Химический элемент Водород

Когда дело доходит до периодической таблицы, элемент водород является номером один – в буквальном смысле. Это самый легкий и простой элемент, содержащий только один протон, один электрон и атомный номер один.

Десять интересных фактов о водороде
Водород составляет около 70% Вселенной по массе, что делает его на сегодняшний день самым распространенным элементом.
В звездах, подобных солнцу, атомы водорода сталкиваются, образуя атомы гелия, что представляет собой реакцию синтеза.
Хотя в природе существует только три изотопа водорода, некоторые из них с большим количеством нейтронов можно получить, бомбардируя тритий (водород с 2 нейтронами) дейтерием (водород с 1 нейтроном). Эти изотопы очень нестабильны и имеют периоды полураспада в доли секунды.
Тритий входит в состав некоторых высококачественных наручных часов и придает им светящиеся стрелки. Однако эти часы перестают светиться примерно через 12 лет из-за короткого периода полураспада трития.
Как и хлор, фтор, бром, йод, кислород и азот, водород является двухатомным. Это означает, что он встречается в природе чаще всего в виде двухатомной молекулы.
Углерод и водород создают углеводороды, которые представляют собой разнообразное семейство органических соединений.
При нагревании газообразный водород вступает в бурную реакцию с кислородом воздуха с образованием водяного пара.
Поскольку водород легче воздуха, его использовали для управления дирижаблями, пока такие аварии, как катастрофа Гинденбурга, не заставили людей осознать его опасность.
Водород входит в состав большего количества различных соединений, чем любой другой элемент, кроме углерода.
Элемент Водород настолько легкий, что он может покинуть атмосферу Земли, когда его не содержат.

Водород в периодической таблице
Символом водорода является H, а его атомный номер равен 1. В его наиболее распространенном изотопе содержится только один протон, один электрон и нет нейтронов. Хотя он находится в первой группе со щелочными металлами, он не металлический. Он также находится в одном периоде с гелием.

Водород имеет электроотрицательность 2,2 и находится выше лития в периодической таблице. Его электронная конфигурация равна 1s1. Существует три природных изотопа водорода: протий, дейтерий и тритий. У протия нет нейтронов, у дейтерия один, а у трития два. Протий составляет 99,98% природного водорода на Земле.

Водород – процесс Хабера
Процесс Хабера является распространенным методом получения аммиака (NH3) для удобрений. Для этого газообразный водород вступает в реакцию с газообразным азотом при высокой температуре и давлении с помощью металлического катализатора. Это приводит к образованию аммиака, который затем охлаждается. Процесс был создан и назван в честь немецкого ученого Фрица Хабера, который получил Нобелевскую премию по химии за эту работу.

Производитель кислот
Атом водорода без своего электрона - это просто протон. Наличие более высоких концентраций протонов в растворе делает раствор более кислым. Это происходит, когда водород диссоциирует от его связи с более электроотрицательным атомом, таким как хлор. Водород создает различные кислоты путем связывания с галогенами или в составе функциональной группы карбоновой кислоты.

С другой стороны, когда водород приобретает дополнительный электрон, он становится гидридным анионом. Это позволяет ему действовать как основание, улавливая протоны из раствора.

Водородная связь
Одним из уникальных свойств водорода является водородная связь. Когда водород присоединяется к азоту, кислороду или фтору, он получает небольшой положительный заряд. Это позволяет водороду вступать в межмолекулярные взаимодействия с электроотрицательными атомами, которые имеют небольшой отрицательный заряд (например, опять же, N, O или F), заставляя их слипаться. Для того, чтобы электроотрицательный атом участвовал в образовании водородных связей, у него должна быть одиночная пара. Несмотря на свое название, водородные связи на самом деле представляют собой межмолекулярные силы, а не ковалентные или ионные связи.

Водородные связи являются причиной удивительно высокой температуры кипения воды. Атомы водорода и кислорода в разных молекулах воды будут притягиваться друг к другу, и это притяжение необходимо преодолеть, прежде чем вода сможет закипеть. Поскольку кислород настолько электроотрицателен, он создает прочные водородные связи.

Применение водорода в современном мире
Наиболее распространенное новое применение водорода сегодня - в качестве потенциального альтернативного топлива. В отличие от дирижаблей, в которых для плавания использовались большие полости, заполненные водородом, модельные водородные топливные элементы вырабатывают энергию аналогично тому, как это делает аккумулятор.

Водородные топливные элементы
Одним из наиболее важных применений водорода сегодня является альтернатива ископаемому топливу. Водородные топливные элементы работают, сначала разделяя газообразный водород на протоны и электроны. В то время как протоны могут легко проходить через мембрану, электроны не могут и, следовательно, должны идти другим путем, создавая электрический ток в процессе. Затем протоны и электроны водорода соединяются с кислородом, образуя воду — единственный побочный продукт этого процесса. Это означает, что водородные топливные элементы не выделяют никаких парниковых газов. Кроме того, водородные топливные элементы имеют потенциально может быть более эффективным, чем двигатели внутреннего сгорания.

В настоящее время в Соединенных Штатах существует ограниченное количество водородных заправочных станций, а производство водородных топливных элементов также дорого. Это означает, что если они и станут обычным явлением, то не раньше, чем эти проблемы будут решены.

Схема водородного топливного элемента
Одна из проблем, связанных с использованием водорода в качестве источника топлива, заключается в том, что, хотя при сжигании водорода не образуются парниковые газы, основной метод его получения это делает. Чтобы получить газообразный водород, метан из ископаемого топлива подвергается процессу, называемому “паровой реформинг”, который превращает метан в монооксид углерода, который затем становится двуокисью углерода.

Реактивное топливо
Низкотемпературный водород (около -240 ° C) также может заменить керосин в качестве топлива для самолетов. Подобно водородным топливным элементам, этот метод потенциально может производить меньше выбросов парниковых газов, чем керосин, и сокращать объем технического обслуживания, необходимого самолету.

Фармацевтика
В фармацевтической промышленности водород используется как для создания необходимых исходных материалов, так и для лечения. Например, водород является основной частью производства перекиси водорода (H2o2). Перекись водорода имеет много применений в химической промышленности, как в качестве антимикробного вещества, так и в качестве окислителя.

Кроме того, поскольку фармацевтические препараты являются органическими соединениями, водород, по определению, входит в их состав. В органических соединениях водород действует как заполнитель. Он занимает место, помогая углероду образовывать четыре связи, но химики часто рассматривают его как часть молекулы, о которой не стоит упоминать. В большинстве случаев присутствие водорода просто указывает на отсутствие функциональной группы.

Когда и как был открыт водород?
Хотя ранее ученые заметили следы водорода, в 1766 году английский химик Генри Кавендиш стал первым, кто продемонстрировал его существование как уникального элемента. Кавендиш увидел, что при сгорании водорода образуется вода.

Много лет спустя, в 1783 году, Антуан Лавуазье дал элементу Водород его название. Название “Водород” происходит от греческих “Гидро” и “Гены”, что означает водообразующий.

Американский химик Гарольд Юри открыл дейтерий, также называемый тяжелым водородом, в 1931 году. Чтобы сделать это открытие, Юри отделил два изотопа друг от друга. В 1934 году Юри получил Нобелевскую премию за свои исследования водорода.

Химия водорода – соединения, реакции, степени окисления, выделение
Химические свойства водорода
При сгорании водород вступает в бурную реакцию с воздухом с образованием воды (2h2 (g) + O2 (g) > 2h2o (g)). Он существует в природе в виде двухатомной молекулы или в составе других химических соединений.

Соединения водорода
Водород образует такое большое разнообразие соединений, что перечислить их все невозможно. Однако многие соединения, в состав которых входит водород, можно разделить на несколько широких категорий.

Органические соединения
Углерод и водород вместе составляют органические соединения. Соединения, которые содержат только эти два типа атомов, называются углеводородами. Эти соединения представляют собой легковоспламеняющиеся жидкости и газы, основное назначение которых - использование в качестве топлива.

Водород также присутствует в аминокислотах, которые являются строительными блоками жизни.

Хотя водород присутствует в каждом органическом соединении, он обычно не играет такой важной роли в определении свойств соединений, как функциональные группы.

Кислоты
Когда он входит в состав кислоты, протон из водорода диссоциирует в растворе, что делает раствор кислым. Электрон, который принадлежал водороду, остается с сопряженным основанием.

Гидрид натрия
NaH представляет собой ионное соединение, состоящее из ионов Na + и H–. В отличие от кислот, которые выделяют протон в растворе, NaH выделяет гидрид-ион, который является основным. Гидрид-ион - это атом водорода с дополнительным электроном, который придает ему отрицательный заряд.

Вода
Без воды жизнь на этой планете не существовала бы так, как она есть. Вода необходима для всех живых организмов. Из-за водородных связей вода имеет высокую температуру кипения, что позволяет ей поглощать больше тепловой энергии и не кипеть.

Аммиак
В промышленности одним из наиболее важных применений водорода является производство NH3 для удобрений.

Выделение водорода
Поскольку газообразный водород нелегко получить непосредственно из природы, его необходимо изолировать от других соединений. Он отделяется от метана с помощью парового риформинга. Этот процесс также создает диоксид углерода в качестве побочного продукта. Другим методом получения водорода является электролиз, при котором электрический ток расщепляет молекулы воды для удаления водорода.

Степени окисления водорода
Водород имеет только две степени окисления, +1 и -1. В ионных соединениях степень окисления водорода зависит от относительной электроотрицательности другого иона. Например, при соединении с галогеном водород находится в состоянии + 1. Это также его более распространенная степень окисления, поскольку H приобретает степень окисления + 1 при соединении с неметаллами. При соединении с металлом он находится в состоянии -1.

Физические свойства водорода
Водород - это бесцветный газ без запаха. Это самый маленький и наименее плотный элемент в периодической таблице.

Символ: H
Температура плавления: -259,16 °C
Температура кипения: -252,87 °C
Плотность (г/мл): 8,988 x 10-5
Атомная масса: 1.008
Атомный номер: 1
Электроотрицательность (шкала Полинга): 2,20
Классификация: Группа I, неметалл
Количество земной коры: 0,14%
Электронная конфигурация: 1s1
Изотопы: протий, дейтерий, тритий
Встречается в природе в: воде, аммиаке, органических соединениях
Токсичность: Водород не токсичен

Где я могу купить водород?
Такие компании, как Cal Gas, напрямую продают газообразный водород в металлических канистрах. Газ обычно стоит от 1 до 3 долларов за литр.