Водород является первым химическим элементом в таблице Д.И. Менделеева с всемирно принятым обозначением H. Водород является самым распространенным атомом во Вселенной и при нормальных условиях представляет собой газ без запаха и цвета.
Открытие
Открытие горючего газа в виде водорода (hydrogenium) произошло уже в XVII веке. Англо-ирландский натуралист Роберт Бойль в 1671 году описал достаточно подробно реакцию между железными опилками и разбавленными кислотами при которых выделяется газообразный водород.
Описание реакции Роберта Бойля:
Трактаты написанные Робертом Бойлем
Спустя почти столетие английский натурфилософ Генри Кавендиш признал водород дискретным веществом и назвал его «горючий воздухом». Кроме того Кавендиш выяснил в 1781 году, что при сгорании «горючего воздуха» образуется вода.
Современное английское название Hydrogenium химическому элементу дал французский химик Антуан Лавуазье. Ученый повторил опыт Кавендиша для своих исследований в области горения и выяснив, что при горении в воздухе образуется вода — дал химическому элементу название, которое переводится на русский язык как водообразующий.
Русское название химического элемента «водород» предложил в 1824 году Михаил Федорович Соловьев по аналогии с «кислородом» Михаила Васильевича Ломоносова. В дальнейшем проводилось огромное количество исследований, которые прояснили характеристики газообразного химического элемента.
Интересное:
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Газ |
| Температура плавления | — 259.16°C |
| Точка кипения | -252,88°С |
| Плотность при Н.У. | 0,08988 г/см³ |
| Тройная точка | -259,19°C; 7,205кПа |
| Критическая точка | -240,91°C; 1,30МПа |
| Мол. теплота плавления | 0,117кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 0,904кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 28,47 Дж/(К*моль) |
| Молярный объем | 22,4*10³см³ |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 1 |
| Атомная масса | 1,00784 |
| Электронная конфигурация | 1s¹ |
| Радиус атома | 53пм |
| Ковалентный радиус | 32 пм |
| Степени окисления | -1; 0; +1 |
| Радиус иона | 54 пм |
| Электроотрицательность | 2,20 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 1311,3 кДж/моль |
| Изотопы | ¹H; ²H; ³H |
Интересное:
Добыча и производство
На сегодняшний день существует огромное количество методов производства газообразного водорода(H2). В промышленных масштабах применяется всего три:
- окисление углеводородов;
- паровой риформинг;
- электролиз;
Метод парового риформинга является собой самым масштабным промышленным методом получения водорода на сегодняшний день. Если мировое производство водорода ежегодно оценивается порядка 70 млн тонн, то этим методом получают свыше 50 млн тонн. Он заключается в химической реакции воды и метана при температурах от 700 до 1000°C. Формула химической реакции выглядит следующим образом:
CH4 + H2 —1000°C→ CO + 3H2
Для нужд получения водорода ежегодно тратится порядка 200 млрд м³ метана и в атмосферу поступает около 800 млн тонн CO2.
Методом окисления углеводородов получают практически все остальное необходимое количество газообразного водорода. Он является вторым по популярности методом при котором пары воды пропускаются над раскаленным углем при температуре свыше 1000°C. Химическая реакция выражается формулой:
C + H2O —1000°C→ CO↑ + H2↑
При использовании данного метода существуют некоторые ограничения, которые не позволяют из-за примесей CO использовать водород в некоторых отраслях. Для устранения этой проблемы необходимо проводить процедуры дополнительной очистки.
Метод электролиза является самым простым из вышеперечисленных и данная химическая реакция описывается следующей формулой:
2H2O → 2H2 + O2
На самом деле этот метод используется преимузественно в учреждениях образования для наглядности процесса. В промышленных масштабах метод электролиза используется достаточно редко. Его общая доля от общего количества получаемого водорода оценивается менее 0,1% и используется метод электролиза соляных растворов с выделением побочного хлора:
2NaCl + 2H2O → 2NaOH +Cl2↑ + H2↑
Стоимость водорода на мировом рынке оценивается от 2 до 7 долларов США. На территории Российской Федерации 14 предприятийпо птроизводству коммерческого водорода.
Интересное:
Применение
Применение водорода очень разнообразно изатрагивает почти все сферы жизнедеятельности человека в той или иной степени. В промышленных масштабах водород применяется в:
- нефтеперерабатывающей промышленности;
- химической промышленности;
- энергетическая промышленность;
- пищевая и косметическая промышленность;
В нефтеперерабатывающей промышленности водород используется преимущественно для очистки ископаемого топлива(нефти) от серы. Плюс ко всему этот химический элемент необходим в процессе получения метанола, который используется в огромных количествах на сегодняшний день. На долю нефтеперерабатывающей промышленности приходится около 36% производимого газа. Химическая промышленность использует водород для производства аммиака на долю которого тратится свыше 53% получаемого водорода. Из аммиака производят пластмассы, удобрения(азотные) и взрывчатые вещества, а метанол является основой для производства некоторых видов пластмасс.
Энергетическая промышленность ежегодно потребляет порядка 6 — 8% от общего объема производимого водорода. В частности его используют в качестве охлаждающего вещества на крупных электростанциях в силу его физических свойств. С другой стороны его используют в качестве топлива для некоторых видов коммерческого транспорта. К таковым относят как легковые, так и грузовые автомобили, а с недавних пор появляются пилотные проекты железнодорожного транспорта. В добавок ко всему перечисленному, водород используется для химической стабилизации материалов для производства полупроводников.
Пищевая и косметическая промышленность так же являются крупными потребителями водорода. Его используют для получения твердого растительного жира под названием саломас. Саломас в свою очередь используется для производства маргарина, мыла и косметических средств. Кроме того водород зарегистрирован в качестве самостоятельной пищевой добавки с маркировкой E949. На долю пищевой и косметической промышленности приходится около 2% от общего объема производимого водорода.
Интересное:
Безопасность
Водород в различных состояниях представляет собой ряд опасностей для человеческого организма. В жидком состоянии при попадании на кожу ввзывает сильнейшее обморожение, так как температура водорода в жидкой фазе очень низкая. В газообразном состоянии он представляет опасность удушья и взрывного возгорания. Удушье для человека может возникнуть вследствии критической концентрации водорода например в закрытом помещении, когда весь кислород вытеснен или его концентрации недостаточно для дыхания.
Другой, и возможно наиболее вероятной, опасностью является взрывное возгорание. Она связана со смесью, которая известна как гремучий газ. Гремучий газ представляет собой смесь в опеределенной пропорции воздуха и водорода. Пропорция на самом деле очень широкая и составляет от 4% до 96% водорода, но наибольшую взрывоопасность представляет собой пропорция 5 частей водорода к 1 части воздуха. Возгорание данной смеси по статистике является одной из самых популярных причин бытовых пожаров.
Газ то возможно пожароопасный, но отравляющих свойств он не имеет