ВОДОРОД

((Hydrogenium — от греческого — вода и— рождаю ) Н — хим. элемент, первый в периодической системе элемейтов; ат. м. 1,0079. Б обычных условиях газ без цвета, запаха и вкуса. Проявляет различные степени окисления образуя   ковалентные   связи (Н2, НСl, органические соединения), выступая в виде положительно заряженного протона в к-тах, в виде отрицательно   заряженного   Н  в солеобразных гидридах и участвуя в металлической связи в гидридах переходных  металлов.   Природный В. состоит из смеси изотопов; легкого В., или протия ¹Н (99,98%) и тяжелого В. (²Н), или дейтерия D (0,02%) с массовыми числами соответственно 1 и 2. В небольших количествах существует в природе и получен  искусственно бета-радиоактивный изотоп В. (³Н), или тритий Т с массовым числом 3, период полураспада  к-рого 12,262 года. Изотопы В. сильно отличаются по своим св-вам вследствие большого  различия масс. В.— самый распространенный элемент вселенной,  напр. атмосфера Солнца содержит 84% В. Земная кора на 1,0% по массе и на 16 ат.% состоит из В., гл. обр. в виде воды.
 
Почти все орган, вещества содержат водород он встречается в вулканических и др. природных газах. Впервые В. выделил англ. физик и химик Г. Кавендиш в 1766, назвав его «горючим воздухом». В 1787 франц. химик А, Лавуазье определил «горючий воздух» как новый хим. элемент и дал ему современное название. В обычных условиях молекула  В. состоит из  двух атомов, связанных ковалентной связью. При высоких т-рах молекулярный В.  диссоциирует на атомы (степень диссоциации при т-ре 2500° С равна 0,0013, при т-ре 5000° С составляет 0,95). Молекулярный В.— легчайший газ (в 14,32 раза легче воздуха); плотность его (т-ра 0° С, давление 1 am) 0,089870 г/л;
tпл — 259,1° С; tкип -252,6° С. Критическая точка: т-ра — 239° С, давление 12,8 am, критическая плотность 0,031 г/см³. Температурный коэффициент объемного расширения (в интервале температура 0—100° С, давление 1 am) 0,003662.
 
Из всех газов В. обладает наибольшей теплопроводностью, равной (т-ра 0° С) 0,000412 кал/см . сек X  град. Теплоемкость (в интервале т-р 12—198° С) при пост, давлении 3,394 кал/г — град.

Жидкий водород

Прозрачная, бесцветная, не проводящая электр. тока жидкость, поверхностное натяжение к-рой в 35 раз меньше, чем у воды. Плотность жидкого В. при т-ре кипения 0,0708 г/см³. Теплота испарения (т-ра 20,4 К )108—114 кал/г. При т-ре 1,65 К твердый В. имеет гексагональную решетку с периодами а = 3,75 А, с =6,13 А, с/а = 1,633. Рентгеновская плотность 0,088 г/см³. Теплота плавления ~ 14 кал/г. Сжимаемость твердого В. наибольшая по сравнению со сжимаемостью твердых тел и составляет (т-ра 4,2 К, давление ~ 10000 аm ) 4,8 . 10-4 см²/кг. В. плохо растворяется в воде (при т-ре 20° С в 100 объемах воды растворяется 1,82, при т-ре 80° С — 0,85 объема В.). Еще меньше растворимость В. в органических растворителях. В небольших  количествах растворяется во всех расплавленных металлах, во многих (никеле, платине и др.) хорошо, особенно в палладии (850 объемов на 1 объем палладия). При высоких т-рах растворяется в огнеупорных материалах, в кварце (при т-ре 690° С и давлении 788 мм рт. ст. содержится 6,0 X 10⁻⁸ г/см² В.). В.— один из самых реакционноспособных хим. элементов, непосредственно взаимодействует со мн. металлами и неметаллами, входит в состав мн. неорганических и почти всех органических соединений.
 
В обычных условиях молекулярный В. малоактивен. Однако при нагревании вступает в реакцию» со мн. «хим.» элементами; с. кислородом образует воду (пределы взрывоопасности от 4 до 94% В.), с фтором реакция идет со взры-вом, с хлором и бромом — при освещении, с йодом — только при нагревании. С азотом взаимодействует (с образованием аммиака) при наличии катализатора, под давлением и при высокой т-ре. При нагревании В. энергично реагирует с серой, значительно труднее — с селеном и теллуром. Непосредственно реагирует с некоторыми металлами (щелочными, щелочноземельными и др.), образуя гидриды (NaH, СаН2, ТiH2 и т. д.). Пром. способы получения В.— переработка коксовых газов и газов крекинга нефти, природных газов, гл. обр. метана, на основе реакций :
 
СН4 + Н2O СО + 3Н2
 
версии водяного пара. Чистый В. получают электролизом водных растворов щелочей. В. применяют в хим. пром-сти, гл. обр. для синтеза аммиака; в произ-ве метилового и др. спиртов, синтетического бензина и др. продуктов на основе взаимодействия В. с окисью углерода. В. используют также для гидрогенизации твердого и жидкого топлива, жиров, для синтеза соляной к-ты, при сварке и резании металлов кислородно-водородным пламенем, для восстановления руд. Дейтерий и тритий нашли применение в атомной энергетике.
 
 
Помещение водорода в периодической системе элементов не однозначно . Раньше его помещали в главную подгруппу I группы периодической системы , а в настоящее время его располагают в начале подгруппы галогенов .
В пользу помещения водорода в начало подгруппы галогенов :
 
1 . Водород , как и щелочные металлы , проявляет в большинстве соединений степень окисления I+ .
2 . Подобно щелочным металлам , водород обладает ярко выраженными восстановительными свойствами .
3 . Для водорода и металлов , в том числе и щелочных , характерна реакция взаимного вытеснения .
 

Сходство водорода с галогенами

1 . Подобно атомам галогенов , атом водорода может присоединять электрон с образованием иона водорода , который является изоэлектронным ближайшему благородному газу .
2 . Как и лёгкие галогены , простое вещество — водород — газообразно при обычных условиях и молекула состоит из двух атомов .
3 . Водород в соединениях замещается галогенами . Многочисленные примеры в органической химии .
4 . Потенциал ионизации водорода соизмерим с потенциалом ионизации галогенов . Так как , потенциал ионизации атома водорода равен 13,6 эВ , атома фтора 17,4 эВ , а атом лития всего 5,6 эВ .
 
Водород — один из наиболее распространённых элементов на Земле . Его общее содержание в земной коре составляет  ~ 1% ( масс . ) . При пересчёте на атомарные количество оказывается , что из каждых 100 атомов земной коры на долю водорода приходится 17 .
Кроме легкого водорода H известны два других его изотопа , дейтерий и тритий .
Дейтерий играет важную роль в атомной технике , тяжёлую воду D2O используют как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах .
Тритий является радиоактивным изотопом водорода , в результате распада ядро трития испускает β — частицу и превращается в ядро атома гелия :
T > β + He
В результате замены в соединениях легкого водорода на тритий получают « меченые » препараты , которые широко использовались в химических исследованиях .
 

Получение водорода 

В лабораториях водород получают действием кислоты ( разбавленной серной кислотой или соляной кислотой ) на цинк :
 
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
 
Технический способ получения водорода основаны на более дешёвом сырье , в частности его получают при взаимодействии водяного пара с раскалённым углём  ( углерод ): 
 
C + H2O = CO + H
 
Полученный таким образом смесь называют водяным газом . В присутствии катализаторов ( Fe2O3 ) при 500°C оксид углерода ( II ) может быть превращён в CO2 по реакции :
 
CO + H2O = CO2 + H2
 
Водород в больших количествах используют в производстве аммиака . Путём гидрогенизации ( присоединения водорода ) получают твёрдое топливо топливо , а также тяжёлое топливо ( тяжёлые остатки от переработки нефти и каменной смолы ) в лёгкое моторное топливо .
Гидрогенизация жидких растительных жиров ( солнечного , хлопкового , соевого ) получают твердые жиры , используемые для выработки маргарина , в мыловарении и т.д . В процессе гидрогенизации жиров образуется предельные глицериды с более высокой температурой плавления , чем исходные жиры .
 

Химические свойства

По своим химическим свойствам водород является довольно активным веществом . При нагревании он легко взаимодействует с многими неметаллами : бромом , кислородом , серой и т.д . С фтором реакция идёт со взрывом уже при комнотной температуре :
 
H2 + F2 = 2HF + 535 кДж ( 128 ккал )
 
Восстановительные свойства водорода проявляются при выделении металлов из их солей :
 
CuO + H2 = Cu + H2O
 
При взаимодействии с активными металлами , такие как щелочно земельные , водород выступает как окислитель :
 
2Na + H2 = 2NaH
 
В гидридах щелочных и щелочноземельных металлов водород находится в степени окисления 1- . Гидриды по своим свойствам напоминают галогениды соответствующих металлов . При взаимодействии с водой они образуют водород :
 
NaH + H2O = NaOH + H2
 
Гидриды для большинства химических элементов , по своим свойствам и строению могут быть разделены на четыре группы :
1. Газообразные или легко летучие [ ( BH3 )2 , NH3 , CH4 ]
2 . Солеобразные [NaH , CaH ]
3 . Полимерные [ ( BeH2 )x , ( AlH3)x]
4 . Металообразные . Эти соединения не имеют постоянного состава и могут рассматриваться как твёрдые растворы водорода в металлах ( водород растворённый в палладии )
Химическая активность водорода особенно высока в момент выделения . Это объясняется тем , что в начальный момент , например при взаимодействия цинка с кислородом , водород находится в виде атома . А в реакциях с атомами отпадает необходимость затраты энергии на разрыв связи в молекуле H2 . В отличие от молекулярного , атомарный водород уже при комнатной температуре восстанавливает оксиды металлов , соединяется с молекулярным кислородом , серой , фосфором и мышьяком .