Найпоширеніший елемент у всесвіті – це водень. У речовині зірок він має вигляд ядер – протонів і є матеріалом для термоядерних процесів. Майже половина маси Сонця також складається з молекул H 2 . Зміст його в земній корі досягає 015 % , а атоми присутні у складі нафти, природного газу, води. Разом з киснем, азотом та вуглецем він є органогенних елементом, входять до складу всіх живих організмів на Землі. У нашій статті ми вивчимо фізичні та хімічні властивості водню, визначимо основні області його застосування в промисловості та значення в природі.

Положення в періодичній системі хімічних елементів Менделєєва

Перший елемент, що відкриває періодичну систему – це водень. Його атомна маса становить 10079. Має два стабільних (протій і дейтерій) і один радіоактивний ізотоп (тритій). Фізичні властивості визначаються місцем неметали в таблиці хімічних елементів. У звичайних умовах водень (формула його - H 2 ) являє газ, який майже в 15 разів легше за повітря. Будова атома елемента є унікальним: він складається тільки з ядра і одного електрона. Молекула речовини двухатомная, частки в ній з'єднуються за допомогою ковалентного неполярного зв'язку. Її енергоємність досить велика - 431 кДж. Це пояснює невисоку хімічну активність з'єднання в звичайних умовах. Електронна формула водню така: H:H. Речовина має ще цілий ряд властивостей, аналогів яким немає серед інших неметалів. Розглянемо деякі з них.

Розчинність і теплопровідність

Найкраще метали проводять тепло, але водень по теплопровідності наближається до них. Пояснення феномена полягає в дуже великій швидкості теплового руху легких молекул речовини, тому у водневій атмосфері нагріте предмет остигає в 6 разів швидше, ніж на повітрі. З'єднання може добре розчинятися в металах, наприклад, майже 900 обсягів водню можуть бути поглинені одним об'ємом паладію. Метали можуть вступати з H 2 в хімічні реакції, у яких проявляються окислювальні властивості водню. В цьому випадку утворюються гідриди:


2Na + H 2 =2 NaH. У цій реакції атоми елемента приймають електрони від частинок металу, перетворюючись на аніони з одиничним негативним зарядом. Просте речовина H 2 в даному випадку є окислювачем, що для нього зазвичай не характерно.

Водень як відновник

Об'єднує метали та водень не тільки висока теплопровідність, але і здатність їх атомів у хімічних процесах віддавати власні електрони, тобто окислюватися. Наприклад, основні оксиди вступають в реакції з воднем. Окислювально-відновна реакція закінчується виділенням чистого металу і утворенням молекул води: CuO + H 2 = Cu + H 2 O. Взаємодія речовини з киснем при нагріванні призводить також до отримання молекул води. Процес є екзотермічним і супроводжується виділенням великої кількості теплової енергії. Якщо газова суміш H 2 і O 2 реагує в співвідношенні 2:1 то її називають гримучим газом, так як при підпалюванні вона вибухає:
2H 2 + O 2 = 2H 2 O. Вода є оксидом водню і грає найважливішу роль у формуванні гідросфери Землі, клімату, погоди. Вона забезпечує кругообіг елементів у природі, підтримує всі життєві процеси організмів – мешканців нашої планети.

Взаємодія з неметалами

Найбільш важливі хімічні властивості водню – це його реакції з неметалічними елементами. При нормальних умовах молекули водню досить хімічно інертні, тому речовина може реагувати тільки з галогенами, наприклад з фтором або хлором, які є найбільш активними серед усіх неметалів. Так, суміш фтору і водню вибухає в темряві або на холоді, а з хлором при нагріванні або на світлі. Продуктами реакції будуть галогеноводороды, водні розчини яких відомі як фторидная і хлоридна кислоти. З азотом речовина взаємодіє при температурі 450-500 градусів, тиск 30-100 мПа і в присутності каталізатора: N? + 3H? p, t, kat 2NH?. Розглянуті хімічні властивості водню мають велике значення для промисловості. Наприклад, можна отримати цінний хімічний продукт – аміак. Він є основною сировиною для одержання нітратної кислоти і азотних добрив: карбаміду, нітрату амонію.

Органічні речовини

Реакція з'єднання між вуглецем і воднем призводить до отримання найпростішого вуглеводню – метану: C + 2H 2 = CH 4. Речовина є найважливішою складовою частиною природного і попутного нафтового газу. Вони застосовуються в якості цінного виду палива і сировини для промисловості органічного синтезу. У хімії сполук вуглецю елемент входить до складу величезної кількості речовин: алканів, алкенів, вуглеводів, спиртів і т. д. Відомо багато реакцій органічних сполук з молекулами H 2 . Вони носять загальну назву – гідрування або гідрогенізація. Так, альдегіди можна відновити воднем до спиртів, неграничні вуглеводні - до алканів. Наприклад, етилен перетворюється в етан: C 2 H 4 + H 2 = C 2 H 6 . Важливе практичне значення мають такі хімічні властивості водню, як, наприклад, гідрогенізація рідких олій: соняшникової, кукурудзяної, ріпакової. Вона призводить до отримання твердого жиру – саломасу, який використовують у виробництві гліцерину, мила, стеарину, твердих сортів маргарину. Для поліпшення зовнішнього вигляду і смакових якостей харчового продукту в нього додають молоко, тваринні жири, цукор, вітаміни. У нашій статті ми вивчили властивості водню і з'ясували його роль у природі та житті людини.