ВОДОРОД
(лат. Hydrogenium), H, химический
элемент, первый по порядковому номеру в периодич. системе Менделеева; ат.
м. 1,00797. При обычных условиях В.- газ; не имеет цвета, запаха и вкуса.
Историческая справка. В трудах химиков
16 и 17 вв. неоднократно упоминалось о выделении горючего газа при действии
кислот на металлы. В 1766 Г. Кавендиш собрал и исследовал выделяющийся
газ, назвав его "горючий воздух". Будучи сторонником теории флогистона,
Кавендиш
полагал, что этот газ и есть чистый флогистон. В 1783 А. Лавуазье
путём
анализа и синтеза воды доказал сложность её состава, а в 1787 определил
"горючий воздух" как новый хим. элемент (В.) и дал ему совр. название hydrogene
(от греч. hydor - вода и gennao - рождаю), что означает "рождающий воду";
этот корень употребляется в названиях соединений В. и процессов с его участием
(напр., гидриды, гидрогенизация). Совр. рус. наименование "В." было предложено
М. Ф. Соловьёвым в 1824.
Распространённость в природе. В- широко
Изотопы, атом и молекул а. Обыкновенный
М. В. Водопьянов.
Атом В. имеет наиболее простое строение
В большинстве соединений В. проявляет валентность
CuO + H С галогенами В. образует галогеноводороды,
Н При этом с фтором В. взрывается (даже в
Роль В. и его соединений в химии исключительно
Получение. Осн. виды сырья для пром. получения
Применение. В пром. масштабе В. стали получать
Лит.: Некрасо в Б. В., Курс общей
А
Б
В
Г
Д
Е
Ё
Ж
З
И
Й
К
Л
М
Н
О
П
Р
С
Т
У
Ф
Х
Ц
Ч
Ш
Щ
Ъ
Ы
Ь
Э
Ю
Я
распространён в природе, его содержание в земной коре (литосфера и гидросфера)
составляет по массе 1%, а по числу атомов 16%. В. входит в состав самого
распространённого вещества на Земле-воды (11,19% В. по массе), в состав
соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, глины, а также организмы
животных и растений (т. е. в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров,
углеводов и др.). В свободном состоянии В. встречается крайне редко, в
небольших количествах он содержится в вулканич. и др. природных газах.
Ничтожные количества свободного В. (0,0001% по числу атомов) присутствуют
в атмосфере. В околоземном пространстве В. в виде потока протонов образует
внутренний ("протонный") радиационный пояс Земли. В космосе В. является
самым распространённым элементом. В виде плазмы он составляет около
половины массы Солнца и большинства звёзд, осн. часть газов межзвёздной
среды и газовых туманностей. В. присутствует в атмосфере ряда планет и
в кометах в виде свободного Нг, метана СН
В. входит в состав корпускулярного излучения Солнца и космич. лучей.
В. состоит из смеси 2 устойчивых изотопов: лёгкого В., или протия ОН),
и тяжёлого В., или дейтерия (2Н, или D). В природных
соединениях В. на 1 атом 2Н приходится в среднем 6800 атомов
'Н. Искусственно получен радиоактивный изотоп - сверхтяжёлый В., или тритий
(3Н,
или Т), с мягким (3-излучением и периодом полураспада
T
действием нейтронов космических лучей; в атмосфере его ничтожно мало (4*10-15
% от общего числа атомов В.). Получен крайне неустойчивый изотоп 4Н.
Массовые числа изотопов 1Н,
2Н, 3Н и 4Н,
соответственно 1, 2, 3 и 4, указывают на то, что ядро атома протия содержит
только 1 протон, дейтерия - 1 протон и 1 нейтрон, трития - 1 протон и 2
нейтрона, 4Н - 1 протон и 3 нейтрона. Большое различие масс
изотопов В. обусловливает более заметное различие их физических и химических
свойств, чем в случае изотопов др. элементов.
среди атомов всех др. элементов: он состоит из ядра и одного электрона.
Энергия связи электрона с ядром (потенциал ионизации) составляет 13,595
эв.
Нейтральный
атом В. может присоединять и второй электрон, образуя отрицательный ион
Н- при этом энергия связи второго электрона с нейтральным атомом
(сродство к электрону) составляет 0,78 эв. Квантовая механика
позволяет
рассчитать все возможные энергетич. уровни атома В., а следовательно, дать
полную интерпретацию его атомного спектра.
Атом В. используется
как модельный в квантовомеханич. расчётах энергетич. уровней других, более
сложных атомов. Молекула В. Н2 состоит из двух атомов, соединённых ковалентной
химической связью. Энергия диссоциации (т. е. распада на атомы) составляет
4,776 эв (1эв= 1,60210* Ю-19 дж).
Межатомное расстояние
при равновесном положении ядер равно 0,7414 А. При высоких темп-pax молекулярный
В. диссоциирует на атомы (степень диссоциации при 2000°С 0,0013, при 5000°С
0,95). Атомарный В. образуется также в различных хим. реакциях (напр.,
действием Zn на соляную к-ту). Однако существование В. в атомарном состоянии
длится лишь короткое время, атомы рекомбинируют в молекулы Н2. , Фи з.
ихим. свойства. В.- легчайшее из всех известных веществ (в 14,4 раза легче
воздуха), плотность 0,0899 г/л при 0°С и 1 атм.
В. кипит (сжижается)
и плавится (затвердевает) соответственно при - 252,6°С и - 259,1°С (только
гелий имеет более низкие темп-ры плавления и кипения). Критич. темп-pa
В. очень низка (-240°С), поэтому его сжижение сопряжено с большими трудностями;
критич. давление 12,8 кгс/см2(12,8 атм), критич.
плотность 0,0312 г/см3. Из всех газов В. обладает наибольшей
теплопроводностью, равной при 0°С и 1
атм 0,174 вт/(м-К), т.
е. 4,16*10-4 кал/(с-см-°С).
Уд. теплоёмкость В. при 0°С
и 1 атм С
дж/(кг-К), т.
е. 3,394 кдл/(г-°С). В. мало растворим в воде (0,0182 мл/г при 20°С
и 1 атм), но хорошо - во многих металлах (Ni, Pt, Pa и др.), особенно
в палладии (850 объёмов на 1 объём Pd). С растворимостью В. в металлах
связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый
сплав (напр., сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие
взаимодействия В. с углеродом (т. н. декарбонизация). Жидкий В. очень лёгок
(плотность при -253°С 0,0708 г/см3)
и текуч (вязкость
при -253°С 13,8 спуаз).
(точнее, степень окисления) + 1, подобно натрию и др. щелочным металлам;
обычно он и рассматривается как аналог этих металлов, возглавляющий I гр.
системы Менделеева. Однако в гидридах металлов ион В. заряжен отрицательно
(степень окисления -1), т. е. гидрид Na+H- построен подобно
хлориду Na+Cl-. Этот и нек-рые др. факты (близость физ. свойств
В. и галогенов, способность галогенов замещать В. в оргацич. соединениях)
дают основание относить В. также и к VII гр. периодич. системы (подробнее
см. Периодическая система элементов). При обычных условиях молекулярный
В. сравнительно мало активен, непосредственно соединяясь лишь с наиболее
активными из неметаллов (с фтором, а на свету и с хлором). Однако при нагревании
он вступает в реакции со многими элементами. Атомарный В. обладает повышенной
хим. активностью по сравнению с молекулярным. С кислородом В. образует
воду: Н
тепла
(при 25°С и 1 атм). При обычных темп-pax реакция протекает крайне
медленно, выше 550°С - со взрывом. Пределы взрывоопасности водородо-кислородной
смеси составляют (по объёму) от 4 до 94% Нз, а водородо-воздушной смеси
- от 4 до 74% Н
газом).
кислород у их окислов:
напр.:
темноте и при - 252°С), с хлором и бромом реагирует лишь при освещении
или нагревании, а с иодом только при нагревании. С азотом В. взаимодействует
с образованием аммиака: ЗН
реагирует с серой: Н
катализатора только при высоких темп-pax: 2Н
при к-рых образуются в зависимости от темп-ры, давления и катализатора
различные органич. соединения, напр. НСНО, СНзОН и др. (см. Углерода
окись). Ненасыщенные углеводороды реагируют с В., переходя в насыщенные,
напр.: С
велика. В. обусловливает кислотные свойства т. н. протонных кислот (см.
Кислоты
и основания). В. склонен образовывать с нек-рыми элементами т. н. водородную
связь, оказывающую определяющее влияние на свойства многих органич.
и неорганич. соединений.
В. - газы природные горючие, коксовый газ (см. Коксохимия) и
газы
нефтепереработки, а также продукты газификации твёрдых и жидких топлив
(гл. обр. угля). В. получают также из воды электролизом (в местах
с дешёвой электроэнергией). Важнейшими способами произ-ва В. из природного
газа являются каталитич. взаимодействие углеводородов, гл. обр. метана,
с водяным паром (конверсия): СН
газификацией угля. Процесс основан на конверсии окиси углерода. Водяной
газ содержит до 50% Н
газовой смеси, сжижаемых более легко, чем В., при глубоком охлаждении.
Электролиз воды ведут постоянным током, пропуская его через раствор КОН
или NaOH (кислоты не используются во избежание коррозии стальной аппаратуры).
В лабораториях В. получают электролизом воды, а также по реакции между
цинком и соляной к-той. Однако чаще используют готовый заводской В. в баллонах.
в конце 18 в. для наполнения возд. шаров. В настоящее время В. широко применяют
в хим. пром-сти, гл. обр. для произ-ва аммиака. Крупным потребителем
В. является также произ-во метилового и др. спиртов, синтетич. бензина
(синтина) и др. продуктов, получаемых синтезом из В. и окиси углерода.
В. применяют для гидрогенизации твёрдого и тяжёлого жидкого топлив, жиров
и др., для синтеза НС1, для гидроочистки нефтепродуктов, в сварке и резке
металлов кислородо-водородным пламенем (темп-pa до 2800°С) и в атомно-водородной
сварке (до 4000°С). Очень важное применение в атомной энергетике нашли
изотопы В.- дейтерий и тритий.
химии, 14 изд., М.,1962; Ре ми Г., Курс неорганической химии,пер. с нем.,
т. 1, М., 1963; Егоров А. П., Шерешевский Д. И., Шманенков И. В., Общая
химическая технология неорганических веществ, 4 изд., М., 1964; Общая химическая
технология. Под ред. С. И. Вольфковича, т. 1, М., 1952; Лебедев В. В.,
Водород, его получение и использование, М., 1958; Налбандян А. Б., Воеводский
В. В., Механизм окисления и горения водорода, М.- Л., 1949; Краткая химическая
энциклопедия, т. 1, М., 1961, с. 619 - 24. С. Э. Вайсберг.