ГІДРОГЕН

Hydrogenium

1 Водень
H 1,0079
1s1

Гідроген утворює просту речовину водень – H2.

 

 

 

 

 

 


Водень запаяний в скляній ампулі під тиском декілька мілібар під дією високочастотного розряду починає світитися.

 

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ.

Генри Кавендиш

(1731–1810)

 

Водень відомий досить давно. Його виділяли дією кислот на метали та спостерігали вибухи гримучого газу Парацельс, Бойль, Лемері та інші вчені XV1–XVIII століть.

Проте його вважали "вільним флонгітоном". Так, Михайло Васильович Ломоносов у своїй дисертації описує методи одержання водню ("горючої пари" - vapor inflammabilis) та висуває гіпотезу про те що цей газ є флонгістоном.

Англійський фізик і хімік Генрі Кавендіш у 1766 році вперше не лише отри мав водень, а й дослідив його властивості. Він помітив, що при горінні водню утворюється вода. саме тому Г. Кавендішу приписують відкриття водню та Гідрогену. Проте теорія флонгістону завадила йому зробити правильнв висновки. Пізніше, у 1779 році, досліджуючи водень, французький вчений Антуан Лоран Лавуазьє остаточно встановив склад води, а одну із її складових частин назвав Hydrogene.

Номенклатурна комісія в 1787 році прийняла цю назву, як похідну від грецьких гідро вода та геннао – народжую.

Ізотопи Гідрогену були відкриті у 30-х роках минулого століття й відразу ж набули великого значення у науці й техніці. В кінці 1931 року Юрі, Брекуедд та Мерфі дослідили залишок після довгого випарювання рідкого водню та виявили в ньому важкий Гідроген з масовим числом 2. Цей ізотоп назвали Дейтерієм (Deuterium, D) , від грецького деутрос – другий. Через чотири роки після цього, у воді , яка була піддана довготривалому електролізу, був виявлений ще один більш важкий ізотоп Гідрогену (3H), який назвали Тритієм, від грецького тритос – третій.

Назва Гідроген від грец. ὕδωρ  — вода та γενναω — народжую) — «той, що народжує воду». Українська назва водень також відображає входження елементу до складу води.

 

ПОВІТРЯНА КУЛЯ ...

 

ПОШИРЕННЯ У ПРИРОДІ.

Гідроген — найбільш розповсюджений елемент у Всесвіті. На його долю припадає 90% всіх атомів. Близько половини маси Сонця та зірок припадає на Гідроген. Він є також основною частиною газів міжзоряного простору.

 

Гідроген — найбільш розповсюджений елемент у Всесвіті.

 

В земній корі міститься 0,15% Гідрогену за масою. Гідроген входить до складу основної речовини Землі — води.

 

Тихий океан із космосу. Більша частина поверхні Землі покрита водою.

 

Гідроген входить до складу вугілля, нафти, природного газу, глини, а також  всієї біосфери — рослин та тварин. 16% всіх атомів на Землі припадає на атоми Гідрогену. У вільному вигляді він зустрічається дуже рідко —  в вулканічних та інших природних газах.

 

ОДЕРЖАННЯ.

Водень добувають:

 

В промисловості.

1) Електроліз водних розчинів солей:

2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2

2) Пропускання парів води над розжареним коксом при температурі близько 1000 °C:

H2O + C = H2 + CO

3) Из природного газу.

4) Конверсія з водяною парою:

CH4 + H2O = CO + 3H2 (1000 °C)

5) Каталітичне окиснення киснем:

2CH4 + O2 = 2CO + 4H2

6) Крекинг і риформінг вуглеводнів в процесі переробки нафти.

 

баллоны с  водородом
Балони з воднем

 

В лабораторії

1) Дія розбавлених кислот на метал. Для проведення такої реакції найчастіше використовують цинк та розбавлену хлоридну кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

Цю реакцію проводять в апараті Кіппа. У середню частину апарату засипають цинк, а у верхню — заливають кислоту.

 

Апарат Кіппа.

 

2) Взаємодія кальцію з водою:

Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2

3) Гідроліз гідридів:

NaH + H2O → NaOH + H2

4) Дія лугів на цинк чи алюміній:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2

Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + H2

5) За допомогою електролізу. При електролізі водних розчинів лугів чи кислот на катоді відбувається виділення водню, наприклад:

2H3O+ + 2e → H2↑ + 2H2O

ПРОБА НА ЧИСТОТУ.

Пробірку перевернуту догори дном, заповнюють воднем, отвір закривають пальцем і підносять пробірку отвором до вогню. Чистий водень спалахує майже не чутно, водень з домішкою повітря займається з гучним звуком.

 

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ.

Водень - найлегший газ, він легший за повітря в 14,5 разів. Очевидно, що чим менше маса молекул, тим вище їх швидкість при одній і тій же температурі. Як найлегші, молекули водню рухаються швидше молекул будь-якого іншого газу і тим самим швидше можуть передавати теплоту від одного тіла до іншого. Звідси випливає, що водень має найвищу теплопровідність серед газоподібних речовин. Його теплопровідність приблизно в сім разів вище теплопровідності повітря.

Молекула водню двоатомних - Н2. При нормальних умовах - це газ без кольору, запаху і смаку. Густина 0,08987 г/л (н. у.), температура плавлення -259,1 °C, температура кипіння -252,76 °C, питома теплота згоряння 120,9 6Дж/кг, малорозчинний у воді - 18,8 мл/л . Водень добре розчинний у багатьох металах (Ni, Pt, Pd тощо), особливо в паладії (850 об'ємів на 1 об'єм Pd). З розчинністю водню в металах пов'язана його здатність дифундувати через них; дифузія через вуглецевий сплав (наприклад, сталь) іноді супроводжується руйнуванням сплаву внаслідок взаємодії водню з вуглецем (так звана декарбонізація). Практично не розчинний в сріблі.

Рідкий водень існує в дуже вузькому інтервалі температур від -252,76 до -259,2° C. Це безбарвна рідина, дуже легка (густина при -253° C - 0,0708 г/см3) і текуча.

Твердий водень, температура плавлення -259,2° C, щільність 0,0807 г/см3 (при -262° C) - білосніжна маса. При високому тиску водень переходить в металевий стан.

 

КИСЛИЙ СМАК.

 

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ.

Водень може бути, як відновником (в реакціях з неметалами, оксидами, органічними речовинами), так і окисником (в реакціях з металами).

Взаємодія з металами. Внаслідок нагрівання лужних та лужноземельних металів в атмосфері водню утворюються солеподібні речовини — гідриди.

2Na + H2 = 2NaH

Ca + H2 = CaH2

Взаємодія з неметалами. Водень взаємодіє з багатьма неметалами. Залежно від активності неметалів реакція може відбуватись з різною швидкістю. Із фтором реакція відбувається за кімнатної температури і завжди з вибухом.

H2 + F2 = 2HF

З хлором в темряві та без нагрівання водень взаємодіє повільно, на світлі — швидше, під час нагрівання миттєво із вибухом. Водень добре горить в атмосфері хлору.

H2 + Cl2 = 2HCl

Із бромом та йодом водень реагує дуже повільно.

Також активно водень реагує з киснем. Водень горить в атмосфері кисню, а суміш водню та кисню у співвідношенні 2:1, при наявності ініціатора (нагрівання, наявність платини чи ніколу), вибухає.

2H2 + O2 = 2H2O

Суміш водню та кисню в об’ємному співвідношенні 2:1, чи водню та повітря — 2:5, — називають гримучим газом.

Температура воднево-кисневого полум’я становить близько 3000 °C.

З багатьма неметалами водень реагує за високої температури (наприклад, із сіркою), за високої температури та тиску або наявності каталізатора (наприклад, з азотом).

H2 + S = H2S

N2 + 3H2 = 2NH3

Взаємодія з оксидами та галогенідами металів.

За високих температур водень може відновлювати метали з оксидів.

CuO + H2 = Cu + H2O

А також згалогенідів:

CuCl2 + H2 = Cu + 2HCl

Взаємодія з органічними речовинами. З органічними речовинами водень вступає в реакції приєднання за кратним зв’язком: подвійним чи потрійним. Такі реакції називаються реакціями гідрування.

Гідрування ацетилену

HC≡CH + H2 → H2C=CH2

Гідрування триолеату

Атомарний водень (H) є значно активнішим за молекулярний (H2).

 

ВИКОРИСТАННЯ.

Водень використовують для наповнення дирижаблів та аеростатів.

 

ІСТОРІЯ ДИРИЖАБЛЯ ГІНДЕНБУРГ.

Водень використовується при синтезі аміаку NH3, хлороводню HCl, метанолу СН3ОН, при гідрокрекінзі (крекінг у атмосфері водню) природних вуглеводнів, як відновник при отриманні деяких металів. Гідруванням природних рослинних олій отримують твердий жир — маргарин. Рідкий водень застосовується як ракетне паливо та як охолоджувач, оскільки має найвищу теплопровідність з усіх газів. Суміш кисню з воднем використовують при зварюванні.

Дейтерій та тритій застосовують у атомній енергетиці.

 

ВОДНЕВА БОМБА

 

Використання дейтерію в техніці.

 

Використання тритію.

 

Атом радіопередавач.

 

Дуже перспективним напрямком є використання водню як палива для двигунів нового типу, так званих паливних елементів. У США та в Європі вже існують водневі заправні станції, які забезпечують воднем автомобілі та автобуси, що на ньому працюють. Ця галузь називається воднева енергетика.

 

Авто на водні Ford Focus.

 

Перший пасажирський автобус на водні.

Mercedes-Benz (DaimlerChrysler) Citaro Алдвих, Лондон, 19 жовтня 2005.