Водород является самым первым элементом в Периодической системе химических элементов, имеет атомный номер 1 и относительную атомную массу 1,0079. Каковы физические свойства водорода?
Физические свойства водорода
В переводе с латыни водород означает «рождающий воду». Еще в 1766 году английский ученый Г. Кавендиш собрал выделяющийся при действии кислот на металлы «горючий воздух» и стал исследовать его свойства. В 1787 году А. Лавуазье определил этот «горючий воздух» как новый химический элемент, который входит в состав воды.
Рис. 1. А. Лавуазье.
У водорода существуют 2 стабильных изотопа – протий и дейтерий, а также радиоактивный – тритий, количество которого на нашей планете очень мало.
Водород является самым распространенным элементом в космосе. Солнце и большинство звезд имеют водород в своем составе в качестве основного элемента. Также этот газ входит в состав воды, нефти, природного газа. Общее содержание водорода на Земле составляет 1%.
Рис. 2. Формула водорода.
В состав атома этого вещества входит ядро и один электрон. Когда у водорода теряется электрон, он образует положительно заряженный ион, то есть проявляет металлические свойства. Но также атом водорода способен не только терять, но и присоединять электрон. В этом он очень похож на галогены. Поэтому водород в Периодической системе относится и к I и к VII группе. Неметаллические свойства водорода выражены у него в большей степени.
Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной связью
Водород при обычных условиях является бесцветным газообразным элементом, который не имеет запаха и вкуса. Он в 14 раз легче воздуха, а его температура кипения составляет -252,8 градусов по Цельсию.
Таблица «Физические свойства водорода»
Кроме физических свойств водород обладает и рядом химических свойств. водород при нагревании или под действием катализаторов вступает в реакции с металлами и неметаллами, серой, селеном, теллуром, а также может восстанавливать оксиды многих металлов.
Получение водорода
Из промышленных способов получения водорода (кроме электролиза водных растворов солей) следует отметить следующие:
- пропускание паров воды через раскаленный уголь при температуре 1000 градусов:
- конверсия метана водяным паром при температуре 900 градусов:
CH 4 +2H 2 O=CO 2 +4H 2
Рис. 3. Паровая конверсия метана.
- разложение метана в присутствии катализатора (Ni) при температуре 400 градусов:
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Водород - первый элемент Периодической таблицы. Обозначение - H от латинского «hydrogenium». Расположен в первом периоде, IА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 1.
Водород является одним из наиболее распространенных химических элементов - его доля составляет около 1% от массы всех трех оболочек земной коры (атмосферы, гидросферы и литосферы), что при пересчете на атомные проценты дает цифру 17,0.
Основное количество этого элемента находится в связанном состоянии. Так, вода содержит около 11 вес. %, глина - около 1,5% и т.д. В виде соединений с углеродом водород входит в состав нефти, горючих природных газов и всех организмов.
Водород представляет собой газ без цвета и запаха (схема строения атома представлена на рис. 1). Его температуры плавления и кипения лежат весьма низко (-259 o С и -253 o С соответственно). При температуре (-240 o С) и под давлением водород способен сжижаться, а при быстром испарении полученной жидкости переходить в твердое состояние (прозрачные кристаллы). В воде он растворим незначительно - 2:100 по объему. Характерна для водорода растворимость в некоторых металлах, например, в железе.
Рис. 1. Строение атома водорода.
Атомная и молекулярная масса водорода
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительной атомной массой элемента называют отношение массы атома данного элемента к 1/12 массы атома углерода.
Относительная атомная масса безразмерна и обозначается A r (индекс «r» — начальная буква английского слова relative, что в переводе означает «относительный»). Относительная атомная масса атомарного водорода равна 1,008 а.е.м.
Массы молекул, также как массы атомов выражаются в атомных единицах массы.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Молекулярной массой вещества называется масса молекулы, выраженная в атомных единицах массы. Относительной молекулярной массой вещества называют отношение массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода, масса которого равна 12 а.е.м.
Известно, что молекула водорода двухатомна - H 2 . Относительная молекулярная масса молекулы водорода будет равна:
M r (H 2) = 1,008 × 2 = 2,016.
Изотопы водорода
Водород имеет три изотопа: протий 1 H, дейтерий 2 Н или D и тритий 3 Н или Т. Их массовые числа равны 1, 2 и 3. Протий и дейтерий стабильны, тритий - радиоактивен (период полураспада 12,5 лет). В природных соединениях дейтерий и протий в среднем содержатся в отношении 1:6800 (по числу атомов). Тритий находится в природе в ничтожно малых количествах.
Ядро атома водорода 1 H содержит один протон. Ядра дейтерия и трития включают кроме протона один и два нейтрона.
Ионы водорода
Атом водорода может либо отдавать свой единственный электрон с образованием положительного иона (представляющего собой «голый» протон), либо присоединять один электрон, переходя в отрицательный ион, имеющий гелийную электронную конфигурацию.
Полный отрыв электрона от атома водорода требует затраты очень большой энергии ионизации:
Н + 315 ккал = Н + + е.
Вследствие этого при взаимодействии водорода с металлоидаими возникают не ионные, а лишь полярные связи.
Тенденция того или иного нейтрального атома к присоединению избыточного электрона характеризуется значением его сродства к электрону. У водорода оно выражено довольно слабо (однако это не говорит о невозможности существования такого иона водорода):
Н + е = Н — + 19 ккал.
Молекула и атом водорода
Молекула водорода состоит из двух атомов - Н 2 . Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу водорода:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Докажите, что существуют гидриды общей формулы ЭН х, содержащие 12,5% водорода. |
| Решение | Рассчитаем массы водорода и неизвестного элемента, приняв массу образца за 100 г:
m(H) = m (ЭН х) ×w (H); m(H) = 100 × 0,125 = 12,5 г. m(Э) = m (ЭН х) — m(H); m(Э) = 100 - 12,5 = 87,5 г. Найдем количество вещества водорода и неизвестного элемента, обозначив за «х» молярную массу последнего (молярная масса водорода равна 1 г/моль): |
Водород – первый химический элемент Периодической Системы химических элементов Д.И. Менделеева. Химический элемент водород расположен в первой группе, главной подгруппе, первом периоде Периодической Системы.
Относительная атомная масса водорода = 1.
Водород имеет наиболее простое строение атома, он состоит из единственного электрона, который находится в околоядерном пространстве. Ядро атома водорода состоит из одного протона.
Атом водорода, в химических реакциях может как отдавать, так и присоединять электрон, образуя два вида ионов:
H0 + 1ē → H1− H0 – 1ē → H1+.
Водород – самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 88,6% всех атомов (около 11,3% составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов – порядка 0,1%). Таким образом, водород – основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. 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 девятый по распространённости элемент. 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 для сухого воздуха).
Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках.
Физические свойства водорода
Простое вещество, образованное химическим элементом водородом, имеет молекулярное строение. Его состав отвечает формуле Н2. Как и химический элемент, простое вещество также называют водородом.
Водород – бесцветный газ без запаха и вкуса, практически нерастворим в воде. При комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении растворимость составляет 18,8 мл газа на 1 л воды.
Водород – самый легкий газ, его плотность составляет 0,08987 г/л. Для сравнения: плотность воздуха равна 1,3 г/л.
Водород способен растворяться в металлах, так например, в одном объеме палладия может раствориться до 850 объемов водорода. Из-за крайне малого размера молекул водород способен к диффузии через многие материалы
Подобно другим газам водород при низких температурах конденсируется в бесцветную прозрачную жидкость, это происходит при температуре –252,8°С. При достижении температуры –259,2°С водород кристаллизуется в виде белых кристаллов, похожих на снег.
В отличие от кислорода, для водорода не характерна аллотропия
Применение водорода
Водород используют в различных отраслях промышленности. Много водорода уходит на производство аммиака (NH3). Из аммиака получают азотные удобрения, синтетические волокна и пластмассы, лекарства.
В пищевой промышленности водород используют при производстве маргарина, в состав которого входят твердые жиры. Чтобы их получить из жидких жиров, через них пропускают водород.
Когда водород горит в кислороде, то температура пламени составляет около 2500°C. При такой температуре можно плавить и сваривать тугоплавкие металлы. Таким образом, водород используется при сварке.
Смесь жидких водорода и кислорода применяют как ракетное топливо.
В настоящее время в ряде стран начаты исследования по замене невозобновляемых источников энергии (нефти, газа, угля) на водород. При сгорании водорода в кислороде образуется экологически чистый продукт – вода, а не углекислый газ, вызывающий парниковый эффект.
Ученые предполагают, что в середине XXI века должно быть начато серийное производство автомобилей на водороде. Широкое применение найдут домашние топливные элементы, работа которых также основана на окислении водорода кислородом.
В конце XIX – начале ХХ веков, на заре эры воздухоплавания, водородом заполняли воздушные шары, дирижабли и аэростаты, так как он намного легче воздуха. Однако эпоха дирижаблей начала стремительно уходить в прошлое после катастрофы, случившейся с дирижаблем Гинденбург. 6 мая 1937 года дирижабль, заполненный водородом, загорелся, что повлекло за собой гибель десятков его пассажиров.
Водород крайне взрывоопасен в определенной пропорции с кислородом. Несоблюдение правил техники безопасности и привело к воспламенению и взрыву дирижабля.
- Водород – первый химический элемент Периодической Системы химических элементов Д.И. Менделеева
- Водород расположен в I группе, главной подгруппе, 1 периоде Периодической Системы
- Валентность водорода в соединениях – I
- Водород – бесцветный газ без запаха и вкуса, практически нерастворим в воде
- Водород – самый легкий газ
- При низких температурах получают жидкий и твердый водород
- Водород способен растворяться в металлах
- Сферы применения водорода разнообразны
В периодической системе имеет свое определенное место положения, которое отражает проявляемые им свойства и говорит о его электронном строении. Однако есть среди всех один особый атом, который занимает сразу две ячейки. Он располагается в двух совершенно противоположных по проявляемым свойствам группах элементов. Это водород. Такие особенности делают его уникальным.
Водород - это не просто элемент, но и простое вещество, а также составная часть многих сложных соединений, биогенный и органогенный элемент. Поэтому рассмотрим его характеристики и свойства подробнее.
Водород как химический элемент
Водород - это элемент первой группы главной подгруппы, а также седьмой группы главной подгруппы в первом малом периоде. Данный период состоит всего из двух атомов: гелия и рассматриваемого нами элемента. Опишем основные особенности положения водорода в периодической системе.
- Порядковый номер водорода - 1, количество электронов такое же, соответственно, протонов столько же. Атомная масса - 1,00795. Существует три изотопа данного элемента с массовыми числами 1, 2, 3. Однако свойства каждого из них очень сильно различаются, так как увеличение массы даже на единицу именно для водорода является сразу двойным.
- То, что на внешнем он содержит всего один электрон, позволяет успешно проявлять ему как окислительные, так и восстановительные свойства. Кроме того, после отдачи электрона у него остается свободная орбиталь, которая принимает участие в образовании химических связей по донорно-акцепторному механизму.
- Водород - это сильный восстановитель. Поэтому основным местом его считается первая группа главной подгруппы, где он возглавляет самые активные металлы - щелочные.
- Однако при взаимодействии с сильными восстановителями, такими как, например, металлы, он может быть и окислителем, принимая электрон. Данные соединения получили название гидридов. По этому признаку он возглавляет подгруппу галогенов, с которыми является схожим.
- Благодаря совсем маленькой атомной массе, водород считается самым легким элементом. Кроме того, его плотность также очень мала, поэтому он также является эталоном легкости.
Таким образом, очевидно, что атом водорода - это совершенно уникальный, непохожий на все остальные элемент. Следовательно, свойства его тоже особенные, а образуемые простые и сложные вещества очень важны. Рассмотрим их далее.
Простое вещество
Если говорить о данном элементе как о молекуле, то нужно сказать, что она двухатомна. То есть водород (простое вещество) - это газ. Формула его эмпирическая будет записываться как Н 2 , а графическая - через одинарную сигма-связь Н-Н. Механизм образования связи между атомами - ковалентный неполярный.
- Паровая конверсия метана.
- Газификация угля - процесс подразумевает нагревание угля до 1000 0 С, в результате чего образуется водород и высокоуглеродный уголь.
- Электролиз. Данный метод может использоваться только для водных растворов различных солей, так как расплавы не приводят к разряжению воды на катоде.
Лабораторные способы получения водорода:
- Гидролиз гидридов металлов.
- Действие разбавленных кислот на активные металлы и средней активности.
- Взаимодействие щелочных и щелочноземельных металлов с водой.
Чтобы собрать образующийся водород, необходимо держать пробирку перевернутой вверх дном. Ведь данный газ нельзя собрать так, как, например, углекислый газ. Это водород, он намного легче воздуха. Быстро улетучивается, а в больших количествах при смешении с воздухом взрывается. Поэтому и следует переворачивать пробирку. После ее заполнения ее нужно закрыть резиновой пробкой.
Чтобы проверить чистоту собранного водорода, следует поднести к горлышку зажженную спичку. Если хлопок глухой и тихий - значит газ чистый, с минимальными примесями воздуха. Если же громкий и свистящий - грязный, с большой долей посторонних компонентов.
Области использования
При сгорании водорода выделяется настолько большое количество энергии (теплоты), что данный газ считается самым выгодным топливом. К тому же экологически чистым. Однако на сегодняшний день его применение в данной области ограничено. Это связано с непродуманными до конца и не решенными проблемами синтеза чистого водорода, который был бы пригоден для использования в качестве топлива в реакторах, двигателях и портативных устройствах, а также отопительных котлах жилых домов.
Ведь способы получения данного газа достаточно дорогостоящие, поэтому прежде необходимо разработать особый метод синтеза. Такой, который позволит получать продукт в большом объеме и с минимальными затратами.
Можно выделить несколько основных областей, в которых находит применение рассматриваемый нами газ.
- Химические синтезы. На основании гидрирования получают мыла, маргарины, пластмассы. При участии водорода синтезируется метанол и аммиак, а также другие соединения.
- В пищевой промышленности - как добавка Е949.
- Авиационная промышленность (ракетостроение, самолетостроение).
- Электроэнергетика.
- Метеорология.
- Топливо экологически чистого вида.
Очевидно, что водород так же важен, как и распространен в природе. Еще большую роль играют образуемые им различные соединения.
Соединения водорода
Это сложные, содержащие атомы водорода вещества. Можно выделить несколько основных типов подобных веществ.
- Галогеноводороды. Общая формула - HHal. Особое значение среди них имеет хлорид водорода. Это газ, который растворяется в воде с образованием раствора соляной кислоты. Данная кислота находит широкое применение практически во всех химических синтезах. Причем как органических, так и неорганических. Хлорид водорода - это соединение, имеющее эмпирическую формулу HCL и являющееся одним из крупнейших по объемам производства в нашей стране ежегодно. Также к галогеноводородам относятся йодоводород, фтороводород и бромоводород. Все они образуют соответствующие кислоты.
- Летучие Практически все они достаточно ядовитые газы. Например, сероводород, метан, силан, фосфин и прочие. При этом очень горючие.
- Гидриды - соединения с металлами. Относятся к классу солей.
- Гидроксиды: основания, кислоты и амфотерные соединения. В их состав обязательно входят атомы водорода, один или несколько. Пример: NaOH, K 2 , H 2 SO 4 и прочие.
- Гидроксид водорода. Это соединение больше известно как вода. Другое название оксид водорода. Эмпирическая формула выглядит так - Н 2 О.
- Пероксид водорода. Это сильнейший окислитель, формула которого имеет вид Н 2 О 2 .
- Многочисленные органические соединения: углеводороды, белки, жиры, липиды, витамины, гормоны, эфирные масла и прочие.
Очевидно, что разнообразие соединений рассматриваемого нами элемента очень велико. Это еще раз подтверждает его высокое значение для природы и человека, а также для всех живых существ.
- это лучший растворитель
Как уже упоминалось выше, простонародное название данного вещества - вода. Состоит из двух атомов водорода и одного кислорода, соединенных между собой ковалентными полярными связями. Молекула воды является диполем, это объясняет многие проявляемые ею свойства. В частности то, что она является универсальным растворителем.
Именно в водной среде происходят практически все химические процессы. Внутренние реакции пластического и энергетического обмена в живых организмах также осуществляются с помощью оксида водорода.
Вода по праву считается самым важным веществом на планете. Известно, что без нее не сможет жить ни один живой организм. На Земле она способна существовать в трех агрегатных состояниях:
- жидкость;
- газ (пар);
- твердое (лед).
В зависимости от изотопа водорода, входящего в состав молекулы, различают три вида воды.
- Легкая или протиевая. Изотоп с массовым числом 1. Формула - Н 2 О. Это привычная форма, которую используют все организмы.
- Дейтериевая или тяжелая, ее формула - D 2 O. Содержит изотоп 2 Н.
- Сверхтяжелая или тритиевая. Формула выглядит как Т 3 О, изотоп - 3 Н.
Очень важны запасы пресной протиевой воды на планете. Уже сейчас во многих странах ощущается ее недостаток. Разрабатываются способы обработки соленой воды с целью получения питьевой.
Пероксид водорода - это универсальное средство
Данное соединение, как уже упоминалось выше, прекрасный окислитель. Однако с сильными представителями может вести себя и как восстановитель тоже. Кроме того, обладает выраженным бактерицидным эффектом.
Другое название данного соединения - перекись. Именно в таком виде его используют в медицине. 3% раствор кристаллогидрата рассматриваемого соединения - это медицинское лекарство, которое применяют для обработки небольших ран с целью их обеззараживания. Однако доказано, что при этом заживление ранения по времени увеличивается.
Также пероксид водорода используется в ракетном топливе, в промышленности для дезинфекции и отбеливания, в качестве пенообразователя для получения соответствующих материалов (пенопласта, например). Кроме того, перекись помогает очищать аквариумы, обесцвечивать волосы и отбеливать зубы. Однако при этом наносит вред тканям, поэтому специалистами в этих целях не рекомендуется.
Водород - это самый лёгкий и самый распространённый химический элемент. В наше время каждый слышал о нём, а ведь совсем недавно он представлял из себя великую тайну даже для лучших учёных. Согласитесь, этого достаточно, чтобы узнать побольше о химическом элементе водород.
Водород: распространение в природе
Как мы уже сказали выше, водород — это самый распространенный элемент. Причем не только на Земле, но и во всей Вселенной! Солнце почти наполовину состоит из этого химического элемента, да и большинство звёзд имеют в своей основе водород. В межзвездных пространствах водород также является самым распространенным элементом. На Земле водород находится в виде соединений. Он входит в состав нефти, газов, даже живых организмов. Мировой Океан содержит около 11% водорода по массе. В атмосфере его совсем немного, всего около 5 десятитысячных процента.
История открытия водорода
О существовании водорода догадывались ещё средневековые алхимики. Так, Парацельс в своих трудах указывал, что при действии кислоты и железа выделяются пузырьки «воздуха». Но что это за «воздух» он понять не мог. В те времена учёные думали, что в каждом горючем веществе есть какая-то мистическая огненная составляющая, которая поддерживает горение. Эта догадка получила название теории «флогистона». Алхимики считали, например, что дерево состоит из пепла, который остается после сжигания, и флогистона, который освобождается при горении.
Впервые же свойства водорода изучили английские химики Генри Кавендиш и Джозеф Пристли в XVIII веке. Но и они полностью не осознали сути своего открытия. Они думали, что легкий газ (а водород легче воздуха в 14 раз) есть ни что иное как мистический флогистон.
И только Антуан Лавуазье доказал, что водород это никакой не флогистон, а самый настоящий химический элемент. Во время своих опытов он сумел получить водород из воды и затем доказал, что обратно вода получается при горении водорода. Поэтому этот химический элемент и получил такое название — «рождающий воду».
Химические свойства водорода
Водород самый первый химический элемент, в таблице Менделеева обозначается символом H. Представляет собой легкий газ без запаха и цвета. Твердый водород – самое легкое твердое вещество, а жидкий — самая лёгкая жидкость. К тому же жидкий водород при попадании на кожу может вызвать сильнейшее обморожение. Атомы и молекулы водорода – самые маленькие. Поэтому то воздушный шарик, надутый этим газом, очень быстро сдувается — водород просачивается через резину. При смешении водорода с кислородом воздуха образуется очень взрывоопасная смесь. Она называется «гремучий газ».
При вдыхании газа частота голоса становится намного выше обычной. Например, мужской грубый бас будет похож на голоса Чипа и Дейла. Однако, подобные химические опыты проводить не стоит, по причине указанной выше. Водород и кислород образуют гремучий газ, который при выдохе может легко взорваться!
Применение водорода
Несмотря на свою горючесть, водород широко используется во многих отраслях промышленности. В основном его используют при производства аммиака для минеральных удобрений и при производстве спирта и пластмассы. Когда-то водородом наполняли дирижабли и воздушные шары, этот легкий газ поднимал их в воздух совершенно без труда. Но сейчас в авиации и космической технике он используется только в качестве топлива для космических ракет. Созданы двигатели для автомобилей, работающие на водороде. Они самые экологически чистые, ведь при сгорании выделяется только вода. Однако на данный момент водородные двигатели имеют ряд существенных недостатков, не отвечаю в полной мере требованиям безопасности, поэтому их применение пока совершенно ничтожно. В пищевой промышленности водород используется при производстве маргарина, а также для упаковки продуктов. Он даже зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949. В энергетике водород применяется для охлаждения генераторов и для выработки электроэнергии в водородно-кислородных топливных элементах.
Загрузка...