Фізичні властивості водню. Властивості і застосування водню

Гідроген Н - хімічний елемент, один з найпоширеніших у нашого Всесвіту. Маса водню як елемента в складі речовин становить 75% від загального вмісту атомів іншого типу. Він входить до найважливіша і життєво необхідне з`єднання на планеті - воду. Відмінною особливістю водню також є те, що він перший елемент у періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

Відкриття та дослідження

Перші згадки про водні в працях Парацельса датуються шістнадцятим століттям. Але його виділення з газової суміші повітря і дослідження горючих властивостей були вироблені вже в сімнадцятому столітті вченим Лемері. Досконально вивчив гидроген англійський хімік, фізик і натураліст Генрі Кавендіш, який дослідним шляхом довів, що маса водню найменша в порівнянні з іншими газами. У наступних етапах розвитку науки багато вчених працювали з ним, зокрема Лавуазьє, який назвав його «рождающим воду».

Характеристика по положенню в ПСХЕ

Елемент, що відкриває періодичну таблицю Д. І. Менделєєва, - це водень. Фізичні і хімічні властивості атома проявляють якусь подвійність, так як гидроген одночасно відносять до першої групи, головній підгрупі, якщо він поводиться як метал і віддає єдиний електрон в процесі хімічної реакції, і до сьомої - у разі повного заповнення валентної оболонки, тобто прийомі негативної частки, що характеризує його як подібний галогенам.

Особливості електронної будови елемента

Властивості атома водню, складних речовин, до складу яких він входить, і самого простого речовини Н₂ в першу чергу визначаються електронною конфігурацією гідрогену. Частка має один електрон з Z = (-1), який обертається по своїй орбіті навколо ядра, що містить один протон з одиничною масою і позитивним зарядом (+1). Його електронна конфігурація записується як 1s¹, що означає наявність однієї негативної частки на самій першою і єдиною для гідрогену s-орбіталі.

При відриві або віддачі електрона, а атом цього елемента має таку властивість, що ріднить його з металами, виходить катіон. По суті іон водню - це позитивна елементарна частинка. Тому позбавлений електрона гидроген називають попросту протоном.

Фізичні властивості

Якщо описувати фізичні властивості водню коротко, то це безбарвний, малорозчинний газ з відносною атомною масою рівною 2, в 14,5 рази легше, ніж повітря, з температурою скраплення, складової -252,8 градуса Цельсія.

На досвіді можна легко переконатися в тому, що Н₂ найлегший. Для цього достатньо наповнити три кулі різними речовинами - воднем, вуглекислим газом, звичайним повітрям - і одночасно випустити їх з руки. Швидше за всіх досягне землі той, який наповнений СО₂, після нього опуститься надутий повітряною сумішшю, а містить Н₂ зовсім підніметься до стелі.

Маленька маса і розмір часток водню обґрунтовують його здатність проникати через різні речовини. На прикладі того ж кулі в цьому легко переконатися, через пару днів він сам здується, так як газ просто пройде через гуму. Також водень може накопичуватися в структурі деяких металів (паладій або платина), а при підвищенні температури випаровуватися з неї.

Властивість малорастворима водню використовують в лабораторній практиці для його виділення способом витіснення води. Фізичні властивості водню (таблиця, зображена нижче, містить основні параметри) визначають сфери його застосування і методи отримання.

Ізотопний склад

Як і багато інших представників періодичної системи хімічних елементів, гидроген має кілька природних ізотопів, тобто атомів з однаковим числом протонів в ядрі, але різним числом нейтронів - частинок з нульовим зарядом і одиничною масою. Приклади атомів, що володіють подібним властивістю - кисень, вуглець, хлор, бром та інші, у тому числі радіоактивні.

Фізичні властивості водню ¹Н, найпоширенішого з представників даної групи, значно відрізняються від таких же характеристик його побратимів. Зокрема, різняться особливості речовин, до складу яких вони входять. Так, існує звичайна і дейтерірованного вода, що містить у своєму складі замість атома водню з одним-єдиним протоном дейтерій ²Н - його ізотоп з двома елементарними частинками: позитивної і незарядженою. Цей ізотоп в два рази важче звичайного гідрогену, що і пояснює кардинальна відмінність у властивостях сполук, що вони складають. У природі дейтерій зустрічається в 3200 разів рідше, ніж водень. Третій представник - тритій ³Н, в ядрі він має два нейтрона і один протон.

Способи отримання і виділення

Лабораторні та промислові методи отримання водню досить різняться. Так, в малих кількостях газ отримують в основному за допомогою реакцій, в яких беруть участь мінеральні речовини, а великомасштабні виробництва більшою мірою використовують органічний синтез.

У лабораторії застосовують такі хімічні взаємодії:

1. Реакція лужних і лужноземельних металів з водою з утворенням лугу і шуканого газу.
2. Електроліз водного розчину електроліту, на аноді виділяється Н₂^, А на катоді - кисень.
3. Розкладання гідридів лужних металів водою, продуктами є луг і, відповідно, газ Н₂^.
4. Взаємодія розбавлених кислот з металами з утворенням солей і Н₂^.
5. Дія лугів на кремній, алюміній і цинк також сприяє виділенню водню паралельно з утворенням комплексних солей.

   

У промислових інтересах газ отримують такими методами, як:

1. Термічне розкладання метану в присутності каталізатора до складових його простих речовин (350 градусів досягає значення такого показника, як температура) - водню Н₂^ І вуглецю С.
2. Пропущення парообразной води через кокс при 1000 градусів Цельсія з утворенням вуглекислого газу СО₂ і Н₂^ (Найпоширеніший метод).
3. Конверсія газоподібного метану на нікелевому каталізаторі при температурі, що досягає 800 градусів.
4. Водень є побічним продуктом при електролізі водних розчинів хлоридів калію або натрію.

Хімічні взаємодії: загальні положення

Фізичні властивості водню в чому пояснюють його поведінку в процесах реагування з тим чи іншим з`єднанням. Валентність гідрогену дорівнює 1, так як він в таблиці Менделєєва розташований в першій групі, а ступінь окислення проявляє різну. У всіх з`єднаннях, крім гідридів, водень в с.о. = (1+), в молекулах типа ХН, ХН₂, ХН₃ - (1).

Молекула газу водню, утворена за допомогою створення узагальненої електронної пари, складається з двох атомів і досить стійка енергетично, саме тому при нормальних умовах кілька інертна і в реакції вступає при зміні нормальних умов. Залежно від ступеня окислення водню в складі інших речовин, він може виступати як в якості окислювача, так і відновника.

Речовини, з якими реагує і які утворює водень

Елементні взаємодії з утворенням складних речовин (часто при підвищених температурах):

1. Лужних і лужноземельних металів + водень = гідрид.
2. Галоген + Н₂ = Галогеноводорода.
3. Сірка + водень = сірководень.
4. Кисень + Н₂ = Вода.
5. Вуглець + водень = метан.
6. Азот + Н₂ = Аміак.

Взаємодія зі складними речовинами:

1. Отримання синтез-газу з монооксиду вуглецю і водню.
2. Відновлення металів з їхніх оксидів за допомогою Н₂.
3. Насичення воднем ненасичених аліфатичних вуглеводнів.

Водневий зв`язок

Фізичні властивості водню такі, що дозволяють йому, перебуваючи в з`єднанні з електронегативним елементом, утворювати особливий тип зв`язку з таким же атомом з сусідніх молекул, що мають неподілені електронні пари (наприклад, киснем, азотом і фтором). Найяскравіший приклад, на якому краще розглянути подібне явище, - це вода. Вона, можна сказати, прошита водневими зв`язками, які слабкіше ковалентних або іонних, але за рахунок того, що їх багато, роблять значний вплив на властивості речовини. По суті, воднева зв`язок - це електростатичне взаємодія, яка зв`язує молекули води в димери і полімери, обгрунтовуючи її високу температуру кипіння.

Гідроген у складі мінеральних сполук

До складу всіх неорганічних кислот входить протон - катіон такого атома, як водень. Речовина, кислотний залишок якого має ступінь окислення більше (-1), називається багатоосновними з`єднанням. У ньому присутні кілька атомів водню, що робить дисоціацію у водних розчинах багатоступінчастої. Кожен наступний протон відривається від залишку кислоти все важче. За кількісним вмістом відрядив в середовищі визначається його кислотність.

Водень містять і гідроксильні групи підстав. У них водень з`єднаний з атомом кисню, в результаті ступінь окислення цього залишку лугу завжди дорівнює (-1). За змістом гідроксілов в середовищі визначається її основність.

Застосування в діяльності людини

Балони з речовиною, так само як і ємності з іншими зрідженими газами, наприклад киснем, мають специфічний зовнішній вигляд. Вони пофарбовані в темнувато-зелений колір з яскраво-червоним написом «Водень». Газ закачують в балон під тиском порядку 150 атмосфер. Фізичні властивості водню, зокрема легкість газоподібного агрегатного стану, використовують для наповнення ним в суміші з гелієм аеростатів, куль-зондів і т.д.

Водень, фізичні та хімічні властивості якого люди навчилися використовувати багато років тому, на сьогоднішній момент задіяний в багатьох галузях промисловості. Основна його маса йде на виробництво аміаку. Також водень бере участь в отриманні металів (гафнію, германію, галію, кремнію, молібдену, вольфраму, цирконію та інших) з оксидів, виступаючи в реакції як відновлювача, синильної і соляної кислот, метилового спирту, а також штучного рідкого палива. Харчова промисловість використовує його для перетворення рослинних олій у тверді жири.

Визначили хімічні властивості і застосування водню в різних процесах гідрогенізації і гідрування жирів, вугіль, вуглеводнів, масел і мазуту. За допомогою нього виробляють дорогоцінні камені, лампи розжарювання, проводять ковку і зварювання металевих виробів під впливом киснево-водневого полум`я.