В периодической таблице Менделеева под номером 1 расположен самый часто встречающийся элемент во Вселенной — водород. Его распространение, в процентном соотношении, приближается к 75%. Самое низкое его содержание отмечено в слоях атмосферы – 0,0001%. В коре Земли содержится 1% газа по массе. Наибольшее его количество отмечается в воде: 12%. На нашей планете это третий по распространению химический элемент.
Описание элемента
Молекула водорода, формула которого Н-Н или Н2, наделена физическими и химическими свойствами.
Водород является газом, который не наделен ни цветом, ни запахом. Расположение водорода в таблице на 1 месте обусловлено тем, что в различных условиях этот элемент может проявлять себя как металл или как газ. На его внешней орбитали расположен 1 электрон, который водород может отдавать (металлические свойства) или же принимать еще один (качества газа).
Диаметр водородной молекулы равняется 27 нм.
Диаметр атома водорода равен 1А, радиус – 0, 41 А.
Свойства
К физическим относятся следующие:
- Температура кипения – 256оС.
- Температура плавления -259,2оС.
- Масса по воздуху (D) — 0,069.
- Водород плохо растворим в воде.
Химические свойства таковы:
- Неполярная связь между частицами молекулы обладает энергией в 436 кДж/моль.
- Температура тепловой диссоциации равна 2000оС.
- Реагирует с:
- галогенами;
- кислородом;
- серой;
- азотом;
- оксидом азота;
- активными металлами.
В условиях природы, водород встречается как в естественном виде, так и в форме изотопов: протий, дейтерий и тритий.
Строение молекулы
Молекула элемента имеет простое строение. Состав молекулы водорода представлен двумя атомами, которые, сближаясь, образуют ковалентную неполярную связь, а также одну электронную пару. Строение одного атома представляет: 1 положительно заряженное ядро, вокруг которого передвигается 1 отрицательно заряженный электрон. Этот электрон располагается на 1s орбитали.
Н - 1е = Н+ этот ион водорода является положительным.
Это выражение указывает на то, что водород обладает схожими параметрами с элементами 1 группы в периодической системе, которые являются щелочными металлами (литий, натрий, калий), отдающими свой единственный электрон на внешней орбитали.
Н + 1е = Н– ион водорода отрицательный.
Это уравнение показывает, что водород является родственным с аналогичными элементами из 7-й группы, которые являются газом и способны принимать недостающие электроны на свой внешний электронный уровень. К таким газам относятся: фтор, хлор, бром и т. д.
Состав молекулы водорода графически представлена далее.
Расстояние между водородными атомами r=0,74 А, в то время, как сумма орбитальных радиусов составляет 1,06 А. Это влияет на глубину перекрывания электронных облаков и на прочную, устойчивую водородную связь.
Атом водорода является самым элементарным атомом в природе. Размер атомного протона равен 10,5 А, а диаметр одного атома равен 0,1 нм.
Молекулы изотопов имеют особое строение. Атомное ядро протия состоит из одного лишь протона. Обозначается изотоп: 1Н.
Ядерное строение выглядит как комплекс из протона и нейтрона (2Н).
3Н — тритий — в своем атомном строении наделен ядром с 1 протоном и двумя нейтронами.
Масса
В науке существуют формулы, вычисляющие, чему равна масса молекулы водорода. По отношению к элементу, определяют молекулярную и атомную массы.
Молярная масса молекулы водорода вычисляется по общей формуле:
M = m / n, где m — это масса вещества, n — его количество.
Масса атома равна 1,008 а.е.м. Следовательно, относительная масса молекулы будет также равна 1,008. Поскольку молекула водорода состоит из двух атомов, то относительный атомный вес равен 2,016 а. е. м. Масса молекулы водорода выражается в граммах на моль (г/моль).
Значение в природе
Наиболее значимым в природе веществом, которое образует водород в комплексе с кислородом, является вода. Вода – источник жизни, поэтому водород – это жизненно необходимый элемент.
Из 100% всех химических элементов, которые составляют организменную среду, 1/10 часть, или 10%, приходится на водород. Помимо воды, он способен поддерживать четвертичную белковую структуру, что является возможным, благодаря водородной связи.
Принцип комплементарности нуклеиновых кислот также происходит с действием водородной молекулы. В растительной клетке Н принимает участие в процессе фотосинтеза, биосинтеза, в переносе энергии по мембранным каналам.
Применение
В химической промышленности водород достаточно широко применим. Его добавляют при изготовлении пластмассовых изделий, в мыловарении, а также при аммиачном и ментоловом производстве.
Пищевая промышленность: при выработке продуктов питания, водород добавляют в качестве пищевой добавки Е949. Такой компонент можно увидеть на упаковке маргарина, растительных масел. Добавка Е949 разрешена пищевой промышленностью РФ.
Водород некогда был задействован и в промышленности воздухоплавания, поскольку вещество легче воздуха. Так, в 30-е годы прошлого века этим вида газа наполняли воздушные шары и дирижабли. Несмотря на его дешевизну и удобство использования, водород вскоре прекратили использовать в качестве наполнителя, поскольку участились случаи взрывов летательных аппаратов.
В наши дни газ применяют, как топливо, используемое в космической промышленности. Однако рассматриваются методы применения его для работы двигателей легковых и грузовых автомобилей, поскольку элемент при сгорании не выделяет в атмосферу вредных примесей, а, значит, является экологически чистым.
Неотъемлемым компонентом изотопы водорода выступают в составе многих медикаментозных средств. Дейтерий применяют в фармакологических исследованиях, для определения поведения и воздействия лекарственного препарата в организме. Тритий используется в радиодиагностике, как элемент, определяющий биохимические реакции метаболизма ферментов. Водород входит в состав перекиси, которая является дезинфицирующим средством.
