при 1000 градусов Цельсия с образованием углекислого газа СО2 и Н2↑ (самый распространённый метод).
- Конверсия газообразного метана на никелевом катализаторе при температуре, достигающей 800 градусов.
- Водород является побочным продуктом при электролизе водных растворов хлоридов калия или натрия.
Химические взаимодействия: общие положения
Физические свойства водорода во многом объясняют его поведение в процессах реагирования с тем или иным соединением. Валентность гидрогена равняется 1, так как он в таблице Менделеева расположен в первой группе, а степень окисления проявляет различную. Во всех соединениях, кроме гидридов, водород в с.о.= (1+), в молекулах типа ХН, ХН2, ХН3 – (1-).
Молекула газа водорода, образованная посредством создания обобщенной электронной пары, состоит из двух атомов и довольно устойчива энергетически, именно поэтому при нормальных условиях несколько инертна и в реакции вступает при изменении нормальных условий. В зависимости от степени окисления водорода в составе прочих веществ, он может выступать как в качестве окислителя, так и восстановителя.
Вещества, с которыми реагирует и которые образует водород
Элементные взаимодействия с образованием сложных веществ (часто при повышенных температурах):
- Щелочной и щелочноземельный металл + водород = гидрид.
- Галоген + Н2 = галогеноводород.
- Сера + водород = сероводород.
- Кислород + Н2 = вода.
- Углерод + водород = метан.
- Азот + Н2 = аммиак.
Взаимодействие со сложными веществами:
- Получение синтез-газа из монооксида углерода и водорода.
- Восстановление металлов из их оксидов с помощью Н2.
- Насыщение водородом непредельных алифатических углеводородов.
Водородная связь
Физические свойства водорода таковы, что позволяют ему, находясь в соединении с электроотрицательным элементом, образовывать особый тип связи с таким же атомом из соседних молекул, имеющих неподелённые электронные пары (например, кислородом, азотом и фтором). Ярчайший пример, на котором лучше рассмотреть подобное явление, – это вода. Она, можно сказать, прошита водородными связями, которые слабее ковалентных или ионных, но за счёт того, что их много, оказывают значительное влияние на свойства вещества. По сути, водородная связь – это электростатическое взаимодействие, которое связывает молекулы воды в димеры и полимеры, обосновывая её высокую температуру кипения.
Гидроген в составе минеральных соединений
В состав всех неорганических кислот входит протон – катион такого атома, как водород. Вещество, кислотный остаток которого имеет степень окисления больше (-1), называется многоосновным соединением. В нём присутствует несколько атомов водорода, что делает диссоциацию в водных растворах многоступенчатой. Каждый последующий протон отрывается от остатка кислоты всё труднее. По количественному содержанию водородов в среде определяется его кислотность.
Водород содержат и гидроксильные группы оснований. В них водород соединён с атомом кислорода, в результате степень окисления этого остатка щёлочи всегда равна (-1). По содержанию гидроксилов в среде определяется её основность.
Применение в деятельности человека
Баллоны с веществом, так же как и емкости с другими сжиженными газами, например кислородом, имеют специфический внешний вид. Они выкрашены в темновато-зелёный цвет с ярко-красной надписью «Водород». Газ закачивают в баллон под давлением порядка 150 атмосфер. Физические свойства водорода, в частности легкость газообразного агрегатного состояния, используют для наполнения им в смеси с гелием аэростатов, шаров-зондов и т.д.
Водород, физические и химические свойства которого люди научились использовать много лет назад, на сегодняшний момент задействован во многих отраслях промышленности. Основная его масса идёт на производство аммиака. Также водород участвует в получении металлов (гафния, германия, галлия, кремния, молибдена, вольфрама, циркония и прочих) из окислов, выступая в реакции в качестве восстановителя, синильной и соляной кислот, метилового спирта, а также искусственного жидкого топлива. Пищевая промышленность использует его для превращения растительных масел в твёрдые жиры.
Определили химические свойства и применение водорода в различных процессах гидрогенизации и гидрирования жиров, углей, углеводородов, масел и мазута. С помощью него производят драгоценные камни, лампы накаливания, проводят ковку и сварку металлических изделий под воздействием кислородно-водородного пламени.