Водень

I. Фізичні властивості.

Газоподібний водень складається з двохатомних молекул H2. Він безбарвний і не має запаху. Енергія зв’язку H–H складає 432 кДж, що свідчить про значну стійкість молекули. Атомарний водень можна добути під час пропускання крізь нього електричного розряду або при нагріванні розжареною електричним струмом вольфрамовою ниткою.

Молекула водню має дуже малі розміри. Це зумовлює той факт, що за звичайної температури і не дуже високого тиску водень поводить себе майже як ідеальний газ, підпорядковується законам Бойля-Маріотта і Гей-Люссака, а отже, і рівнянню газового стану Менделєєва-Клапейрона. Між молекулами водню практично не виникають сили взаємодії. Наслідком цього є надзвичайно низька температура кипіння водню, яка становить -252,8 °С. При температурі
-257,3 °С кристалізується водень з утворенням світло-блакитних кристалів.

Молекулярний водень дуже погано розчиняється у воді та інших розчинниках. За температури 18 °С його розчинність становить 1,85 л в 100 л води.

Водень – найлегший з відомих газів: маса 1 м3 водню становить 0,09 кг.

Водень легко дифундує крізь різні перетинки. Пропусканням його крізь тонкі металічні пластинки можна одержати водень практично абсолютного ступеня чистоти. У багатьох металах водень розчиняється з утворенням твердих розчинів вкорінення. Наприклад, один об’єм паладію розчиняє до 700 об’ємів водню.

II. Хімічні властивості.

Наявність тільки одного валентного електрона на одній валентній орбіталі відповідає його здатності в усіх сполуках бути одновалентним. У більшості сполуках атоми Гідрогену зв’язані ковалентним зв’язком. З лужними, лужноземельними, а також лантаноїдами Гідроген приєднуючи електрон перетворюється на однозарядний негативний іон. В таких сполуках зв’язок іонний. Із d-металами він утворює металоподібні сполуки, в яких електрони Гідрогену залучаються до спільної системи металічного зв’язку.

У хімічних реакціях водень поводить себе як неметал. Його електронегативність становить 2,2. У сполуках з найтиповішими неметалами його атом поляризований позитивно й, отже, йому відповідає ступінь окиснення +1. У сполуках з металами та слабо електронегативними неметалами атом Гідрогену поляризований негативно і має ступінь окиснення -1.

1. Окиснювальні властивості

Під час нагрівання активних металів з воднем утворюється кристалічні іонні солеподібні сполуки – гідриди металів.

2Li + H2 = 2LiH

Ca + H2 = CaH2

2. Відновні властивості

Молекулярний водень за звичайних умов малоактивний. Лише зі фтором за будь-яких умов він взаємодіє з вибухом.

H2 + F2 = 2HF

З хлором взаємодіє при освітленні, з киснем – у разі нагрівання. Він реагує також з бромом, сіркою, йодом, селеном і телуром, з оксидами деяких металів. З азотом водень реагує лише за нагрівання, високого тиску і наявності каталізатора з утворенням амоніаку NH3. Аналогічно він реагує і з вуглецем з утворенням вуглеводнів. Безліч найрізноманітніших органічних сполук утворюється під час взаємодії водню з карбон(ІІ) оксидом. У цьому разі утворення певної сполуки залежить від умов перебігу реакції:

H2 + Cl2 = 2HCl

2H2 + O2 = 2H2O

3H2 + N2 = 2NH3

3H2 + Fe2O3 = Fe + 3H2O

H2 + CuO = Cu + H2O

III. Добування

1. Промислові методи

a) Скраплення коксового газу

Коксовий газ утворюється під час високотемпературного процесу коксування кам’яного вугілля, яке разом із вуглецем містить значну кількість різноманітних вуглеводнів. За даних умов відбувається розклад (піроліз) вуглеводнів і утворюється величезна кількість водню.

Водень добутий з коксового газу о основному використовують для синтезу амоніаку.

б) Взаємодія метану з водяною парою

При температурі близько 1100 °С метан з водою утворює суміш чадного газу та водню (синтез-газ).

CH4 + H2O = CO + 3H2

Для пониження температури дану реакцію проводять при наявності каталізаторів та кисню

12CH4 + 5H2O + 5O2 = 29H2 + 9CO + 3CO2

в) Відновленням води вуглецем

За температури понад 1000 °С водяна пара взаємодіє з розжареним коксом

C + H2O = CO + H2

Водень відокремлюють охолодженням газової суміші скрапленням за температури -200 °С.

За цим способом добувають дуже чистий водень, який використовують у харчовій промисловості для гідрогенізації жирів.

г) Електролізом води

У промисловості для проведення електролізу води використовують лужні розчини. При цьому на електродах, які виготовляють із заліза або нікелю, відбуваються такі процеси:

К:      2H2O + 2e = H2↑ + 2OH

А:      4OH = O2↑ + 2H2O + 4e

Водень, одержаний за цим способом, дуже чистий, тому його застосовують для гідрогенізації жирів, а також в інших процесах каталітичного гідрування.

Також водень є побічним продуктом електролізу натрій хлориду при добуванні лугів, гіпохлоритів та хлоратів

2NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2↑ + Cl2

2. Лабораторні методи

а) Взаємодія металів з кислотами

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2

б) Взаємодія гідридів активних металів з водою

CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2

в) Взаємодія лужних металів з водою

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2

г) Взаємодія алюмінію, цинку, силіцію з лугами

2Al + 2NaOH + 6H2O = Na[Al(OH)4] + 3H2

Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2

Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2

IV. Застосування.

Рідкий водень застосовується як ракетне паливо та як охолоджувач, оскільки має найвищу теплопровідність з усіх газів.

Водень використовуюється при виробництві метанолу, мила і пластмас, при синтезі аміаку NH3, хлороводню HCl, метанолу СН3ОН, при гідрокрекінгу (крекінг у атмосфері водню) природних вуглеводнів, як відновник при отриманні деяких металів.

Гідруванням природних рослинних олій отримують твердий жир — маргарин.

Зареєстрований як харчова добавка E949 (упакувальний газ, клас «інші»). Входить у список харчових добавок, які допускаються до застосування у харчовій промисловості як допоміжний засіб для виробництва харчової продукції.

Водень є дуже легкий і у повітрі завжди піднімається вверх. Колись дирижаблі та повітряні кулі наповнювали воднем. Але у 30-х рр. XX ст. відбулося декілька катастроф, в ході яких дирижаблі вибухали і згорали. В наш час дирижаблі наповнюють гелієм, незважаючи на його суттєво вищу вартість.

Використовується в метеорології для заповнення кулепілотних оболонок.