Водород простое вещество и его строение. В свободном виде водород образует одно простое двухатомное вещество H₂, в молекуле которого два атома водорода химически соединены чисто ковалентной одинарной связью H-H.

Получение водорода.

1. Взаимодействие металлов (кроме меди и благородных металлов, стоящих в электрохимическом ряду напряжений после водорода) с кислотами-неокислителями (HCl, H₂SO₄) в разбавленном водном растворе, например:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂

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

2. Взаимодействие амфотерных металлов, например алюминия, с щелочами в разбавленном растворе:

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

3. Восстановление воды неблагородными металлами:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂

Эти реакции протекают очень бурно и при их проведении необходимо соблюдать осторожность!

4. Электролиз разбавленных растворов щелочей, серной кислоты, хлоридов щелочных металлов и др.
5. Восстановление водяного пара такими металлами, как магний, цинк, железо, алюминий:

3Fe + 4H₂O ⇄ (Fe^IIFe^III₂)O₄ + 4H₂

Реакция с железом при температуре красного каления используется в технике для получения водорода, свободного от серы.

6. Восстановление (иногда каталитическое) водяного пара различными углеродсодержащими веществами (кокс, уголь, остаточные фракции перегонки нефти, мазут, бензин, природный газ, метан и др.) при высокой температуре. Газообразное и жидкое сырье перерабатывают в технике с помощью специальных методов. Кокс и уголь подвергают газификации под давлением или при нормальном давлении, при этом образуется водяной газ – смесь монооксида углерода, водорода и в небольших количествах других газов. Для получения водяного газа через слой порошка угля или кокса пропускают водяной пар, обогащенный кислородом. В кислороде сгорает часть угля; эта экзотермическая реакция поддерживает автотермическое протекание эндотермической реакции получения водяного газа, вследствие чего этот процесс не нуждается во внешних источниках теплоты. Процесс проводят в непрерывно действующем реакторе (генератор Винклера) при 1000*С. Основная реакция этого процесса:

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

Водяной газ широко используется как горючий газ, в качестве сырья для синтеза различных химических продуктов (аммиака, метанола, высших спиртов и др.) и для получения водорода.

Переработку водяного газа при получении водорода проводят в три этапа. Вначале осуществляют каталитическое конвертирование содержащегося в водяном газе монооксида углерода в диоксид при относительно низких температурах (200-300*С):

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

Затем удаляют CO₂, пропуская реакционную смесь через горячий раствор карбоната кальция под давлением и, наконец, проводят окончательную очистку водорода от оставшегося CO и других газов.

Водород – Физические свойства.

При комнатной температуре водород – газ без цвета, запаха и вкуса, плотность 0,09 г./дм³ при 101325 Па (1 атм.) и 0*С (водород в 14 раз легче воздуха и является самым легким на Земле веществом). По трудности сжижения водород – второй газ после гелия. Температура плавления водорода -259,19*С; температура кипения водорода -252,87*С. В воде водород малорастворим. Поглощается в большом количестве некоторым металлами (платина, палладий); при обработке стали кислотами (выделяется H₂) сталь приобретает водородную хрупкость.

Химические свойства водорода.

При обычных температурах H₂ очень устойчив. Реагирует с кислородом (горит светло-голубым, почти невидимым пламенем) и с хлором:

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

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

Смеси H₂ с воздухом, кислородом и хлором сильно взрывчаты (гремучая смесь). С другими неметаллами H₂ реагирует только при нагревании:

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

С щелочными и щелочноземельными металлами водород образует гидриды. При нагревании восстанавливает оксиды многих металлов:

CuO + H₂ = Cu + H₂O

WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O

Подобные реакции используются в технологии получения многих металлов. В органической химии известны реакции гидрирования и дегидрирования – присоединение и отщепление водорода.

Применение водорода.

Водород используют в реакциях гидрирования и химических синтезах многих технически важных продуктов, таких как аммиак, метанол, хлороводород, бензин, сорбит (из глюкозы), жирные спирты (из жирных кислот), бутандиол-1,2 (перерабатывают в синтетический каучук), твердые жиры, для наполнения аэростатов и для получения высоких температур в специальных горелках, например при производстве синтетических драгоценных камней. Водород является составной частью промышленных газовых смесей – коксового, полукоксового, водяного газов. Хранят H₂ в стальных баллонах под давлением 15 МПа (150 атм).

Атомарный водород – в момент выделения или образования (in statu nascendi, лат.). Такой водород получается непосредственно в реакторе, где он затем участвует в осуществлении последующих процессов. Атомарный водород очень реакционноспособный. Например, молекулярный водород (из баллонов, аппарата Киппа) не превращает нитробензол в анилин, но такая реакция происходит, если в сосуд с жидким нитробензолом ввести порошок железа и хлороводородную кислоту (образуется атомарный водород H, обладающий очень сильными восстановительным свойствами). Газообразный водород H₂, становится атомным при поглощении его (абсорбции) платиной или палладием, а также никелем, поэтому такие металлы являются хорошими катализаторами реакций гидрирования (при получении, например, твердых жиров). Высокодисперсная платина – платиновая чернь – вызывает самовозгорание водорода на воздухе (огонь Деберейнера).

Катион водорода.

В водном растворе не существует свободных ионов H⁺, поскольку они находятся в полностью гидратированном состоянии. В первую зону гидратации попадает одна молекула воды и образует катион оксония H₃O⁺ (с тремя равноценным ковалентным связями H-O), во второй зоне гидратации этот катион окружается (при комнатной температуре) еще тремя молекулами воды за счет водородных связей и образует тригидрат катиона оксония H₃O⁺*3H₂O (иногда пишут H₉O₄⁺, что является не вполне корректным). Свободные катионы водорода (фактически протоны – ядра атома протия) на 80% составляют первичное космическое излучение (остальные 20% первичного космического излучения – это α-частицы ⁴₂He).

---