Фізичні властивості водню. Властивості і застосування водню

Гідроген Н – хімічний елемент, один з найпоширеніших у нашому Всесвіті. Маса водню як елемента в складі речовин, що становить 75 % від загального вмісту атомів іншого типу. Він входить в найважливіша і життєво необхідне з’єднання на планеті – воду. Відмінною особливістю водню також є те, що він перший елемент періодичної системи хімічних елементів Менделєєва Д. І..

Відкриття і дослідження

Перші згадки про водні працях Парацельса датуються шістнадцятим століттям. Але його виділення з газової суміші повітря і дослідження властивостей горючих були зроблені вже в сімнадцятому столітті ученим Лемері. Досконально вивчив гідроген англійський хімік, фізик і природодослідник Генрі Кавендіш, який досвідченим шляхом довів, що маса водню найменша в порівнянні з іншими газами. На наступних етапах розвитку науки багато вчених працювали з ним, зокрема Лавуазье назвав його «народжує воду».

Характеристика за положенням у ПСХЭ

Елемент, що відкриває періодичну таблицю Менделєєва Д. І., – це водень. Фізичні і хімічні властивості атома проявляють певну подвійність, так як гідроген одночасно відносять до першої групи, головної підгрупи, якщо він веде себе 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 гідрогена. Частинка має один електрон з Z= (-1), який обертається по 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 гідрогена 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 гідроген називають просто протоном.

Фізичні властивості

Якщо описувати фізичні властивості водню коротко, то це безбарвний, малорозчинний газ з відносною атомною масою, що дорівнює 2, в 14,5 рази легше, ніж повітря, з температурою скраплення, складовою -252,8 градуси 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 З₂, 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 підніметься, так як газ просто пройде через гуму. Також водень може накопичуватися у структурі деяких металів (паладій або платина), а при підвищенні температури випаровуватися з неї.

Властивість малорастворимости 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 інші представники періодичної системи хімічних елементів, гідроген 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, в 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 дейтерированная вода, що містить в своєму складі замість атома водню з одним-єдиним протоном дейтерій ²Н – його ізотоп з двома елементарними частинками: позитивної і незарядженої. Цей ізотоп в два рази важче звичайного гідрогена, що і пояснює відмінність у властивостях сполук, що вони утворюють. У природі дейтерій зустрічається в 3200 разів рідше, ніж водень. Третій представник – тритій ³М, в ядрі він має два нейтрона і один протон.

Способи отримання і виділення

Лабораторні і промислові методи одержання водню дуже відрізняються. Так, в малих кількостях газ одержують у основному з допомогою реакцій, в яких беруть участь мінеральні речовини, а великомасштабні виробництва більшою мірою використовують органічний синтез.

В 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 сприяє виділенню водню паралельно з утворенням комплексних солей.

У промислових інтересах газ отримують такими методами, як:

1. Термічний розклад метану в присутності каталізатора до складових його простих речовин (350 градусів досягає значення такого показника, як температура) – водню Н₂? і вуглецю С.
2. Пропускання пароподібної 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 гідрогена дорівнює 1, так як він в таблиці Менделєєва розташований у першій групі, а ступінь окиснення виявляє різну. У всіх з’єднаннях, крім гідридів, водень в с. о.= (1+), в молекулах типу ХП, ХП₂, ХП₃ – (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 вступає в реакції при зміні нормальних умов. В залежності від ступеня окислення водню у 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. Лужний і лужноземельний метал + водень = гідрид.
2. Галоген + Н₂ = галогеноводород.
3. Сірка + водень = сірководень.
4. Кисень + Н₂ = вода.
5. Вуглець + водень = метан.
6. Азот + Н₂ = аміак.

Взаємодія зі складними речовинами:

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

Воднева зв’язок

Фізичні властивості водню такі, що дозволяють йому, перебуваючи в поєднанні з електронегативний елемент, утворювати особливий тип зв’язку з таким же атомом із сусідніх молекул, що мають неподеленные електронні пари (наприклад, киснем, азотом і фтором). Найяскравіший приклад, на якому краще розглянути явище, – це вода. Вона, можна сказати, прошита водневими зв’язками, які слабкіші ковалентних або іонних, але за рахунок того, що їх багато, значно впливають на властивості речовини. По суті, воднева зв’язок – це електростатичне взаємодія, яке зв’язує молекули води в димери і полімери, обґрунтовуючи 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 многоосновным з’єднанням. У ньому є кілька атомів водню, що робить дисоціацію у водних розчинах багатоступеневою. Кожен наступний протон відривається від залишку кислоти все важче. За кількісним вмістом воднів в середовищі визначається його кислотність.

Водень і містять гідроксильні групи підстав. У них водень сполучений 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 із 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 накачують у балон під тиском близько 150 атмосфер. Фізичні властивості водню, зокрема легкість газоподібного агрегатного стану, використовують для наповнення їм в суміші з гелієм аеростатів, куль-зондів і т. д.

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

Визначили хімічні властивості і застосування водню в різних процесах гідрогенізації та гідрування жирів, вугілля, вуглеводнів, масел і мазуту. З допомогою нього виробляють дорогоцінні камені, лампи розжарювання, проводять кування і зварювання металевих виробів під впливом киснево-водневого полум’я.