Самым распространённым химическим элементом во Вселенной является водород. Это в своём роде точка отсчёта, потому что в таблице Менделеева его атомное число равняется единице. Человечество надеется, что сможет узнать о нём побольше как об одном из самых возможных транспортных средств в грядущем. Водород - это самый простой, самый лёгкий, самый распространённый элемент, его много повсюду - семьдесят пять процентов от всей массы вещества. Он есть в любой звезде, особенно много водорода в газовых гигантах. Его роль в звёздных реакциях синтеза является ключевой. Без водорода нет воды, а значит - нет и жизни. Все помнят, что молекула воды содержит один атом кислорода, а два атома в ней - водород. Это всем известная формула Н 2 О.

Как мы его используем

Обнаружил водород в 1766 году Генри Кавендиш, когда анализировал реакцию окисления металла. Через несколько лет наблюдений он понял, что в процессе горения водорода происходит образование воды. Ранее учёные выделяли этот элемент, но самостоятельным его не считали. В 1783 году водород получил имя гидроген (в переводе с греческого "гидро" - вода, а "ген" - рождать). Элемент, порождающий воду, - водород. Это газ, молекулярная формула которого Н 2 . Если температура близка к комнатной, а давление нормальное, этот элемент неощутим. Водород можно даже не уловить человеческими органами чувств - он безвкусен, не имеет цвета, лишён запаха. А вот под давлением и при температуре -252,87 С (очень большой холод!) этот газ разжижается. Так его и хранят, поскольку в виде газа он занимает гораздо больше места. Именно жидкий водород используют как ракетное топливо.

Водород может становиться твёрдым, металлическим, но для этого давление необходимо сверхвысокое, именно этим сейчас и занимаются самые видные учёные - физики и химики. Уже сейчас этот элемент служит альтернативным топливом для транспорта. Применение его похоже на то, как работает двигатель внутреннего сгорания: когда сжигают водород, высвобождается много его химической энергии. Также практически разработан способ создания топливного элемента на его основе: при соединении с кислородом происходит реакция, а посредством этого образуются вода и электричество. Возможно, скоро транспорт "пересядет" вместо бензина на водород - масса автомобилестроителей интересуется созданием альтернативных горючих материалов, есть и успехи. Но чисто водородный двигатель пока в перспективе, здесь множество трудностей. Однако и преимущества таковы, что создание топливного бака с твёрдым водородом идёт полным ходом, и учёные и инженеры отступать не собираются.

Основные сведения

Hydrogenium (лат.) - водород, первый порядковый номер в таблице Менделеева, обозначается Н. Атом водорода имеет массу 1,0079, это газ, не имеющий при обычных условиях ни вкуса, ни запаха, ни цвета. Химики с шестнадцатого века описывали некий горючий газ, обозначая его по-разному. Но получался он у всех при одинаковых условиях - когда на металл воздействует кислота. Водород даже самим Кавендишем много лет назывался просто "горючий воздух". Лишь в 1783 году Лавуазье доказал, что вода имеет сложный состав, путём синтеза и анализа, а через четыре года он же и дал "горючему воздуху" его современное название. Корень этого сложного слова широко употребляется, когда нужно называть соединения водорода и какие-либо процессы, в которых он участвует. Например, гидрогенизация, гидрид и тому подобное. А русское название предложил в 1824 году М. Соловьёв.

В природе распространение этого элемента не имеет равных. В литосфере и гидросфере земной коры его масса - один процент, зато атомов водорода - целых шестнадцать процентов. Наиболее распространена на Земле вода, и 11,19% по массе в ней - водород. Также он непременно присутствует практически во всех соединениях, из которых состоят нефть, уголь, все природные газы, глина. Есть водород и во всех организмах растений и животных - в составе белков, жиров, нуклеиновых кислот, углеводов и так далее. Свободное состояние для водорода не характерно и почти не встречается - его очень немного в природных и вулканических газах. Совсем ничтожный объем водорода в атмосфере - 0,0001%, по количеству атомов. Зато целые потоки протонов представляют водород в околоземном пространстве, из него состоит внутренний радиационный пояс нашей планеты.

Космос

В космосе ни один элемент не встречается так часто, как водород. Объем водорода в составе элементов Солнца - более половины его массы. Большинство звёзд образует водород, находящийся в виде плазмы. Основная часть разнообразных газов туманностей и межзвёздной среды тоже состояит из водорода. Он присутствует в кометах, в атмосфере целого ряда планет. Естественно, не в чистом виде, - то как свободный Н 2 , то как метан СН 4 , то как аммиак NH 3 , даже как вода Н 2 О. Очень часто встречаются радикалы СН, NH, SiN, OH, РН и тому подобные. Как поток протонов водород является частью корпускулярного солнечного излучения и космических лучей.

В обычном водороде смесь двух устойчивых изотопов - это лёгкий водород (или протий 1 Н) и тяжёлый водород (или дейтерий - 2 Н или D). Есть и другие изотопы: радиоактивный тритий - 3 Н или Т, иначе - сверхтяжёлый водород. А ещё очень неустойчивый 4 Н. В природе соединение водорода содержит изотопы в таких пропорциях: на один атом дейтерия приходится 6800 атомов протия. Тритий образуется в атмосфере из азота, на который воздействуют нейтроны космических лучей, но ничтожно мало. Что обозначают числа массы изотопов? Цифра указывает, что ядро протия - только с одним протоном, а у дейтерия в ядре атома не только протон, но и нейтрон. У трития в ядре к одному протону уже два нейтрона. А вот 4 Н содержит три нейтрона на один протон. Поэтому физические свойства и химические у изотопов водорода очень сильно отличаются по сравнению с изотопами всех других элементов, - слишком большое различие масс.

Строение и физические свойства

По строению атом водород наиболее прост по сравнению со всеми другими элементами: одно ядро - один электрон. Потенциал ионизации - энергия связи ядра с электроном - 13,595 электронвольт (eV). Именно из-за простоты этого строения атом водорода удобен как модель в квантовой механике, когда нужно рассчитать энергетические уровни более сложных атомов. В молекуле Н 2 - два атома, которые соединены химической ковалентной связью. Энергия распада очень велика. Атомарный водород может образоваться в химических реакциях, например цинка и соляной кислоты. Однако взаимодействие с водородом практически не происходит - атомарное состояние водорода очень коротко, атомы сразу рекомбинируют в молекулы Н 2 .

С физической точки зрения водород легче всех известных веществ - более чем в четырнадцать раз легче воздуха (вспомним улетающие воздушные шарики на праздниках - внутри у них как раз водород). Однако он умеет кипеть, сжижаться, плавиться, затвердевать, и только гелий кипит и плавится при более низких температурах. Сжижать его сложно, нужна температура ниже -240 градусов по Цельсию. Зато теплопроводность он имеет очень высокую. В воде почти не растворяется, зато прекрасно происходит взаимодействие с водородом металлов - он растворяется почти во всех, лучше всего в палладии (на один его объем водорода уходит восемьсот пятьдесят объемов). Жидкий водород лёгок и текуч, а когда растворяется в металлах, часто разрушает сплавы из-за взаимодействия с углеродом (сталь, например), происходит диффузия, декарбонизация.

Химические свойства

В соединениях по большей части водород показывает степень окисления (валентность) +1, как натрий и другие щелочные металлы. Его и рассматривают как их аналог, стоящий во главе первой группы системы Менделеева. Но ион водорода в гидридах металлов заряжен отрицательно, со степенью окисления -1. Также этот элемент близок к галогенам, которые даже способны замещать его в органических соединениях. Значит, водород можно отнести и к седьмой группе системы Менделеева. В обычных условиях молекулы водорода активностью не отличаются, соединяясь только с самыми активными неметаллами: хорошо с фтором, а если светло - с хлором. Но при нагревании водород становится другим - он со многими элементами вступает в реакцию. Атомарный водород по сравнению с молекулярным очень активен химически, так в связи с кислородом образуется вода, а попутно выделяется энергия и тепло. При комнатной температуре эта реакция очень медленная, зато при нагревании выше пятисот пятидесяти градусов получается взрыв.

Используется водород для восстановления металлов, потому что у их оксидов он отнимает кислород. Со фтором водород образует взрыв даже в темноте и при минус двухсот пятидесяти двух градусах по Цельсию. Хлор и бром возбуждают водород только при нагревании или освещении, а йод - только при нагревании. Водород с азотом образует аммиак (так производятся большинство удобрений). При нагревании он очень активно взаимодействует с серой, и получается сероводород. С теллуром и селеном вызвать реакцию водорода трудно, а с чистым углеродом реакция происходит при очень высоких температурах, и получается метан. С оксидом углерода водород образует разные органические соединения, здесь влияют давление, температура, катализаторы, и всё это имеет огромное практическое значение. И вообще, роль водорода, а также и его соединений исключительно велика, поскольку он даёт кислотные свойства протонным кислотам. Со многими элементами образуется водородная связь, влияющая на свойства и неорганических и органических соединений.

Получение и применение

Получают водород в промышленных масштабах из природных газов - горючих, коксового, газов переработки нефти. Также его можно получить методом электролиза там, где электроэнергия не слишком дорога. Однако важнейшим способом производства водорода является каталитическое взаимодействие углеводородов, по большей части метана, с водяным паром, когда получается конверсия. Также широко применяется и способ окисления углеводородов кислородом. Добыча водорода из природного газа является самым дешёвым способом. Другие два - использование коксового газа и газа нефтепереработки - водород выделяется, когда сжижаются остальные компоненты. Они более легко поддаются сжижению, а для водорода, как мы помним, нужно -252 градуса.

Очень популярна в использовании перекись водорода. Лечение этим раствором применяется очень часто. Молекулярную формулу Н 2 О 2 вряд ли назовут все те миллионы людей, которые хотят быть блондинками и осветляют себе волосы, а также и те, кто любит чистоту на кухне. Даже те, кто обрабатывает царапины, полученные от игры с котёнком, чаще всего не отдают себе отчёта, что применяют лечение водородом. Зато все знают историю: с 1852 года водород долгое время использовался в воздухоплавании. Дирижабль, изобретённый Генри Гиффардом, был создан на основе водорода. Их называли цеппелинами. Вытеснило цеппелины с небесных просторов стремительное развитие самолётостроения. В 1937 году произошла крупная авария, когда сгорел дирижабль "Гинденбург". После этого случая цеппелины более не использовались никогда. Зато в конце восемнадцатого века распространение воздушных шаров, наполненных водородом, было повсеместным. Помимо производства аммиака, сегодня водород необходим для изготовления метилового спирта и других спиртов, бензина, гидрогенизированного тяжёлого жидкого топлива и твёрдого топлива. Не обойтись без водорода при сварке, при резке металлов - она может быть кислородно-водородной и атомно-водородной. А тритий и дейтерий дают жизнь атомной энергетике. Это, как мы помним, изотопы водорода.

Неумывакин

Водород как химический элемент настолько хорош, что у него не могли не появиться собственные фанаты. Иван Павлович Неумывакин - доктор медицинских наук, профессор, лауреат Государственной премии и ещё много у него званий и наград, - в их числе. Будучи врачом традиционной медицины, он назван лучшим народным целителем России. Именно он разрабатывал многие методы и принципы оказания медицинской помощи космонавтам, находящимся в полёте. Именно он создал уникальный стационар - больницу на борту космического судна. В то же самое время был государственным координатором направления косметической медицины. Космос и косметика. Его увлечение водородом направлено не на то, чтобы сделать большие деньги, как это сейчас бытует в отечественной медицине, а напротив - научить народ вылечиваться от чего угодно буквально копеечным средством, без дополнительного посещения аптек.

Он пропагандирует лечение препаратом, который присутствует буквально в каждом доме. Это - перекись водорода. Неумывакина можно сколько угодно критиковать, он всё равно будет настаивать на своём: да, действительно, перекисью водорода можно вылечить буквально всё, потому что она насыщает внутренние клетки организма кислородом, разрушает токсины, нормализует кислотное и щелочное равновесие, а отсюда регенерируются ткани, омолаживается весь организм. Вылечившихся перекисью водорода пока ещё никто не видел и тем более не обследовал, однако Неумывакин утверждает, что, пользуясь этим средством, можно полностью избавиться от вирусных, бактериальных и грибковых заболеваний, предупредить развитие опухолей и атеросклероза, победить депрессию, омолодить организм и никогда не болеть ОРВИ и простудой.

Панацея

Иван Павлович уверен, что при грамотном использовании этого простейшего препарата и при соблюдении всех нехитрых инструкций можно победить очень многие болезни, среди которых и очень серьёзные. Список их огромен: от пародонтоза и ангины до инфарктов миокарда, инсультов и сахарного диабета. Такие пустяки, как гайморит или остеохондроз, улетают с первых сеансов лечения. Даже раковые опухоли пугаются и бегут от перекиси водорода, потому что стимулируется иммунитет, жизнь организма и его защита активизируются.

Лечить таким образом можно даже детей, разве что беременным женщинам лучше пока от употребления перекиси водорода воздержаться. Также не рекомендуется данный метод людям с пересаженными органами из-за возможной несовместимости тканей. Дозировка должна соблюдаться чётко: от одной капли до десяти, прибавляя по одной каждый день. Трижды в день (тридцать капель трёхпроцентного раствора перекиси водорода в сутки, ого!) за полчаса до еды. Можно вводить раствор внутривенно и под наблюдением врача. Иногда перекись водорода комбинируют для более действенного эффекта с другими препаратами. Внутрь раствор применяют только в разведённом виде - с чистой водой.

Наружно

Компрессы и полоскания ещё до создания профессором Неумывакиным его методики были весьма популярны. Все знают, что так же, как и спиртовые компрессы, в чистом виде перекись водорода применять нельзя, потому что получится ожог тканей, а вот бородавки или грибковые поражения смазывают локально и крепким раствором - до пятнадцати процентов.

При кожных высыпаниях, при головных болях тоже делают процедуры, в которых участвует перекись водорода. Компресс нужно делать с помощью хлопковой ткани, смоченной в растворе из двух чайных ложек трёхпроцентной перекиси водорода и пятидесяти миллиграммов чистой воды. Ткань накрыть плёнкой и укутать шерстью или полотенцем. Время действия компресса от четверти часа до полутора часов утром и вечером до выздоровления.

Мнение врачей

Мнения разделились, далеко не всех восхищают свойства перекиси водорода, более того, им не только не верят, над ними смеются. Находятся среди медиков и те, кто поддержал Неумывакина и даже подхватил развитие его теории, но их меньшинство. Большая часть врачей считает такого плана лечение не только неэффективным, но и часто губительным.

И правда, не существует пока официально ни единого доказанного случая, когда пациент вылечился бы перекисью водорода. Одновременно нет сведений и об ухудшении состояния здоровья в связи с применением этого метода. А вот время драгоценное теряется, и человек, получивший одно из серьёзных заболеваний и полностью положившийся на панацею Неумывакина, рискует опоздать к началу своего настоящего традиционного лечения.

Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом - выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.

Основной промышленный способ получения водорода - реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре (легко убедиться, что при пропускании метана даже через кипящую воду никакой реакции не происходит):

СН 4 + 2Н 2 0 = CO 2 + 4Н 2 - 165 кДж

В лаборатории для получения простых веществ используют не обязательно природное сырьё, а выбирают те исходные вещества, из которых легче выделить необходимое вещество. Например, в лаборатории кислород не получают из воздуха. Это же относится и к получению водорода. Один из лабораторных способов получения водорода, который применяется иногда и в промышленности,- разложение воды электротоком.

Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.

В промышленности

1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.Из природного газа.

Конверсияс водяным паром: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

В лаборатории

1.Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Взаимодействие кальция с водой:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Гидролиз гидридов:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

• Биореактор для производства водорода

Физические свойства

Газообразный водород может существовать в двух формах (модификациях) - в виде орто - и пара-водорода.

В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) - противоположно друг другу (антипараллельны).

Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно, что даёт возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм. Молекула водорода двухатомна - Н₂. При обычных условиях - это газ без цвета, запаха и вкуса. Водород - самый лёгкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства

Молекулы водорода Н₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия: Н 2 =2Н - 432 кДж Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция: Ca + Н 2 = СаН 2 и с единственным неметаллом - фтором, образуя фтороводород: F 2 +H 2 =2HF С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении. Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, наприме: CuO + Н 2 = Cu + Н 2 0 Записанное уравнение отражает реакцию восстановления. Реакциями восстановления называются процессы, в результате которых от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются). Далее будет дано и другое определение понятиям «окисление» и «восстановление». А данное определение, исторически первое, сохраняет значение и в настоящее время, особенно в органической химии. Реакция восстановления противоположна реакции окисления. Обе эти реакции всегда протекают одновременно как один процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

N 2 + 3H 2 → 2 NH 3

С галогенами образует галогеноводороды :

F 2 + H 2 → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H 2 → CH 4

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

Водород образует с активными металлами гидриды :

Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2

Гидриды - солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)

Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Гидрирование органических соединений

При действии водорода на ненасыщенные углеводороды в присутствии никелевого катализатора и повышенной температуре происходит реакция гидрирования :

CH 2 =CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

Водород восстанавливает альдегиды до спиртов:

CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.

Геохимия водорода

Водород - основной строительный материал вселенной. Это самый распространённый элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.

Свободный водород H 2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.

В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.

В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением. Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Применение

• Водородная энергетика

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.

В пищевой промышленности водород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 , как упаковочный газ.

Особенности обращения

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь - так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%. Также водород пожароопасен. Жидкий водород при попадении на кожу может вызвать сильное обморожение.

Взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4% до 96 % объёмных. При смеси с воздухом от 4% до 75(74) % объёмных.

Использование водорода

В химической промышленности водород используют при производстве аммиака, мыла и пластмасс. В пищевой промышленности с помощью водорода из жидких растительных масел делают маргарин. Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько ужасных катастроф, когда дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют газом гелием. Водород используют также в качестве ракетного топлива. Когда-нибудь водород, возможно, будут широко применять как топливо для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар (правда, само получение водорода приводит к некоторому загрязнению окружающей среды). Наше Солнце в основном состоит из водорода. Солнечное тепло и свет - это результат выделения ядерной энергии при слиянии ядер водорода.

Использование водорода в качестве топлива (экономическая эффективность)

Важнейшей характеристикой веществ, используемых в качестве топлива, является их теплота сгорания. Из курса общей химии известно, что реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла. Если взять 1 моль H 2 (2 г) и 0,5 моль O 2 (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению

Н 2 + 0,5 О 2 = Н 2 О

после завершения реакции образуется 1 моль H 2 O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль (для сравнения: теплота сгорания ацетилена составляет 1300 кДж/моль, пропана - 2200 кДж/моль). 1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль). Поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии. С учётом того, что 1 кВт·ч = 3600 кДж, получим 3,56 кВт·ч электроэнергии. Зная тариф на 1 кВт·ч электричества и стоимость 1 м³ газа, можно делать вывод о целесообразности перехода на водородное топливо.

Например, экспериментальная модель Honda FCX 3 поколения с баком водорода 156 л (содержит 3,12 кг водорода под давлением 25 МПа) проезжает 355 км. Соответственно из 3,12 кг H2 получается 123,8 кВт·ч. На 100 км расход энергии составит 36,97 кВт·ч. Зная стоимость электроэнергии, стоимость газа или бензина, их расход для автомобиля на 100 км легко подсчитать отрицательный экономический эффект перехода автомобилей на водородное топливо. Скажем (Россия 2008), 10 центов за кВт·ч электроэнергии приводят к тому, что 1 м³ водорода приводят к цене 35,6 цента, а с учётом КПД разложения воды 40-45 центов, такое же количество кВт·ч от сжигания бензина стоит 12832,4кДж/42000кДж/0,7кг/л*80центов/л=34 цента по розничным ценам, тогда как для водорода мы высчитывали идеальный вариант, без учёта транспортировки, амортизации оборудования и т. д. Для метана с энергией сгорания около 39 МДж на м³ результат будет ниже в два-четыре раза из-за разницы в цене (1м³ для Украины стоит 179$, а для Европы 350$). То есть эквивалентное количество метана будет стоить 10-20 центов.

Однако не следует забывать того, что при сжигании водорода мы получаем чистую воду, из которой его и добыли. То есть имеем возобновляемый запасатель энергии без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина, которые являются первичными источниками энергии.

Php on line 377 Warning: require(http://www..php): failed to open stream: no suitable wrapper could be found in /hsphere/local/home/winexins/сайт/tab/vodorod.php on line 377 Fatal error: require(): Failed opening required "http://www..php" (include_path="..php on line 377

• Обозначение - H (Hydrogen);
• Латинское название - Hydrogenium;
• Период - I;
• Группа - 1 (Ia);
• Атомная масса - 1,00794;
• Атомный номер - 1;
• Радиус атома = 53 пм;
• Ковалентный радиус = 32 пм;
• Распределение электронов - 1s 1 ;
• t плавления = -259,14°C;
• t кипения = -252,87°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 2,02/-;
• Степень окисления: +1; 0; -1;
• Плотность (н. у.) = 0,0000899 г/см 3 ;
• Молярный объем = 14,1 см 3 /моль.

Бинарные соединения водорода с кислородом:

Водород ("рождающий воду") был открыт английским ученым Г. Кавендишем в 1766 году. Это самый простой элемент в природе - атом водорода имеет ядро и один электрон, наверное, по этой причине водород является самым распространенным элементом во Вселенной (составляет более половины массы большинства звезд).

Про водород можно сказать, что "мал золотник, да дорог". Несмотря на свою "простоту", водород дает энергию всем живым существам на Земле - на Солнце идет непрерывная термоядерная реакция в ходе которой из четырех атомов водорода образуется один атом гелия, данный процесс сопровождается выделением колоссального количества энергии (подробнее см. Ядерный синтез).

В земной коре массовая доля водорода составляет всего 0,15%. Между тем, подавляющее число (95%) всех известных на Земле химических веществ содержат один или несколько атомов водорода.

В соединениях с неметаллами (HCl, H 2 O, CH 4 ...) водород отдает свой единственный электрон более электроотрицательным элементам, проявляя степень окисления +1 (чаще), образуя только ковалентные связи (см. Ковалентная связь).

В соединениях с металлами (NaH, CaH 2 ...) водород, наоборот, принимает на свою единственную s-орбиталь еще один электрон, пытаясь, таким образом, завершить свой электронный слой, проявляя степень окисления -1 (реже), образуя чаще ионную связь (см. Ионная связь), т. к., разность в электроотрицательности атома водорода и атома металла может быть достаточно большой.

H 2

В газообразном состоянии водород находится в виде двухатомных молекул, образуя неполярную ковалентную связь.

Молекулы водорода обладают:

• большой подвижностью;
• большой прочностью;
• малой поляризуемостью;
• малыми размерами и массой.

Свойства газа водорода:

• самый легкий в природе газ, без цвета и запаха;
• плохо растворяется в воде и органических растворителях;
• в незначительных кол-вах растворяется в жидких и твердых металлах (особенно в платине и палладии);
• трудно поддается сжижению (по причине своей малой поляризуемости);
• обладает самой высокой теплопроводностью из всех известных газов;
• при нагревании реагирует со многими неметаллами, проявляя свойства восстановителя;
• при комнатной температуре реагирует со фтором (происходит взрыв): H 2 + F 2 = 2HF;
• с металлами реагирует с образованием гидридов, проявляя окислительные свойства: H 2 + Ca = CaH 2 ;

В соединениях водород гораздо сильнее проявляет свои восстановительные свойства, чем окислительные. Водород является самым сильным восстановителем после угля, алюминия и кальция. Восстановительные свойства водорода широко используются в промышленности для получения металлов и неметаллов (простых веществ) из оксидов и галлидов.

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Реакции водорода с простыми веществами

Водород принимает электрон, играя роль восстановителя , в реакциях:

• с кислородом (при поджигании или в присутствии катализатора), в соотношении 2:1 (водород:кислород) образуется взрывоопасный гремучий газ: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 кДж
• с серой (при нагревании до 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• с хлором (при поджигании или облучении УФ-лучами): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
• с фтором : H 2 0 +F 2 = 2H +1 F
• с азотом (при нагревании в присутствии катализаторов или при высоком давлении): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

Водород отдает электрон, играя роль окислителя , в реакциях с щелочными и щелочноземельными металлами с образованием гидридов металлов - солеобразные ионные соединения, содержащие гидрид-ионы H - - это нестойкие кристаллические в-ва белого цвета.

Ca+H 2 = CaH 2 -1 2Na+H 2 0 = 2NaH -1

Для водорода нехарактерно проявлять степень окисления -1. Реагируя с водой, гидриды разлагаются, восстанавливая воду до водорода. Реакция гидрида кальция с водой имеет следующий вид:

CaH 2 -1 +2H 2 +1 0 = 2H 2 0 +Ca(OH) 2

Реакции водорода со сложными веществами

• при высокой температуре водород восстанавливает многие оксиды металлов: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
• метиловый спирт получают в результате реакции водорода с оксидом углерода (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
• в реакциях гидрогенизации водород реагирует с многими органическими веществами.

Более подробно уравнения химических реакций водорода и его соединений рассмотрены на странице "Водород и его соединения - уравнения химических реакций с участием водорода ".

Применение водорода

• в атомной энергетике используются изотопы водорода - дейтерий и тритий;
• в химической промышленности водород используют для синтеза многих органических веществ, аммиака, хлороводорода;
• в пищевой промышленности водород применяют в производстве твердых жиров посредство гидрогенизации растительных масел;
• для сварки и резки металлов используют высокую температуру горения водорода в кислороде (2600°C);
• при получении некоторых металлов водород используют в качестве восстановителя (см. выше);
• поскольку водород является легким газом, его используют в воздухоплавании в качестве наполнителя воздушных шаров, аэростатов, дирижаблей;
• как топливо водород используют в смеси с СО.

В последнее время ученые уделяют достаточно много внимания поиску альтернативных источников возобновляемой энергии. Одним из перспективных направлений является "водородная" энергетика, в которой в качестве топлива используется водород, продуктом сгорания которого является обыкновенная вода.

Способы получения водорода

Промышленные способы получения водорода:

• конверсией метана (каталитическим восстановлением водяного пара) парами воды при высокой температуре (800°C) на никелевом катализаторе: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
• конверсией оксида углерода с водяным паром (t=500°C) на катализаторе Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
• термическим разложением метана: CH 4 = C + 2H 2 ;
• газификацией твердых топлив (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• электролизом воды (очень дорогой способ при котором получается очень чистый водород): 2H 2 O → 2H 2 + O 2 .

Лабораторные способы получения водорода:

• действием на металлы (чаще цинк) соляной или разбавленной серной кислотой: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 ;
• взаимодействием паров воды с раскаленными железными стружками: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2 .

ВОДОРОД , Н, химический элемент, порядковый номер 1; атомный вес 1,008 (1,00775). Раньше атомный вес водорода принимался за единицу; в этом случае атомный вес кислорода приходилось считать равным 15,879 и атомные веса многих др. элементов выражать смешанными числами, что оказалось неудобным для стехиометрических вычислений; поэтому в настоящее время для атомного веса кислорода принято целое число 16; в связи с этим атомный вес водорода оказался равным 1,008. В последнее время дробную часть атомного веса водорода стараются объяснить релятивистским эффектом. Независимо от этого последние завоевания в области теоретической химии и физики подтвердили высказанную еще в самом начале 19 в. Проутом гипотезу, что водород является тем простейшим элементом, из которого построены все остальные химические элементы. Действительно, атомы водорода выделяются наравне с атомами гелия при радиоактивной и искусственной дезинтеграции многих химических элементов, с выделением в некоторых случаях весьма значительных (относительно) количеств энергии. Эта роль водорода в образовании остальных химических элементов соответствует его распространенности во вселенной: спектры всех светил, в том числе солнца, содержат линии водорода, и многие из светил состоят, по-видимому, исключительно из скоплений раскаленного газообразного водорода.

Физические свойства . Водород бесцветный газ без вкуса и запаха; он является наиболее легким из всех известных по настоящее время веществ: водород в 1472 раза легче воздуха и в 16 раз легче кислорода. Один литр водорода на широте 45° весит при нормальных условиях 0,089871 ± 0,000005 г; температура кипения -252,7°С; температура плавления -259,1°С; температура критическая -239,9°С; критическое давление 12,8 Atm; критическая плотность 0,531 г·см -3 ; удельный вес водорода при температуре кипения 0,07081 (по отношению к воздуху); коэффициент расширения водорода 0,0036613 при 760 мм давления между 0 и 100°С; теплопроводность 0,0322 при -252°С (Eucken), 0,4994 при 100°С, 0,445 при 40°С (Kundt und Warburg); удельная теплота при 15°С равна 14,5 джоулей на грамм-атом, при температуре от 0 до 2500°С равна 2,89 (c v); молекулярная теплота 5,82 (при температуре 0-2500°С); скрытая теплота испарения при температуре кипения равна 0,450 килоджоулей на грамм-атом; скорость звука в водороде - около 1270 м/сек при 0°С (Dulong). При обыкновенной температуре водород является газом совершенным. Коэффициент диффузии водорода по отношению к кислороду = 0,677 см 3 ·сек -1 при 0°С и 760 мм; 1 г водорода при 0°С и 760 мм занимает объем в 11,1176 л. Вес атома водорода (по Спирингу), во всяком случае, не превышает 2,5 десятибиллионных частей г; вязкость водорода при 20°С равна 88,7 х 10 -6 пуаз; поверхностное натяжение при температуре кипения равно 1,91; показатель преломления для линии Hg 5790 Ӑ при температуре кипения равен 1,197. Водород оказывает прохождению электрической искры меньшее сопротивление, чем кислород, азот воздуха и окись углерода. В воде водород растворим очень мало: при температуре 0-24°С 100 объемов воды растворяют 1,93 объемов водорода. Древесный уголь сгущает водород на своей поверхности, причем 1 см 3 угля адсорбирует (при 0°С) 1,5 см 3 водорода. Водород может проникать через пористые тела при обыкновенной температуре; через платину, палладий и железо - при температуре красного каления; при температуре около 1300°С водород диффундирует даже через стенки трубок из плавленого кварца; водород диффундирует через пористую стенку глиняного сосуда со скоростью в 4 раза большею, чем кислород. Различные металлы, находясь в атмосфере водорода, поглощают водород и отдают его обратно лишь при повышении температуры; на холоде это поглощение незначительно, при красном калении - весьма значительно; этой окклюзией , или растворимостью, водорода в металлах объясняется тот факт, что водород может проникать через металлы; легче всего водород проникает через палладий; прокаленные листочки палладия поглощают 376 объемов водорода при обыкновенной температуре, 643 - при 97°С; при этом интересно, что в вакууме металлы не отдают обратно водорода, но выделяют его лишь при температуре, близкой к красному калению. Поглощение водорода металлами зависит также и от состояния металла: металлический порошок в большинстве случаев поглощает больше водорода, чем сплавленный, вальцованный или кованный металл. Процесс поглощения водорода металлами сопровождается выделением значительного количества тепла. Жидкий водород представляет собой прозрачную бесцветную жидкость с незначительным поверхностным натяжением. Критическая температура водорода 239,9°С, критическое давление 12,8 Atm. Жидкий водород не проводит электричества, его теплота испарения около точки кипения равна 200 cal; удельная теплота 6,4; атомный объем при точке кипения 14,3 см 3 , а плотность 0,07. При действии на газообразный водород вольтовой дуги между вольфрамовыми электродами или при пропускании водорода через зону электрического разряда молекулярный водород диссоциирует на атомы особенно активного атомного водорода, соединяющиеся обратно в молекулы Н 2 с выделением значительного количества тепла (около 100000 cal).

Химические свойства . При обыкновенной температуре водород - мало активный элемент, соединяющийся только с фтором (с которым реагирует даже при температуре -210°С) и с литием. При нагревании водорода с щелочными , щелочно-земельными (кроме магния и бериллия) металлами и с теми металлами редких земель , которые отличаются более основным характером, образуются гидриды этих металлов, например: КН, СаН 2 , LaH 3 . В гидридах щелочей (например, в LiH) водород функционирует как анион, а не как катион. С хлором водород в темноте при комнатной температуре соединяется лишь крайне медленно, но если смесь одного объема водорода с одним объемом хлора осветить химически активными лучами, то оба газа соединяются со взрывом. С другими галоидами и с элементами кислородной группы водород реагирует лишь при более высоких температурах. Смешанный с кислородом в отношении 2: 1, водород образует гремучую смесь, сгорающую при поджигании или пропускании электрической искры с сильным взрывом. При сгорании 2,02 г водород с 16 г кислорода выделяется 68360 cal. Скорость распространения взрыва гремучего газа равна 2500 м/сек. Мелко раздробленная платина может воспламенить смеси водорода с кислородом или воздухом. С азотом водород соединяется лишь крайне медленно: даже при красном калении скорость реакции чрезвычайно мала; но и при дальнейшем повышении температуры условия равновесия обратимой реакции соединения водорода с азотом таковы, что значительной концентрации NH 3 в смеси реагирующих газов не образуется. На растворы серебряных солей и на хлористую платину водород действует восстанавливающим образом, уже при давлении в одну Atm; при повышенном давлении водорода восстанавливаются также и другие металлы из их солей (например, Hg из соли закисной ртути). При высокой температуре водород восстанавливает весьма многие неорганические соединения: окислы, сернистые соединения и др. При высоких давлениях и температурах водород восстанавливает, как показал В. Н. Ипатьев и его школа, целый ряд солей при действии в водных растворах. В присутствии некоторых металлических катализаторов, в особенности Ni, Со, а также некоторых металлических окислов, водород обладает способностью гидрировать при нагревании непредельные, ароматические соединения, а также восстанавливать и другие органические соединения (Сабатье и Сандерен, Ипатьев). В присутствии коллоидальных Pt и Pd целый ряд аналогичных процессов протекает также и на холоде (Paal Skita, Willstatter, Фокин, Зелинский). Под действием α-лучей эманации или электрического разряда при пониженном давления водород переходит с одновременным уменьшением своего объема в активный водород . Активный водород способен непосредственно соединяться с серой и фосфором и восстанавливать As 2 О 3 И КМnO 4 .

Получение водорода в технике . Наиболее простые методы добывания водорода являются в то же время при осуществлении в технике наименее рентабельными; поэтому их применяют лишь в условиях военного времени; к таким методам относится получение водорода при действии кислот на металлы, при действии едких щелочей на алюминий, цинк или ферросилиций (силикол) и др. Военная техника выработала целый ряд методов и препаратов (гидрогенит, гидролит, амальгама алюминия, гидрон, или сплав натрия со свинцом), которые удобны для транспорта и дают возможность легко и быстро в полевой обстановке добывать водород для целей воздухоплавания при помощи передвижных установок. Но техническое добывание водорода для промышленных целей во много раз превышает потребность в водороде для военных нужд и основано на совершенно иных процессах. Значительная часть добываемого мировой промышленностью водорода потребляется для габеровского синтеза аммиака. Однако в этом процессе исходный водород поступает в производство по методу BASF не в чистом виде, а уже смешанный с необходимым количеством азота. Смесь генераторного газа, водяного газа и водяных паров, будучи пропущена через контактную массу (окислы металлов группы железа), вступает в химическое взаимодействие, причем содержащаяся в водяном и в генераторном газе окись углерода СО реагирует с парами воды по уравнению:

Углекислый газ поглощается водой при высоком давлении; от остатка СО смесь очищается путем пропускания ее через аммиачный раствор закиси меди. В результате при правильной пропорции смешения водяного газа с генераторным газом, содержащим кроме других газов неизменившийся азот воздуха, получается непосредственно смесь азота с водородом в пропорции N 2: 3H 2 , требуемой для синтеза аммиака.

В тех случаях, когда д. б. получен один водород, без примеси азота, приходится для выделения водорода из паров воды пользоваться не генераторным газом, содержащим азот, а водяным газом. При этом взаимодействие между парами воды и восстановительным газом протекает по уравнению (I). Процесс этот обратим, и положение его равновесия зависит в значительной степени от температуры, а скорость реакции - кроме того и от применения подходящих катализаторов. При взаимодействии паров воды с раскаленным коксом при температуре в 800°С образуется главным образом водород и углекислый газ по уравнению:

между тем как при температуре выше 1000°С образуется водяной газ, т. е. смесь водорода с окисью углерода по уравнению (I). По этому методу, разработанному BASF, вырабатывается свыше 400 млн. м 3 (35000 тонн) водорода в год. Для выделения водорода из смеси газов лучше всего предварительно освобождать ее от СО 2 [отмыванием водой при высоком давлении, поглощением СО 2 щелочами или углекислыми солями, пропитыванием угля сернокислыми, кремнекислыми и хлористыми солями (Ан. П. 7718, 7719, 7720, Дифенбаха и Мольденгауера)]. Отделять водород от СО гораздо труднее. Однако по мере понижения температуры скорость реакции значительно уменьшается; поэтому приходится вести реакцию по уравнению (I) и изыскивать удобные методы отделения водорода от СО из водяного газа, образующегося при более высокой температуре. Эти методы основаны на связывании СО при высоком давлении (свыше 100 Atm) аммиачным раствором закиси меди. При этом обнаружилось, что хлористая закисная соль меди мало пригодна для этой цели в виду ее разрушающего действия на железные части аппаратуры; поэтому по Г. П. 289694 для поглощения СО пользуются закисью меди, растворенной в аммиаке или углекислом аммонии. Для предотвращения наблюдающегося при этом осаждения на железных частях аппаратуры металлической меди к водяному газу прибавляют незначительные количества кислорода или воздуха, окисляющего обратно металлическую медь до закиси меди. Предложено также прибавлять и более значительное количество кислорода к газовой смеси, чтобы часть Сu 2 O окислялась до СuО; окись меди, в свою очередь, окисляет СО, восстанавливаясь вновь до Сu 2 O. Кроме того окись углерода по указанию некоторых патентов м. б. переводима в муравьинокислый натрий при обработке ее под давлением в 50 Atm раствором весьма концентрированного едкого натра.

Наряду с этим методом значительное распространение имеет метод разложения паров воды при контакте с железом (в частности, наиболее распространен метод Мессершмита, эксплуатируемый фирмой Карл Франк в Бремене, и, в особенности, метод BAMAG). В 1918 г. при помощи установок BAMAG производилось до 125 млн. м 3 водорода в год. Этот метод также дает возможность получить довольно чистый водород в отдельности, уже независимо от азота. По методу Франка и Каро (Г. П. 174324) предварительно высушенный водяной газ, содержащий приблизительно 50% Н 2 , 40% СО, 5% СО 2 , 4,5% N 2 и 0,5% О 2 , пропускается при высокой температуре над карбидом кальция; уже после первого пропускания получается газ с содержанием от 99 до 99,6% Н 2 ; N 2 присоединяется к карбиду с образованием цианамида, а СО, СО 2 и О 2 связываются с образованием СаО и СаСО 3 ; одновременно в числе продуктов реакции образуется и графит. Однако гораздо большее техническое значение приобрела идея А. Франка, реализованная Обществом Линде, состоящая в применении для выделения водорода из водяного газа метода сгущения при помощи холодильных машин. Этот метод - Линде-Франка-Каро - разработан при содействии фирмы BAMAG (Г. П. 254043 и 261735 и Швейцарск. П. 56594). В виду того, что температура кипения Н 2 равна 20,4°К, а температура кипения СО равна 82°К, - оба эти газа м. б. отделены друг от друга путем фракционированной конденсации. При температуре кипения жидкого воздуха и атмосферном давлении смесь из 50% Н 2 и 50% СО не м. б. разделена указанным способом. Но при -197°С часть СО конденсируется в жидкость; при -205°С парциальное давление паров жидкой СО не превышает 1/7 Atm, и отгоняющийся газ содержит лишь 14% СО. При дальнейшем понижении температуры или при повышении давления можно добиться еще более благоприятных результатов. Так, при давлении в 50 Atm и температуре -197°С парциальное давление СО равно 0,5 Atm, а парциальное давление Н 2 равно 49,5 Atm, т. е. содержание СО в смеси равняется 0,5: 50 = 1%. При -203°С и50 Atm водород содержит примеси лишь 0,3% СО. Осуществление столь значительного охлаждения водяного газа возможно лишь с применением жидкого воздуха (или жидкого азота, при пониженном давлении; последнее более рентабельно), ибо водяной газ, вследствие значительного содержания в нем Н 2 , обнаруживает лишь весьма незначительное охлаждение при понижении давления (незначительный эффект Джоуля-Томсона).

Схема процесса сжижения СО представлена на фиг. 1. Водяной газ д. б. очищен от СО 2 . В целях экономии в расходовании NaOH Бедфорд предложил «отмывать» водяной газ водой при высоком давлении, после чего он содержит лишь 0,3 - 0,5% СО 2 .

Для очистки газа и от этих следов СО 2 его обрабатывают под давлением натронной известью. Сжатый водяной газ поступает в а и охлаждается встречными холодными газами; при этом СО сгущается в жидкость и собирается в б . Вентиль в понижает давление паров СО, после чего они выходят по г через д при комнатной температуре. В свою очередь водород выходит через е . Жидкий воздух, необходимый для охлаждения, находится (схематически) в з . Выделенный по описанному методу водород не содержит легко сгущающихся примесей (СО 2 , О 2 , СН 4 = 0%), но содержит еще от 2 до 1,7% СО и от 1,0 до 0,8% N 2 ; т. о. содержание чистого водорода в нем равно 97,0-97,5%. Такой водород с удельным весом 0,094 вполне пригоден для металлотехники, металлургии и воздухоплавания. Конденсированная при указанном процессе окись углерода содержит 80-85 % СО и идет в качестве горючего газа на покрытие затрат на топливо в предприятии. Образующейся окиси углерода СО хватает с избытком для этой цели уже при установках с производительностью 100 м 3 /ч водорода. При больших установках получается даже избыток СО, который может быть использован в качестве топлива для процесса фракционировки применения жидкого воздуха на О 2 и Na. Первый идет для автогенной сварки, второй - для синтеза аммиака. В последнее время для использования окиси углерода открываются новые перспективы в связи с блестящими открытиями Вергиуса и Фр. Фишера, обещающими осуществить синтетическое получение жидких углеводородов и многочисленных продуктов органического синтеза непосредственно из каменного угля или из первого продукта его сгорания СО. Усовершенствование относящихся к этой области химических технологических методов должно внести еще небывалый переворот во всю область прикладной химии и вместе с тем должно отразиться на всех отраслях мировой промышленности.

На фиг. 2 представлена схема всей установки по методу Линде-Франка-Каро. Из генератора А газ поступает для очистки в скруббер Б и сухую очистительную камеру В, после чего собирается в газгольдере Г.

Отсюда газ, еще содержащий до 3% СО 2 , поступает в компрессоры, которые переводят его после двухстепенного сжатия для «отмывки» СО 2 в водяные башни, из которых газ поступает в охлаждаемые сосуды К и К, где остаток СО 2 поглощается имеющимся в этих сосудах NaOH. К и К работают попеременно, по одной неделе, благодаря чему процесс может проходить непрерывно. В К и К водород отделяется от конденсированной в жидкость СО и выходит под давлением в 50 atm. Компрессор Л дополнительно увеличивает давление водорода, поступающего в стальные цилиндры М.

Наиболее важным в настоящее время методом добывания водорода в техническом масштабе является метод, основанный на окислении металлического железа при температуре красного каления парами воды с образованием свободного водорода:

За этим процессом следует обратный процесс восстановления окислов железа, достигаемого обыкновенно при действии на них водяного газа; затем железо опять вступает в реакцию с парами воды и т. д. Этот процесс был впервые обнаружен еще Лавуазье (1783 г.) и в 1794 г. был применен после его разработки Прейнером и Сент-Клер-Девилем во французской армии для наполнения водородом воздушных шаров. Для успешного течения процесса загружаемое в восстановительную печь железо должно обладать особыми свойствами: оно должно быть пористо, не должно рассыпаться или сплавляться. Такое железо получалось при восстановлении в надлежащих условиях некоторых руд (железный блеск) или при восстановлении окислов железа, остающихся при обжиге свободных от мышьяка и цинка образцов железного колчедана (Internationale Wasserstoff-A.-G., Г. П. 220889). Дифенбах и Мольденгауер применили для этой цели с большим успехом обожженный железный шпат. Весьма вредно отражается на процессе восстановления паров воды железом присутствие в газе, применяемом для обратного восстановления окислов железа, сернистых соединений и окиси углерода; в последнем случае восстановленное железо покрывается налетом угля, препятствующим в дальнейшем образованию водорода. Лане и Зауберман (Г. П. 234175) применили в качестве контактной массы железную руду (в крупных кусках), восстановленную при 800°С газами, не содержавшими углеводородов и заключавшими незначительный % СО по сравнению с содержанием в них Н 2 ; они получили т. о. весьма пористое губчатое железо. Фирма Internationale Wasserstoff- A.-G. пользовалась контактной массой, восстановленной из руды при 800°С при действии технического блаугаза; Мессершмит предложил загружать аппарат массой, в состав которой наряду с пористым железом входит также и компактное железо (Г. П. 258053). Во избежание закупорки труб рыхлой контактной массой и во избежание ее спекания и сплавления тот же Мессершмит предложил применять железо в виде узких трубок, которые как с наружной, так и с внутренней стороны находились бы в контакте с восстановительными газами. Дифенбах и Мольденгауер (Г. П. 270704) примешивают к контактной массе Mn, Сг, W, Ti и другие металлы, которые парами воды окисляются наравне с железом, но не восстанавливаются обратно подобно последнему восстановительными газами. Поэтому они образуют как бы остов из своих окислов для пористого железа, не плавясь сами и препятствуя спеканию железной контактной массы. Негер и Нодинг применяют в качестве контактной массы чугунные шесты, которые легче восстанавливаются и неделями не изменяют своей формы при 1000°С (температура плавления чугуна около 1200°С), но в этом случае топка д. б. нефтяной, ибо при сжигании генераторного и водяного газа достигается температура выше 1200°С. Гергарц предлагает вдувать водяные пары в расплавленные металлы, при чем вода окисляет часть металлов (аналогично процессу Бессемера и Томаса), а водород выделяется в газообразном состоянии. Целый ряд других патентов: Белу (Г. П. 43989), Ф. Крупна (Г. П. 73978 и 67827), Штрахе (Г. П. 77350), Г. Шимминга (Г. П. 95071), Ю. Пинча (Г. П. 283160), Эльворти и Вилльямсона (Г. П. 164350), Каро (Г. П. 249269), содержат те или иные улучшения, гл. обр. в смысле более экономного использования энергии, а также более удачного подбора и обработки контактной массы или наиболее рациональной последовательности отдельных стадий процесса. В этом отношении наиболее удачным методом следует считать метод, запатентованный фирмой BAMAG (Г. П. 294039), который состоит в том, что после первоначального окисления контактной массы обратный процесс восстановления ее генераторным газом не следует непосредственно за первым процессом, но в течение некоторого времени между обоими процессами через контактную массу продувают воздух, вызывающий полное окисление последней в отличие от частичного окисления контактной массы при действии на нее водяных паров. При этом выделяется столь значительное количество тепла, что его с избытком хватает для поддержания всего процесса. Целый ряд патентов, заявленных Мессершмитом (Г. П. 263391 и др.), весьма удачно разрешают вопрос о регулировании нагревания контактной железной массы. Водород образуется при этом в шахтной печи. Первоначальное разогревание генератора до температуры в 700-900°С осуществляется при помощи водяного газа и продолжается 7-8 ч., но затем при повторении эта фаза процесса не требует более 17-19 мин. После восстановления всей контактной массы удаляют последние следы водяного газа и воздуха путем продувания в течение 5-10 сек. водяного газа и переключают процесс в противоположном направлении по уравнению:

Эта фаза продолжается около 8 мин., затем в течение 3-5 мин. продувают воздух, чтобы сжечь отложившийся уголь (и иногда серу); при этом выделяется значительное количество тепла; затем вновь следует восстановительная фаза и т. д. Весьма сходен с описанным выше методом Мессершмита метод BAMAG (Г. П. 267944 и 300711). Фаза образования водорода здесь длится около 5 мин. Смена окислительных и восстановительных фаз осуществляется автоматически. Этот метод дает возможность получать продукт с содержанием 98,5% водорода.

На фиг. 3 изображен схематически аппарат Григса, сходный по типу с аппаратом К. Франка-Мессершмита. В этом аппарате процесс протекает в следующем порядке. 1) Фаза восстановления: смесь воздуха и восстановительного газа поступает через а и нагревается в камере б , после чего нагревает шамотовые решетки, образующие центральную часть аппарата; затем пропускается избыток восстановительного газа, который восстанавливает окислы железа, содержащиеся в в . 2) Фаза образования водорода: пары, поступившие через г , проходят через часть аппарата, содержащую шамотовые решетки, затем они поступают в в , после чего выходят через д . 3) Фаза пропускания пара: пары воды поступают через д , проходят через в , спускаются по центральной части и выходят через г . 4) Фаза аэрации: воздух входит через а .

При получении водорода действием железа на водяные пары приходится заботиться больше всего об усовершенствовании теплового использования, ибо если не позаботиться о рекуперации, то 90% тепла водяного газа пропадает даром. Печи изготовляются из специальных сплавов, хорошо переносящих изменения температуры. Поступление и выход газов в печи регулируются автоматически (например, патент Демпстона: Американский П. 104115/16, патент Бата, Бельгийский П. 137674/19 и др.). Аппарат типа Мессершмита (с одной печью), по-видимому, имеет преимущество перед аппаратом с несколькими печами (типа Лане). Все большее и большее применение получают восстановительные промышленные газы в качестве замены водяного газа, например, печные газы (аппарат Григса - Английский П. 142882/20), газы коксовальных печей, которые содержат до 50% Н 2 , остающегося обыкновенно без всякого применения, светильный газ. Последнее обстоятельство дает возможность легко приспособить коксовальные печи или газовые заводы для производства водорода (Soc. Охуhydrique Frangaise, Ф. П. 563600). Метод завода «Электрон» в Грисгейме преследует гл. обр. цель максимального устранения окиси углерода путем пропускания смеси газов через катализаторы и через известь, и путем разделения друг от друга обоих основных газов реакции (Гринвуд, Английский П. 137340/18). Метод Дифенбаха и Мольденгауера дает возможность в одном и том же процессе получить водяной газ, окислить его парами воды и поглотить СО 2 (Catalysateurs Griesheim, Prius; Анлийский П. 128273/17 Neville et Taylor). Метод Граера (Бельгийский П. -561409/22) предусматривает рассыпание извести, и поэтому водяной газ пропускается через водную известь в отсутствии водяных паров.

Другие физические методы отделения . Клод (Ф. П. 130092, 130358/18) предложил воспользоваться значительно меньшей растворимостью водорода в органических растворителях (например, в эфире) сравнительно с другими газами коксовальных печей для отделения водорода от остальных газов. Кривые на фиг. 4 выражают отношение растворимости в эфире окиси углерода и водорода. Однако метод сжижения сохраняет, по-видимому, свое преимущество. Клод конденсирует газы коксовальной печи и отделяет от них водород. При этом одновременно удается выделить также и те углеводороды, содержащиеся в газах коксовальных печей, которые имеют промышленное применение.

В последнее время все большее и большее значение приобретают методы, основанные на расщеплении углеводородов и других органических соединений при высокой температуре или под действием катализаторов с выделением свободного водорода. К тому же типу методов производства водорода следует отнести взаимодействие при высоких температурах углеводородов, смешанных с водяным паром, при чем образуется чистый водород и окись углерода или углекислый газ. BASF достигает этой цели пропусканием смеси через весьма короткий слой контактной массы, например, через сеточки из никелевой проволоки. Разложение углеводорода достигается при температуре красного каления еще быстрее и полнее при пользовании в качестве катализатора окисью никеля или металлическим никелем, мелко раздробленным и нанесенным в таком состоянии на огнеупорные материалы. По Ринкеру и Вольтеру (Г. П. 174253, 210435), получение водорода может быть достигнуто также из нефтяного газа. В генератор, наполненный раскаленным коксом, вводятся пары нефти или каменноугольной смолы (или же разбрызгиваются в нем сверху нефтяные остатки или каменноугольная смола). Пары пропускаются через слои кокса, где они расщепляются и при достаточно высокой температуре образуют конечный газ с содержанием до 96% водорода. В виду того, что температура генератора вследствие эндотермичности реакции разложения нефтяного газа сильно понижается, необходимо время от времени прекращать прибавление нефтяного газа и повышать нагретыми газами температуру генератора. Метод Ринкера-Вольтера имел ввиду сначала лишь получение светильного газа с небольшим содержанием углерода из нефти или из ее остатков. Однако фирма BAMAG настолько усовершенствовала этот метод, что явилась возможность получать продукт с удельным весом 0,087-0,090 и с содержанием водорода до 98% (остальное-азот).

В тех случаях, когда применение водорода не допускает присутствия в нем ядовитых примесей, «отравляющих» катализатор, участвующий в процессе производства, для которого используется водород (также при производстве водорода для лампочек накаливания), - удобнее всего пользоваться электролитическим водородом (в особенности, если наличность гидроэлектрических ресурсов и возможность одновременного использования получающегося в качестве побочного продукта кислорода снижает цену электролитического водорода). В таких случаях возможно пользоваться электролитическим водородом преимущественно перед водородом, добытым другими методами, при которых необходимо производить очистку водорода от неизбежных отравляющих примесей. Электролитический водород, разумеется, совершенно чист. Для электролиза пользуются водой, к которой добавлено некоторое количество кислоты, едкой щелочи и углекислых щелочей. Электроды изготовляются либо из железа (при щелочной реакции раствора), либо из свинца (при кислых растворах). Во избежание, смешивания Н 2 с О 2 электроды отделяются друг от друга диафрагмой из пористого (асбестовая ткань) неэлектропроводного материала. По этому принципу сконструирован завод водорода для военных воздухоплавательных целей в Шале-Медон (метод Репара). Для электролиза пользуются напряжением в 2,25-2,5 V при температуре электролита 50-70°С. Построенные по этому принципу аппараты производят водород в 99,8% чистоты. Другой принцип конструкции аппаратов для электролиза предусматривает присутствие перегородки между электродами из электропроводного материала.

Особенное значение для электролитического получения водорода приобрела установка О. Шмита (Г. П. 111131). Этот электролизер состоит из системы электродов, связанных вместе по типу фильтр-пресса. Устройство всего аппарата ясно из фиг. 5а - схематический вид аппарата сбоку, 5б - горизонтальный разрез, 5в - разрез через одну раму (вид спереди) и 5г - разрез через газоотделитель; ее - двойные электроды, д - диафрагмы; каждая пластина электрода наверху и внизу имеет по два отверстия о, о и o", о".

Два канала проходят через эти отверстия: нижний подводит воду в электродные пространства, верхний служит для отвода образующихся газов. Дальнейшее усовершенствование этой установки состоит в совершенной изоляции пластин от их держателей путем введения между пластинами и держателями коротких прослоек фарфора, стекла и других изоляционных материалов. Фабрика Эрликон изготовляет (Г. П. 275515) электролизеры на 20, 40, 75 и 125 А, приспособления для напряжения 65, 110 и 220 V. Электролитом является 10%-ный раствор поташа. Для получения 1 м 3 водорода при 40°С требуется 6 kW. Ввиду замкнутости всего аппарата газы м. б. получены и под давлением. Разновидностями той же системы электролизеров являются аппараты Эйкена, Леруа и Морица, а равно и электролизер Французского анонимного общества (Societe Anonyme Oxyhydrique). Особенно удобной конструкцией отличаются аппараты системы Левина (Г. П. 288776), отличие которых от описанных выше заключается в возможности регулировать гидростатическое и газовое давление каждой ячейки отдельно вследствие того, что на дне газовых собирателей имеются каналы с отогнутыми в сторону отверстиями, при помощи которых в общий собиратель поступают газы из отдельных газоулавливателей. Путем изменения высоты уровня выходного отверстия удается регулировать газовое давление и уровни жидкости отдельно каждой ячейки. Аппараты Левина изготовляются в Нью-Йорке в предприятии International Oxygen С°.

Значительные количества водорода образуются в качестве побочного продукта при получении бутилового алкоголя по методу брожения под влиянием чистых культур Clostridium acetobutilicum. Фабрики Commercial Solvents Corporation в США производят по этому методу около 69000 м 3 водорода в день в качестве побочного продукта наряду с полуторным количеством СО 2 . Столь значительный выход водорода дает возможность утилизировать его на месте для производства синтетического аммиака.

В военное время для добывания водорода применялись методы (независимо от калькуляции стоимости водорода), которые обеспечивали возможность быстрого получения водорода при помощи легко подвижных установок. К числу таких методов можно отнести: силиколевый метод (Жобера или Лелоржа - действие щелочей на ферросилиций), гидрогенитовый метод (действие NaOH на кремний), гидролитовый (действие воды на СаН 2), метод действия кислоты на цинк или железо , действие алюминия на раствор едкого натра, метод Морино-Бопре (действие амальгамы алюминия на едкий натр), гидроновый метод (действие сплава натрия и свинца на воду), метод Ринкера-Вольтера, приспособленный к полевой обстановке, и другие.

Применение водорода . До войны 1914-18гг. потребление и производство водорода было сравнительно весьма ограниченным. Водород применялся для воздухоплавания, для (весьма слабо развитого в то время) производства синтетического аммиака, для автогенной сварки металлов, где водород постепенно вытеснялся ацетиленом. Лишь война, выдвинув громадную потребность в водороде, сильно способствовала усовершенствованию методов его получения и развитию водородной промышленности. Синтетический аммиак потребовался в громадных количествах как для целей удобрения, в виду затрудненности транспорта чилийской селитры , так и в качестве исходного продукта для окисления его по методу Оствальда в азотную кислоту, необходимую для изготовления взрывчатых веществ. Потребность в водороде для воздухоплавания во время войны также достигла значительных размеров. По окончании войны производство синтетического аммиака для целей удобрения не только не уменьшилось, но еще значительно увеличилось (одни только заводы BASF потребляют для получения синтетического аммиака 2 млн. м 3 водорода в день). Равным образом значительно увеличилось потребление водорода для гидрогенизации жиров, дающей возможность из малоценных растительных жиров и несъедобного рыбьего жира получать твердые жиры, пригодные для пищи, а также для мыловаренного производства. Производство гидрогенизированных жиров весьма сильно развито во Франции (Марсель), в США и в Японии. Еще в 1922 году Япония вырабатывала 62 т гидрогенизированного жира в день. До войны в России действовало несколько заводов по гидрогенизации жиров (Волжского Акц. об-ва «Салолин» в Петербурге и в Н. Новгороде). В СССР производство гидрогенизированных жиров имеется, например, на саламасном заводе в Ростове-на-Дону, в Москве на бывшем Невском стеариновом заводе и в других местах. Этот вид промышленности развивается весьма быстро, потребляя все большие и большие количества водорода. Водород широко применяется в технике и в исследовательских лабораториях также и для гидрогенизации других ненасыщенных органических соединений (кроме жиров), как, например, ароматических углеводородов (например, при получении декалина, тетралина из нафталина, для гидрирования ацетилена и углеводородов, получаемых при сухой перегонке каменного и бурого угля, и для гидрогенизации нефтяных остатков, перерабатываемых в присутствии катализаторов с присоединением водорода в гидрированные продукты). Кроме того, водород применяется в целом ряде химических производств, например, при получении аминов из нитросоединений, алкоголей из альдегидов (например, винного спирта из ацетальдегида), при получении метана из окиси углерода, для получения муравьиной кислоты при действии водородом на углекислоту или на бикарбонаты под влиянием темных электрических разрядов. Целый ряд фармацевтических препаратов получается от действия водорода на алкалоиды, лецитин и другие органические соединения. В последние годы потребность в водороде встретилась со стороны еще новой отрасли, которой суждено сыграть величайшую роль в химической промышленности. Эта область применения водорода связана с открытием Бергиусом и Фишером методов т. н. сжижения угля, т. е. методов присоединения к углю водорода при высоком давлении и при участии катализаторов с образованием жидких горючих углеводородов, а равно и методов присоединения водорода при высоком давлении к непредельным органическим соединениям. Отметить следует также и работы швейцарского проф. Фиртца, разработавшего метод присоединения водорода к целлюлозе. Неудивительно поэтому, что во всех странах в последнее время усиленно разрабатываются методы производства водорода и что число патентов, относящихся к этим методам, растет с неимоверной быстротой во всех странах.

Получение водорода см. .

ВОДОРОД
Н (лат. hydrogenium) ,
самый легкий газообразный химический элемент - член IA подгруппы периодической системы элементов, иногда его относят к VIIA подгруппе. В земной атмосфере водород в несвязанном состоянии существует только доли минуты, его количество составляет 1-2 части на 1 500 000 частей воздуха. Он выделяется обычно с другими газами при извержениях вулканов, из нефтяных скважин и в местах разложения больших количеств органических веществ. Водород соединяется с углеродом и(или) кислородом в органическом веществе типа углеводов, углеводородов, жиров и животных белков. В гидросфере водород входит в состав воды - наиболее распространенного соединения на Земле. В породах, грунтах, почвах и других частях земной коры водород соединяется с кислородом, образуя воду и гидроксид-ион OH-. Водород составляет 16% всех атомов земной коры, но по массе лишь около 1%, так как он в 16 раз легче кислорода. Масса Солнца и звезд на 70% состоит из водородной плазмы: в космосе это самый распространенный элемент. Концентрация водорода в атмосфере Земли возрастает с высотой благодаря его низкой плотности и способности подниматься на большие высоты. Обнаруженные на поверхности Земли метеориты содержат 6-10 атомов водорода на 100 атомов кремния.
Историческая справка. Еще немецкий врач и естествоиспытатель Парацельс в 16 в. установил горючесть водорода. В 1700 Н.Лемери обнаружил, что газ, выделяющийся при действии серной кислоты на железо, взрывается на воздухе. Водород как элемент идентифицировал Г.Кавендиш в 1766 и назвал его "горючим воздухом", а в 1781 он доказал, что вода - это продукт его взаимодействия с кислородом. Латинское hydrogenium, которое происходит от греческого сочетания "рождающий воду", было присвоено этому элементу А.Лавуазье.
Общая характеристика водорода. Водород - это первый элемент в периодической системе элементов; его атом состоит из одного протона и вращающегося вокруг него одного электрона
(см. также ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ).
Один из 5000 атомов водорода отличается наличием в ядре одного нейтрона, увеличивающего массу ядра с 1 до 2. Этот изотоп водорода называют дейтерием 21H или 21D. Другой, более редкий изотоп водорода содержит два нейтрона в ядре и называется тритием 31H или 31T. Тритий радиоактивен и распадается с выделением гелия и электронов. Ядра различных изотопов водорода различаются спинами протонов. Водород может быть получен а) действием активного металла на воду, б) действием кислот на определенные металлы, в) действием оснований на кремний и некоторые амфотерные металлы, г) действием перегретого пара на уголь и метан, а также на железо, д) электролитическим разложением воды и термическим разложением углеводородов. Химическая активность водорода определяется его способностью отдавать электрон другому атому или обобществлять его почти поровну с другим элементами при образовании химической связи либо присоединять электрон другого элемента в химическом соединении, называемом гидридом. Водород, производимый промышленностью, в огромных количествах расходуют на синтез аммиака, азотной кислоты, гидридов металлов. Пищевая промышленность применяет водород для гидрирования (гидрогенизации) жидких растительных масел в твердые жиры (например, маргарин). При гидрировании насыщенные органические масла, содержащие двойные связи между углеродными атомами, превращаются в насыщенные, имеющие одинарные углерод-углеродные связи. Высокочистый (99,9998%) жидкий водород используется в космических ракетах в качестве высокоэффективного горючего.
Физические свойства. Для сжижения и затвердевания водорода требуются очень низкие температуры и высокое давление (см. таблицу свойств). В нормальных условиях водород - бесцветный газ, без запаха и вкуса, очень легкий: 1 л водорода при 0° C и атмосферном давлении имеет массу 0,08987 г (ср. плотность воздуха и гелия 1,2929 и 0,1785 г/л соответственно; поэтому воздушный шар, наполненный гелием и имеющий такую же подъемную силу, как и воздушный шар с водородом, должен иметь на 8% больший объем). В таблице приведены некоторые физические и термодинамические свойства водорода. СВОЙСТВА ОБЫЧНОГО ВОДОРОДА
(при 273,16 К, или 0° С)
Атомный номер 1 Атомная масса 11Н 1,00797 Плотность, г/л

при нормальном давлении 0,08987 при 2,5*10 5 атм 0,66 при 2,7*10 18 атм 1,12*10 7

Ковалентный радиус, 0,74 Температура плавления, ° С -259,14 Температура кипения, ° С -252,5 Критическая температура, ° С -239,92 (33,24 K) Критическое давление, атм 12,8 (12,80 K) Теплоемкость, Дж/(мольЧK) 28,8 (H2) Растворимость

в воде, объем/100 объемов H2O (при стандартных условиях) 2,148 в бензоле, мл/г (35,2° С, 150,2 атм) 11,77 в аммиаке, мл/г (25° С) при 50 атм 4,47 при 1000 атм 79,25

Степени окисления -1, +1
Строение атома. Обычный водородный атом (протий) состоит из двух фундаментальных частиц (протона и электрона) и имеет атомную массу 1. Из-за огромной скорости движения электрона (2,25 км/с или 7*1015 об./с) и его дуалистической корпускулярно-волновой природы невозможно точно установить координату (положение) электрона в любой данный момент времени, но имеются некоторые области высокой вероятности нахождения электрона, и они определяют размеры атома. Большинство химических и физических свойств водорода, особенно относящихся к возбуждению (поглощению энергии), точно предсказываются математически (см. СПЕКТРОСКОПИЯ). Водород сходен со щелочными металлами в том, что все эти элементы способны отдавать электрон атому-акцептору для образования химической связи, которая может изменяться от частично ионной (переход электрона) до ковалентной (общая электронная пара). С сильным акцептором электронов водород образует положительный ион Н+, т.е. протон. На электронной орбите атома водорода могут находиться 2 электрона, поэтому водород способен также принимать электрон, образуя отрицательный ион Н-, гидрид-ион, и это роднит водород с галогенами, для которых характерно принятие электрона с образованием отрицательного галогенид-иона типа Cl-. Дуализм водорода находит отражение в том, что в периодической таблице элементов его располагают в IA подгруппе (щелочные металлы), а иногда - в VIIA подгруппе (галогены) (см. также ХИМИЯ).
Химические свойства. Химические свойства водорода определяются его единственным электроном. Количество энергии, необходимое для отрыва этого электрона, больше, чем может предоставить любой известный химический окислитель. Поэтому химическая связь водорода с другими атомами ближе к ковалентной, чем к ионной. Чисто ковалентная связь возникает при образовании молекулы водорода: H + H H2
При образовании одного моля (т.е. 2 г) H2 выделяется 434 кДж. Даже при 3000 K степень диссоциации водорода очень невелика и равна 9,03%, при 5000 K достигает 94% и лишь при 10000 K диссоциация становится полной. При образовании двух молей (36 г) воды из атомарного водорода и кислорода (4H + O2 -> 2H2O) выделяется более 1250 кДж и температура достигает 3000-4000° C, тогда как при сгорании молекулярного водорода (2H2 + O2 -> 2H2O) выделяется всего 285,8 кДж и температура пламени достигает лишь 2500° C. При комнатной температуре водород менее реакционноспособен. Для инициирования большинства реакций необходимо разорвать или ослабить прочную связь H-H, израсходовав много энергии. Скорость реакций водорода возрастает с использованием катализатора (металлы платиновой группы, оксиды переходных или тяжелых металлов) и методов возбуждения молекулы (свет, электрический разряд, электрическая дуга, высокие температуры). В таких условиях водород реагирует практически с любым элементом, кроме благородных газов. Активные щелочные и щелочноземельные элементы (например, литий и кальций) реагируют с водородом, являясь донорами электронов и образуя соединения, называемые солевыми гидридами (2Li + H2 -> 2LiH; Ca + H2 -> CaH2).
Вообще гидридами называются соединения, содержащие водород. Широкое разнообразие свойств таких соединений (в зависимости от атома, связанного с водородом) объясняется возможностями водорода проявлять заряд от -1 до практически +1. Это отчетливо проявляется в сходстве LiH и CaH2 и солей типа NaCl и CaCl2. Считается, что в гидридах водород заряжен отрицательно (Н-); такой ион является восстановителем в кислой водной среде: 2H- H2 + 2e- + 2,25B. Ион H- способен восстанавливать протон воды H+ до газообразного водорода: H- + H2O (r) H2 + OH-.
Соединения водорода с бором - бороводороды (борогидриды) - представляют необычный класс веществ, называемых боранами. Простейшим представителем их является BH3, существующий только в устойчивой форме диборана B2H6. Соединения с большим количеством атомов бора получают разными способами. Известны, например, тетраборан B4H10, стабильный пентаборан B5H9 и нестабильный пентаборан B5H11, гексаборан B6H10, декаборан B10H14. Диборан может быть получен из H2 и BCl3 через промежуточное соединение B2H5Cl, которое при 0° C диспропорционирует до B2H6, а также взаимодействием LiH или литийалюминийгидрида LiAlH4 c BCl3. В литийалюминийгидриде (комплексном соединении - солевом гидриде) четыре атома водорода образуют ковалентные связи с Al, но имеется ионная связь Li+ с []-. Другим примером водородсодержащего иона является борогидрид-ион BH4-. Ниже приведена приблизительная классификация гидридов по их свойствам в соответствии с положением элементов в периодической системе элементов. Гидриды переходных металлов называются металлическими или промежуточными и часто не образуют стехиометрических соединений, т.е. отношение атомов водорода к металлу не выражается целым числом, например, гидрид ванадия VH0,6 и гидрид тория ThH3,1. Металлы платиновой группы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir и Pt) активно поглощают водород и служат эффективными катализаторами реакций гидрирования (например, гидрогенизации жидких масел с образованием жиров, конверсии азота в аммиак, синтеза метанола CH3OH из CO). Гидриды Be, Mg, Al и подгрупп Cu, Zn, Ga - полярные, термически нестабильные.

Неметаллы образуют летучие гидриды общей формулы MHx (х - целое число) с относительно низкой температурой кипения и высоким давлением паров. Эти гидриды существенно отличаются от солевых гидридов, в которых водород имеет более отрицательный заряд. У летучих гидридов (например, углеводородов) преобладает ковалентная связь между неметаллами и водородом. По мере усиления неметаллического характера образуются соединения с частично ионной связью, например H+Cl-, (H2)2+O2-, N3-(H3)3+. Отдельные примеры образования различных гидридов приведены ниже (в скобках указана теплота образования гидрида):

Изомерия и изотопы водорода. Атомы изотопов водорода непохожи. Обычный водород, протий, всегда представляет собой протон, вокруг которого вращается один электрон, находящийся от протона на огромном расстоянии (относительно размеров протона). Обе частицы обладают спином, поэтому атомы водорода могут различаться либо спином электрона, либо спином протона, либо и тем, и другим. Водородные атомы, различающиеся спином протона или электрона, называются изомерами. Комбинация двух атомов с параллельными спинами приводит к образованию молекулы "ортоводорода", а с противоположными спинами протонов - к молекуле "параводорода". Химически обе молекулы идентичны. Ортоводород имеет очень слабый магнитный момент. При комнатной или повышенной температуре оба изомера, ортоводород и параводород, находятся обычно в равновесии в соотношении 3:1. При охлаждении до 20 K (-253° C) содержание параводорода возрастает до 99%, так как он более стабилен. При сжижении методами промышленной очистки ортоформа переходит в параформу с выделением теплоты, что служит причиной потерь водорода от испарения. Скорость конверсии ортоформы в параформу возрастает в присутствии катализатора, например древесного угля, оксида никеля, оксида хрома, нанесенного на глинозем. Протий - необычный элемент, так как в ядре его нет нейтронов. Если в ядре появляется нейтрон, то такой водород называется дейтерий 21D. Элементы с одинаковым количеством протонов и электронов и разным количеством нейтронов называются изотопами. Природный водород содержит небольшую долю HD и D2. Аналогично, природная вода содержит в малой концентрации (менее 0,1%) DOH и D2O. Тяжелая вода D2O, имеющая массу больше, чем у H2O, отличается по физическим и химическим свойствам, например, плотность обычной воды 0,9982 г/мл (20° С), а тяжелой - 1,105 г/мл, температура плавления обычной воды 0,0° С, а тяжелой - 3,82° С, температура кипения - соответственно 100° С и 101,42° С. Реакции с участием D2O протекают с меньшей скоростью (например, электролиз природной воды, содержащей примесь D2O, с добавкой щелочи NaOH). Скорость электролитического разложения оксида протия H2O больше, чем D2O (с учетом постоянного роста доли D2O, подвергающейся электролизу). Благодаря близости свойств протия и дейтерия можно замещать протий на дейтерий. Такие соединения относятся к так называемым меткам. Смешивая соединения дейтерия с обычным водородсодержащим веществом, можно изучать пути, природу и механизм многих реакций. Таким методом пользуются для изучения биологических и биохимических реакций, например процессов пищеварения. Третий изотоп водорода, тритий (31T), присутствует в природе в следовых количествах. В отличие от стабильного дейтерия тритий радиоактивен и имеет период полураспада 12,26 лет. Тритий распадается до гелия (32He) с выделением b-частицы (электрона). Тритий и тритиды металлов используют для получения ядерной энергии; например, в водородной бомбе происходит следующая реакция термоядерного синтеза: 21H + 31H -> 42He + 10n + 17,6 МэВ
Получение водорода. Зачастую дальнейшее применение водорода определяется характером самого производства. В некоторых случаях, например при синтезе аммиака, небольшие количества азота в исходном водороде, конечно, не являются вредной примесью. Примесь оксида углерода(II) также не будет помехой, если водород используют как восстановитель. 1. Самое крупное производство водорода основано на каталитической конверсии углеводородов с водяным паром по схеме CnH2n + 2 + nH2O (r) nCO + (2n + 1)H2 и CnH2n + 2 + 2nH2O (r) nCO2 + (3n + 1)H2. Температура процесса зависит от состава катализатора. Известно, что температуру реакции с пропаном можно снизить до 370° С, используя в качестве катализатора боксит. До 95% производимого при этом CO расходуется при дальнейшей реакции с парами воды: H2O + CO -> CO2 + H2
2. Метод водяного газа дает значительную часть общего производства водорода. Сущность метода заключается в реакции паров воды с коксом с образованием смеси CO и H2. Реакция эндотермична (DH° = 121,8 кДж/моль), и ее проводят при 1000° С. Нагретый кокс обрабатывают паром; выделяющаяся очищенная газовая смесь содержит некоторое количество водорода, большой процент CO и небольшую примесь CO2. Для повышения выхода H2 монооксид CO удаляют дальнейшей паровой обработкой при 370° C, при этом получается больше CO2. Углекислый газ довольно легко удалить, пропуская газовую смесь через скруббер, орошаемый водой противотоком. 3. Электролиз. В электролитическом процессе водород является фактически побочным продуктом производства главных продуктов - хлора и щелочи (NaOH). Электролиз проводят в слабощелочной водной среде при 80° C и напряжении около 2В, используя железный катод и никелевый анод:

4. Железо-паровой метод, по которому пар при 500-1000° C пропускают над железом: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 + 160,67 кДж. Получаемый этим методом водород обычно используют для гидрогенизации жиров и масел. Состав оксида железа зависит от температуры процесса; при nC + (n + 1)H2
6. Следующим по объему производства является метанол-паровой метод: CH3OH + H2O -> 3H2 + CO2. Реакция эндотермична и ее проводят при ВОДОРОД260° C в обычных стальных реакторах при давлении до 20 атм. 7. Каталитическое разложение аммиака: 2NH3 -> Реакция обратима. При небольших потребностях в водороде этот процесс неэкономичен. Существуют также разнообразные способы получения водорода, которые, хотя и не имеют большого промышленного значения, в некоторых случаях могут оказаться экономически наиболее выгодными. Очень чистый водород получается при гидролизе очищенных гидридов щелочных металлов; при этом из малого количества гидрида образуется много водорода: LiH + H2O -> LiOH + H2
(Этот метод удобен при непосредственном применении получаемого водорода.) При взаимодействии кислот с активными металлами также выделяется водород, однако при этом он обычно загрязнен парами кислоты или другим газообразным продуктом, например фосфином PH3, сероводородом H2S, арсином AsH3. Наиболее активные металлы, реагируя с водой, вытесняют водород и образуют щелочной раствор: 2H2O + 2Na -> H2 + 2NaOH Распространен лабораторный метод получения H2 в аппарате Киппа по реакции цинка с соляной или серной кислотой:
Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2. Гидриды щелочноземельных металлов (например, CaH2), комплексные солевые гидриды (например, LiAlH4 или NaBH4) и некоторые бороводороды (например, B2H6) при реакции с водой или в процессе термической диссоциации выделяют водород. Бурый уголь и пар при высокой температуре также взаимодействуют с выделением водорода.
Очистка водорода. Степень требуемой чистоты водорода определяется его областью применения. Примесь углекислого газа удаляют вымораживанием или сжижением (например, пропуская газообразную смесь через жидкий азот). Эту же примесь можно полностью удалить барботированием через воду. CO может быть удален каталитическим превращением в CH4 или CO2 или сжижением при обработке жидким азотом. Примесь кислорода, образующаяся в процессе электролиза, удаляется в виде воды после искрового разряда.
Применение водорода. Водород применяется главным образом в химической промышленности для производства хлороводорода, аммиака, метанола и других органических соединений. Он используется при гидрогенизации масел, а также угля и нефти (для превращения низкосортных видов топлив в высококачественные). В металлургии с помощью водорода восстанавливают некоторые цветные металлы из их оксидов. Водород используют для охлаждения мощных электрогенераторов. Изотопы водорода находят применение в атомной энергетике. Водородно-кислородное пламя применяется для резки и сварки металлов.
ЛИТЕРАТУРА
Некрасов Б.В. Основы общей химии. М., 1973 Жидкий водород. М., 1980 Водород в металлах. М., 1981

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Синонимы :

Смотреть что такое "ВОДОРОД" в других словарях:

Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Водород 4, 4H Нейтронов 3 Протонов 1 Свойства нуклида Атомная масса 4,027810(110) … Википедия

Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Водород 5, 5H Нейтронов 4 Протонов 1 Свойства нуклида Атомная масса 5,035310(110) … Википедия

Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Водород 6, 6H Нейтронов 5 Протонов 1 Свойства нуклида Атомная масса 6,044940(280) … Википедия

Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Водород 7, 7H Нейтронов 6 Протонов 1 Свойства нуклида Атомная масса 7,052750(1080) … Википедия

- (Hydrogenium), H, первый, наиболее легкий химический элемент периодической системы, атомная масса 1,00794; газ, tкип 252,76шC. Ядро атома водорода называют протоном. Водород входит в состав воды, живых организмов, нефти, каменного угля,… … Современная энциклопедия

Водород - (Hydrogenium), H, первый, наиболее легкий химический элемент периодической системы, атомная масса 1,00794; газ, tкип 252,76°C. Ядро атома водорода называют протоном. Водород входит в состав воды, живых организмов, нефти, каменного угля,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (символ Н), газообразный, неметаллический элемент, впервые выделенный и идентифицированный в 1766 г. Генри КАВЕНДИШЕМ, который назвал его «горючим воздухом». Водород бесцветен и не имеет запаха, его относят вместе со щелочными металлами к первой… … Научно-технический энциклопедический словарь

Н (лат. hydrogenium; a. hydrogen; н. Wasserstoff; ф. hydrogene; и. hidrogeno), хим. элемент периодич. системы элементов Mенделеева, к рый относят одновременно к I и VII группам, ат. н. 1, ат. м. 1,0079. Природный B. имеет стабильные… … Геологическая энциклопедия

H2 газ без цвета, запаха и вкуса. Молярная масса 2,0157 кг/кмоль, температура плавления 13,95 К, температура кипения 71,07 кг/м3, низшая теплота сгорания 114460 кДж/кг, газовая постоянная 4,124 Дж/(кг*К), стехиометрический коэффициент 34,25 кг… … Энциклопедия техники