Водород H е химичен елемент, един от най-разпространените в нашата Вселена. Масата на водорода като елемент в състава на веществата е 75% от общото съдържание на атоми от друг тип. Той е включен в най-важната и жизненоважна връзка на планетата – водата. Отличителна черта на водорода е също, че той е първият елемент в периодичната система от химични елементи на Д. И. Менделеев.
Откриване и изследване
Първите препратки към водорода в писанията на Парацелз датират от шестнадесети век. Но изолирането му от газовата смес на въздуха и изследването на горимите свойства са направени още през седемнадесети век от учения Лемери. Водородът е обстойно проучен от английския химик, физик и натуралист Хенри Кавендиш, който експериментално доказва, че масата на водорода е най-малката в сравнение с други газове. В следващите етапи от развитието на науката с него работят много учени, по-специално Лавоазие, който го нарече „раждане на вода“.
Характеристика според позицията в PSHE
Елемент, който се отваряпериодична таблица на Д. И. Менделеев, е водород. Физичните и химичните свойства на атома показват известна двойственост, тъй като водородът едновременно се приписва на първата група, основната подгрупа, ако се държи като метал и отдава един единствен електрон в процеса на химическа реакция, и към седмо - в случай на пълно запълване на валентната обвивка, тоест приемане на отрицателна частица, което я характеризира като подобна на халогените.
Характеристики на електронната структура на елемента
Свойствата на водородния атом, сложните вещества, от които той е част, и най-простото вещество H2 се определят основно от електронната конфигурация на водорода. Частицата има един електрон със Z=(-1), който се върти в орбитата си около ядрото, съдържащ един протон с единична маса и положителен заряд (+1). Неговата електронна конфигурация се записва като 1s1, което означава наличието на една отрицателна частица в първата и единствена s-орбитала за водорода.
Когато един електрон се отдели или отдаде и атом на този елемент има такова свойство, че е свързан с метали, се получава катион. Всъщност водородният йон е положителна елементарна частица. Следователно водородът, лишен от електрон, се нарича просто протон.
Физически свойства
Ако опишем накратко физичните свойства на водорода, тогава това е безцветен, леко разтворим газ с относителна атомна маса, равна на 2, 14,5 пъти по-лек от въздуха, с температуравтечняване от -252,8 градуса по Целзий.
Можете лесно да видите от опит, че H2 е най-лесният. За да направите това, достатъчно е да напълните три топки с различни вещества - водород, въглероден диоксид, обикновен въздух - и едновременно да ги освободите от ръката си. Тази пълна с CO2 ще достигне земята по-бързо от всеки друг, след нея надутата въздушна смес ще се спусне, а тази, съдържаща H2 ще се издигне до тавана.
Малката маса и размер на водородните частици оправдават способността му да прониква през различни вещества. На примера на същата топка това е лесно да се провери, след няколко дни тя ще се издуха, тъй като газът просто ще премине през гумата. Също така водородът може да се натрупва в структурата на някои метали (паладий или платина) и да се изпарява от него, когато температурата се повиши.
Свойството на ниската разтворимост на водорода се използва в лабораторната практика за изолирането му чрез метода на изместване на водата. Физичните свойства на водорода (таблицата по-долу съдържа основните параметри) определят обхвата на неговото приложение и методите на производство.
| Параметър на атом или молекула на просто вещество | Значение |
| Атомна маса (моларна маса) | 1,008 g/mol |
| Електронна конфигурация | 1s1 |
| Кристална решетка | шестоъгълна |
| Топлопроводимост | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Плътност при n. г. | 0, 08987 g/l |
| Точка на кипене | -252, 76 °C |
| Специфична калоричност | 120, 9 106 J/kg |
| Точка на топене | -259, 2 °C |
| Разтворимост във вода | 18, 8ml/L |
Изотопна композиция
Както много други представители на периодичната система от химични елементи, водородът има няколко естествени изотопа, тоест атоми с еднакъв брой протони в ядрото, но различен брой неутрони - частици с нулев заряд и единица маса Примери за атоми, които притежават това свойство са кислород, въглерод, хлор, бром и други, включително радиоактивни.
Физичните свойства на водорода 1H, най-често срещаният от представителите на тази група, се различават значително от същите характеристики на неговите аналози. По-специално характеристиките на веществата, в които са включени, се различават. И така, има обикновена и деутерирана вода, съдържаща в състава си вместо водороден атом с един протон, деутерий 2H - негов изотоп с две елементарни частици: положителна и незаредена. Този изотоп е два пъти по-тежък от обикновения водород, което обяснява фундаменталната разлика в свойствата на съединенията, които съставляват. В природата деутерият е 3200 пъти по-рядък от водорода. Третият представител е тритий 3Н, в ядрото има два неутрона и един протон.
Методи за получаване и избор
Лабораторните и промишлените методи за производство на водород са много различни. Да, в малки количествагазът се произвежда главно чрез реакции, включващи минерали, докато широкомащабното производство използва органичен синтез в по-голяма степен.
Следните химични взаимодействия се използват в лабораторията:
- Реакцията на алкални и алкалоземни метали с вода за образуване на алкали и желания газ.
- Електролиза на воден електролитен разтвор, H2↑ се освобождава на анода, а кислородът се отделя на катода.
- Разлагане на хидриди на алкални метали с вода, продуктите са алкални и съответно Н газ2↑.
- Реакция на разредени киселини с метали за образуване на соли и H2↑.
- Действието на алкали върху силиций, алуминий и цинк също насърчава отделянето на водород успоредно с образуването на комплексни соли.
В промишлени интереси газът се получава по методи като:
- Термично разлагане на метан в присъствието на катализатор до съставните му прости вещества (350 градуса достига стойността на такъв индикатор като температура) - водород H2↑ и въглерод C.
- Преминаване на парообразна вода през кокс при 1000 градуса по Целзий за образуване на въглероден диоксид CO2 и H2↑ (най-често срещаният метод)
- Преобразуване на газообразен метан върху никелов катализатор при температури, достигащи 800 градуса.
- Водородът е страничен продукт от електролизата на водни разтвори на калиев или натриев хлорид.
Химическивзаимодействия: общи положения
Физичните свойства на водорода до голяма степен обясняват поведението му в реакционните процеси с едно или друго съединение. Валентността на водорода е 1, тъй като се намира в първата група в периодичната таблица, а степента на окисление показва различна. Във всички съединения, с изключение на хидридите, водородът в s.o.=(1+), в молекули като ХН2, ХН3 – (1 -).
Молекула на водородния газ, образувана чрез създаване на обобщена електронна двойка, се състои от два атома и е доста стабилна енергийно, поради което при нормални условия е донякъде инертна и влиза в реакции, когато нормалните условия се променят. В зависимост от степента на окисление на водорода в състава на други вещества, той може да действа както като окислител, така и като редуциращ агент.
Вещества, с които реагира и образува водород
Елементни взаимодействия за образуване на сложни вещества (често при повишени температури):
- Алкален и алкалоземен метал + водород=хидрид.
- Халоген + H2=водороден халоген.
- Сяра + водород=сероводород.
- Кислород + H2=вода.
- Въглерод + водород=метан.
- Азот + H2=амоняк.
Взаимодействие със сложни вещества:
- Произвеждане на синтез-газ от въглероден оксид и водород.
- Възстановяване на метали от техните оксиди с помощта на H2.
- Насищане на ненаситени алифати с водородвъглеводороди.
Водородна връзка
Физичните свойства на водорода са такива, че му позволяват, в комбинация с електроотрицателен елемент, да образува специален тип връзка със същия атом от съседни молекули, които имат несподелени електронни двойки (например кислород, азот и флуор). Най-яркият пример, върху който е по-добре да разгледаме подобно явление, е водата. Може да се каже, че е зашит с водородни връзки, които са по-слаби от ковалентните или йонните, но поради факта, че има много от тях, те оказват значително влияние върху свойствата на веществото. По същество водородната връзка е електростатично взаимодействие, което свързва водните молекули в димери и полимери, което води до нейната висока точка на кипене.
Водород в минерални съединения
Съставът на всички неорганични киселини включва протон - катион на атом като водород. Вещество, чийто киселинен остатък има степен на окисление, по-голяма от (-1), се нарича многоосновно съединение. Съдържа няколко водородни атома, което прави дисоциацията във водни разтвори многоетапна. Всеки следващ протон се откъсва от останалата киселина все по-трудно. По количественото съдържание на водороди в средата се определя нейната киселинност.
Водородът също съдържа хидроксилни групи от основи. В тях водородът е свързан с кислороден атом, в резултат на което степента на окисление на този алкален остатък винаги е равна на (-1). Съдържанието на хидроксилни групи в средата определя нейната основност.
Приложение в човешките дейности
Цилиндрите с вещество, както и съдовете с други втечнени газове, като кислород, имат специфичен вид. Те са боядисани в тъмно зелено с яркочервен надпис "Hydrogen". Газът се изпомпва в цилиндър под налягане от около 150 атмосфери. Физичните свойства на водорода, по-специално лекотата на газообразното агрегатно състояние, се използват за напълването му в смес с хелиеви балони, балони и др.
Водород, чиито физични и химични свойства хората са се научили да използват преди много години, в момента се използва в много индустрии. Повечето от тях отива за производството на амоняк. Водородът участва и в производството на метали (хафний, германий, галий, силиций, молибден, волфрам, цирконий и други) от оксиди, действайки в реакцията като редуциращ агент, циановодородна и солна киселина, метилов алкохол и изкуствена течност гориво. Хранителната индустрия го използва, за да превърне растителните масла в твърди мазнини.
Определя химичните свойства и използването на водорода в различни процеси на хидрогениране и хидрогениране на мазнини, въглища, въглеводороди, масла и мазут. С него се произвеждат скъпоценни камъни, лампи с нажежаема жичка, метални изделия се коват и заваряват под въздействието на кислородно-водороден пламък.
