Водень проста речовина, будова водню. У вільному вигляді гідроген утворює єдину просту речовину водень H₂, в молекулі водню два атоми гідрогену хімічно зв’язані чисто ковалентним одинарним зв’язком H-H.

Отримання водню.

1. Взаємодія металів (крім міді і благородних металів, що стоять в електрохімічному ряді напруг після гідрогену) з кислотами-неокисниками (HCl, H₂SO₄) в розбавленому водному розчині, наприклад:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂

Zn + 2H + = Zn²⁺ + H₂; Zn + 3H₃O⁺ = Zn²⁺ + 2H₂O + H₂

2. Взаємодія амфотерних металів, наприклад алюмінію, з лугами в розбавленому розчині:

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂

3. Відновлення води неблагородними металами:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂

Ці реакції протікають дуже бурхливо і при їх проведенні необхідно дотримуватися правил безпеки!

4. Електроліз розбавлених розчинів лугів, сульфатної кислоти, хлоридів лужних металів і ін.
5. Відновлення водяної пари такими металами, як магній, цинк, залізо, алюміній:

3Fe + 4H₂O ⇄ (Fe^IIFe^III₂)O₄ + 4H₂

Реакція з залізом при температурі червоного розжарювання використовується в техніці для отримання водню, вільного від сірки.

6. Відновлення (іноді каталітичне) водяної пари різними карбонвмісними речовинами (кокс, вугілля, залишкові фракції перегонки нафти, мазут, бензин, природний газ, метан та ін.) при високій температурі. Газоподібну та рідку сировину переробляють в техніці за допомогою спеціальних методів. Кокс і вугілля піддають газифікації під тиском або при нормальному тиску, при цьому утворюється водяний газ – суміш карбон(II) оксиду, водню і в невеликих кількостях інших газів. Для отримання водяного газу через шар порошку вугілля або коксу пропускають водяну пару, збагачену киснем. У кисні згоряє частина вугілля; ця екзотермічна реакція підтримує автотермічне протікання ендотермічної реакції отримання водяного газу, внаслідок чого цей процес не потребує зовнішніх джерелах теплоти. Процес проводять в безперервно діючому реакторі (генератор Вінклера) при 1000*С. Основна реакція цього процесу:

H₂O (газ) + C (т) ⇄ H₂ (газ) + CO (газ); ΔH⁰ = +132кДж

Водяний газ широко використовується як горючий газ, в якості сировини для синтезу різних хімічних продуктів (амоніаку, метанолу, вищих спиртів і ін.) І для отримання водню.

Переробку водяного газу при отриманні водню проводять в три етапи. Спочатку здійснюють каталітичне конвертування карбон(II) оксиду, який присутній у водяному газі в карбон діоксид при відносно низьких температурах (200-300*С):

CO (газ) + H₂O (газ) ⇄ CO₂ (газ) + H₂ (газ); ΔH⁰ = -41кДж

Потім видаляють CO₂, пропускаючи реакційну суміш через гарячий розчин кальцій карбонату під тиском і, нарешті, проводять остаточну очистку водню від залишився CO та інших газів.

Водень – Фізичні властивості.

При кімнатній температурі водень – газ без кольору, запаху і смаку, щільність 0,09 г./дм³ при 101325 Па (1 атм.) і 0*С (водень в 14 разів легший за повітря і є найлегшою на Землі речовиною). За складністю скраплення водень – другий газ після гелію. Температура плавлення водню -259,19*С; температура кипіння водню -252,87*С. У воді водень малорозчинний. Поглинається в великій кількості деяким металами (платина, паладій); при обробці сталі кислотами (виділяється H₂) сталь набуває властивості, яку називають воднева крихкість.

Хімічні властивості водню.

При звичайних температурах H₂ дуже стійкий. Реагує з киснем (горить світло-блакитним, майже невидимим полум’ям) і з хлором:

2H₂ (газ) + O₂ (газ) = 2H₂O (газ); ΔH⁰ = -484 кДж

H₂ (газ) + Cl₂ (газ) = 2HCl (газ); ΔH⁰ = -184 кДж

Суміші H₂ з повітрям, киснем і хлором сильно вибухові (гримучій газ). З іншими неметалами H₂ реагує тільки при нагріванні:

H₂ (газ) + S (т) = H₂S (газ); ΔH⁰ = -21 кДж

З лужними і лужноземельними металами водень утворює гідриди. При нагріванні відновлює оксиди багатьох металів:

CuO + H₂ = Cu + H₂O

WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O

Подібні реакції використовуються в технології отримання багатьох металів. В органічній хімії відомі реакції гідрування і дегідрування – приєднання і відщеплення водню.

Застосування водню.

Водень використовують в реакціях гідрування і хімічних синтезах багатьох технічно важливих продуктів, таких як амоніак, метанол, гідрогенхлорид, бензин, сорбіт (з глюкози), жирні спирти (з жирних кислот), бутандиол-1,2 (переробляють в синтетичний каучук), тверді жири, для наповнення аеростатів і для отримання високих температур в спеціальних пальниках, наприклад при виробництві синтетичних дорогоцінних каменів. Водень є складовою частиною промислових газових сумішей – коксового, напівкоксового, водяного газів. Зберігають H₂ в сталевих балонах під тиском 15 МПа (150 атм).

Гідроген – утворюється в момент виділення або утворення (in statu nascendi, лат.). Гідроген виходить безпосередньо в реакторі, де він потім бере участь в здійсненні подальших процесів. Гідроген дуже реакційноздатний. Наприклад, молекулярний водень (з балонів, апарату Киппа) не перетворює нітробензел в анілін, але така реакція відбувається, якщо в посудину з рідким нітробензеном ввести порошок заліза і хлоридну кислоту (утворюється гідроген H, який має дуже сильні відновлювальні властивості). Газоподібний водень H₂, перетворюється в атомарний – гідроген, при поглинанні його (абсорбції) платиною або паладієм, а також нікелем, тому такі метали є хорошими каталізаторами реакцій гідрування (при отриманні, наприклад, твердих жирів). Високодисперсна платина – платинова чернь – викликає самозаймання водню на повітрі (вогонь Деберейнера).

Катіон гідрогену.

У водному розчині не існує вільних іонів H⁺, оскільки вони знаходяться в повністю гідратованому стані. В першу зону гідратації потрапляє одна молекула води і утворює катіон оксония H₃O⁺ (з трьома рівноцінним нековалентним зв’язками HO), у другій зоні гідратації цей катіон оточується (при кімнатній температурі) ще трьома молекулами води за рахунок гідрогенних зв’язків і утворює тригідрат катіона оксонія H₃O⁺*3H₂O (іноді пишуть H₉O₄⁺, що не є коректним). Вільні катіони гідрогену (фактично протони – ядра атома протію) на 80% складають первинне космічне випромінювання (інші 20% первинного космічного випромінювання – це α-частинки ⁴₂He).

---