№1 Водород    

История открытия:

Начиная с XV века, многие исследователи отмечали выделение горючего газа при взаимодействии кислот с металлами. Первое подробное описание водорода, под названием "горючий воздух" и "дефлогистированный воздух" дал английский химик Генри Кавендиш в 1766 году. В 1783 году Антуан Лавуазье доказал что водород входит в состав воды и включил его в свою таблицу химических элементов под названием hydrogеne (рождающий воду). Русское название "водород" предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году - по аналогии с "кислородом" М.В. Ломоносова.

Нахождение в природе и получение:

На долю водорода приходится около 92% всех атомов Вселенной. Он основная составная часть вещества звезд и межзвездного газа, в виде соединений образует атмосферу многих планет. На Земле доля атомов водорода 17%, он входит в состав самого распространенного вещества - воды, в состав соединений образующих живые организмы, где доля его атомов около 50%. В то же время массовая доля водорода на Земле (земная кора + гидросфера) около 1,5%
Основным методом получения водорода в лаборатории являются взаимодействие металлов (Zn, Fe) с разбавленными кислотами, а также электролиз растворов щелочей. В промышленности водород получают при электролизе растворов солей (NaCl), конверсией или каталитическим окислением метана, при крекинге или риформинге углеводородов (нефтепереработка).
Конверсия метана: CH₄ + H₂O <=> CO + 3H₂

Физические свойства:

Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия и символы: ¹H - протий (Н), ²Н - дейтерий (D), ³Н - тритий (T). Природный водород содержит 99,99% протия и 0,01% - дейтерия. Тритий содержится в природе в очень малых количествах, он радиоактивен с периодом полураспада 12,32 лет.
Простое вещество H₂, самый лёгкий газ, без цвета, запаха и вкуса, температура плавления -259,1, кипения -252,8°C, малорастворим в воде - 18,8 мл/л. Водород хорошо растворим во многих металлах (850 объёмов на 1 объём Pd), способен легко диффундировать через металические мембраны.
Тяжелый водород D₂ имеет вдвое большую плотность и несколько более высокие температуры плавления и кипения (-254,5°C и -249,5°C)

Химические свойства:

При обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами (напр. с кальцием) и неметаллами: фтором (без освещения, со взрывом), хлором (на свету, со взрывом). С большинством неметаллов реагирует при нагревании (с кислородом реакция протекает при поджигании мгновенно). Смесь кислорода с водородом 1:2 называется "гремучим газом". Обладает ярко выраженными восстановительными свойствами, восстанавливая оксиды металлов: железа, меди, свинца, вольфрама и т.д. В присутствии катализаторов (Pt, Ni) присоединяется по кратным связям органических соединений (реакция гидрирования).

Важнейшие соединения:

Оксид водорода, H₂O - вода - бесцветная жидкость, без цвета, без запаха, без вкуса. Аномальные физические свойства воды (Тпл = 0°С, Ткип = 100°С) обусловлены образованием межмолекулярных водородных связей. Является амфолитом, диссоциируя с образованием ионов гидроксония и гидроксид-ионов, однако степень диссоциации 1,8*10^-16, поэтому чистая вода почти не проводит электрический ток.
Вода - весьма реакционноспособное вещество. Основные реакции:
- реакции соединения с оксидами активных металлов и неметаллов, с образованием соответствующих гидроксидов основного или кислотного характера;
- реакции гидролиза (обратимого и необратимого) многих неорганических и органических веществ;
- реакции гидратации - присоединение воды по кратным связям органических соединений.

Пероксид водорода - H₂O₂ - бесцветная сиропообразная жидкость, без цвета, без запаха, с неприятным металлическим вкусом. В максимальной концентрации - жидкость (с плотностью около 1,5 г/см3), Тпл -0,43°C, Ткип 150°C. В воде, этиловом спирте, этиловом эфире растворяется в любых соотношениях.
В концентрированных растворах пероксид водорода неустойчив, разлагается на воду и кислород со взрывом. Вызывает сильные ожоги.
Обычно применяется в виде разбавленных (3%-30%) растворов. Окислитель? на чем использовано его применение как отбеливателя, дезинфицирующего средства и т.д. В природе встречается в нижних слоях атмосферы, в атмосферных осадках.

Гидриды ионные - MH_x - соединения водорода с щелочными и щелочноземельными металлами, где водород имеет степень окисления -1. Солеподобные твердые вещества. Восстановители. Водой и кислотами разлагаются с выделением водорода: NaH + H₂O → NaOH + H₂↑

Гидриды ковалентные - H_xX - соединения водорода с неметаллами, где водород имеет степень окисления +1. Газы, многие ядовиты. Восстановители за счет неметалла. Свойства меняются от инертных (метан) до кислотных (галогенводороды). Аммиак NH₃ и, слабее, фосфин PH₃ проявляют основные свойства. За исключением галогенводородов горючи с образованием соответствующих оксидов.

Применение:

Одно из первых применений водорода - летательные аппараты легче воздуха: воздушные шары и дирижабли. Из-за высокой пожароопасности водорода это применение было прекращено, за исключением метеозондов.

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки. Жидкий водород - один из видов ракетного топлива. В водородно-кислородных топливных элементах водород используется для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.

Как восстановитель при получении некоторых металлов, для получения твердых жиров гидрированием растительных масел. В химической промышленности - получение аммиака, хлороводорода и др.

Пероксид водорода: 3%-ный раствор применяют в медицине, косметологии, в промышленности для отбеливания соломы, перьев, клея, мехов, кожи и т.д., 60%-ный раствор применяют для отбеливания жиров и масел. Сильно концентрированные растворы (85-90%) в смеси с некоторыми горючими веществами применяются для получения взрывчатых смесей, как окислитель в ракетных и торпедных двигателях.

Дейтерид лития-6: как источник дейтерия и трития в термоядерном оружии (водородная бомба). См. Ядерные реакции дейтерида лития. (анимированные модели).

Новикова О., Пасюк Е.
ТюмГУ, 502 группа, 2013 г.