Метки: Водород газ, водород таблица менделеева, водород это металл, водород фосфористый, водород температура горения, водород знак, водород окислитель или восстановитель.
|
|||||
| Внешний вид простого вещества | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Свойства атома | |||||
| Имя, символ, номер |
Водород / Hydrogenium (H), 1 |
||||
| Атомная масса (молярная масса) |
|||||
| Электронная конфигурация |
1s1 |
||||
| Радиус атома |
53 пм |
||||
| Химические свойства | |||||
| Ковалентный радиус |
32 пм |
||||
| Радиус иона |
54 (−1 e) пм |
||||
| Электроотрицательность |
2,20[1] (шкала Полинга) |
||||
| Степени окисления |
1,0, −1 |
||||
| Энергия ионизации (первый электрон) |
|||||
| Термодинамические свойства простого вещества | |||||
| Плотность (при н. у.) |
0,0000899 (при 273 K (0 °C)) г/см³ |
||||
| Температура плавления |
14,01 K |
||||
| Температура кипения |
20,28 K |
||||
| Теплота плавления |
0,117 кДж/моль |
||||
| Теплота испарения |
0,904 кДж/моль |
||||
| Молярная теплоёмкость |
14,235[2] Дж/(K·моль) |
||||
| Молярный объём | |||||
| Кристаллическая решётка простого вещества | |||||
| Структура решётки |
гексагональная |
||||
| Параметры решётки |
a=3,780 c=6,167 Å |
||||
| Отношение c/a |
1,631 |
||||
| Температура Дебая |
110 K |
||||
| Прочие характеристики | |||||
| Теплопроводность |
(300 K) 0,1815 Вт/(м·К) |
||||
| 1 |
Водород
|
|
H
1,0079
|
|
| 1s1 | |
Водоро́д — первый элемент периодической системы элементов; обозначается символом H. Название представляет собой кальку с латинского: лат. Hydrogenium (от др.-греч. ὕδωρ — «вода» и γεννάω — «рождаю») — «порождающий воду». Широко распространён в природе. Катион (и ядро) самого распространённого изотопа водорода 1H — протон.
Три изотопа водорода имеют собственные названия: 1H — протий (Н), 2H — дейтерий (D) и 3H — тритий (радиоактивен) (T).
Простое вещество водород — H2 — лёгкий бесцветный газ. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен. Нетоксичен[2]. Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, титане, платине.
Содержание |
Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Прямо указывал на выделение его и Михаил Васильевич Ломоносов, но уже определённо сознавая, что это не флогистон. Английский физик и химик Генри Кавендиш в 1766 году исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду, но приверженность Кавендиша теории флогистона помешала ему сделать правильные выводы. Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783 г. осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Таким образом он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.
Лавуазье дал водороду название hydrogène (от др.-греч. ὕδωρ — вода и γεννάω — рождаю) — «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году — по аналогии с «кислородом» М. В. Ломоносова .
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной[3]. На его долю приходится около 92 % всех атомов (около 8 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~ 6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.
Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 % (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~ 52 %). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005 % по объёму).
Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках. В живых клетках по числу атомов на водород приходится почти 50 %.
Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.
Молекула водорода двухатомна — Н2. При нормальных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н. у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания 120,9·106 Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л.
Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов H2 на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.
Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C 0,0708 г/см³) и текучая (вязкость при −253 °C 13,8 спуаз). Критические параметры водорода очень низкие: температура −240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79 % пара-Н2, 0,21 % орто-Н2.
Твердый водород, температура плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см³ (при −262 °C) — снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a = 0,378 нм и c = 0,6167 нм. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние.
Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях) — в виде орто- и параводорода. В молекуле ортоводорода o-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H2 и p-H2 при заданной температуре называется равновесный водород e-H2.
Разделить модификации водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно (в условиях межзвёздной среды — с характерными временами вплоть до космологических), что даёт возможность изучить свойства отдельных модификаций.
Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия: 1H — протий (Н), 2Н — дейтерий (D), 3Н — тритий (T; радиоактивный).
Протий и дейтерий являются стабильными изотопами с массовыми числами 1 и 2. Содержание их в природе соответственно составляет 99,9885 ± 0,0070 % и 0,0115 ± 0,0070 %[4]. Это соотношение может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода.
Изотоп водорода 3Н (тритий) нестабилен. Его период полураспада составляет 12,32 лет[4]. Тритий содержится в природе в очень малых количествах.
В литературе[4] также приводятся данные об изотопах водорода с массовыми числами 4—7 и периодами полураспада 10−22—10−23 с.
Природный водород состоит из молекул H2 и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание чистого дейтерийного водорода D2 ещё меньше. Отношение концентраций HD и D2, примерно, 6400:1.
Из всех изотопов химических элементов физические и химические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов[5].
| Температура плавления, K |
Температура кипения, K |
Тройная точка, K / kPa |
Критическая точка, K / kPa |
Плотность жидкий / газ, кг/м³ |
|
|---|---|---|---|---|---|
| H2 | 13,96 | 20,39 | 13,96 / 7,3 | 32,98 / 1,31 | 70,811 / 1,316 |
| HD | 16,65 | 22,13 | 16,6 / 12,8 | 35,91 / 1,48 | 114,0 / 1,802 |
| HT | 22,92 | 17,63 / 17,7 | 37,13 / 1,57 | 158,62 / 2,31 | |
| D2 | 18,65 | 23,67 | 18,73 / 17,1 | 38,35 / 1,67 | 162,50 / 2,23 |
| DT | 24.38 | 19,71 / 19,4 | 39,42 / 1,77 | 211,54 / 2,694 | |
| T2 | 20,63 | 25,04 | 20,62 / 21,6 | 40,44 / 1,85 | 260,17 / 3,136 |
Дейтерий и тритий также имеют орто- и парамодификации: p-D2, o-D2, p-T2, o-T2. Гетероизотопный водород (HD, HT, DT) не имеют орто- и парамодификаций.
Свойства изотопов водорода представлены в таблице[4][6].
| Изотоп | Z | N | Масса, а. е. м. | Период полураспада | Спин | Содержание в природе, % | Тип и энергия распада | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1H | 1 | 0 | 1,007 825 032 07(10) | стабилен | 1⁄2+ | 99,9885(70) | ||
| 2H | 1 | 1 | 2,014 101 777 8(4) | стабилен | 1+ | 0,0115(70) | ||
| 3H | 1 | 2 | 3,016 049 277 7(25) | 12,32(2) года | 1⁄2+ | β− | 18,591(1) кэВ | |
| 4H | 1 | 3 | 4,027 81(11) | 1,39(10)·10−22 с | 2− | -n | 23,48(10) МэВ | |
| 5H | 1 | 4 | 5,035 31(11) | более 9,1·10−22 с | (1⁄2+) | -nn | 21,51(11) МэВ | |
| 6H | 1 | 5 | 6,044 94(28) | 2,90(70)·10−22 с | 2− | −3n | 24,27(26) МэВ | |
| 7H | 1 | 6 | 7,052 75(108) | 2,3(6)·10−23 с | 1⁄2+ | -nn | 23,03(101) МэВ | |
В круглых скобках приведено среднеквадратическое отклонение значения в единицах последнего разряда соответствующего числа.
Свойства ядра 1H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.
Молекулы водорода достаточно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:
и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении:
Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:
Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.
С галогенами образует галогеноводороды:
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:
Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:
Оксиды восстанавливаются до металлов:
Молекулярный водород широко применяется в органическом синтезе для восстановления органических соединений. Эти процессы называют реакциями гидрирования. Эти реакции проводят в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре. Катализатор может быть как гомогенным (напр. Катализатор Уилкинсона), так и гетерогенным (напр. никель Ренея, палладий на угле).
Так, в частности, при каталитическом гидрировании ненасыщенных соединений, таких как алкены и алкины, образуются насыщенные соединения — алканы.
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем, планетами-гигантами и первичными метеоритами, из чего следует, что во время образования Земля была значительно дегазирована и водород вместе с другими летучими элементами покинул планету во время аккреции или вскоре после неё.
Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением[7]. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство.
Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21 %. Также водород пожароопасен. Жидкий водород при попадании на кожу может вызвать сильное обморожение.
Взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4 % до 96 % объёмных. При смеси с воздухом от 4 % до 75 (74) % объёмных.
Стоимость водорода при крупнооптовых поставках колеблется в диапазоне 2-5$ за кг[8]. В небольших количествах перевозится в стальных баллонах зелёного или тёмно-зелёного цвета.
Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.
Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько катастроф, в ходе которых дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием, несмотря на его существенно более высокую стоимость.
Водород используют в качестве ракетного топлива.
Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающую среду и выделяют только водяной пар.
В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.
| Портал «Химия» | |
| Водород в Викисловаре? | |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |||||||||||||||||||||||||
| 1 | H | He | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2 | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | ||||||||||||||||||||||||
| 5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | ||||||||||||||||||||||||
| 6 | Cs | Ba | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn | ||||||||||
| 7 | Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Uut | Fl | Uup | Lv | Uus | Uuo | ||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Tags: Водород газ, водород таблица менделеева, водород это металл, водород фосфористый, водород температура горения, водород знак, водород окислитель или восстановитель.
