Водоро́д (химический символ — H, от ) — химический элемент первого периода периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 1.
Одноатомная форма водорода — самое распространённое химическое вещество во Вселенной, составляющее примерно 75 % всей барионной массы. Звёзды, кроме компактных, в основном, состоят из водородной плазмы. Самый лёгкий из элементов периодической таблицы.
Три изотопа водорода имеют собственные названия: 1H — протий, 2H — дейтерий и 3H — тритий (радиоактивен). Ядро самого распространённого изотопа — протия — состоит из одного только протона и не содержит нейтронов.
При стандартной температуре и давлении водород — бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичный двухатомный газ (химическая формула — H2), который в смеси с воздухом или кислородом горюч и крайне пожаро- и взрывоопасен. В присутствии других окисляющих газов, например, фтора или хлора, водород также взрывоопасен. Поскольку водород охотно формирует ковалентные связи с большинством неметаллов, большая часть водорода на Земле существует не в виде природного водорода, а в молекулярных соединениях, таких как вода или органические вещества. Водород играет особенно важную роль в кислотно-основных реакциях.
Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, титане, платине, ниобии.
История открытия Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Впервые водород получил Парацельс, погружая железные опилки в серную кислоту в XVI веке.
В 1671 году Роберт Бойль подробно описал реакцию между железными опилками и разбавленными кислотами, при которой выделяется газообразный водородBoyle R. (1672). «Tracts written by the Honourable Robert Boyle containing new experiments, touching the relation betwixt flame and air…» London..
В 1745 году Михаил Ломоносов изучил реакции растворения металлов кислотами и выдвинул предположение, что выделяющийся в этом процессе «горючий пар» (фактически — водород) является гипотетической субстанцией флогистон.
В 1766 году Генри Кавендиш, независимо от Ломоносова, пришёл к заключению, что «горючий воздух», образующийся при реакции металлов с кислотами, представляет собой флогистон, и в 1781 году обнаружил, что при сгорании этого газа образуется вода.
Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Жаном Мёнье, используя специальные газометры, в 1783 году осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Так он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.
Происхождение названия Лавуазье дал водороду название hydrogène (от — вода и — рождаю) — «рождающий воду». В 1801 году последователь Лавуазье, академик Василий Севергин, называл его «водотворное вещество», он писалСевергин В. М. Пробирное искусство, или руководство к химическому испытанию металлических руд и других ископаемых тел. СПб.: Издание Имп. АН, 1801. C. 2.:
Водотворное вещество в соединении с кислотворным составляет воду. Сие можно доказать как через разрешение, так и через составление.
Русское наименование «водород» предложил химик Михаил Соловьёв в 1824 году, что являлось калькой латинского hydrogene.
Распространённость
Во Вселенной
В настоящее время водород является самым распространённым элементом во Вселенной. На его долю приходится около 88,6 % всех атомов (около 11,3 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — порядка 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. Повсеместное возникновение атомарного водорода впервые произошло в эпоху рекомбинации.
В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.
На планете Земля Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 % (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~52 %). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках, где по числу атомов на водород приходится почти 63 %.
В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005 % по объёму для сухого воздухаSource for figures: Carbon dioxide, NOAA Earth System Research Laboratory , (updated 2010.06). Methane, IPCC TAR table 6.1 , (updated to 1998). The NASA total was 17 ppmv over 100 %, and CO2 was increased here by 15 ppmv. To normalize, N2 should be reduced by about 25 ppmv and O2 by about 7 ppmv.).
Под воздействием солнечного ветра Земля ежесекундно теряет (в окружающий космос) три килограмма водорода, что в далёкой перспективе приведёт к иссушению нашей планеты.
Получение
В промышленности На 2019 год в мире потребляется 75 млн тонн водорода, в основном в нефтепереработке и производстве аммиака. Из них более 3/4 производится из природного газа, для чего расходуется более 205 млрд газа. Почти все остальное получают из угля. Около 0,1 % (~100 тыс. тонн) вырабатывается электролизом. При производстве водорода в атмосферу поступает ~830 млн тонн CO2. Себестоимость водорода, полученного из природного газа, оценивается в 1,5—3 доллара за 1 кг.
Конверсия метана с водяным паром при 1000 °C: Пропускание паров воды над раскалённым коксом при температуре около 1000 °C: В результате данного процесса получается «grey hydrogen», который невозможно применять в топливных элементах, так как примесь CO отравляет катализаторы. Дальше, при его очистке до 10—100 ppm CO, получают «blue hydrogen», но и он отравляет платиновый катализатор. Электролиз водных растворов солей: «Green hydrogen» (особо чистый водород) получают электрохимическим способом. Электролизом водного раствора гидроксидов активных металлов (преимущественно гидроксида калия) при повышенных температуре и давлении на Ni-электродах. Это достаточно энергозатратный метод, который составляет лишь 4 % от общего производства водорода. Кроме того, существует промышленная технология электролиза химически чистой воды, без применения каких-либо добавок. Фактически, устройство представляет собой обратимый топливный элемент с твёрдой полимерной мембраной или без мембраныhttp://kyivtoulouse.univ.kiev.ua/journal/index.php/fruajc/article/view/201 . Каталитическое окисление метана кислородом: Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
В лаборатории Взаимодействие разбавленных кислот с металлами, стоящими в электрохимическом ряду напряжений до водорода. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную серную кислоту: Взаимодействие кальция с водой: Гидролиз ионных гидридов: Действие щелочей на цинк или алюминий: Электролиз водных растворов кислот, щелочей или некоторых солей на катоде происходит выделение водорода, например:
Получение дейтероводорода Дейтероводород получают из тяжёлой воды, которую в настоящее время производят электролитическим обогащением обычной воды. 0,0156 % водорода находится в виде дейтерия.
Перенапряжение выделения H2 несколько меньше по сравнению с D2 (хотя зависит от природы материала катода и состава раствора), тяжёлая вода накапливается в электролизёре. Применяется каскад электролизёров.
Другие способы получения дейтероводорода: термодиффузия газообразного водорода, диффузия смеси D2/H2 через палладиевый фильтр.
Очистка В промышленности реализованы несколько способов очистки водорода из водородосодержащего сырья (так называемый водородсодержащий газ). Водородсодержащий газ (ВСГ) — это газ с высоким содержанием водорода (10 % и выше). Переход на сжигание водородсодержащих газов — один из способов снижения выбросов углекислого газа в атмосферу.
Низкотемпературная конденсация: ВСГ охлаждают до температур конденсации метана и этана, после чего водород отделяют ректификацией. Процесс ведут при температуре −158 °C и давлении . Чистота очищенного водорода составляет 93—94 % при его концентрации в исходном ВСГ до 40 %. Адсорбционное выделение на цеолитах: настоящий метод на сегодняшний день наиболее распространён в мире. Метод достаточно гибок и может использоваться как для выделения водорода из ВСГ, так и для доочистки уже очищенного водорода. В первом случае процесс ведут при давлениях . Степень извлечения водорода составляет 80—85 % с чистотой 99 %. Во втором случае часто используют процесс «PSA» фирмы «Union Carbide». Он впервые был реализован в промышленности в 1978 году. На настоящий момент функционирует более 250 установок от 0,6 до 3,0 млн Н2/сут. Образуется водород высокой чистоты — 99,99 %. Абсорбционное выделение жидкими растворителями: Этот метод применяется редко, хотя водород получается высокой чистоты — 99,9 %. Концентрирование водорода на мембранах: На лучших образцах метод позволяет получать водород чистотой 95—96 %, однако производительность таких установок невысока. Селективное поглощение водорода металлами: Метод основан на способности сплавов лантана с никелем, железа с титаном, циркония с никелем и других поглощать до 30 объёмов водорода.
Стоимость Стоимость водорода при крупнооптовых поставках колеблется в диапазоне 2—7 USD/кгАркадий Шварц. Снова о водороде . Вестник online № 19(356) 15 сентября 2004.. В небольших количествах перевозится в стальных баллонах зелёного или тёмно-зелёного цвета.
Физические свойства
Водород — самый лёгкий газ: он легче воздуха в 14,37 раз. Поэтому, например, мыльные пузыри, наполненные водородом, на воздухе стремятся вверхМыльные пузыри с водородом — видеоопыт в Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов.. Шары, наполненные водородом, также стремятся вверх. Водород использовался для воздухоплавания, но из-за взрывоопасности от водорода отказались в пользу гелия. 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, за счёт чего быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.
Молекула водорода двухатомна — Н2. При нормальных условиях это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность (н. у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания , малорастворим в воде — при н.у. Растворимость водорода в воде возрастает с увеличением давления и снижается с увеличением температуры.
Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов H2 на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.
Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C ) и текучая (вязкость при −253 °C ). Критические параметры водорода: температура −240,2 °C, давление , критическая плотность и критический объём (). Указанными значениями критических параметров объясняются трудности при ожижении водорода.
В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79 % пара-Н2, 0,21 % орто-Н2.