Список элементов
В периодической таблице элементов, водород занимает особое положение, принадлежа как к группе щелочных металлов, способных отдавать один электрон, так и к группе галогенов, которые могут принимать один электрон. Атом водорода, состоящий из одного протона и одного электрона, обладает уникальными химическими свойствами. Характеристики этого элемента определяются его возможностью образовывать соединения, в которых он проявляет две степени окисления: +1 и -1. Водород широко используется в органической и биологической химии, где играет ключевую роль в различных химических процессах и соединениях.
История водорода
В процессе взаимодействия металлов и кислот было выделено горючее вещество еще в XVI веке, в период становления химии как науки. Английский ученый Генри Кавендиш исследовал данное вещество, дав ему название "горючий воздух", и проводил опыты, но его приверженность теории флогистона помешала ему правильно интерпретировать результаты. Французский химик Лавуазье в 1783 году провел синтез воды и ее анализ, установив, что "горючий воздух" может быть получен из воды. Лавуазье предположил, что этот газ является простым веществом, назвав его "hydrogene", что переводится как "рождающий воду". Русское название "водород" предложил химик М. Соловьев в 1824 году, ознаменовав конец теории флогистона и утверждение его, как химического элемента.
Получение водорода практикуется с XVI века, исследованиями ученых, таких как Роберт Бойль, Генри Кавендиш, Михаил Ломоносов и Антуан Лавуазье. Первым получателем считается Парацельс, проведший опыты с опилками в серной кислоте. На стыке XVIII и XIX веков стало ясно, что водород - легкий элемент, и его атомная масса принята за основную единицу сравнения атомных масс.
Современное название водорода пришло от Михаила Соловьева, который провел аналогию с его свойством "рождать воду". Англоязычное название "hydrogène" было предложено Лавуазье.
Нахождение в природе
Водород, обладая высокой распространенностью, играет значительную роль в природе. В земной коре его содержание составляет 1% массы, что является десятым по распространенности элементом. Однако, с учетом числа атомов, его доля среди других элементов составляет 16%, что делает его вторым по важности после кислорода. Этот элемент входит в состав воды, углеводов, жиров, белков и других соединений, образуя основу для живых организмов.
Свободный водород встречается крайне редко и, главным образом, присутствует в небольших количествах в вулканических газах и атмосфере. В околоземном пространстве образует внутренний радиационный пояс в виде потока протонов. В космосе он является самым распространенным элементом, составляя около половины массы Солнца и большинства звезд.
В настоящее время водород составляет около 88,6% всех атомов во Вселенной, преимущественно образуя звезды и межзвездный газ. Этот элемент также присутствует в виде плазмы при высоких температурах звезд, а также в межзвездном пространстве в виде молекул и ионов. Этот химический элемент играет важную роль в химических процессах на Земле, а его присутствие в органических веществах и живых клетках подчеркивает его ключевое значение в биологических процессах.
Физические свойства
Водород, самый легкий из известных в науке элементов, обладает рядом уникальных физических свойств. Его плотность составляет 0,0899 г/л при нормальных условиях (1 атм, 0 °С), что делает его в 14,4 раза легче воздуха. При температуре -259,1 °С водород плавится, а при -252,8 °С кипит, при этом только гелий обладает более низкими температурами кипения и плавления.
Критическая температура составляет -240 °С, что является крайне низким показателем. Это делает процесс сжижения водорода сложным и затратным. Критическое давление вещества равно 12,8 кгс/см², а критическая плотность - 0,0312 г/см³. Стоит отметить, что водород обладает высокой теплопроводностью, которая при 1 атм и 0 °С составляет 0,174 вт/(мхК), превосходя теплопроводность других газов.
Удельная теплоемкость при тех же условиях равна 14,208 кДж/(кгхК) или 3,394 кал/(гх°С). Этот элемент слабо растворим в воде, около 0,0182 мл/г при 1 атм и 20 °С, но хорошо растворяется в большинстве металлов, таких как никель, платина и палладий. Способность водорода к диффузии связана с его воздействием на металлы, что может привести к разрушению сплавов, в частности, декарбонизации стали при диффузии через углеродистый сплав.
Под обычными условиями водород является бесцветным, не имеющим запаха газом, который практически не растворяется в растворителях. При сжатии и охлаждении переходит в жидкое состояние, а его твердое состояние формируется при еще более низких температурах. Газообразный водород обладает уникальными свойствами, такими как способность проникать через различные материалы, включая резину, стекло и металлы, благодаря маленькому радиусу атомов и молекул. Некоторые металлы, такие как платина, палладий и никель, способны растворять водород, что находит применение в создании высокоэффективных никель-металл-гидридных аккумуляторов, используемых в различных электронных устройствах.
Важно отметить, что этот элемент был описан в контексте его уникальных свойств, таких как легкость (в 14,5 раза легче воздуха), высокая теплопроводность, состав молекулы из двух атомов, и хорошая растворимость в металлах. Подчеркивается, что газ не обладает вкусом, запахом или цветом при нормальных условиях, закипает при температуре -252,76 °C, и для получения вещества в жидком состоянии требуются крайне низкие температуры в диапазоне от -252,76 до -259,2 °C. Жидкий водород характеризуется текучестью и отсутствием цвета при температуре -253 °C, а его плотность составляет 0,0708 г/см³.
Химические свойства
В химии водород является элементом, проявляющим уникальные химические свойства. Его валентность +1 в соединениях схожа с валентностью натрия и других щелочных металлов, что позволяет отнести его к I группе системы Менделеева. Гидриды металлов, содержащие ион водорода с отрицательным зарядом (-1), например, Na+H-, аналогичны хлоридам металлов, подчеркивая аналогию в химическом поведении.
Молекулярный водород при обычных условиях проявляет низкую активность, реагируя лишь с самыми активными неметаллами, такими как фтор и хлор. Однако при нагревании он взаимодействует с многими химическими элементами. Атомарный водород, более активный, образует воду при реакции с кислородом с выделением тепла. Важно отметить, что элемент может образовывать взрывоопасные смеси с кислородом и воздухом.
Практическое применение связано с его способностью восстанавливать оксиды металлов. В реакциях с металлами, такими как железо и медь, образуются соответствующие гидриды. Реакции с галогенами дают галогеноводороды, однако с фтором происходит взрыв.
Важной областью применения водорода является воздействие на оксиды металлов, что приводит к их восстановлению. Вода, образуемая в результате этих реакций, служит источником водорода для многих промышленных процессов.
Уникальные свойства обуславливают его роль в химии, влияя на кислотные свойства, образование водородных связей и взаимодействие с различными элементами. Эти химические особенности открывают широкие перспективы для использования водорода в различных областях науки и техники.
Аллотропные модификации
Водород не имеет аллотропных модификаций
Изотопы
Изотопы водорода представляют различные варианты атомов химического элемента водород, отличающиеся количеством нейтронов в ядре. На сегодняшний день известны 7 обычных изотопов , а также экзотический атом водорода-4.1 (мюоний, 4He-μ).
Наиболее распространенным изотопом в природе является протий 1H (99,984%). Другой важный изотоп водорода - дейтерий 2H (или D) - хоть и встречается в природе в небольших количествах (0,0156%), играет ключевую роль в химических исследованиях. Дейтерийсодержащие соединения находят применение в ЯМР-спектроскопии, а дейтерированные препараты, содержащие так называемые дейтериевые метки, играют особую роль при изучении реакций с участием атомов водорода.
Третий распространенный изотоп водорода - тритий, обозначаемый T или 3H, - обладает радиоактивными свойствами и имеет период полураспада в 12,3 года. Все остальные радиоизотопы обладают крайне короткими периодами полураспада, существенно меньшими миллисекунд.
Получение
В настоящее время для извлечения водорода применяют два основных метода: мембранные установки и адсорбционные установки. Мембранные установки позволяют концентрировать водород с минимальными потерями, обладая высокой гибкостью и доступной стоимостью оборудования. Эти установки демонстрируют эффективность в выделении водорода из газовых потоков, обеспечивая простоту аппаратурного оформления и долгий срок службы мембран. Адсорбционные установки, в свою очередь, основаны на технологии адсорбции при переменном давлении, обеспечивая высокую чистоту водорода, хотя и с высокой стоимостью.
Промышленное использование водорода влечет за собой необходимость его регулярного получения в больших объемах. Три основных метода включают добычу из воды, кислот и воздуха. Производство водорода из воздуха при помощи генераторов представляет собой быстрый и относительно недорогой метод, прогнозируемый для широкого применения в будущем в энергетике. Выбор прибора зависит от метода: в лаборатории используются емкости, а промышленность использует крупные автоматизированные установки, минимизируя влияние человеческого фактора на процесс.
Для промышленного производства элемента используют различные источники сырья, включая газы нефтепереработки, природные горючие и коксовые газы. Электролиз воды, проводимый с использованием постоянного тока в растворах NaOH или КОН, предоставляет один из методов получения водорода. Синтез оксида углерода (II) из углеводородов также является важным способом производства водорода. Независимо от выбранного метода, этот газ остается востребованным элементом, имеющим обширные перспективы применения в различных областях.
Применение
Водород, как универсальный элемент, находит широкое применение в различных отраслях. В промышленности его используют для атомно-водородной сварки, создания гирокомпасов, осветительных приборов, а также для процессов гидрокрекинга и гидроочистки. Элемент является ключевым компонентом в создании аммиака, метанола и многих других соединений, используемых в химической промышленности и электронике.
В медицине обогащенная водородом вода применяется в терапевтическом лечении различных заболеваний, включая онкологические. Его способность стимулировать эндогенные антиоксиданты помогает справляться со стрессовыми ситуациями и их негативным воздействием на организм.
В быту химический элемент используется для создания аммиака и других химических соединений, которые встречаются в бытовой химии. Кроме того, он широко применяется в пищевой и косметической промышленности для производства различных продуктов, таких как саломас, мыло, маргарин и косметические средства.
В ракетной и авиационной промышленности используется как топливо. Его способность быстро сгорать и обеспечивать высокую тягу делает его перспективным материалом для использования в будущих технологиях. Однако в авиации его применение ушло в прошлое из-за катастроф, вызванных горючестью газа.
Промышленное производство водорода началось в конце XVIII века, и с тех пор он стал важным компонентом в различных отраслях, включая химическую промышленность, производство аммиака и ядерной энергетики. Его изотопы, тритий и дейтерий, играют важную роль в атомной энергетике.
Биологическая роль
Биологическое значение водорода в организмах связано с его включением в состав различных молекул, таких как вода и основные группы природных соединений, включая белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы. Этот элемент составляет примерно 10% массы живых организмов, играя ключевую роль в поддержании пространственной структуры белков и реализации принципа комплементарности нуклеиновых кислот.
Важность этого химического элемента проявляется также в его участии в динамических процессах и реакциях в организме. Ион водорода (Н+) активно участвует в биологическом окислении, обеспечивающем энергией живые клетки, в фотосинтезе у растений, реакциях биосинтеза, азотфиксации и бактериальном фотосинтезе, поддерживая кислотно-щелочной баланс и гомеостаз, а также участвуя в мембранных процессах транспорта.
Несмотря на отсутствие биологической ценности у водорода как отдельного элемента, его важность проявляется в соединениях, в которых он входит. Вода, основной источник жизни, представляет собой соединение водорода с кислородом. Этот химический элемент также участвует в образовании кислот, способствуя высвобождению иона водорода и созданию оптимального рН среды. Его способность образовывать водородные связи влияет на структуру белков и структуру ДНК, обеспечивая их функциональность в клетках. Таким образом, газ, наряду с кислородом и углеродом, формирует структурную и функциональную основу биологических процессов.