Водород

(далее В)(лат. Hydrogenium), Н, элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе масса 1,00797. При обычных условиях В — газ; не имеет цвета, запаха и вкуса.   Историческая справка. В трудах химиков 16 и 17 вв. неоднократно упоминалось о выделении горючего газа при действии кислот на металлы. В 1766 Г. Кавендиш собрал и исследовал выделяющийся газ, назвав его "горючий воздух". Будучи сторонником теории флогистона, Кавендиш полагал, что этот газ и есть чистый флогистон. В 1783 А. Лавуазье путем анализа и синтеза воды доказал сложность ее состава, а в 1787 определил "горючий воздух" как новый элемент (В и дал ему современное название hydrogène (от греч. hýdōr — вода и gennáō — рождаю), что означает "рождающий воду"; этот корень употребляется в названиях соединений В и процессов с его участием (например, гидриды, гидрогенизация). Современное русское наименование "В было предложено М. Ф. Соловьевым в 1824.   Распространенность в природе. В широко распространен в природе, его содержание в земной коре (литосфера и гидросфера) составляет по массе 1%, а по числу 16%. В входит в состав самого распространенного вещества на Земле — воды (11,19% В по массе), в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, глины, а также организмы животных и растений (т. е. в состав нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и др.). В свободном состоянии В встречается крайне редко, в небольших количествах он содержится в вулканических и других природных газах. Ничтожные количества свободного В (0,0001% по числу присутствуют в атмосфере. В околоземном пространстве В в виде потока протонов образует внутренний ("протонный") радиационный пояс Земли. В космосе В является самым распространенным элементом. В виде плазмы он составляет около половины массы Солнца и большинства звезд, основную часть газов межзвездной среды и газовых туманностей. В присутствует в атмосфере ряда планет и в кометах в виде свободного 2, метана 4, аммиака 3, воды 2, радикалов типа , , , , и т.д. В виде потока протонов В входит в состав корпускулярного излучения Солнца и космических лучей.   Изотопы, и молекула. Обыкновенный В состоит из смеси 2 устойчивых изотопов: легкого В или протия (1), и тяжелого В или дейтерия (2, или D). В природных соединениях В на 1 2 приходится в среднем 6800 1. Искусственно получен радиоактивный изотоп — сверхтяжелый В или тритий (3, или Т), с мягким β-излучением и периодом полураспада T1/2 = 12,262 года. В природе тритий образуется, например, из атмосферного под действием нейтронов космических лучей; в атмосфере его ничтожно мало (4·10-15% от общего числа В Получен крайне неустойчивый изотоп 4. Массовые числа изотопов 1, 2, 3 и 4, соответственно 1,2, 3 и 4, указывают на то, что ядро протия содержит только 1 протон, дейтерия — 1 протон и 1 нейтрон, трития — 1 протон и 2 нейтрона, 4 — 1 протон и 3 нейтрона. Большое различие масс изотопов В обусловливает более заметное различие их физических и свойств, чем в случае изотопов других элементов.   В имеет наиболее простое строение среди всех других элементов: он состоит из ядра и одного электрона. Энергия связи электрона с ядром (потенциал ионизации) составляет 13,595 эв. Нейтральный В может присоединять и второй электрон, образуя отрицательный ион Н-; при этом энергия связи второго электрона с нейтральным (сродство к электрону) составляет 0,78 эв. Квантовая механика позволяет рассчитать все возможные энергетические уровни В а следовательно, дать полную интерпретацию его атомного спектра. В используется как модельный в квантовомеханических расчетах энергетических уровней других, более сложных Молекула В 2 состоит из двух соединенных ковалентной связью. Энергия диссоциации (т. е. распада на составляет 4,776 эв (1 эв = 1,60210·10-19 дж). Межатомное расстояние при равновесном положении ядер равно 0,7414·Å. При высоких температурах молекулярный В диссоциирует на (степень диссоциации при 2000°С 0,0013, при 5000°С 0,95). В образуется также в различных реакциях (например, действием на соляную кислоту). Однако существование В в состоянии длится лишь короткое время, рекомбинируют в молекулы 2.   Физические и свойства. В — легчайшее из всех известных веществ (в 14,4 раза легче воздуха), плотность 0,0899 г/л при 0°С и 1 атм. В кипит (сжижается) и плавится (затвердевает) соответственно при —252,6°С и —259,1°С (только имеет более низкие температуры плавления и кипения). Критическая температура В очень низка (—240°С), поэтому его сжижение сопряжено с большими трудностями; критическое давление 12,8 кгс/см2 (12,8 атм), критическая плотность 0,0312 г/см3. Из всех газов В обладает наибольшей теплопроводностью, равной при 0°С и 1 атм 0,174 вт/(м·К), т. е. 4,16·0-4 кал/(с·см·°С). Удельная теплоемкость В при 0°С и 1 атм Ср 14,208·103 дж/(кг·К), т. е. 3,394 кал/(г·°С). В мало растворим в воде (0,0182 мл/г при 20°С и 1 атм), но хорошо — во многих металлах (, , и др.), особенно в (850 объемов на 1 объем ). С растворимостью В в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия В с (так называемая декарбонизация). Жидкий В очень легок (плотность при —253°С 0,0708 г/см3) и текуч (вязкость при — 253°С 13,8 спуаз).   В большинстве соединений В проявляет валентность (точнее, степень окисления) +1, подобно и другим щелочным металлам; обычно он и рассматривается как аналог этих металлов, возглавляющий 1 гр. системы Однако в гидридах металлов ион В заряжен отрицательно (степень окисления —1), т. е. гидрид +- построен подобно +-. Этот и некоторые другие факты (близость физических свойств В и галогенов, способность галогенов замещать В в органических соединениях) дают основание относить В также и к группе периодической системы (подробнее см. Периодическая система элементов). При обычных условиях молекулярный В сравнительно мало активен, непосредственно соединяясь лишь с наиболее активными из неметаллов (с а на свету и с Однако при нагревании он вступает в реакции со многими элементами. В обладает повышенной активностью по сравнению с молекулярным. С В образует воду: 2 + 1/22 = 2 с выделением 285,937·103 дж/моль, т. е. 68,3174 ккал/моль тепла (при 25°С и 1 атм). При обычных температурах реакция протекает крайне медленно, выше 550°С — со взрывом. Пределы взрывоопасности смеси составляют (по объему) от 4 до 94% 2, а смеси — от 4 до 74% 2 (смесь 2 объемов 2 и 1 объема О2 называется гремучим газом). В используется для восстановления многих металлов, так как отнимает у их окислов:   +Н2 = + 2,   34 + 42 = 3 + 42, и т.д.   С галогенами В образует галогеноводороды, например:   2 + 2 = 2. При этом с В взрывается (даже в темноте и при —252°С), с и реагирует лишь при освещении или нагревании, а с иодом только при нагревании. С В взаимодействует с образованием аммиака: 32 + 2 = 23 лишь на катализаторе и при повышенных температурах и давлениях. При нагревании В энергично реагирует с серой: 2 + = 2 (сероводород), значительно труднее с и С чистым В может реагировать без катализатора только при высоких температурах: 22 + С (аморфный) = 4 (метан). В непосредственно реагирует с некоторыми металлами (щелочными, щелочноземельными и др.), образуя гидриды: 2 + 2 = 2. Важное практическое значение имеют реакции В с окисью при которых образуются в зависимости от температуры, давления и катализатора различные органические соединения, например , 3 и др. (см. Углерода окись). Ненасыщенные углеводороды реагируют с В переходя в насыщенные, например: n2n + 2 = n2n+2 (см. Гидрогенизация).   Роль В и его соединений в химии исключительно велика. В обусловливает кислотные свойства так называемых протонных кислот (см. Кислоты и основания). В склонен образовывать с некоторыми элементами так называемую водородную связь, оказывающую определяющее влияние на свойства многих органических и неорганических соединений.   Получение. Основные виды сырья для промышленного получения В — газы природные горючие, коксовый газ (см. Коксохимия) и газы нефтепереработки, а также продукты газификации твердых и жидких топлив (главным образом угля). В получают также из воды электролизом (в местах с дешевой электроэнергией). Важнейшими способами производства В из природного газа являются каталитическое взаимодействие углеводородов, главным образом метана, с водяным паром (конверсия): 4 + 2 = + 32, и неполное окисление углеводородов 4 + 1/22 = + 22. Образующаяся окись также подвергается конверсии: + 2 = 2 + 2. В добываемый из природного газа, самый дешевый. Очень распространен способ производства В из водяного и паровоздушного газов, получаемых газификацией угля. Процесс основан на конверсии окиси Водяной газ содержит до 50% 2 и 40% ; в паровоздушном газе, кроме 2 и , имеется значительное количество 2, который используется вместе с получаемым В для синтеза 3. Из коксового газа и газов нефтепереработки В выделяют путем удаления остальных компонентов газовой смеси, сжижаемых более легко, чем В при глубоком охлаждении. Электролиз воды ведут постоянным током, пропуская его через раствор или (кислоты не используются во избежание коррозии стальной аппаратуры). В лабораториях В получают электролизом воды, а также по реакции между и соляной кислотой. Однако чаще используют готовый заводской В в баллонах.   Применение. В промышленном масштабе В стали получать в конце 18 в. для наполнения воздушных шаров. В настоящее время В широко применяют в промышленности, главным образом для производства аммиака. Крупным потребителем В является также производство метилового и других спиртов, синтетического бензина (синтина) и других продуктов, получаемых синтезом из В и окиси В применяют для гидрогенизации твердого и тяжелого жидкого топлив, жиров и др., для синтеза , для гидроочистки нефтепродуктов, в сварке и резке металлов пламенем (температура до 2800°С) и в атомно-водородной сварке (до 4000°С). Очень важное применение в энергетике нашли изотопы В — дейтерий и тритий.   Лит.: Некрасов Б. В Курс общей химии, 14 изд., М., 1962; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1963; Егоров А. П., Шерешевский Д. И., Шманенков И. В Общая технология неорганических веществ, 4 изд., М., 1964; Общая технология. Под ред. С. И. Вольфковича, т. 1, М., 1952; Лебедев В В его получение и использование, М., 1958; Налбандян А. Б., Воеводский В В Механизм окисления и горения М. — Л., 1949; Краткая энциклопедия, т. 1, М., 1961, с. 619—24.   С. Э. Вайсберг.