Водород занимает особое положение в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. По числу валентных электронов, способности образовывать в растворах гидратный ион H + он сходен со щелочными металлами, и его следует поместить в I группу. По числу электронов, необходимых для завершения внешней электронной оболочки, значению энергии ионизации, способности проявлять отрицательную степень окисления, малому атомному радиусу водород следует поместить в VII группу периодической системы. Таким образом, размещение водорода в той или иной группе периодической системы в значительной мере условно, но в большинстве случаев его помещают в VII группу.
Электронная формула водорода 1s 1 . Единственный валентный электрон находится непосредственно в сфере действия атомного ядра. Простота электронной конфигурации водорода отнюдь не означает, что химические свойства этого элемента просты. Напротив, химия водорода во многом отличается от химии других элементов. Водород в своих соединениях способен проявлять степени окисления +1 и –1.
Существует большое количество методов получения водорода. В лаборатории его получают взаимодействием некоторых металлов с кислотами, например:
Водород можно получить электролизом водных растворов серной кислоты или щелочей. При этом происходит процесс выделения водорода на катоде и кислорода на аноде.
В промышленности водород получают главным образом из природных и попутных газов, продуктов газификации топлива и коксового газа.
Простое вещество водород (H 2) представляет собой горючий газ без цвета и запаха. Температура кипения –252,8 °C. Водород в 14,5 раз легче воздуха, мало растворим в воде.
Молекула водорода устойчива, обладает большой прочностью. Из-за высокой энергии диссоциации (435 кДж/моль) распад молекул H 2 на атомы происходит в заметной степени лишь при температуре выше 2000 °C.
Для водорода возможны положительная и отрицательная степени окисления, поэтому в химических реакциях водород может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. В тех случаях, когда водород выступает в качестве окислителя, он ведет себя подобно галогенам, образуя аналогичные галогенидам гидриды (гидридами называют группу химических соединений водорода с металлами и менее электроотрицательными, чем он, элементами):
По окислительной активности водород существенно уступает галогенам. Поэтому ионный характер проявляют лишь гидриды щелочных и щелочноземельных металлов. Ионные, а также комплексные гидриды, например, являются сильными восстановителями. Их широко используют в химических синтезах.
В большинстве реакций водород ведет себя как восстановитель. При нормальных условиях водород не взаимодействует с кислородом, однако при поджигании реакция протекает со взрывом:
Смесь двух объемов водорода с одним объемом кислорода называют гремучим газом. При контролируемом горении происходит выделение большого количества тепла, и температура водородно-кислородного пламени достигает 3000 °C.
Реакция с галогенами протекает, в зависимости от природы галогена, по-разному:
С фтором такая реакция идет со взрывом даже при низких температурах. С хлором на свету реакция также протекает со взрывом. С бромом реакция идет значительно медленнее, а с йодом не доходит до конца даже при высокой температуре. Механизм этих реакций радикальный.
При повышенной температуре водород взаимодействует с элементами VI группы - серой, селеном, теллуром, например:
Очень важной является реакция водорода с азотом. Эта реакция обратима. Для смещения равновесия в сторону образования аммиака используют повышенное давление. В промышленности данный процесс осуществляют при температуре 450–500 °C в присутствии различных катализаторов:
Водород восстанавливает многие металлы из оксидов, например:
Данную реакцию используют для получения некоторых чистых металлов.
Огромную роль играют реакции гидрирования органических соединений, которые широко используют как в лабораторной практике, так и в промышленном органическом синтезе.
Сокращение природных источников углеводородного сырья, загрязнение окружающей среды продуктами сгорания топлива повышают интерес к водороду как к экологически чистому топливу. Вероятно, водород будет играть важную роль в энергетике будущего.
В настоящее время водород широко применяют в промышленности для синтеза аммиака, метанола, гидрогенизации твердого и жидкого топлива, в органическом синтезе, для сварки и резки металлов и т. д.
Вода H 2 O, оксид водорода, является важнейшим химическим соединением. При нормальных условиях вода - бесцветная жидкость, без запаха и вкуса. Вода - самое распространенное вещество на поверхности Земли. В человеческом организме содержится 63–68% воды.
Физические свойства воды во многом являются аномальными. При нормальном атмосферном давлении вода кипит при 100 °C. Температура замерзания чистой воды 0 °C. B отличие от других жидкостей плотность воды при охлаждении возрастает не монотонно, а имеет максимум при +4 °C. Теплоемкость воды очень высока и составляет 418 кДж/моль·K. Теплоемкость льда при 0 °C составляет 2,038 кДж/моль·K. Аномально высокой является теплота плавления льда. Электропроводность воды очень мала. Аномальные физические свойства воды объясняют ее строение. Валентный угол H–O–H равен 104,5°. Молекула воды представляет собой искаженный тетраэдр, в двух вершинах которого располагаются атомы водорода, а две другие заняты орбиталями неподеленных пар электронов атома кислорода, не участвующих в образовании химических связей.
Вода является стабильным соединением, ее разложение на кислород и водород происходит лишь под действием постоянного электрического тока или при температуре около 2000 °C:
Вода непосредственно взаимодействует с металлами, стоящими в ряду стандартных электронных потенциалов до водорода. Продуктами реакции в зависимости от природы металла могут быть соответствующие гидроксиды и оксиды. Скорость реакции в зависимости от природы металла также изменяется в широких пределах. Так, натрий вступает в реакцию водой уже при комнатной температуре, реакция сопровождается выделением большого количества тепла; железо реагирует с водой при температуре 800 °С:
Самый распространенный элемент во вселенной - это водород. В веществе звезд он имеет вид ядер - протонов - и является материалом для термоядерных процессов. Почти половина массы Солнца также состоит из молекул H 2 . Содержание его в земной коре достигает 0,15 % , а атомы присутствуют в составе нефти, природного газа, воды. Вместе с кислородом, азотом и углеродом он является органогенным элементом, входящим в состав всех живых организмов на Земле. В нашей статье мы изучим физические и химические свойства водорода, определим основные области его применения в промышленности и значение в природе.
Положение в периодической системе химических элементов Менделеева
Первый элемент, открывающий периодическую систему - это водород. Его атомная масса составляет 1,0079. Имеет два стабильных (протий и дейтерий) и один радиоактивный изотоп (тритий). Физические свойства определяются местом неметалла в таблице химических элементов. В обычных условиях водород (формула его - H 2) представляет газ, который почти в 15 раз легче воздуха. Строение атома элемента уникально: он состоит только из ядра и одного электрона. Молекула вещества двухатомная, частицы в ней соединяются с помощью ковалентной неполярной связи. Ее энергоемкость достаточно велика - 431 кДж. Это объясняет невысокую химическую активность соединения в обычных условиях. Электронная формула водорода такова: H:H.
Вещество имеет еще целый ряд свойств, аналогов которым нет среди других неметаллов. Рассмотрим некоторые из них.
Растворимость и теплопроводность
Лучше всего проводят тепло металлы, но водород по теплопроводности приближается к ним. Объяснение феномена заключается в очень большой скорости теплового движения легких молекул вещества, поэтому в водородной атмосфере нагретый предмет остывает в 6 раз быстрее, чем на воздухе. Соединение может хорошо растворяться в металлах, например, почти 900 объемов водорода могут быть поглощены одним объемом палладия. Металлы могут вступать с H 2 в химические реакции, в которых проявляются окислительные свойства водорода. В этом случае образуются гидриды:
2Na + H 2 =2 NaH.
В этой реакции атомы элемента принимают электроны от частиц металла, превращаясь в анионы с единичным отрицательным зарядом. Простое вещество H 2 в данном случае является окислителем, что для него обычно не характерно.
Водород как восстановитель
Объединяет металлы и водород не только высокая теплопроводность, но и способность их атомов в химических процессах отдавать собственные электроны, то есть окисляться. Например, основные оксиды вступают в реакции с водородом. Окислительно-восстановительная реакция заканчивается выделением чистого металла и образованием молекул воды:
CuO + H 2 = Cu + H 2 O.
Взаимодействие вещества с кислородом при нагревании приводит также к получению молекул воды. Процесс является экзотермическим и сопровождается выделением большого количества тепловой энергии. Если газовая смесь H 2 и O 2 реагирует в соотношении 2:1, то ее называют так как при поджигании она взрывается:
2H 2 + O 2 = 2H 2 O.
Вода является и играет важнейшую роль в формировании гидросферы Земли, климата, погоды. Она обеспечивает круговорот элементов в природе, поддерживает все жизненные процессы организмов - обитателей нашей планеты.
Взаимодействие с неметаллами
Наиболее важные химические свойства водорода - это его реакции с неметаллическими элементами. При нормальных условиях достаточно химически инертны, поэтому вещество может реагировать только с галогенами, например с фтором или хлором, являющимися наиболее активными среди всех неметаллов. Так, смесь фтора и водорода взрывается в темноте или на холоде, а с хлором - при нагревании или на свету. Продуктами реакции будут галогеноводороды, водные растворы которых известны как фторидная и хлоридная кислоты. С взаимодействует при температуре 450-500 градусов, давлении 30-100 мПа и в присутствии катализатора:
N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH₃.
Рассмотренные химические свойства водорода имеют большое значение для промышленности. Например, можно получить ценный химический продукт - аммиак. Он является основным сырьем для получения нитратной кислоты и азотных удобрений: карбамида, нитрата аммония.
Органические вещества
Между углеродом и водородом приводит к получению простейшего углеводорода - метана:
C + 2H 2 = CH 4.
Вещество является важнейшей составной частью природного и Они применяются в качестве ценного вида топлива и сырья для промышленности органического синтеза.
В химии соединений углерода элемент входит в состав огромного количества веществ: алканов, алкенов, углеводов, спиртов и т. д. Известно много реакций органических соединений с молекулами H 2 . Они носят общее название - гидрирование или гидрогенизация. Так, альдегиды можно восстановить водородом до спиртов, непредельные углеводороды - до алканов. Например, этилен превращается в этан:
C 2 H 4 + H 2 = C 2 H 6 .
Важное практическое значение имеют такие химические свойства водорода, как, например, гидрогенизация жидких масел: подсолнечного, кукурузного, рапсового. Она приводит к получению твердого жира - саломаса, который используют в производстве глицерина, мыла, стеарина, твердых сортов маргарина. Для улучшения внешнего вида и вкусовых качеств пищевого продукта в него добавляют молоко, животные жиры, сахар, витамины.
В нашей статье мы изучили свойства водорода и выяснили его роль в природе и жизни человека.
Водород является самым первым элементом в Периодической системе химических элементов, имеет атомный номер 1 и относительную атомную массу 1,0079. Каковы физические свойства водорода?
Физические свойства водорода
В переводе с латыни водород означает «рождающий воду». Еще в 1766 году английский ученый Г. Кавендиш собрал выделяющийся при действии кислот на металлы «горючий воздух» и стал исследовать его свойства. В 1787 году А. Лавуазье определил этот «горючий воздух» как новый химический элемент, который входит в состав воды.
Рис. 1. А. Лавуазье.
У водорода существуют 2 стабильных изотопа – протий и дейтерий, а также радиоактивный – тритий, количество которого на нашей планете очень мало.
Водород является самым распространенным элементом в космосе. Солнце и большинство звезд имеют водород в своем составе в качестве основного элемента. Также этот газ входит в состав воды, нефти, природного газа. Общее содержание водорода на Земле составляет 1%.
Рис. 2. Формула водорода.
В состав атома этого вещества входит ядро и один электрон. Когда у водорода теряется электрон, он образует положительно заряженный ион, то есть проявляет металлические свойства. Но также атом водорода способен не только терять, но и присоединять электрон. В этом он очень похож на галогены. Поэтому водород в Периодической системе относится и к I и к VII группе. Неметаллические свойства водорода выражены у него в большей степени.
Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной связью
Водород при обычных условиях является бесцветным газообразным элементом, который не имеет запаха и вкуса. Он в 14 раз легче воздуха, а его температура кипения составляет -252,8 градусов по Цельсию.
Таблица «Физические свойства водорода»
Кроме физических свойств водород обладает и рядом химических свойств. водород при нагревании или под действием катализаторов вступает в реакции с металлами и неметаллами, серой, селеном, теллуром, а также может восстанавливать оксиды многих металлов.
Получение водорода
Из промышленных способов получения водорода (кроме электролиза водных растворов солей) следует отметить следующие:
- пропускание паров воды через раскаленный уголь при температуре 1000 градусов:
- конверсия метана водяным паром при температуре 900 градусов:
CH 4 +2H 2 O=CO 2 +4H 2
Рис. 3. Паровая конверсия метана.
- разложение метана в присутствии катализатора (Ni) при температуре 400 градусов:
Наиболее известным и наиболее изученным соединением кислорода является его оксид H 2 O – вода. Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость без запаха и вкуса. В толстом слое имеет голубовато-зеленоватый цвет.
Вода существует в трех агрегатных состояниях: в твердом – лед, жидком и газообразном – водяной пар.
Из всех жидких и твердых веществ вода обладает наибольшей удельной теплоемкостью. Благодаря этому факту вода является аккумулятором теплоты в различных организмах.
При нормальном давлении температура плавления льда 0 0 С (273 0 К), температура кипения воды +100 0 С (373 0 К). Это аномально высокие значения. При Т 0 +4 0 С вода имеет небольшую плотность, равную 1 г/мл. Выше или ниже этой температуры плотность воды меньше 1 г/мл. Эта особенность отличает воду от всех других веществ, плотность которых с понижением t 0 увеличивается. При переходе воды их жидкого состояния в твердое состояние происходит увеличение объема: из каждых 92 объемов жидкой воды образуется 100 объемов льда. С увеличением объема плотность уменьшается, поэтому, будучи легче воды, лед всегда всплывает на поверхность.
Исследования строения воды показали, что молекула воды построена по типу треугольника, в вершине которого находится электроотрицательный атом кислорода, а в углах оснований – водород. Валентный угол равен 104, 27. Молекула воды полярна – электронная плотность смещена к атому кислорода. Такая полярная молекула может взаимодействовать с другой молекулой с образованием более сложных агрегатов как за счет взаимодействия диполей, так и путем образования водородных связей. Это явление получило название ассоциации воды. Ассоциация молекул воды в основном определяется образованием между ними водородных связей. Молекулярная масса воды в состоянии пара равна 18 и отвечает ее простейшей формуле – Н 2 О. В остальных случаях молекулярная масса воды в кратное число раз больше восемнадцати (18).
Полярность и малые размеры молекулы приводят к тому, что она обладает сильными гидратирующими свойствами.
Диэлектрическая проницаемость воды настолько велика (81), что она оказывает мощное ионизирующее действие на растворенные в ней вещества, вызывая диссоциацию кислот, солей и оснований.
Молекула воды способна присоединиться к различным ионам, образуя гидраты. Эти соединения характеризуются специфическим стрением, напоминая комплексные соединения.
Одним из важнейших продуктов присоединения является ион гидроксония – Н 3 О, который образуется вследствие присоединения иона Н + к неподеленной паре электронов атома кислорода.
Вследствие этого присоединения образующийся ион гидроксония приобретает заряд +1.
Н + + Н 2 О Н 3 О +
Такой процесс возможен в системах, где содержатся вещества, отщепляющие ион водорода.
Вода, как на холоде, так и при нагревании активно взаимодействует со многими металлами, стоящими в ряду активности до водорода. В этих реакциях образуются соответствующие им оксиды или гидроксиды и вытесняется водород.:
2 Fe + 3 HOH = Fe 2 O 3 + 3 H 2
2 Na + 2 HOH = 2 NaOH + H 2
Ca + 2 HOH = Ca (OH) 2 + H
Вода довольно активно присоединяется к основным и кислотным оксидам, образуя соответствующие гидроксиды:
CaO + H 2 O = Ca (OH) 2 – основание
P 2 O 5 + 3 H 2 O = 2 H 3 PO 4 – кислота
Вода, которая присоединена в этих случаях, называется конституционной (в отличие от кристаллизационной в кристаллогидратах).
Вода реагирует с галогенами, в этом случае образуется смесь кислот:
H 2 + HOH HCl + HClO
Наиболее важным свойством воды является ее растворяющая способность.
Вода – самый распространенный растворитель в природе и технике. Большинство химических реакций проводится в воде. Но, пожалуй, наибольшее значение имеют биологические и биохимические процессы, происходящие в растительном и животном организмах с участием белков, жиров, углеводов и других веществ в водной среде организма.
Второе соединение водорода с кислородом – пероксид водорода H 2 O 2 .
Структурная формула Н – О – О – Н, молекулярный вес – 34.
Латинское название Hydrogenii peroxydum.
Это вещество было открыто в 1818 году французским ученым Луи-Жаком Тенаром, который изучал действие различных минеральных кислот на бария пероксид (BaO 2). В природе пероксид водорода образуется в процессе окисления. Наиболее удобным и современным способом получения H 2 O 2 является электролитический способ, который и используется в промышленности. В качестве исходных веществ используют серную кислоту или аммония сульфат.
Современными физико-химическими методами установлено, что оба атома кислорода в пероксиде водорода связаны непосредственно друг с другом неполярной ковалентной связью. связи же между атомами водорода и кислорода (вследствие смещения общих электронов в сторону кислорода) полярны. Поэтому молекула H 2 O 2 также полярна. Между молекулами H 2 O 2 возникает водородная связь, что приводит к их ассоциации с энергией связи О – О, равной 210 кДж, это значительно меньше энергии связи Н – О (470 кДж).
Раствор перекиси водорода – прозрачная бесцветная жидкость, без запаха или со слабым своеобразным запахом, слабокислой реакции. Быстро разлагается под действием света, при нагревании, при соприкосновении с щелочью, окисляющими и восстанавливающими веществами, выделяя кислород. Происходит реакция: H 2 O 2 = H 2 O + O
Малая устойчивость молекул H 2 O 2 обусловлена непрочностью связи О – О.
Хранят его в посуде из темного стекла и в прохладном месте. При действии на кожу концентрированных растворов перекиси водорода образуются ожоги, причем обожженное место болит.
ПРИМЕНЕНИЕ: в медицине применяют 3 % раствор перекиси водорода как кровоостанавливающее средство, дезинфицирующее и дезодорирующее средство для промываний и полосканий при стоматите, ангине, гинекологических заболеваниях и др.
При соприкосновении с ферментом каталазой (из крови, гноя, тканей) действует атомарный кислород в момент выделения. Действие H 2 O 2 кратковременное. Ценность препарата заключается в том, что продукты его разложения безвредны для тканей.
ГИДРОПЕРИТ – комплексное соединение перекиси водорода с мочевиной. Содержание перекиси водорода составляет около 35 %. Применяют как антисептическое средство вместо перекиси водорода.
Одним из основных химических свойств H 2 O 2 является его окислительно-восстановительные свойства. Степень окисления кислорода в H 2 O 2 равна -1, т.е. имеет промежуточное значение между степенью окисления кислорода в воде (-2) и в молекулярном кислороде (0). Поэтому перекись водорода обладает свойствами как окислителя, так и восстановителя, т.е. проявляет окислительно-восстановительную двойственность. Следует отметить, что окислительные свойства H 2 O 2 выражены гораздо сильнее, чем восстановительные и проявляются они в кислой, щелочной и нейтральной средах. Например:
2 KI + H 2 SO 4 + H 2 O 2 = I 2 + K 2 SO 4 + 2 H 2 O
2 I - - 2ē → I 2 0 1 – в-ль
H 2 O 2 + 2 H + + 2ē → 2 H 2 O 1 – ок-ль
2 I - + H 2 O 2 + 2 H + → I 2 + 2 H 2 O
Под действием сильных окислителей H 2 O 2 проявляет восстановительные свойства:
2 KMnO 4 + 5 H 2 O 2 + 3 H 2 SO 4 = 2 MnSO 4 + 5 O 2 + K 2 SO 4 + 8 H 2 O
MnO 4 - + 8H + + 5ē → Mn +2 + 4 H 2 O 2 – ок-ль
H 2 O 2 - 2ē → O 2 + 2 H + 5 – в-ль
2 MnO 4 - + 5 H 2 O 2 + 16 H + → 2 Mn +2 + 8 H 2 O + 5 O 2 + 10 H +
Выводы:
1. Кислород -самый распространенный элементна Земле.
В природе кислород встречается в двух аллотропных видоизменениях: O 2 – дикислород или «обычный кислород» и О 3 – трикислород (озон).
2.Аллотропия – образование разных простых веществ одним элементом.
3.Аллотропные видоизменения кислорода: кислород и озон.
4.Соединения кислорода с водородом -вода и пероксид водорода .
5.Вода существует в трех агрегатных состояниях: в твердом – лед, жидком и газообразном – водяной пар.
6.При Т 0 +4 0 С вода имеет плотность, равную 1 г/мл.
7.Молекула воды построена по типу треугольника, в вершине которого находится электроотрицательный атом кислорода, а в углах оснований – водород.
8.Валентный угол равен 104, 27
9.Молекула воды полярна – электронная плотность смещена к атому кислорода.
12.Сера. Характеристика серы, исходя из ее положения в периодической системе, с точки зрения теории строения атома, возможные степени окисления, физические свойства, распространение в природе,биологическая роль, способы получения, химические свойства. . Применение серы и её соединений в медицине и народном хозяйстве.
СЕРА:
А) нахождение в природе
Б) биологическая роль
В) применение в медицине
Сера широко распространена в природе и встречается как в свободном состоянии (самородная сера), так и в виде соединений – FeSe (пирит), CuS, Ag 2 S, PbS, CaSO 4 и др. Входит в состав различных соединений, содержащихся в природных углях, нефтях и природных газах.
Сера принадлежит к числу элементов, имеющих важное значение для жизненных процессов, т.к. она входит в состав белковых веществ. Содержание серы в организме человека составляет 0, 25 %. Входит в состав аминокислот: цистеина, глютатиона, метионина и др.
Особенно много серы в белках волос, рогов, шерсти. Кроме того, сера является составной частью биологически активных веществ организма: витаминов и гормонов (н-р, инсулина).
В виде соединений сера обнаружена в нервной ткани, в хрящах, костях и в желчи. Она участвует в окислительно-восстановительных процессах организма.
При недостатке серы в организме наблюдается хрупкость и ломкость костей, выпадение волос.
Сера содержится в крыжовнике, винограде, яблоках, капусте, луке репчатом, ржи, горохе, ячмене, гречихе, пшенице.
Рекордсмены: горох 190, соя 244 %.
В периодической системе водород располагается в двух абсолютно противоположных по своим свойствам группах элементов. Данная особенность делают его совершенно уникальным. Водород не просто представляет собой элемент или вещество, но также является составной частью многих сложных соединений, органогенным и биогенным элементом. Поэтому рассмотрим его свойства и характеристики более подробно.
Выделение горючего газа в процессе взаимодействия металлов и кислот наблюдали еще в XVI веке, то есть во время становления химии как науки. Известный английский ученый Генри Кавендиш исследовал вещество, начиная с 1766 года, и дал ему название «горючий воздух». При сжигании этот газ давал воду. К сожалению, приверженность ученого теории флогистона (гипотетической «сверхтонкой материи») помешала ему прийти к правильным выводам.
Французский химик и естествоиспытатель А. Лавуазье вместе с инженером Ж. Менье и при помощи специальных газометров в 1783 г. провел синтез воды, а после и ее анализ посредством разложения водяного пара раскаленным железом. Таким образом, ученые смогли прийти к правильным выводам. Они установили, что «горючий воздух» не только входит в состав воды, но и может быть получен из нее.
В 1787 году Лавуазье выдвинул предположение, что исследуемый газ является простым веществом и, соответственно, относится к числу первичных химических элементов. Он назвал его hydrogene (от греческих слов hydor - вода + gennao - рождаю), т. е. «рождающий воду».
Русское название «водород» в 1824 году предложил химик М. Соловьев. Определение состава воды ознаменовало конец «теории флогистона». На стыке XVIII и XIX веков было установлено, что атом водорода очень легкий (по сравнению с атомами прочих элементов) и его масса была принята за основную единицу сравнения атомных масс, получив значение, равное 1.
Физические свойства
Водород является легчайшим из всех известных науке веществ (он в 14,4 раз легче воздуха), его плотность составляет 0,0899 г/л (1 атм, 0 °С). Данный материал плавится (затвердевает) и кипит (сжижается), соответственно, при -259,1 °С и -252,8 °С (только гелий обладает более низкими t° кипения и плавления).
Критическая температура водорода крайне низка (-240 °С). По этой причине его сжижение - довольно сложный и затратный процесс. Критическое давление вещества - 12,8 кгс/см², а критическая плотность составляет 0,0312 г/см³. Среди всех газов водород имеет наибольшую теплопроводность: при 1 атм и 0 °С она равняется 0,174 вт/(мхК).
Удельная теплоемкость вещества в тех же условиях - 14,208 кДж/(кгхК) или 3,394 кал/(гх°С). Данный элемент слабо растворим в воде (около 0,0182 мл/г при 1 атм и 20 °С), но хорошо - в большинстве металлов (Ni, Pt, Pa и прочих), особенно в палладии (примерно 850 объемов на один объем Pd).
С последним свойством связана его способность диффундирования, при этом диффузия через углеродистый сплав (к примеру, сталь) может сопровождаться разрушением сплава из-за взаимодействия водорода с углеродом (этот процесс называется декарбонизация). В жидком состоянии вещество очень легкое (плотность - 0,0708 г/см³ при t° = -253 °С) и текучее (вязкость - 13,8 спуаз в тех же условиях).
Во многих соединениях этот элемент проявляет валентность +1 (степень окисления), подобно натрию и прочим щелочным металлам. Обычно он рассматривается в качестве аналога этих металлов. Соответственно он возглавляет I группу системы Менделеева. В гидридах металлов ион водорода проявляет отрицательный заряд (степень окисления при этом -1), то есть Na+H- имеет структуру, подобную хлориду Na+Cl-. В соответствии с этим и некоторыми другими фактами (близость физических свойств элемента «H» и галогенов, способность его замещения галогенами в органических соединениях) Hydrogene относят к VII группе системы Менделеева.
В обычных условиях молекулярный водород имеет низкую активность, непосредственно соединяясь только с самыми активными из неметаллов (с фтором и хлором, с последним - на свету). В свою очередь, при нагревании он взаимодействует со многими химическими элементами.
Атомарный водород имеет повышенную химическую активность (если сравнивать с молекулярным). С кислородом он образует воду по формуле:
Н₂ + ½О₂ = Н₂О,
выделяя 285,937 кДж/моль тепла или 68,3174 ккал/моль (25 °С, 1 атм). В обычных температурных условиях реакция протекает довольно медленно, а при t° >= 550 °С - неконтролируемо. Пределы взрывоопасности смеси водород + кислород по объему составляют 4–94 % Н₂, а смеси водород + воздух - 4–74 % Н₂ (смесь из двух объемов Н₂ и одного объема О₂ называют гремучим газом).
Данный элемент используют для восстановления большинства металлов, так как он отнимает кислород у оксидов:
Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4Н₂О,
CuO + H₂ = Cu + H₂O и т. д.
С разными галогенами водород образует галогеноводороды, к примеру:
Н₂ + Cl₂ = 2НСl.
Однако при реакции с фтором водород взрывается (это происходит и в темноте, при -252 °С), с бромом и хлором реагирует только при нагревании или освещении, а с йодом - исключительно при нагревании. При взаимодействии с азотом образуется аммиак, но лишь на катализаторе, при повышенных давлениях и температуре:
ЗН₂ + N₂ = 2NН₃.
При нагревании водород активно реагирует с серой:
Н₂ + S = H₂S (сероводород),
и значительно труднее - с теллуром или селеном. С чистым углеродом водород реагирует без катализатора, но при высоких температурах:
2Н₂ + С (аморфный) = СН₄ (метан).
Данное вещество непосредственно реагирует с некоторыми из металлов (щелочными, щелочноземельными и прочими), образуя гидриды, например:
Н₂ + 2Li = 2LiH.
Немаловажное практическое значение имеют взаимодействия водорода и оксида углерода (II). При этом в зависимости от давления, температуры и катализатора образуются разные органические соединения: НСНО, СН₃ОН и пр. Ненасыщенные углеводороды в процессе реакции переходят в насыщенные, к примеру:
С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.
Водород и его соединения играют в химии исключительную роль. Он обусловливает кислотные свойства т. н. протонных кислот, склонен образовывать с разными элементами водородную связь, оказывающую значительное влияние на свойства многих неорганических и органических соединений.
Получение водорода
Основными видами сырья для промышленного производства этого элемента являются газы нефтепереработки, природные горючие и коксовые газы. Его также получают из воды посредством электролиза (в местах с доступной электроэнергией). Одним из важнейших методов производства материала из природного газа считается каталитическое взаимодействие углеводородов, в основном метана, с водяным паром (т. н. конверсия). Например:
СН₄ + H₂О = СО + ЗН₂.
Неполное окисление углеводородов кислородом:
СН₄ + ½О₂ = СО + 2Н₂.
Синтезированный оксид углерода (II) подвергается конверсии:
СО + Н₂О = СО₂ + Н₂.
Водород, производимый из природного газа, является самым дешевым.
Для электролиза воды применяется постоянный ток, который пропускается через раствор NaOH или КОН (кислоты не используют во избежание коррозии аппаратуры). В лабораторных условиях материал получают электролизом воды или в результате реакции между соляной кислотой и цинком. Однако чаще применяют готовый заводской материал в баллонах.
Из газов нефтепереработки и коксового газа данный элемент выделяют путем удаления всех остальных компонентов газовой смеси, так как они легче сжижаются при глубоком охлаждении.
Промышленным образом этот материал стали получать еще в конце XVIII века. Тогда его использовали для наполнения воздушных шаров. На данный момент водород широко применяют в промышленности, главным образом - в химической, для производства аммиака.
Массовые потребители вещества - производители метилового и прочих спиртов, синтетического бензина и многих других продуктов. Их получают синтезом из оксида углерода (II) и водорода. Hydrogene используют для гидрогенизации тяжелого и твердого жидкого топлива, жиров и пр., для синтеза HCl, гидроочистки нефтепродуктов, а также в резке/сварке металлов. Важнейшими элементами для атомной энергетики являются его изотопы - тритий и дейтерий.
Биологическая роль водорода
Около 10 % массы живых организмов (в среднем) приходится на этот элемент. Он входит в состав воды и важнейших групп природных соединений, включая белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы. Для чего он служит?
Этот материал играет решающую роль: при поддержании пространственной структуры белков (четвертичной), в осуществлении принципа комплиментарности нуклеиновых кислот (т. е. в реализации и хранении генетической информации), вообще в «узнавании» на молекулярном уровне.
Ион водорода Н+ принимает участие в важных динамических реакциях/процессах в организме. В том числе: в биологическом окислении, которое обеспечивает живые клетки энергией, в реакциях биосинтеза, в фотосинтезе у растений, в бактериальном фотосинтезе и азотфиксации, в поддержании кислотно-щелочного баланса и гомеостаза, в мембранных процессах транспорта. Наряду с углеродом и кислородом он образует функциональную и структурную основы явлений жизни.