Водень – це хімічний елемент, який займає перше місце в таблиці Менделєєва та позначається буквою H. Він виконує важливу роль в окислювально-відновних реакціях.
Водень входить до складу більшості сполук і вважається одним з найпоширеніших речовин у Всесвіті, тому людям так важливо знати хімічні властивості цього елементу.
Фізичні характеристики
Водень має 3 ізотопи. Ізотопи – це речовини з однаковим порядковим номером і зарядом, при цьому вони розрізняються по атомарній масі і числу нейтронів. Вони мають власні назви: протій, дейтерій і тритій – по числу нейтронів в складі. Найпоширенішим є протій, саме його мають на увазі під назвою водень в хімії.
Водень добре розчиняється наприклад в:
- платині;
- залізі;
- нікелі.
Температури кипіння і плавлення максимальні – 252,87 та 259,14°C відповідно). У суміші з повітрям і такими окислювачами, як фтор, хлор і кисень є вкрай вибухонебезпечним.
Взаємодія з іншими елементами
У нормальних умовах водень слабо реагує з іншими речовинами, але при нагріванні і в присутності каталізаторів починає взаємодіяти з усіма простими елементами головних підгруп в списку, крім:
- бору;
- фосфору;
- кремнію;
- алюмінію;
- благородних газів.
Крім цього, він присутній в реакціях гідрування з такими класами органічних сполук, як:
- алкени;
- арени;
- альдегіди;
- циклоалкани.
Для проведення реакцій потрібен нагрів, підвищений тиск і присутність каталізаторів. Найчастіше в його ролі виступають платина і нікель.
Реакції з неметалами
Водень взаємодіє з елементами 17 групи (VII групи головної підгрупи), найбільш відомими як галогени та з більшістю інших неметалів. Іноді для реакції потрібні каталізатори або зміна температури:
- H₂+F₂ = 2HF. Реакція протікає з вибухом, виділяючи велику кількість енергії.
- H₂ + Cl₂ = 2HCL. При кімнатній температурі без освітлення хлор погано взаємодіє з воднем, але при нагріванні або сонячному світлі або уф-опроміненні відбувається ланцюгова реакція.
- H₂ + S = H2S.
- 3H₂ + N₂ = 2NH3. Реакція цієї формули оборотна, для її проведення необхідно тиск 10-1000 атмосфер і температура від 500 °C із застосуванням каталізатора у вигляді пористого заліза з домішками.
Формули окислення
Водень вступає в реакцію з оксидами неметалів і слабоактивними металами, відновлюючи тільки ті з них, що знаходяться правіше цинку в ряду активності.
- CuO + H₂ = Cu + H₂O.
- H₂ + CO₂ = CO + h₂O, реакція оборотна.
- 2H₂ + CO = CH₃OH. Зазначена реакція також оборотна, для неї необхідний тиск у 250-300 атм, нагрів до 300 °C і присутність оксидів цинку які каталізатора.
Галузь застосування
Водень застосовується в багатьох промислових сферах. Наприклад, в хімічній промисловості 54% від світового запасу витрачається на виробництві аміаку, за допомогою якого отримують деякі пластмаси, добрива, вибухівку.
При перероблюванні продуктів нафти водень – це невід’ємна складова гідрокрекінгу і очищення, що призводять до поліпшення характеристик одержуваних продуктів. Для цих цілей витрачається практично 40% всього світового запасу.
Способи отримання
Механізм виробництва водню залежить від технології. У лабораторії – це продукт реакції металів з кислотами, водних розчинів лугів з алюмінієм і гідролізу гідридів.
Крім цього, існує спосіб електролізу води без домішок (хімічно чистий), при цьому, крім водню, утворюється і кисень. Цей метод обумовлений тим, що при відсутності більш розташованих до електролізу елементів, які знаходяться в складі звичайної води, водень і кисень будуть дисоціюватися і сходити по катоду і аноду відповідно.
Але більш популярні способи – це конверсія метану з водяною парою або взаємодія пари з розпеченим коксом. Обидві ці реакції вимагають нагріву до 1000 °C, а викид CO₂ в атмосферу при подібному способі отримання досягає близько 800 млн тонн на рік.
