Водень: фізичні та хімічні властивості

Якщо кисень є найпоширенішим хімічним елементом на Землі, то водень – найпоширеніший елемент у Всесвіті. Наше Сонце (та й інші зірки) приблизно на половину складається з водню, а що стосується міжзоряного газу, то він на 90% складається з атомів водню. Чимале місце цей хімічний елемент займає і на Землі, адже разом з киснем він входить до складу води, а сама його назва «водень» походить від двох давньогрецьких слів: «вода» і «народжую». Крім води водень присутній в більшості органічних речовин і клітин, без нього, як і без кисню, було б немислиме саме Життя.

Історія відкриття

Першим серед вчених водень помітив ще великий алхімік та лікар середньовіччя Теофраст Парацельс. У своїх алхімічних дослідах, в надії відшукати «філософський камінь» змішуючи метали з кислотами Парацельс отримав якийсь невідомий до того горючий газ. Правда відокремити цей газ від повітря так і не вдалося.

Тільки через півтора століття після Парацельса французькому хіміку Лемері таки вдалося відокремити водень від повітря і довести його горючість. Правда Лемері так і не зрозумів, що отриманий ним газ є чистим воднем. Паралельно подібними хімічними дослідами займався і російський вчений Ломоносов, але справжній прорив в дослідженні водню був зроблений англійським хіміком Генрі Кавендішом, якого по праву вважають першовідкривачем водню.

У 1766 році Кавендішу вдалося отримати чистий водень, який він називав «горючим повітрям». Ще через 20 років талановитий французький хімік Антуан Лавуазьє зміг синтезувати воду і виділити з неї це саме «горюче повітря» – водень. І до слова саме Лавуазьє запропонував водню його назву – “Hydrogenium” , він же “водень”.

Антуан Лавуазьє зі своєю дружиною, яка допомагала йому проводити хімічні досліди, в тому числі і по синтезу водню.

Місце в таблиці Менделєєва

В основі розташування хімічних елементів в періодичній системі Менделєєва лежить їх атомна вага, розрахована щодо атомної ваги водню. Тобто іншими словами водень і його атомна вага є наріжним каменем таблиці Менделєєва, тією точкою опори, на основі якої великий хімік створив свою систему. Тому не дивно, що в таблиці Менделєєва водень займає почесне перше місце.

Крім цього водень має такі характеристики:

• Атомна маса водню становить 1,00795.
• У водню в наявності три ізотопи, кожен з яких володіє індивідуальними властивостями.
• Водень – легкий елемент, що має малу щільність.
• Водень володіє відновними і окислювальними властивостями.
• Вступаючи в хімічні реакції з металами, водень приймає їх електрон і стає окислювачем. Подібні сполуки називаються гідратами.

Будова молекули

Водень це газ, молекула його складається з двох атомів.

Так схематично виглядає молекула водню.

Молекулярний водень, утворений з таких ось двоатомних молекул вибухає при піднесеному палаючому сірнику. Молекула водню при вибуху розпадається на атоми, які перетворюються в ядра гелію. Саме таким чином відбуваються ядерні реакції на Сонці та інших зірках – за рахунок постійного розпадання молекул водню наше світило горить і обігріває нас своїм теплом.

Фізичні властивості

У водню в наявності такі фізичні властивості:

• Температура кипіння водню становить 252,76 °C;
• А при температурі 259,14 °C він вже починає плавитися.
• У воді водень розчиняється слабо.
• Чистий водень – вельми небезпечна вибухова і горюча речовина.
• Водень легше повітря в 14,5 разів.

Хімічні властивості

Оскільки водень може бути в різних ситуаціях і окислювачем і відновником його використовують для здійснення реакцій та синтезів.

Окислювальні властивості водню взаємодіють з активними (зазвичай лужними і лужноземельними) металами, результатом цих взаємодій є утворення гідридів – солеподібних сполук. Втім, гідриди утворюються і при реакціях водню з малоактивними металами.

Відновлювальні властивості водню мають здатність відновлювати метали до простих речовин з їх оксидів, в промисловості це називається воднеродотермією.

Як отримати?

Серед промислових засобів отримання водню можна виділити:

• газифікацію вугілля,
• парову конверсію метану,
• електроліз.

В лабораторії водень можна отримати:

• при гідролізі гідридів металів,
• при реакції з водою лужних і лужноземельних металів,
• при взаємодії розведених кислот з активними металами.

Застосування

Так як водень в 14 разів легше повітря, то в минулі часи їм начиняли повітряні кулі та дирижаблі. Але після серії катастроф, що сталися з дирижаблями, конструкторам довелося шукати водню заміну (нагадаємо, чистий водень – вибухонебезпечна речовина, і найменшої іскри було достатньо, щоб стався вибух).

Вибух дирижабля Гінденбург в 1937 році, причиною вибуху якраз і стало займання водню (внаслідок короткого замикання), на якому літав цей величезний дирижабль.

Тому для подібних літальних апаратів замість водню стали використовувати гелій, який також легше повітря, отримання гелію більш трудомістке, зате він не такий вибухонебезпечний як водень.

Тим не менш, водень досить добре зарекомендував себе в якості одного з компонентів ракетного палива. А автомобілі, що працюють на водневому паливі екологічніші за своїх дизельних і бензинових побратимів.

Також за допомогою водню проводиться очищення різних видів палива, особливо на основі нафти і нафтопродуктів.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.

Сторінка про автора