Водород: история, свойства, применение

ВОДОРОД (лат. Hydrogenium), H, химический элемент с атомным  номером 1, атомная масса 1,00794. Химический символ водорода Н читается в нашей  стране «аш», как произносится эта  буква по-французски.

Природный водород  состоит из смеси двух стабильных нуклидов с массовыми числами 1,007825 (99,985 % в смеси) и 2,0140 (0,015 %). Кроме того, в природном водороде всегда присутствуют ничтожные количества радиоактивного нуклида — трития ³Н (период полураспада Т_1/212,43 года). Так как в ядре атома водорода содержится только 1 протон (меньше в ядре атома элемента протонов быть не может), то иногда говорят, что водород образует естественную нижнюю границу периодической системы элементов Д. И. Менделеева (хотя сам элемент водород расположен в самой верхней части таблицы). Элемент водород расположен в первом периоде таблицы Менделеева. Его относят и к 1-й группе (группе IА щелочных металлов), и к 7-й группе (группе VIIA галогенов).

Массы атомов у изотопов водорода различаются  между собой очень сильно (в  разы). Это приводит к заметным различиям  в их поведении в физических процессах (дистилляция, электролиз и др.) и  к определенным химическим различиям (различия в поведении изотопов одного элемента называют изотопными эффектами, для водорода изотопные эффекты  наиболее существенны). Поэтому в  отличие от изотопов всех остальных  элементов изотопы водорода имеют  специальные символы и названия. Водород с массовым числом 1 называют легким водородом, или протием (лат. Protium, от греческого protos — первый), обозначают символом Н, а его ядро называют протоном, символ р. Водород с массовым числом 2 называют тяжелым водородом, дейтерием(лат Deuterium, от греческого deuteros — второй), для его обозначения используют символ ²Н, или D (читается «де»), ядро d — дейтрон. Радиоактивный изотоп с массовым числом 3 называют сверхтяжелым водородом, или тритием (лат. Tritum, от греческого tritos — третий), символ ²Н или Т (читается «те»), ядро t — тритон.

Конфигурация  единственного электронного слоя нейтрального невозбужденного атома водорода 1s¹. В соединениях проявляет степени окисления +1 и, реже, –1 (валентность I). Радиус нейтрального атома водорода 0,024 нм. Энергия ионизации атома 13,595 эВ, сродство к электрону 0,75 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность водорода 2,20. Водород принадлежит к числу неметаллов.

В свободном  виде — легкий горючий газ без  цвета, запаха и вкуса.

 
История открытия

Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и  металлов наблюдали в 16 и 17 веках  на заре становления химии как  науки. Знаменитый английский физик  и химик Г. Кавендишв 1766 исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду, но приверженность Кавендиша теории флогистона помешала ему сделать правильные выводы. Французский химик А. Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783 осуществил синтез воды, а затем и ее анализ, разложив водяной пар раскаленным железом. Таким образом он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из нее получен. В 1787 Лавуазье пришел к выводу, что «горючий воздух» представляет собой простое вещество, и, следовательно, относится к числу химических элементов. Он дал ему название hydrogene (от греческого hydor — вода и gennao — рождаю) — «рождающий

воду». Установление состава воды положило конец «теории  флогистона». Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824. На рубеже 18 и 19 веков было установлено, что атом водорода очень легкий (по сравнению с атомами других элементов), и вес (масса) атома водорода был принят за единицу сравнения атомных масс элементов. Массе атома водорода приписали значение, равное 1.

Нахождение  в природе

На долю водорода приходится около 1% массы земной коры (10-е место среди всех элементов). В свободном виде водород на нашей  планете практически не встречается (его следы имеются в верхних  слоях атмосферы), но в составе  воды распространен на Земле почти  повсеместно. Элемент водород входит в состав органических и неорганических соединений живых организмов, природного газа, нефти, каменного угля. Он содержится, разумеется, в составе воды (около 11% по массе), в различных природных  кристаллогидратах и минералах, в составе которых имеется  одна или несколько гидроксогрупп  ОН.

Водород как  элемент доминирует во Вселенной. На его долю приходится около половины массы Солнца и других звезд, он присутствует в атмосфере ряда планет.

Применение

Водород используют при синтезе аммиака NH₃, хлороводорода HCl, метанола СН₃ОН, при гидрокрекинге (крекинге в атмосфере водорода) природных углеводородов, как восстановитель при получении некоторых металлов. Гидрированием природных растительных масел получают твердый жир — маргарин. Жидкий водород находит применение как ракетное топливо, а также как хладагент. Смесь кислорода с водородом используют при сварке.

Одно время  высказывалось предположение, что  в недалеком будущем основным источником получения энергии станет реакция горения водорода, и водородная энергетика вытеснит традиционные источники  получения энергии (уголь, нефть  и др.). При этом предполагалось, что  для получения водорода в больших  масштабах можно будет использовать электролиз воды. Электролиз воды —  довольно энергоемкий процесс, и  в настоящее время получать водород  электролизом в промышленных масштабах  невыгодно. Но ожидалось, что электролиз будет основан на использовании  среднетемпературной (500-600 °C) теплоты, которая в больших количествах  возникает при работе атомных  электростанций. Эта теплота имеет  ограниченное применение, и возможности  получения с ее помощью водорода позволили бы решить как проблему экологии (при сгорании водорода на воздухе количество образующихся экологически вредных веществ минимально), так  и проблему утилизации среднетемпературной  теплоты. Однако после Чернобыльской  катастрофы развитие атомной энергетики повсеместно свертывается, так что  указанный источник энергии становится недоступным. Поэтому перспективы  широкого использования водорода как  источника энергии пока сдвигаются, по меньшей мере до середины 21-го века.

 
Особенности обращения

Водород не ядовит, но при обращении с ним  нужно постоянно учитывать его  высокую пожара - и взрывоопасность, причем взрывоопасность водорода повышена из-за высокой способности газа к  диффузии даже через некоторые твердые  материалы. Перед началом любых  операций по

нагреванию  в атмосфере водорода следует  убедиться в его чистоте (при  поджигании водорода в перевернутой вверх дном пробирке звук должен быть глухой, а не лающий).

 
Биологическая роль

Биологическое значение водорода определяется тем, что  он входит в состав молекул воды и всех важнейших групп природных  соединений, в том числе белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов. Примерно 10 % массы живых организмов приходится на водород. Способность  водорода образовывать водородную связь  играет решающую роль в поддержании  пространственной четвертичной структуры  белков, а также в осуществлении  принципа комплементарностив построении и функциях нуклеиновых кислот (то есть в хранении и реализации генетической информации), вообще в осуществлении «узнавания» на молекулярном уровне. Водород (ион Н⁺) принимает участие в важнейших динамических процессах и реакциях в организме — в биологическом окислении, обеспечивающим живые клетки энергией, в фотосинтезе у растений, в реакциях биосинтеза, в азотфиксации и бактериальном фотосинтезе, в поддержании кислотно-щелочного равновесия и гомеостаза, в процессах мембранного транспорта. Таким образом, наряду с кислородом и углеродом водород образует структурную и функциональную основы явлений жизни.