Водород

Водород - это химический элемент с символом H и атомным номером 1. Водород - самый легкий элемент. При стандартных условиях водород представляет собой газ, состоящий из двухатомных молекул с формулой H₂. Он не имеет цвета, запаха, вкуса, нетоксичен и легко воспламеняется.
Водород - самое распространенное химическое вещество во Вселенной, составляющее примерно 75% всей нормальной материи.
Звезды, такие как Солнце, состоят в основном из водорода в плазменном состоянии. Большая часть водорода на Земле существует в молекулярных формах, таких как вода и органические соединения. В наиболее распространенном изотопе водорода(символ 1H) каждый атом имеет один протон, один электрон и ни одного нейтрона.

В ранней Вселенной образование протонов, ядер водорода, произошло в течение первой секунды после Большого взрыва. Появление нейтральных атомов водорода во всей Вселенной произошло примерно через 370000 лет в эпоху рекомбинации, когда плазма достаточно остыла, чтобы электроны оставались связанными с протонами.

Водород неметалличен, за исключением случаев, когда он находится под очень высоким давлением, и легко образует одну ковалентную связь с большинством неметаллических элементов, образуя такие соединения, как вода и почти все органические соединения. Водород играет особенно важную роль в кислотно-основных реакциях, поскольку в этих реакциях обычно происходит обмен протонами между растворимыми молекулами.

Положение водорода в ПСЭ

В ионных соединениях водород может принимать форму отрицательного заряда(аниона), где он известен как гидрид, или положительно заряженного вида(катиона), обозначаемого символом H⁺.
Катион H⁺ - это просто протон(символ p), но его поведение в водных растворах и в ионных соединениях включает экранирование его электрического заряда близлежащими полярными молекулами или анионами.
Поскольку водород - единственный нейтральный атом, для которого уравнение Шредингера может быть решено аналитически, изучение его энергетики и химической связи сыграло ключевую роль в развитии квантовой механики.

Важно! Антиводород(H) - это антивещество, противоположное водороду. Он состоит из антипротона и позитрона. Антиводород - единственный тип атома антивещества, который был получен в 2015 году.

Изотопы
Водород имеет три встречающихся в природе изотопа, обозначаемых H¹, H² и H³. Другие, крайне нестабильные ядра(от H⁴ - H⁷) были синтезированы в лаборатории, но не наблюдались в природе.

- H¹ - самый распространенный изотоп водорода, распространенность которого составляет более 99,98%. Поскольку ядро этого изотопа состоит только из одного протона, ему дано описательное, но редко используемое формальное название протий. Среди всех стабильных изотопов он уникален тем, что не имеет нейтронов;

- H², другой стабильный изотоп водорода, известен как дейтерий и содержит в ядре один протон и один нейтрон. Считается, что весь дейтерий во Вселенной образовался во время Большого взрыва и сохранился с тех пор. Дейтерий не радиоактивен и не представляет значительной опасности с точки зрения токсичности.
Вода, обогащенная молекулами, в состав которых входит дейтерий вместо обычного водорода, называется тяжелой водой (D₂O). Тяжелая вода используется в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя для ядерных реакторов. Дейтерий также является потенциальным топливом для коммерческого ядерного синтеза;

- H³ известен как тритий и содержит в своем ядре один протон и два нейтрона. Он радиоактивен и распадается на гелий-3 путем бета-распада с периодом полураспада 12,32 года. Он настолько радиоактивен, что его можно использовать в светящейся краске, что делает его полезным в таких вещах, как часы.
Небольшое количество трития образуется естественным путем при взаимодействии космических лучей с атмосферными газами; тритий также высвобождается во время испытаний ядерного оружия. Он используется в реакциях ядерного синтеза, как трассер в геохимии изотопов, и в специализированных осветительных устройствах с автономным питанием. Тритий также используется в химических и биологических экспериментах по маркировке в качестве радиометки.

Важно! Хотя на Земле это экзотика, одним из самых распространенных ионов во Вселенной является ион H³⁺, известный как протонированный молекулярный водород или катион тригидрогена.

Важно! Экзотический атом мюоний(символ Mu), состоящий из антимюона и электрона, также можно считать легким радиоизотопом водорода. Поскольку мюоны распадаются со временем жизни 2,2 мкс, мюоний слишком нестабилен, чтобы проявлять наблюдаемую химию.
Тем не менее, соединения мюония являются важными тестовыми примерами для квантового моделирования из-за разницы в массе между антимюоном и протоном, и номенклатура IUPAC включает такие гипотетические соединения, как хлорид мюония( MuCl) и мюонид натрия ( NaMu), аналогичные хлориду водорода и гидриду натрия соответственно.

Получение
Водородный газ был впервые искусственно получен в начале XVI века в результате реакции кислот на металлах. В 1766-1781 годах Генри Кавендиш первым признал, что водородный газ является самостоятельным веществом, и что при сгорании он выделяет воду, за что и был позже назван: в переводе с греческого водород означает "образующий воду".

История
Когда то Д. И. Менделеев назвал водород наиболее типическим из типическим элементом: ведь именно водородом начинается естественный ряд химических элементов. И такой удивительный элемент легкодоступен: в любой школьной лаборатории получить его не составит труда, например, подействовав соляной кислотой на цинковые стружки.
Еще в те далекие времена, когда химия не была наукой, когда алхимики колдовали над философским камнем, тогда уже были известны такие кислоты, как серная, соляная, азотная, и были известны некоторые металлы, такие как железо и цинк.
Иными словами, в человеческих руках находились все те компоненты, взаимодействие которых порождает водород. Нужен был случай. И таких случаев было немало в 16-18 веках.
Много раз исследователи наблюдали, как при действии серной кислоты на железные стружки образовывались пузырьки газа - разновидность воздуха, которая воспламеняется. К слову, Михаил Ломоносов также наблюдал выделение водорода и описал это явление в труде "О металлическом блеске", приняв самый легкий газ за флогистон.
Более детальный обзор водорода(вычисление его плотности, нахождение в составе воды) дал Генри Кавендиш. В своей работе "Опыты с искусственным воздухом" он подробно описал его свойства, однако, из - за превалирующей в то время идеологии теории флогистона не смог распознать водород.
Латиское название H₂ "гидрогениум" предложил Антуан Лавуазье в 1779 году после того, как был установлен состав воды.

Сгорание
Водородный газ(дигидроген или молекулярный водород) является легковоспламеняющимся:
2H₂(г) + O₂(г) → 2H₂O(г) + 572 кДж(286 кДж/моль).
Энтальпия горения составляет -286 кДж/моль.

Водород образует взрывоопасные смеси с воздухом в концентрации 4-74% и с хлором в концентрации 5-95%. Взрывные реакции могут быть вызваны искрой, теплом или солнечным светом. Температура самовоспламенения водорода, температура самовозгорания в воздухе, составляет 500 °C.

Реактивы
H₂ является нереакционноспособным по сравнению с двухатомными элементами, такими как галогены или кислород. Термодинамической основой такой низкой реакционной способности является очень прочная связь H-H, энергия диссоциации которой составляет 435,7 кДж/моль. Кинетической основой низкой реакционной способности является неполярная природа H₂ и его слабая поляризуемость. Он спонтанно реагирует с хлором и фтором с образованием хлористого водорода и фтористого водорода, соответственно. На реакционную способность H₂ сильно влияет присутствие металлических катализаторов. Так, если смеси H₂ с O₂ или воздухом легко воспламеняются при нагревании до температуры не менее 500 C от искры или пламени, то в отсутствие катализатора они не реагируют при комнатной температуре.

Гидриды
Соединения водорода часто называют гидридами, этот термин используется довольно свободно. Термин "гидрид" подразумевает, что атом Н приобрел отрицательный или анионный характер, обозначаемый H^-, и используется, когда водород образует соединение с более электроположительным элементом. Существование гидридного аниона, предложенное Гилбертом Льюисом в 1916 году для солеподобных гидридов групп 1 и 2, было продемонстрировано Моерсом в 1920 году при электролизе расплавленного гидрида лития(LiH) с получением стехиометрического количества водорода на аноде.

Протоны и кислоты
Окисление водорода удаляет его электрон и дает H⁺, который не содержит электронов и ядро, которое обычно состоит из одного протона. Поэтому H⁺ часто называют протоном. Этот вид является центральным при обсуждении кислот. Согласно кислотно-основной теории Бронстеда-Лоури, кислоты являются донорами протонов, а основания - акцепторами протонов.

Роль в квантовой теории
Благодаря своей простой атомной структуре, состоящей только из протона и электрона, атом водорода, а также спектр света, производимого им или поглощаемого им, сыграл центральную роль в развитии теории строения атома. Более того, изучение соответствующей простоты молекулы водорода и соответствующего катиона H²⁺ привело к пониманию природы химической связи, которое последовало вскоре после того, как в середине 1920-х годов была разработана квантовомеханическая трактовка атома водорода.

Одним из первых квантовых эффектов, который был явно замечен(но не понят в то время), было наблюдение Максвелла, связанное с водородом, за полвека до появления полной квантовомеханической теории. Максвелл заметил, что удельная теплоемкость H₂ необъяснимо отличается от теплоемкости двухатомного газа ниже комнатной температуры и начинает все больше напоминать теплоемкость одноатомного газа при криогенных температурах.
Согласно квантовой теории, такое поведение возникает из-за расстояния между вращательными(квантованными) энергетическими уровнями, которые особенно широко разбросаны в H₂ из-за его малой массы. Эти широко разнесенные уровни препятствуют равномерному разделению тепловой энергии на вращательное движение в водороде при низких температурах. Диатомовые газы, состоящие из более тяжелых атомов, не имеют таких широко разнесенных уровней и не проявляют такого эффекта.

Распространенность
Водород в атомарном виде, является самым распространенным химическим элементом во Вселенной, составляя 75% нормальной материи по массе и более 90% по количеству атомов.
Важно! Большая часть массы Вселенной, однако, находится не в форме материи типа химических элементов, а в виде еще не обнаруженных форм массы, таких как темная материя и темная энергия.
Этот элемент в большом количестве содержится в звездах и газовых планетах-гигантах. Молекулярные облака H₂ связаны с образованием звезд. Водород играет жизненно важную роль в питании звезд посредством протонной реакции в случае звезд как с малой массой(как Солнце), так и в случае более массивных звезд.

Состояния
Во всей Вселенной водород встречается в основном в атомном и плазменном состояниях, свойства которых существенно отличаются от свойств молекулярного водорода. В плазме водорода электроны и протоны не связаны друг с другом, что приводит к очень высокой электропроводности и высокой излучательной способности(создающей свет от Солнца и других звезд). На заряженные частицы сильно влияют магнитные и электрические поля.
В обычных условиях на Земле элементарный водород существует в виде двухатомного газа H₂. Водород очень редко встречается в атмосфере Земли(1 промилле по объему) из-за своего малого веса, который позволяет ему быстрее улетучиваться из атмосферы, чем более тяжелым газам. Однако водород - третий по распространенности элемент на поверхности Земли, в основном в виде химических соединений, таких как углеводороды и вода.

Получение
Пиролиз метана(промышленный метод): Производство водорода методом пиролиза метана из природного газа - это недавний одноэтапный процесс "без парниковых газов". Развитие объемного производства этим методом является ключом к более быстрому сокращению выбросов углерода путем использования водорода в промышленных процессах, электротранспорте тяжелых грузовиков на топливных элементах, и в газотурбинном производстве электроэнергии. Пиролиз метана осуществляется путем подачи метана CH₄ пропускается через расплавленный металлический катализатор при высоких температурах(1065 °C). В результате метан распадается на газ H₂ и твердый углерод C, без выброса парниковых газов.

Некоторые металлосодержащие соединения реагируют с кислотами с выделением H₂. В анаэробных условиях гидроксид железа(Fe(OH)₂) может быть окислен протонами воды с образованием магнетита и H2. Этот процесс описывается реакцией Шикорра:
3Fe(OH)₂ → Fe₃O₄ + 2H₂O + H₂
Этот процесс происходит во время анаэробной коррозии железа и стали в бескислородных грунтовых водах и в восстановительных почвах ниже уровня грунтовых вод.

Процесс серпентинизации: В глубоких геологических условиях, преобладающих вдали от атмосферы Земли, водород(H₂) образуется в процессе серпентинизации. В нем протоны воды(H+) восстанавливаются ионами железа(Fe2+), выделяемыми фаялитом(Fe₂SiO₄). В результате реакции образуется магнетит(Fe₃O₄), кварц (SiO₂), и водород(H₂):
3Fe₂SiO₄ + 2H₂O → 2Fe₃O₄ + 3SiO₂ + 3H₂

Охлаждающая жидкость
Водород широко используется на электростанциях в качестве охлаждающей жидкости в генераторах благодаря ряду благоприятных свойств, которые являются прямым результатом его легких двухатомных молекул. К ним относятся низкая плотность, низкая вязкость, а также самые высокие среди всех газов удельная теплоемкость и теплопроводность.

Биологические реакции
H₂ является продуктом некоторых видов анаэробного метаболизма и производится несколькими микроорганизмами, обычно посредством реакций, катализируемых железо- или никельсодержащими ферментами, называемыми гидрогеназами. Эти ферменты катализируют обратимую окислительно-восстановительную реакцию между H₂ и составляющими его двумя протонами и двумя электронами.
Образование газообразного водорода происходит при переносе восстановительных эквивалентов, образующихся при ферментации пирувата, в воду. Естественный цикл производства и потребления водорода организмами называется водородным циклом.

Водород - самый распространенный элемент в организме человека по количеству атомов элемента, но по массе он занимает 3-е место, поскольку водород очень легкий. H₂ появляется в дыхании человека в результате метаболической активности гидрогеназосодержащих микроорганизмов в толстом кишечнике.
Концентрация водорода у людей, находящихся в состоянии покоя, обычно составляет менее 5 частей на миллион(ppm), но может достигать 50 ppm, когда люди с кишечными расстройствами потребляют молекулы, которые они не могут поглотить во время диагностических водородных дыхательных тестов.
Водородный газ вырабатывается некоторыми бактериями и водорослями и является естественным компонентом флатуса, как и метан, который сам по себе является источником водорода, приобретающим все большее значение.

Расщепление воды, при котором вода распадается на составляющие ее протоны, электроны и кислород, происходит в ходе световых реакций во всех фотосинтезирующих организмах. Некоторые такие организмы, включая водоросль Chlamydomonas reinhardtii и цианобактерии, развили второй этап темновых реакций, в котором протоны и электроны восстанавливаются с образованием газа H₂ специализированными гидрогеназами в хлоропласте.

Водород представляет собой ряд опасностей для безопасности человека, начиная от потенциальных детонаций и пожаров при смешивании с воздухом и заканчивая удушающим эффектом в чистом, бескислородном виде. Кроме того, жидкий водород является криогеном и представляет собой опасность(например, обморожение), связанную с очень холодными жидкостями.
Водород растворяется во многих металлах и, помимо утечки, может оказывать на них неблагоприятное воздействие, например, водородное охрупчивание, приводящее к трещинам и взрывам.
Водородный газ, просочившийся во внешний воздух, может самопроизвольно воспламениться(!). Более того, водородный огонь, будучи чрезвычайно горячим, почти невидим, и поэтому может привести к случайным ожогам.