Лей таблица - Водород (хидрогений)
Водород (лат. hydrogenium), Н, химичен елемент, първи по ред на номериране в периодичната система на Менделеев; атомна маса 1,00797. При нормални условия V. е газ; няма цвят, мирис и вкус.
Историческа справка. В трудовете на химиците от 16-ти и 17-ти век. многократно се споменава отделянето на горим газ по време на действието на киселини върху металите. През 1766 г. Г. Кавендиш събира и изучава изтичащия газ, наричайки го „горим въздух“. Като привърженик на теорията за флогистона, Кавендиш смята, че този газ е чист флогистон. През 1783 г. А. Лавоазие, като анализира и синтезира вода, доказва сложността на нейния състав, а през 1787 г. определя "горимия въздух" като нов химичен елемент (V.) и му дава съвременното име hydrog e ne (от гръцки h y d o r - вода и genn a o - раждам), което означава "раждане на вода"; този корен се използва в имената на съединения на V. и процеси с негово участие (например хидриди, хидрогениране). Съвременното българско име "В." е предложен от М. Ф. Соловьов през 1824 г.
Изотопи, атом и молекула. Обикновеният V. се състои от смес от 2 стабилни изотопа: лек V., или протий (1 h), и тежък V., или деутерий (2 h, или d). В природните съединения на V. 1 атом за 2 часа представлява средно 6800 атома за 1 час. Изкуствено получен радиоактивен изотоп е свръхтежък B. или тритий (3 часа или T), с меко γ-лъчение и полуживот t 1/2 = 12,262 години. В природата тритий се образува, например, от атмосферния азот под действието на неутроните на космическите лъчи; в атмосферата е незначителен (4 10 -15% от общия брой атоми вода). Получен е изключително нестабилен изотоп 4 h. Масовите числа на изотопите 1 h, 2 h, 3 h и 4 h, съответно 1, 2, 3 и 4, показват, че ядрото на атома на протия съдържа само 1 протон, на деутерия - 1 протон и 1 неутрон,тритий - 1 протон и 2 неутрона, 4 ч - 1 протон и 3 неутрона. Голямата разлика в масите на изотопите на водорода причинява по-забележима разлика в техните физични и химични свойства, отколкото в случая на изотопите на други елементи.
Атомът V. има най-простата структура сред атомите на всички други елементи: състои се от ядро и един електрон. Енергията на свързване на електрон с ядро (йонизационен потенциал) е 13,595 eV. Неутралният атом B. също може да прикрепи втори електрон, образувайки отрицателен йон H -; в този случай енергията на свързване на втория електрон с неутралния атом (електронен афинитет) е 0,78 eV. Квантовата механика позволява да се изчислят всички възможни енергийни нива на атома V. и следователно да се даде пълна интерпретация на неговия атомен спектър. Атомът V се използва като модел на атом в квантово-механичните изчисления на енергийните нива на други, по-сложни атоми. Молекулата V. h 2 се състои от два атома, свързани с ковалентна химична връзка. Енергията на дисоциация (т.е. разпадане на атоми) е 4,776 eV (1 eV = 1,60210 10 -19 J). Междуатомното разстояние при равновесното положение на ядрата е 0,7414 a. При високи температури молекулярната V. се разпада на атоми (степента на дисоциация при 2000 ° C е 0,0013, при 5000 ° C е 0,95). Атомният V. също се образува в различни химични реакции (например чрез действието на zn върху солна киселина). Въпреки това, съществуването на V. в атомно състояние трае само кратко време, атомите се рекомбинират в h 2 молекули.
Физични и химични свойства. V. е най-лекото от всички известни вещества (14,4 пъти по-леко от въздуха), с плътност 0,0899 g/l при 0°C и 1 atm. Водородът кипи (втечнява се) и се топи (втвърдява) съответно при -252,6°C и -259,1°C (само хелият има по-ниски точки на топене и кипене). Критична температураV. е много нисък (-240 ° C), така че неговото втечняване е свързано с големи трудности; критично налягане 12,8 kgf / cm 2 (12,8 atm), критична плътност 0,0312 g / cm 3. От всички газове V. има най-висока топлопроводимост, равна при 0 ° C и 1 atm 0,174 W / (m K), т.е. 4,16 0 -4 cal / (s cm ° C). Специфичният топлинен капацитет на B. при 0 ° C и 1 atm C p 14.208 10 3 j / ( kg K), т.е. 3.394 cal / (g ° C). V. е слабо разтворим във вода (0,0182 ml / g при 20 ° C и 1 atm), но е добре - в много метали (ni, pt, pd и др.), Особено в паладий (850 обема на 1 обем pd). Разтворимостта на В. в метали е свързана със способността му да дифундира през тях; дифузията през въглеродна сплав (например стомана) понякога е придружена от разрушаване на сплавта поради взаимодействието на стомана с въглерод (така наречената декарбонизация). Течната вода е много лека (плътност при -253°C 0,0708 g/cm 3 ) и течна (вискозитет при -253°C 13,8 сантипоаза).
В повечето съединения V. проявява валентност (по-точно степен на окисление) +1, подобно на натрия и други алкални метали; обикновено той се счита за аналог на тези метали, позиция 1 гр. Системите на Менделеев. Въпреки това, в металните хидриди B. йонът е отрицателно зареден (степен на окисление -1), т.е. na + h - хидридът е изграден като na + cl - хлорид. Това и някои други факти (близостта на физичните свойства на V. и халогените, способността на халогените да заместват V. в органични съединения) дават основание да се припише V. и на група vii на периодичната система. При нормални условия молекулярната V. е относително неактивна, свързвайки се директно само с най-активните неметали (с флуор и на светлина с хлор). Въпреки това, когато се нагрява, той реагира с много елементи. Atomic V. има повишена химическа активност в сравнение смолекулярно. V. образува вода с кислород: h 2 + 1/2 o 2 \u003d h 2 o с отделяне на 285.937 10 3 j / mol, т.е. 68.3174 kcal / mol топлина (при 25 ° C и 1 atm). При обикновени температури реакцията протича изключително бавно, над 550 ° C - с експлозия. Границите на експлозивност на смес водород-кислород са (по обем) от 4 до 94% h 2, а сместа водород-въздух - от 4 до 74% h 2 (смес от 2 обема h 2 и 1 обем O 2 се нарича експлозивен газ). V. се използва за редуциране на много метали, тъй като отнема кислород от техните оксиди:
cuo + H 2 \u003d cu + h 2 o,
fe 3 o 4 + 4h 2 = 3fe + 4h 2 o и т.н.
V. образува водородни халиди с халогени, например:
h 2 + cl 2 = 2hcl.
V. експлодира с флуор (дори на тъмно и при -252 ° C), реагира с хлор и бром само при осветяване или нагряване, а с йод само при нагряване. V. взаимодейства с азот, за да образува амоняк: 3h 2 + n 2 = 2nh 3 само на катализатор и при повишени температури и налягания. При нагряване V. реагира енергично със сяра: h 2 + s = h 2 s (сероводород), много по-трудно със селен и телур. V. може да реагира с чист въглерод без катализатор само при високи температури: 2h 2 + C (аморфен) = ch 4 (метан). V. директно реагира с определени метали (алкални, алкалоземни и др.), Образувайки хидриди: h 2 + 2li = 2lih. От голямо практическо значение са реакциите на въглеводороди с въглероден оксид, при които в зависимост от температурата, налягането и катализатора се образуват различни органични съединения, например hcho, ch 3 oh и др.. Ненаситените въглеводороди реагират с въглеводороди, превръщайки се в наситени, например:
c n h 2 n + h 2 = c n h 2 n +2.
Ролята на В. и неговите съединения в химията е изключително голяма. V. предизвиква киселинни свойства т.ннаречени протични киселини. В. е склонен да образува с някои елементи т. нар. водородна връзка, която има решаващо влияние върху свойствата на много органични и неорганични съединения.
Получаване. Основните видове суровини за промишленото производство на вълна са естествени горими газове, коксов газ (виж коксохимия), газове от рафиниране на нефт, както и продукти от газификация на твърди и течни горива (главно въглища). В. се получава и от вода чрез електролиза (на места с евтин ток). Най-важните методи за производство на вода от природен газ са каталитичното взаимодействие на въглеводороди, главно метан, с водна пара (конверсия): ch 4 + h 2 o = co + 3h 2 и непълното окисление на въглеводороди с кислород: ch 4 + 1/2 o 2 = co + 2h 2. Полученият въглероден окис също претърпява преобразуване: co + h 2 o = co 2 + h 2. V., произведен от природен газ, е най-евтиният. Много често срещан метод за производство на V. от вода и паровъздушни газове, получени чрез газификация на въглища. Процесът се основава на превръщането на въглероден окис. Водният газ съдържа до 50% h 2 и 40% co; в газ пара-въздух, в допълнение към h 2 и co, има значително количество n 2, което се използва заедно с получения V. за синтеза на nh 3. V. се изолира от коксовия газ и газовете от рафиниране на нефт чрез отстраняване на останалите компоненти на газовата смес, които се втечняват по-лесно от V. по време на дълбоко охлаждане. Електролизата на водата се извършва с постоянен ток, преминавайки през разтвор на koh или naoh (киселини не се използват, за да се избегне корозията на стоманеното оборудване). В лабораториите V. се получава чрез електролиза на вода, както и чрез реакция между цинк и солна киселина. Въпреки това, по-често те използват готови фабрични V. в цилиндри.
Приложение. В индустриален мащаб В. започна да получава в края18-ти век за пълнене на балони. В момента V. се използва широко в химическата промишленост, главно за производството на амоняк. Основен потребител на алкохол е и производството на метилов и други алкохоли, синтетичен бензин (синтин) и други продукти, синтезирани от водород и въглероден оксид. В. се използва за хидрогениране на твърди и тежки течни горива, мазнини и др., За синтез на hCl, за хидрообработка на нефтопродукти, при заваряване и рязане на метали с кислородно-водороден пламък (температури до 2800 ° C), за заваряване с атомен водород (до 4000 ° C). Изотопите на деутерий и тритий са намерили много важни приложения в ядрената енергетика.
Лит .: Некрасов B.V., Курс по обща химия, 14 изд., М., 1962; Реми Г., Курс по неорганична химия, прев. от немски, т. 1, М., 1963; Егоров А.П., Шерешевски Д.И., Шманенков И.В., Обща химична технология на неорганичните вещества, 4 изд., М., 1964; Обща химична технология. Изд. С. И. Волфкович, т. 1, М., 1952; Лебедев В.В., Водород, неговото производство и използване, М., 1958 г.; Налбандян А. Б., Воеводски В. В., Механизмът на окисление и изгаряне на водород, М. - Л., 1949; Кратка химическа енциклопедия, т. 1, М., 1961, с. 619-24.