Водень - це що за речовина? Хімічні та фізичні властивості водню

Кожен хімічний елемент в періодичній системі має своє певне місце положення, яке відображає притаманні їм властивості і говорить про його електронну будову. Однак є серед всіх один особливий атом, який займає відразу два осередки. Він розташовується в двох зовсім протилежних за проявляти властивості групах елементів. Це водень. Такі особливості роблять його унікальним.

Водень - це не просто елемент, але і проста речовина, а також складова частина багатьох складних з`єднань, біогенний і органогенний елемент. Тому розглянемо його характеристики та властивості докладніше.

Водень як хімічний елемент

Водень - це елемент першої групи головної підгрупи, а також сьомої групи головної підгрупи в першому малому періоді. Даний період складається всього з двох атомів: гелію і розглянутого нами елемента. Опишемо основні особливості становища водню в періодичній системі.

1. Порядковий номер водню - 1, кількість електронів таке ж, відповідно, протонів стільки ж. Атомна маса - 1,00795. Існує три ізотопи даного елемента з масовими числами 1, 2, 3. Однак властивості кожного з них дуже сильно розрізняються, так як збільшення маси навіть на одиницю саме для водню є відразу подвійним.
2. Те, що на зовнішньому енергетичному рівні він містить всього один електрон, дозволяє успішно проявляти йому як окислювальні, так і відновні властивості. Крім того, після віддачі електрона у нього залишається вільна орбіталь, яка бере участь в утворенні хімічних зв`язків за донорно-акцепторного механізму.
3. Водень - це сильний відновник. Тому основним місцем його вважається перша група головної підгрупи, де він очолює найактивніші метали - лужні.
4. Однак при взаємодії з сильними відновниками, такими як, наприклад, метали, він може бути і окислювачем, приймаючи електрон. Дані сполуки отримали назву гідридів. За цією ознакою він очолює підгрупу галогенів, з якими є схожим.
5. Завдяки зовсім маленькою атомній масі, водень вважається найлегшим елементом. Крім того, його щільність також дуже мала, тому він також є еталоном легкості.

Таким чином, очевидно, що атом водню - це абсолютно унікальний, несхожий на всі інші елемент. Отже, властивості його теж особливі, а утворені прості і складні речовини дуже важливі. Розглянемо їх далі.

Проста речовина

Якщо говорити про даному елементі як про молекулу, то потрібно сказати, що вона двоатомний. Тобто водень (проста речовина) - це газ. Формула його емпірична буде записуватися як Н₂, а графічна - через одинарну сигма-зв`язок Н-Н. Механізм утворення зв`язку між атомами - ковалентний неполярний.

Ще Генрі Кавендіш в 1766 році зумів відкрити дана речовина. Саме він і довів, що водень - це газ, причому такий, який здатний вибухати на повітрі. Пізніше були добре вивчені властивості, стало ясно, що дана речовина - найлегший серед відомих.

Ще пізніше Лавуазьє дав назву (як елементу, так і речовині на його основі) на латині - hydrogenium, що в перекладі означає "народжує воду". У 1781 році першовідкривач даного елемента Генрі Кавендіш довів, що вода - поєднання водню і кисню, тобто це продукт їх взаємодії. А про те, що легкий газ ще й дуже горючий, було відомо ще в XVI столітті, це відбивалося в записах Парацельса.

Таким чином, молекулярний водень - це дуже поширене в природі і утворюється природним шляхом газоподібне з`єднання, що складається з двох атомів, яке здатне вибухати на повітрі. Крім того, молекула може розпадатися на атоми, які беруть участь у ядерних реакціях, перетворюючи в ядра гелію. Дані процеси безперервно відбуваються на Сонці і в космосі, які і є основними постачальниками даного з`єднання.

Водень - це речовина, яка здатна проявляти себе і як окислювач, як і восстановитель. Також воно знаходить собі дуже широке застосування в діяльності людини.

Фізичні властивості

Фізичні параметри водень має наступні:

1. Температура кипіння - (-252,76 ⁰С).
2. Температура плавлення - (-259,2 ⁰С).
3. У позначеному інтервалі температур є безбарвною рідиною, що не має запаху.
4. При дуже високому тиску існують снегообразной кристали твердого водню.
5. За певних умов (високий тиск і низькі температури) здатний переходити в металевий стан.
6. Практично не розчиняється у воді, тому можливий збір методом витіснення води при отриманні в лабораторних умовах.
7. При звичайних умовах водень - це газ, не має запаху, кольору і смаку.
8. Є пальним і вибухонебезпечною речовиною.
9. Добре розчиняється у металах, оскільки здатний дифундувати крізь їхні товщу.
10. Приблизно в 14,5 разів даний газ легший за повітря.

Кристалічна решітка простого речовини молекулярна, зв`язку слабкі, тому легко руйнуються.

Хімічні властивості

Як вже говорилося вище, водень здатний виявляти як відновні, так і окисні властивості. Можливі ступені окислення елемента + 1--1. Тому його часто використовують у промисловості для синтезів і різних реакцій.

Окисні властивості водню

1. Взаємодія з активними металами (лужними і лужноземельними) при звичайних умовах призводить до утворення солеподібний сполук, які називаються гідридами. Наприклад: LiH, CaH₂, KH, MgH₂ та інші.
2. З`єднання з малоактивними металами під впливом високих температур або сильної освітленості (фотохімічна ініціація реакцій) також утворюють гідриди.

Відновні властивості водню

1. Взаємодія при звичайних умовах тільки з фтором (як сильним окислювачем). У результаті утворюється фтороводород або плавикова кислота HF.
2. Взаємодія практично з усіма неметалами, але за певних досить жорстких умовах. Приклади сполук: H₂S, NH₃, H₂O, PH₃, SiH₄ та інші.
3. Відновлює метали з їх оксидів до простих речовин. Це один з промислових способів отримання металів, називається водородотерміей.

Окремо слід виділити реакції, які використовуються в органічних синтезах. Вони називаються гидрированием - насиченням воднем і дегидрированием, тобто його отщеплением від молекули. На підставі цих способів перетворень отримують безліч вуглеводнів та інших органічних сполук.

Знаходження в природі

Водень - це найпоширеніша речовина на нашій планеті і за її межами. Адже практично всі міжзоряний простір і зірки складаються саме з цього з`єднання. У космосі він може існувати у вигляді:

• плазми;
• газу;
• іонів;
• атомів;
• молекул.

Існує кілька видів різних по щільності хмар, що складаються саме з цієї речовини.

Якщо говорити про поширення конкретно в земній корі, то водень стоїть на другому місці за кількістю атомів після кисню, його приблизно 17%. У вільному вигляді зустрічається рідко, лише в незначних кількостях у складі сухого повітря. Найпоширеніше з`єднання даного елемента - вода. Саме в її складі він і зустрічається на планеті.

Також водень є обов`язковою складовою частиною будь-якого живого організму. Причому в тілі людини на частку цього атома припадає 63%. Водень - це органогенний елемент, тому формує молекули білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот, а також багатьох інших життєво важливих сполук.

Отримання

Існують різні способи отримання розглянутого нами газу. До них відноситься кілька промислових і лабораторних варіантів синтезу.

Промислові способи отримання водню:

1. Парова конверсія метану.
2. Газифікація вугілля - процес увазі нагрівання вугілля до 1000 ⁰С, в результаті чого утворюється водень і високовуглецевий вугілля.
3. Електроліз. Даний метод може використовуватися тільки для водних розчинів різних солей, так як розплави не призводять до зменшення заряду води на катоді.

Лабораторні способи отримання водню:

1. Гідроліз гідридів металів.
2. Дія розбавлених кислот на активні метали та середньої активності.
3. Взаємодія лужних і лужноземельних металів з водою.

Щоб зібрати утворюється водень, необхідно тримати пробірку перевернутої догори дном. Адже даний газ не можна зібрати так, як, наприклад, вуглекислий газ. Це водень, він набагато легший за повітря. Швидко випаровується, а у великих кількостях при змішуванні з повітрям вибухає. Тому й слід перевертати пробірку. Після її заповнення її потрібно закрити гумовою пробкою.

Щоб перевірити чистоту зібраного водню, слід піднести до шийки запалений сірник. Якщо бавовна глухий і тихий - значить газ чистий, з мінімальними домішками повітря. Якщо ж гучний і свистячий - брудний, з великою часткою сторонніх компонентів.

Області використання

При згорянні водню виділяється настільки велику кількість енергії (теплоти), що даний газ вважається найвигіднішим паливом. До того ж екологічно чистим. Однак на сьогоднішній день його застосування в даній області обмежена. Це пов`язано з непродуманими до кінця і не вирішеними проблемами синтезу чистого водню, який був би придатний для використання в якості палива в реакторах, двигунах і портативних пристроях, а також опалювальних котлах житлових будинків.

Адже способи отримання даного газу достатньо дорогі, тому перш необхідно розробити особливий метод синтезу. Такий, який дозволить отримувати продукт у великому обсязі і з мінімальними витратами.

Можна виділити кілька основних областей, в яких знаходить застосування розглянутий нами газ.

1. Хімічні синтези. На підставі гідрування отримують мила, маргарини, пластмаси. За участю водню синтезується метанол і аміак, а також інші сполуки.
2. У харчовій промисловості - як добавка Е949.
3. Авіаційна промисловість (ракетобудування, літакобудування).
4. Електроенергетика.
5. Метеорологія.
6. Паливо екологічно чистого виду.

Очевидно, що водень так само важливий, як і розповсюджений у природі. Ще більшу роль відіграють утворювані їм різні сполуки.

З`єднання водню

Це складні, які містять атоми водню речовини. Можна виділити кілька основних типів подібних речовин.

1. Галогеноводороди. Загальна формула - HHal. Особливе значення серед них має хлорид водню. Це газ, який розчиняється у воді з утворенням розчину соляної кислоти. Дана кислота знаходить широке застосування практично у всіх хімічних синтезах. Причому як органічних, так і неорганічних. Хлорид водню - це з`єднання, що має емпіричну формулу HCL і що є одним з найбільших за обсягами виробництва в нашій країні щорічно. Також до галогеноводорода відносяться йодоводород, фтороводород і бромоводород. Всі вони утворюють відповідні кислоти.
2. Летючі водневі сполуки неметалів. Практично всі вони досить отруйні гази. Наприклад, сірководень, метан, силан, фосфін та інші. При цьому дуже горючі.
3. Гідриди - з`єднання з металами. Відносяться до класу солей.
4. Гідроксиди: підстави, кислоти та амфотерні сполуки. До їх складу обов`язково входять атоми водню, один або декілька. Приклад: NaOH, K₂[AL (OH)₄], H₂SO₄ та інші.
5. Гідроксид водню. Це з`єднання більше відомо як вода. Інша назва оксид водню. Емпірична формула виглядає так - Н₂О.
6. Перекис водню. Це найсильніший окислювач, формула якого має вигляд Н₂Про₂.
7. Численні органічні сполуки: вуглеводні, білки, жири, ліпіди, вітаміни, гормони, ефірні масла та інші.

Очевидно, що різноманітність з`єднань розглянутого нами елемента дуже велике. Це ще раз підтверджує його високе значення для природи і людини, а також для всіх живих істот.

Оксид водню - це кращий розчинник

Як уже згадувалося вище, простонародна назва даної речовини - вода. Складається з двох атомів водню і одного кисню, з`єднаних між собою ковалентними полярними зв`язками. Молекула води є диполем, це пояснює багато притаманні нею властивості. Зокрема те, що вона є універсальним розчинником.

Саме у водному середовищі відбуваються практично всі хімічні процеси. Внутрішні реакції пластичного та енергетичного обміну в живих організмах також здійснюються за допомогою оксиду водню.

Вода по праву вважається найважливішим речовиною на планеті. Відомо, що без неї не зможе жити жоден живий організм. На Землі вона здатна існувати в трьох агрегатних станах:

• рідина;
• газ (пара);
• тверде (лід).

Залежно від ізотопу водню, що входить до складу молекули, розрізняють три види води.

1. Легка або протиевой. Ізотоп з масовим числом 1. Формула - Н₂О. Це звична форма, яку використовують всі організми.
2. Дейтерієва або важка, її формула - D₂O. Містить ізотоп ²Н.
3. Надважка або тритієва. Формула виглядає як Т₃О, ізотоп - ³Н.

Дуже важливі запаси прісної протиевой води на планеті. Вже зараз у багатьох країнах відчувається її недолік. Розробляються способи обробки солоної води з метою отримання питної.

Перекис водню - це універсальний засіб

Дане з`єднання, як уже згадувалося вище, прекрасний окислювач. Однак з сильними представниками може поводитися і як відновник теж. Крім того, має виражену бактерицидну ефектом.

Інша назва цього з`єднання - перекис. Саме в такому вигляді його використовують у медицині. 3% розчин кристаллогидрата розглянутого з`єднання - це медичне ліки, які застосовують для обробки невеликих ран з метою їх знезараження. Однак доведено, що при цьому загоєння поранення за часом збільшується.

Також перекис водню використовується в ракетному паливі, в промисловості для дезінфекції та відбілювання, в якості піноутворювача для отримання відповідних матеріалів (пінопласту, наприклад). Крім того, перекис допомагає очищати акваріуми, знебарвлювати волосся і вибілювати зуби. Однак при цьому завдає шкоди тканинам, тому фахівцями в цих цілях не рекомендується.