Користувач:Мирослав ц
Водень Вóдень або гідроге́н (хімічний символ — H, лат. Hydrogenium) — хімічний елемент з атомним номером 1, який належить до 1-ої групи (за старою класифікацією — головної підгрупи 1-ої групи), 1-го періоду періодичної системи хімічних елементів, та є першим і найпростішим представником усіх хімічних елементів взагалі. Відноситься до неметалів. Також, вóдень (H2) — проста речовина, яку утворює хімічний елемент водень (гідроген) — (за нормальних умов) дуже легкий (найлегший), двоатомний газ без запаху, кольору та смаку. Водень погано розчиняється у воді та інших розчинниках (спирт, гексан), добре в багатьох металах, найкраще в паладії (в одному об'ємі паладію розчиняється вісім об'ємів водню). Гідроген входить майже до всіх природних сполук, найважливіша з яких — вода. Сполуки з неметалами та металами називаються гідридами. Суміш водню з киснем (гримучий газ) вибухонебезпечна. Водень є відновником. Сировина для промислового отримання водню — гази нафтопереробки, гази природні, продукти газифікації вугілля та вода. Основний лабораторний спосіб отримання водню — взаємодія цинку та соляної кислоти в апараті Кіпа. Водень застосовують для синтезу аміаку, метилового спирту, в процесах гідрогенізації, при зварюванні і різанні металів тощо. Водень — перспективне газоподібне пальне. Дейтерій і тритій знайшли застосування в атомній енергетиці. Три ізотопи гідрогену мають власні назви: 1H — протій (Н), 2H — дейтерій (D) і 3H — тритій (T).
Історія
Виділення горючого газу при взаємодії кислот та металів спостерігали у XVI та XVII століттях на початку становлення хімії як науки, такі вченні як наприклад Парацельс чи Роберт Бойль. У своїй дисертації «О металлическом блеске» Михайло Ломоносов описав отримання воднів в результаті дії кислот на залізо та інші метали, і першим (1745) висунув гіпотезу про те, що водень являє собою флогістон. У 1766 році і відомий англійський фізик та хімік Генрі Кавендіш, який докладним чином вивчив властивості водню, висунув подібну ж гіпотезу. Досліджуючи як при спаленні водень давав воду він називав його «горючим повітрям», отриманим з «металів», і вважав, як і всі флогістики, що при розчиненні в кислотах метал втрачає свій флогістон. І тому дотримання Кавендішом теорії флогістону і завадило йому зробити правильні висновки. Французький хімік Антуан Лавуазьє разом із інженером Жаном Меньє, використовуючи спеціальні газометри, у 1783 році здійснили синтез води, а згодом її аналіз, розклавши водяну пару розжареним залізом. Таким чином вони встановили, що водень входить до складу води (H2O) та може бути отриманий із неї. Ізотопи водню були відкриті в 30-x роках XX століття і швидко набули великого значення в науці і техніці. Наприкінці 1931 Юрі Брекуедд і Мерфі досліджували залишок після тривалого випарювання рідкого водню і виявили в ньому важкий водень 2Н з атомною масою 2. Цей ізотоп назвали дейтерієм (Deuterium, D) від грец. — другий. Через чотири роки у воді, підданої тривалому електролізу, був виявлений ще більш важкий ізотоп водню 3Н, який назвали тритієм (Tritium, Т), від грец. — Третій. Лавуазьє дав назву «hydrogene» (від грец. ὕδωρ — вода та γενναω — народжую) — «той, що народжує воду». в 1801 році послідовник А. Л. Лавуазьє академік В. М. Севергін називав його «водотворна речовина», він писав: «Водотворна речовина в з'єднанні з киснетворною складають воду. Це можна довести, як через розкладання, так і через складання». Традиційна українська назва хімічного елементу «водень» також вказує на входження його до складу води. Назва «гідроген» рекомендовано IUPAC. Російська назва «водород» — дослівний переклад латинської назви hydrogenium.
Поширення
NGC 604, гігантська область іонізованого водню в Галактиці Трикутника Водень — найпоширеніший хімічний елемент у Всесвіті. На його частку припадає близько 88,6 % всіх атомів (близько 11,3 % складають атоми гелію, частка всіх інших разом узятих елементів — приблизно 0,1 %). Таким чином, водень — основна складова частина зірок та міжзоряного газу. В умовах зоряних температур (наприклад, температура поверхні Сонця ~ 6000 ° C) водень існує у вигляді плазми, в міжзоряному просторі цей елемент існує у вигляді окремих молекул, атомів та іонів і може утворювати молекулярні хмари, які значно різняться між собою за розмірами, щільністю і температурою. У земній корі Гідрогену міститься біля 1 % за масою — це десятий за поширеністю елемент. Однак його роль в природі визначається не масою, а числом атомів, частка яких серед інших елементів становить 17,25 % (друге місце після кисню, частка атомів якого дорівнює ~ 52 %). Тому значення водню в хімічних процесах, що відбуваються на Землі, майже таке велике, як і кисню. На відміну від кисню, існуючого на Землі і в зв'язаному, і у вільному станах, практично весь водень на Землі знаходиться у вигляді сполук; лише в дуже незначній кількості водень у вигляді простої речовини міститься в атмосфері. Відносний вміст водню в атмосфері збільшується з висотою. На рівні моря він становить 0,00005 % за об'ємом, верхні ж шари (вище 100 км) складаються в основному з нього. Вільний водень міститься в горючих газах, що виділяються із землі. Він виникає при гнитті і бродінні органічних речовин і тому міститься в кишкових газах людини і тварин. Основна маса Гідрогену знаходиться в зв‘язаному стані у вигляді різноманітних сполук. Найпоширенішими з них є вода, до складу якої входить 11,19 % Гідрогену. Відома велика кількість сполук Гідрогену з вуглецем (вуглеводні). Гідроген входить до складу нафти, кам‘яного вугілля, деяких мінералів. Водень входить до складу практично всіх органічних речовин і присутній у всіх живих клітинах. У живих клітинах за кількістю атомів на водень припадає майже 63 %. На Землі вміст водню знижений в порівнянні з Сонцем, планетами-гігантами і первинними метеоритами, з чого випливає, що під час утворення Земля була значно дегазована: основна маса водню, як і інших летючих елементів, покинула планету під час акреції або незабаром після неї. Однак точний вміст даного газу в складі геосфер нашої планети (виключаючи земну кору) — астеносфери, мантії, ядра Землі — невідомо. Вільний водень H2 відносно рідко зустрічається в земних газах, але у вигляді води він приймає виключно важливу участь в геохімічних процесах. Відомо вміст водню в складі вулканічних газів, витікання деяких кількостей водню вздовж розломів в зонах рифтогенезу, виділення цього газу в деяких вугільних родовищах. До складу мінералів водень може входити у вигляді іона амонію, гідроксил-іона і води. В атмосфері молекулярний водень безперервно утворюється в результаті розкладання формальдегіду, що утворюється в ланцюжку окислення метану або іншої органіки, сонячним випромінюванням (31-67 Тгр/рік), неповного згоряння різних палив і біомас (по 5-25 Тгр/рік), в процесі фіксації азоту мікроорганізмами з повітря (3-22 Тгр/рік).. Маючи малу масу, молекули водню володіють високою швидкістю дифузійного руху (вона близька до другої космічної швидкості) і, потрапляючи у верхні шари атмосфери, можуть полетіти в космічний простір (див. планетарний вітер). Обсяги втрат оцінюються в 3 кг в секунду.
Фізичні властивості
Емісійний спектр випромінювання атомів водню на фоні суцільного спектру у видимій області. Емісійний спектр атомів водню. Чотири видимі оком спектральні лінії серії Бальмера. Водень — найлегший газ, він легший за повітря в 14,5 разів. Тому, наприклад, мильні бульбашки, наповнені воднем, на повітрі здіймаються вгору. Очевидно, що чим менше маса молекул, тим вище їх швидкість при одній і тій же температурі. Як найлегші, молекули водню рухаються швидше молекул будь-якого іншого газу і тим самим швидше можуть передавати теплоту від одного тіла до іншого. Звідси випливає, що водень має найвищу теплопровідність серед газоподібних речовин. Його теплопровідність приблизно в сім разів вище теплопровідності повітря. Молекула водню складається з двох атомів Гідрогену — Н2. За нормальних умов, водень — це газ без кольору, запаху і смаку з густиною 0,08987 г/л (н.у.), температурою кипіння −252,76 °C, теплота згорянна 120,9 Дж/кг. Водень малорозчинний у воді — 18,8 мл/л. Але він добре розчиняється у багатьох металах (Ni, Pt, Pd тощо), особливо в паладії (850 об'ємів на 1 об'єм Pd). З розчинністю водню в металах пов'язана його здатність дифундувати через них; дифузія через вуглецевий сплав (наприклад, сталь) іноді супроводжується руйнуванням сплаву внаслідок взаємодії водню з вуглецем (так звана декарбонізація). Практично не розчинний в сріблі. Фазова діаграма водню Рідкий водень існує в дуже вузькому інтервалі температур від −252,76 до −259,2 °C. Це безбарвна рідина, дуже легка (густина при −253 °C — 0,0708 г/см³) і текуча (в'язкість при −253 °C — 13,8 пуаз). Критичні параметри водню дуже низькі: температура −240,2 °C і тиск 12,8 атм. Цим пояснюються труднощі при зрідженні водню. У рідкому стані рівноважний водень складається з 99,79 % пара-Н2, 0,21 % орто-Н2. Твердий водень має температуру плавлення −259,2 °C, густину 0,0807 г/см³ (при −262 °C) — білосніжна маса з кристалами гексагональної сингонії, просторова група — P6/mmc, з параметри комірки a = 0,378 нм і c = 0,6167 нм. У 1935 році Уінгер і Хунтінгтон висловили припущення про те, що при тиску понад 250 тисяч атм водень може перейти в металевий стан. Отримання цієї речовини в стійкому стані відкривало дуже привабливі перспективи його застосування — адже це був би надлегкий метал, компонент легкого і енергоємного ракетного палива. На данний момент (у 2014) встановлено, що за тиску порядку 1,5-2,0 млн атм водень починає поглинати інфрачервоне випромінювання, а це означає, що електронні оболонки молекул водню поляризуються. Можливо, при ще більш високих тисках водень перетвориться в метал. Схематичне зображення спінових ізомерів водню Молекулярний водень існує в двох спінових формах (модифікаціях) — у вигляді орто- і параводню. У молекулі ортоводню o-H2 (температура плавлення −259,10 °C, температура кипіння −252,56 °C) ядерні спіни спрямовані однаково (паралельні), а у параводню п-H2 (температура плавлення −259,32 °C, температура кипіння −252,89 °C) — протилежно один одному (антипаралельно). Рівноважна суміш o-H2 і п-H2 при заданій температурі називається рівноважний водень e-H2. орто-H2 ⇆ пара-H2 ΔH 0R = −0,08 кДж/мольПерехід з одної у другу форму відбувається відповідно при зміні енергії у системі (відводі чи додаванні). Рівноважна мольна концентрація пара-водню Розділити алотропні модифікації водню можна адсорбцією на активованому вугіллі при температурі рідкого азоту. При дуже низьких температурах рівноваги між ортоводнем і параводнем сильно зміщується в бік пара. У рідкому стані рівноважний водень складається з 99,79 % пара-Н2 і 0,21 % орто-Н2. При 80 К співвідношення форм приблизно 1:1. Десорбований параводень при нагріванні перетворюється в ортоводень аж до утворення рівноважної при кімнатній температурі суміші (орто: пара=75:25). Без каталізатора перетворення відбувається повільно (в умовах міжзоряного середовища — з характерними часами аж до космологічних), що дає можливість вивчити властивості окремих модифікацій. Молекули дейтерію і тритію також мають орто- і пара-модифікації: p-D2, o-D2, p-T2, o-T2, залежно від орієнтації спінів ядер. Гетероізотопні молекули HD, HT, DT не мають орто-і пара-модифікацій.
Хімічні властивості
Частка дисоціувавших молекул водню Молекула водню складається із двох атомів. Хімічний звя'зок у молекулі водню — ковалентий неполярний, оскільки молекула утворена атомами з однаковою елетронегативністю (атомами одного виду). Через спільнення електронів молекула водню енергетично стійкіша, ніж атоми Гідрогену окремо. При нормальних умовах водень мало активний. Енергія диссоціації 436 кДж/моль, тому для активації реакційних властивостей потрібна активація молекули — підвищення температури, електрична іскра, світло (затрата значної кількості енергії): \mathsf{H_2 \rightarrow{}\ 2H} — 432 кДж Найактивніше реагує з галогенами утворює галогеноводні: \mathsf{F_2 + H_2 \rightarrow{}\ 2HF}, реакція протікає із вибухом за будь-якої температури, \mathsf{Cl_2 + H_2 \rightarrow{}\ 2HCl}, реакція протікає тільки на світлі. При підпалюванні чи в присутності платинового каталізатора водень реагує із киснем \mathsf{O_2 + 2H_2 \rightarrow{}\ 2H_2O}, реакція протікає із вибухом. Суміш двох об'ємів водню та одного об'єму кисню називається гримучим газом. При нагріванні водень зворотно взаємодіє із сіркою : \mathsf{S + H_2 \rightarrow{}\ H_2S} (сірководень) З азотом — при нагріванні, підвищенні тиску та у присутності каталізатору (залізо): \mathsf{N_2 + 3H_2 \rightarrow{}\ 2NH_3} (аміак) Із сажею водень взаємодіє при сильному нагріванні: \mathsf{C + 2H_2 \rightarrow{}\ CH_4} (метан) Водень утворює із активними металами гідриди: \mathsf{2Na + H_2 \rightarrow{}\ 2NaH} (гідрид натрію) \mathsf{Ca + H_2 \rightarrow{}\ CaH_2} (гідрид кальцію) \mathsf{Mg + H_2 \rightarrow{}\ MgH_2} (гідрид магнію) Гідриди — солеподібні, тверді речовини, легко гідролізуються: \mathsf{CaH_2 + 2H_2O \rightarrow{}\ Ca(OH)_2 + 2H_2 \uparrow} Оксиди відновлюються до металів: \mathsf{CuO + H_2 \rightarrow{}\ Cu + H_2O} \mathsf{Fe_2O_3 + 3H_2 \rightarrow{}\ 2Fe + 3H_2O} \mathsf{WO_3 + 3H_2 \rightarrow{}\ W + 3H_2O} Водень є компонентом синтез-газу при отриманні метилового спирту \mathsf{CO + 2H_2 \rightarrow{}\ CH_3OH} (метанол) Молекулярний водень широко застосовується в органічному синтезі для відновлення органічних сполук. Ці процеси називають реакціями гідрування. Ці реакції проводять у присутності каталізатора при підвищених тиску і температурі. Каталізатор може бути як гомогенним (напр., каталізатор Вілкінсона), так і гетерогенним (напр., нікель Ренея, паладій на вугіллі). Так, зокрема, при каталітичному гідруванні ненасичених сполук, таких, як алкени і алкіни, утворюються насичені сполуки — алкани. \mathsf{R\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH\!\!-\!\!R'+H_2}\rightarrow\mathsf{R\!\!-\!\!CH_2\!\!-\!\!CH_2\!\!-\!\!R'} При дії водню на ненасичені вуглеводні у присутності нікелевого каталізатора та при підвищеній температурі, відбувається реакція гідрування: (етилен) \mathsf{CH_2=CH_2 + H_2 \rightarrow{}\ CH_3-CH_3} (етан) Водень відновлює альдегіди до спиртів: (оцтовий альдегід) \mathsf{CH_3CHO + H_2 \rightarrow{}\ C_2H_5OH} (етанол) Вóдень або гідроге́н (хімічний символ — H, лат. Hydrogenium) — хімічний елемент з атомним номером 1, який належить до 1-ої групи (за старою класифікацією — головної підгрупи 1-ої групи), 1-го періоду періодичної системи хімічних елементів, та є першим і найпростішим представником усіх хімічних елементів взагалі. Відноситься до неметалів. Також, вóдень (H2) — проста речовина, яку утворює хімічний елемент водень (гідроген) — (за нормальних умов) дуже легкий (найлегший), двоатомний газ без запаху, кольору та смаку. Водень погано розчиняється у воді та інших розчинниках (спирт, гексан), добре в багатьох металах, найкраще в паладії (в одному об'ємі паладію розчиняється вісім об'ємів водню). Гідроген входить майже до всіх природних сполук, найважливіша з яких — вода. Сполуки з неметалами та металами називаються гідридами. Суміш водню з киснем (гримучий газ) вибухонебезпечна. Водень є відновником. Сировина для промислового отримання водню — гази нафтопереробки, гази природні, продукти газифікації вугілля та вода. Основний лабораторний спосіб отримання водню — взаємодія цинку та соляної кислоти в апараті Кіпа. Водень застосовують для синтезу аміаку, метилового спирту, в процесах гідрогенізації, при зварюванні і різанні металів тощо. Водень — перспективне газоподібне пальне. Дейтерій і тритій знайшли застосування в атомній енергетиці. Три ізотопи гідрогену мають власні назви: 1H — протій (Н), 2H — дейтерій (D) і 3H — тритій (T).
Взаємодія з неметалів Найактивніше реагує з галогенами утворює галогеноводні: \mathsf{F_2 + H_2 \rightarrow{}\ 2HF}, реакція протікає із вибухом за будь-якої температури, \mathsf{Cl_2 + H_2 \rightarrow{}\ 2HCl}, реакція протікає тільки на світлі. При підпалюванні чи в присутності платинового каталізатора водень реагує із киснем \mathsf{O_2 + 2H_2 \rightarrow{}\ 2H_2O}, реакція протікає із вибухом. Суміш двох об'ємів водню та одного об'єму кисню називається гримучим газом. При нагріванні водень зворотно взаємодіє із сіркою : \mathsf{S + H_2 \rightarrow{}\ H_2S} (сірководень) З азотом — при нагріванні, підвищенні тиску та у присутності каталізатору (залізо): \mathsf{N_2 + 3H_2 \rightarrow{}\ 2NH_3} (аміак) Із сажею водень взаємодіє при сильному нагріванні: \mathsf{C + 2H_2 \rightarrow{}\ CH_4} (метан) Взаємодія із лужними та лужноземельними металами Водень утворює із активними металами гідриди: \mathsf{2Na + H_2 \rightarrow{}\ 2NaH} (гідрид натрію) \mathsf{Ca + H_2 \rightarrow{}\ CaH_2} (гідрид кальцію) \mathsf{Mg + H_2 \rightarrow{}\ MgH_2} (гідрид магнію) Гідриди — солеподібні, тверді речовини, легко гідролізуються: \mathsf{CaH_2 + 2H_2O \rightarrow{}\ Ca(OH)_2 + 2H_2 \uparrow} Взаємодія із оксидами металів (як правило, d-елементів) Оксиди відновлюються до металів: \mathsf{CuO + H_2 \rightarrow{}\ Cu + H_2O} \mathsf{Fe_2O_3 + 3H_2 \rightarrow{}\ 2Fe + 3H_2O} \mathsf{WO_3 + 3H_2 \rightarrow{}\ W + 3H_2O} Взаємодія із оксидами неметалів (як правило, оксидами азоту та вуглецю) Водень є компонентом синтез-газу при отриманні метилового спирту\mathsf{CO + 2H_2 \rightarrow{}\ CH_3OH} (метанол)Гідрування органічних сполукМолекулярний водень широко застосовується в органічному синтезі для відновлення органічних сполук. Ці процеси називають реакціями гідрування. Ці реакції проводять у присутності каталізатора при підвищених тиску і температурі. Каталізатор може бути як гомогенним (напр., каталізатор Вілкінсона), так і гетерогенним (напр., нікель Ренея, паладій на вугіллі). Так, зокрема, при каталітичному гідруванні ненасичених сполук, таких, як алкени і алкіни, утворюються насичені сполуки — алкани. \mathsf{R\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH\!\!-\!\!R'+H_2}\rightarrow\mathsf{R\!\!-\!\!CH_2\!\!-\!\!CH_2\!\!-\!\!R'} При дії водню на ненасичені вуглеводні у присутності нікелевого каталізатора та при підвищеній температурі, відбувається реакція гідрування: (етилен) \mathsf{CH_2=CH_2 + H_2 \rightarrow{}\ CH_3-CH_3} (етан) Водень відновлює альдегіди до спиртів: (оцтовий альдегід) \mathsf{CH_3CHO + H_2 \rightarrow{}\ C_2H_5OH} (етанол)