Химия — один из самых интересных предметов в школе, специализированное изучение которого начинают с 8 класса. Эта наука основывается на рассмотрении характеристик элементов, объединенных в периодической системе Д. И. Менделеева. Изучение химических свойств водорода является ключевой темой в химии, так как вещество является одним из самых распространенных в мире.
Элемент с характеристикой «самый»
Если обратиться к периодической системе Д. И. Менделеева, можно заметить, что элемент, который имеет первый порядковый номер в ней, называется водородом. Как известно, положение в этой таблице способно полностью предсказать особенности химического поведения. Касательно водорода следует отметить его важную особенность — он не является типичным металлом или неметаллом. Этот элемент обладает промежуточным значением электроотрицательности, которое позволяет ему проявлять в реакциях с другими веществами как окислительные, так и восстановительные свойства.
Атомное строение
Водород — самый легкий самый маленький по размерам элемент. Он состоит из минимального набора протонов и электронов.
Всего одной положительно заряженной частицы (протон) и одной отрицательной (электрон) достаточно для формирования этого атома. Его атомная единица массы (а.е.м.) равна 1. Вокруг ядра-протона вращается всего один-единственный электрон, занимающий энергетический уровень 1s. Научное название этого элемента протий, хотя оно редко используется.
Простое атомное строение позволило Шредингеру в первой половине XX века точно решить уравнение квантовой механики для водорода, что обусловило сильный толчок для развития квантово-механических представлений о строении вещества.
Протий не является единственным водородом, хотя 99,98% всех его атомов относятся именно к этому изотопу. Существуют список некоторых других:
- Дейтерий H2. Он составляет 0,0184% всех водородных атомов и состоит из ядра, содержащего один протон и один нейтрон. Масса дейтерия приблизительно в 2 раза больше, чем протия, поэтому вода, образованная на его основе, называется тяжелой. Дейтерий —стабильный изотоп, который не претерпевает никаких радиоактивных распадов.
- Тритий H3. Это еще один водород, ядро которого содержит протон и 2 нейтрона. Он не является стабильным. В течение 12,33 лет ровно половина ядер трития испытывает бета-распад, который сопровождается излучением электронов и образованием катионов гелия.
- H4 и H7 — синтетически полученные сверхнестабильные изотопы водорода, содержащие больше 2 нейтронов в своих ядрах.
Распространение в природе
Водород — это самый распространенный элемент во Вселенной. По общим оценкам ученых, 75% всей массы вещества и 90% всех атомов образованы именно им. За пределами Земли в космических просторах он существует в следующих формах:
- В виде плазмы. Смесь протонов и несвязанных с ними электронов является типичным веществом, образующим звезды. Ядерные реакции между протонами приводят к образованию гелия и сопровождаются выделением огромного количества энергии в виде электромагнитного излучения в широком спектре длин волн. Эта плазма является практически идеальным проводником электричества.
- В атомарной форме. Атомы протия H1 являются очень активными с химической точки зрения. Тем не менее их можно встретить в чистом виде в холодном межзвездном пространстве.
- В молекулярной форме. Два атома H1 легко образуют молекулу H2. Эта реакция является энергетически выгодной. Образующийся при этом газ не имеет запаха и цвета. Является очень легким и взрывоопасным в присутствии кислорода. Молекул H2 в газообразной и жидкой форме присутствует в большом количестве на различных планетах. В Солнечной системе к ним относятся газовые гиганты Юпитер и Сатурн.
- В виде соединений. Например, с кислородом получается вода, с углеродом образуется целый ряд алканов, алкенов и алкинов. С элементами и их группами, обладающими большой электроотрицательностью, водород образует кислоты.
На планете водород в молекулярном виде очень тяжело обнаружить. Он имеется в незначительных количествах. Зато в форме соединений находится практически везде.
Достаточно вспомнить следующие вещества, чтобы убедиться в его распространенности и важности для протекания различных процессов, которые связаны с жизнедеятельностью:
- вода H2O;
- органические вещества — соединения водорода с углеродом (белки, углеводы, жиры);
- любые кислоты (HCl, HF, H2SO4, HNO3 и др.);
- гидриды металлов, которые могут действовать, как упрочняющие фазы в сплавах, а также как фактор, обуславливающий их охрупчивание.
Получение газообразного H2
Водород используется во многих химических реакциях главным образом для получения кислот. В последнее время его научились хранить в чистом виде и применять в качестве биологически чистого топлива, являющегося хорошей альтернативой бензину.
Получение водорода возможно благодаря использованию различных физико-химических методов. Наиболее распространенными являются:
- Водяной пар с раскаленными железными опилками. В этом случае происходит набор химических превращений, сопровождаемых усиливающимся окислением железа до различных оксидов. В качестве примера можно привести реакцию: 3*H2O + 2*Fe = Fe2O3 + 3*H2. Указанный простой метод получения водорода использовал французский химик Антуан Лавуазье в конце XVIII века.
- Взаимодействие алюминия с водными растворами щелочей. В этом случае происходит окисление металла и восстановление катионов водорода до их молекулярного состояния: 2*Al + 6*H2O + 2*OH- = 2*Al (OH)4- + 3*H2.
- Электролиз воды. Это один из простых и эффективных способов получения газообразного водорода. Он заключается в пропускании электрического тока низкого напряжения через толщу воды. В результате электролиза кислород выделяется на аноде, а водород на катоде. Последний обычно изготавливают из инертного материала (платина или графит). КПД этого метода получения H2 лежит в пределах 80−94%.
- С использованием углеводородов. Здесь существует 2 разных метода. Первый заключается в использовании метана и водяного пара, которые смешиваются друг с другом при высокой температуре (700−1100 C): CH4 + H2O = CO + 3*H2. Второй метод — пиролиз метана: CH4 = C + 2*H2.
Химические свойства
Элемент может взаимодействовать с большим количеством различных веществ благодаря своей двойственной природе. Чаще всего водород проявляет восстановительные свойства с неметаллами и окислительные с металлами.
Здесь необходимо пояснить. Если атом H присоединяет к себе лишний электрон, он восстанавливается, проявляя при этом свойства окислителя другого элемента, поэтому сама реакция будет окислительной. Наоборот, если атом H отдает электрон, сам он окисляется, восстанавливая при этом элемент, с которым вступает в химическую реакцию, поэтому она будет называться восстановительной.
Реакции восстановления
Самой известной из реакций восстановления с участием водорода является его горение в присутствии кислорода: 2*H2 + O2 = 2*H2O.
Эта реакция является экзотермической, сопровождается выделением большого количества теплоты. В настоящее время разрабатывают технологии, в которых ее можно будет использовать в качестве альтернативы традиционным видам топлива в двигателях внутреннего сгорания. Кислородное окисление водорода сопровождается возникновением неконтролируемого пламени, которое быстро устремляется вверх с образованием водяного пара. По этой причине в 1937 году взорвался наполненный газом дирижабль «Гинденбург».
Водород охотно вступает в реакцию с галогенами, например, с хлором и фтором он образует соответствующие сильные кислоты соляную и плавиковую:
- H2 + Cl2 = 2*HCl;
- H2 + F2 = 2*HF.
С азотом водород образует аммиак NH3, а с углеродом целый ряд алканов, который начинается с метана CH4 (природный газ). С серой получается сероводород H2S, известный своим неприятным запахом тухлых яиц.
Окисление металлов
Атомы металлов, которые находятся в I-й и II-й группах таблицы Д. И. Менделеева на внешних энергетических уровнях содержат по одному или двум электронам, которые слабо связаны с ядрами. У атома H тоже 1 электрон на внешнем уровне, но из-за близости к атомному ядру он связан с ним сильнее, чем в атомах металлов, поэтому реакции водород-металл сопровождаются восстановлением первого и окислением последнего.
Ярким примером взаимодействия катиона водорода с металлом является реакция: Zn + 2H+ = Zn2+ + H2.
Здесь катионы H+ могут существовать, например, в кислотах. В результате реакции происходит их восстановление до молекулярного газообразного водорода.
Поскольку атомы H и молекулы H2 имеют маленькие геометрические размеры, они способны легко проникать в кристаллические структуры любых металлов. При определенных условиях (высокие температуры, наличие катализаторов) происходит взаимодействие металла с водородом, приводящее к образованию гидридов: Fe + 2*H2 = FeH4.
Обычно гидриды являются достаточно прочными соединениями, которые внутри кристаллической структуры металла создают механическую напряженность, ухудшая при этом свойства материала (увеличивается его хрупкость).
Таким образом, H является чрезвычайно активным элементом. Окислительные и восстановительные свойства водорода проявляются в зависимости от величины электроотрицательности вещества, с которым он вступает в химическую реакцию.
