Водород - самый распространенный элемент во Вселенной. Однако даже у такого простого на вид вещества есть удивительные свойства, которые до сих пор изучают ученые.
Что такое валентность и как ее определить
Валентность - это способность атома отдавать, принимать или делить электроны при образовании химических связей. Численно валентность равна заряду иона, образующегося из атома в химических реакциях. Например, атом натрия Na отдает один электрон и превращается в ион Na+ с зарядом +1. Значит, валентность натрия равна 1.
Для определения валентности элемента используют правило:
- Записывают формулу химического соединения
- Определяют, к какому классу относится соединение (оксид, гидрид и т.д.)
- Ставят в соответствие элементу его валентность в зависимости от класса соединения
Например , по формуле оксида цинка ZnO находим, что валентность цинка равна 2, т.к. в оксидах она соответствует степени окисления.
Особенности строения атома водорода
В отличие от других химических элементов, атом водорода имеет только один электрон на внешнем энергетическом уровне. Этот единственный электрон легко отдается при взаимодействии с другими атомами, чтобы заполнить общий электронный слой. Поэтому водород проявляет в химических реакциях валентность, равную единице.
Такое строение обуславливает ряд важных свойств:
- Высокая химическая активность
- Образование простых по составу соединений (в основном, бинарных)
- Способность к ионизации с образованием протона Н+
«Водород олицетворяет 1⁄2 периодической системы», — Д.И. Менделеев
Взаимодействие атома водорода с другими атомами
Из-за наличия только одного валентного электрона, атом водорода может образовывать прочную химическую связь либо отдавать электрон другому атому, либо принимать электрон от другого атома с незаполненным электронным слоем.
| Тип связи | Пример соединения |
| Ковалентная полярная связь | HF (фтороводород) |
| Ионная связь | NaH (гидрид натрия) |
Для расчета валентности водорода в соединениях используют следующую формулу:
В(H) = (n(H) - z(M)) / n(H)
где В(H) - валентность водорода, n(H) - количество атомов H в молекуле, z(M) - заряд катиона металла M, n(M) - количество атомов металла.
Применение соединений водорода
Благодаря своим уникальным свойствам, водород и его соединения находят широкое применение в различных областях:
- Химическая промышленность - производство аммиака, метанола
- Металлургия - восстановление металлов из руд
- Энергетика - использование в топливных элементах
- Пищевая промышленность - гидрогенизация жиров, производство маргарина
Водород был открыт в 1766 году английским химиком Генри Кавендишем, который назвал его "горючим воздухом". Первые опыты по получению водорода проводились путем взаимодействия металлов с кислотами. В природе свободный водород практически не встречается, за исключением почему некоторых районов с выходами природного газа.
Почему валентность водорода принята за эталон?
Существует несколько причин, почему именно водород стал эталоном для сравнения при определении валентности:
- Простое строение атома водорода с единственным электроном на внешнем уровне
- Водород - самый распространенный элемент во Вселенной
- Удобство отсчета валентностей других элементов относительно значения для водорода, принятого за 1
| Элемент | Сложность строения атома | Распространенность | Валентность |
| Водород | Простое | Очень высокая | 1 |
| Углерод | Сложное | Высокая | 4 |
Таким образом, благодаря этим факторам, валентность водорода исторически принята за единицу - эталон, относительно которого сравнивается валентность остальных химических элементов.
Исследования валентных состояний водорода
Несмотря на кажущуюся простоту, водород до сих пор продолжает удивлять исследователей разнообразием валентных состояний.
В частности, современные научные эксперименты показали возможность существования необычных соединений водорода со следующими типами связей:
- Гидрид-ионная (валентность -1)
- Двухцентровая двухэлектронная (валентность 0,5)
- Трехцентровая двухэлектронная (валентность 0,67)
В будущем подобные открытия могут положить начало принципиально новым технологиям в за области водородной энергетики.
Значение изучения водорода для развития химии
Хотя водород относится к числу давно открытых и изученных элементов, интерес исследователей к этому удивительному веществу не ослабевает. О чем свидетельствуют слова великих химиков:
«Водород — это альфа и омега химии», — Юстус фон Либих
«Изучая свойства водорода, мы изучаем саму суть химии», — Уильям Рамзай
Благодаря простоте строения, водород позволил сформулировать законы химического сродства, стехиометрии, периодичности. А открытие изотопов водорода дало начало квантовой механике и ядерной физике.
Таким образом, это уникальный химический элемент, за изучение которого человечество получило огромный научный задел. И водород еще долго будет хранить немало загадок единицу.
Прогнозы развития водородной энергетики
Уникальные свойства водорода делают его идеальным экологически чистым топливом будущего. Уже сейчас разрабатываются технологии, основанные на использовании водорода:
- Топливные элементы для электромобилей
- Водородные электростанции
- Гибридные установки совместно с возобновляемой энергетикой
Однако помимо технических задач, предстоит решить проблему эффективного и безопасного хранения водорода. По прогнозам ученых к 2050 году доля водородной энергетики в мировом потреблении может достичь 20%.
Перспективы использования водорода в быту
Кроме промышленного применения, водород уже в обозримом будущем может стать частью нашей повседневной жизни. Вот лишь некоторые перспективные направления:
- Топливные элементы для домашней техники
- Водородное отопление частных домов
- Легковые автомобили с водородными двигателями
Разумеется, широкое внедрение бытовых устройств на водороде потребует создания развитой инфраструктуры по производству и транспортировке этого топлива. Вполне возможно, что через несколько десятилетий водород займет такое же место в нашей жизни, как газ или бензин сегодня.
Почему водород станет топливом будущего
Существует ряд объективных причин, почему именно водород станет одним из ключевых энергоносителей в обозримой перспективе:
- Практически неисчерпаемые ресурсы водорода (из воды)
- Экологическая чистота (не создает вредных выбросов)
- Высокая энергоемкость (в расчете на единицу массы)
А главное - технологии водородной энергетики интенсивно совершенствуются, а значит, вполне можно ожидать новых научных открытий, которые выведут ее на передовые позиции.
Споры в научном сообществе о водороде
Несмотря на многочисленные достоинства, водород как топливо будущего имеет и немало противников среди ученых. Основные контраргументы следующие:
- Высокая стоимость водородного топлива по сравнению с традиционными видами
- Трудности с хранением и транспортировкой водорода
- Нерешенные проблемы с обеспечением взрыво- и пожаробезопасности
Тем не менее, большинство экспертов сходится во мнении, что водород рано или поздно займет достойное место в мировом энергобалансе - вопрос лишь времени и технологий. И в этом плане водороду повезло, что его валентность была принята за единицу, поскольку это стимулировало более глубокое изучение свойств этого удивительного элемента на протяжении двухсот с лишним лет.
