Неметалл под №1 в периодической системе Д.И. Менделеева считают «элементом жизни». Дословно его название переводится с латыни, как «рождающий воду». Самый распространенный химический элемент в космическом пространстве – водород. Он является основной частью массы Солнца, звезд, межгалактических газов. Нефть, уголь, глина и другие объекты биосферы Земли содержат его в своем составе.
Водородные изотопы
В природе встречаются несколько вариантов атомов химического элемента. В таблице зафиксировано среднее значение его относительной массы, равной 1. Стабильные изотопы, протий и дейтерий, имеют атомный вес, соответственно, 3 и 2. Тритий – радиоактивен, а водород с массой, равной 4 – неустойчив.
Крайне редко элемент содержится в свободном состоянии (природный, вулканический газы). Многообразие химических соединений объясняется тем, что атом водорода имеет уникальное строение. Имеющийся единственный электрон, он с легкостью отдает другому химическому элементу. С металлом или неметаллом «первый» образует ковалентную полярную связь.
Как получить водород?
В промышленных масштабах газ синтезируют путем:
- Конверсии метана (СН4)
- Электролиза водных растворов щелочей и кислот.
- Коксования угля.
Полученный водород, в результате технологических процессов переработки основного вещества, транспортируют и хранят в стальных баллонах. Тара должна быть обязательно зеленого цвета и газ в ней находится под большим давлением.
Другие процессы (электролиз воды, дегидрирование ароматических углеводородов) являются энергетически затратными. В промышленности перспективна реакция разложения сероводорода. Так, затраты энергии на упомянутый процесс в 15 раз меньше, чем при гидролизе воды.
Физические свойства
Самый легкий газ – водород. Он почти в 15 раз легче воздуха. По сравнению с теплопроводностью большинства металлов, элемент №1 имеет высокий уровень данного признака. Доказательство тому то, что нагретое тело в атмосфере водорода остынет в 6 раз быстрее, чем на воздухе.
Причина высокой теплопроводности заключается в большой скорости движения молекул водорода, легких по своей массе. В некоторых металлах растворимость элемента №1 велика. Так, в 1 объеме палладия растворяется до 900 объемов водорода. При создании аккумуляторов используют именно это свойство.
Реакционная способность водорода
Атом способен терять электрон и образовывать катион – положительно заряженный ион, с небольшим радиусом. В этом он похож на щелочные металлы, соседей по 1 группе. Атомарный водород может также присоединять электрон, превращаясь в отрицательно заряженный ион (анион). Тогда он подобен галогенам из 7 группы. Поэтому, в таблице Д.И. Менделеева химический символ (Н) находится в двух местах.
В молекулах существует, так называемая, водородная связь. Она достаточно прочная, образуется с другими, более электроотрицательными элементами (кислородом, азотом, фтором). Присутствует связь в универсальных органических и неорганических растворителях – спирте и воде, соответственно. В кристаллах льда водородная связка еще прочнее. Замершая вода находится в твердом агрегатном состоянии.
Молекулярный газ
В молекуле водороды связываются между собой при помощи ковалентной неполярной одинарной связи. Оба атома обмениваются по 1 электрону, образуя пару. Легким газом наполняют воздушные шары, раньше – дирижабли. Подобные летательные аппараты опасны, легко воспламеняются. Как ракетное топливо, водород сгорает в атмосфере кислорода.
Применение водорода
Области использования газа разнообразны:
- В горелках, для сварки, резки металлов.
- При производстве аммиака, соляной кислоты, особо чистых элементов, органических веществ.
- В термоядерной технике получение дейтерия, трития.
Последнее направление способно обеспечить человечество неисчерпаемой энергией. Все области связаны с восстановительными свойствами неметалла (отдачей электрона).
Проблема хранения водорода
Делать большие запасы газа неудобно. Методы транспортировки и хранения основаны на том, чтобы «первый» при этом находился в компактном виде. Сейчас хранят сырье в формате жидких и твердых гидридов (водородных соединений).
Перспективное направление заключается в получении твердого металлического водорода при очень высоком давлении. Процессы гидрирования (насыщения) ароматических соединений представляют особый интерес. Так, из бензола получают циклогексан. Затем, в результате реакции дегидрирования (отщепления водорода) образуется непосредственно газ. Таким образом, решается проблема его хранения.
Важнейшее химическое соединение водорода
Н2О – самое распространенное вещество на Земле. Оксид по массе содержит почти 90% кислорода. Жидкость, без запаха и цвета, имеет высокую теплоемкость. Ее плотность, по мере охлаждения, резко возрастает. Она достигает своего максимума при температуре +4 градуса, затем немного уменьшается.
Разрушить структуру молекулы воды можно только внешним воздействием и довольно мощным фотохимическим, радиоактивным излучениями. Термическое разложение проходит при 2 тыс. градусах. Помимо водорода, образуются также кислород, перекись Н2О2.
Водородные достижения
- Простейший атом, не имеющий аналогов в периодической системе химических элементов. Он состоит из 1 электрона, движущегося по орбитальной оболочке, и 1 протона, находящегося в ядре.
- Перспективное использование водорода в качестве горючего средства заключается в том, что газ попадает устройство в виде катионов. Его пропускают через твердый электролит.
- Плотность льда при кристаллизации составляет 0,91 г/см3. теплота плавления в 13,5 раз меньше, чем у свинца.
- Уникальные свойства воды объясняются ее угловым строением. Разные полюса образуются между кислородом и водородами. Дипольная структура делает вещество лучшим растворителем.
- Вода – вещество, вызывающее коррозию (ржавление) металлов. Она горит в потоке фтора. Благородные металлы (золото, серебро) с ней не реагируют.
- Водород относится к «десятке» основных элементов, которые составляют 99,9% массы живых объектов.
- Перекись обладает антисептическими свойствами. Она широко применяется в медицине.
- Галогены с разной скоростью реагируют с водородом: фтор со взрывом, даже в темноте. хлор – при освещении. йод и бром – медленно, при поджигании.
