Одержання

У лабораторних умовах водень одержують різними шляхами: взаємодією металу (найчастіше цинку) з соляною чи розведеною сірчаною кислотою (реакцію проводять в апараті Кіппа):

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + Н₂ 

взаємодією амфотерних металів з водними розчинами лугів:

2А1 + 6NaOH + 6Н₂О = 2Na₃[Al(OH)₆  + ЗН₂;

Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₆  + Н₂;

електролізом води. Для збільшення електропровідності води до неї додають луги чи сульфат лужного металу.

У промисловості водень одержують:

як побічний продукт при виробництві хлору і гідроксидів лужних металів електролізом розчинів їх хлоридів;

паровою конверсією метану чи легких вуглеводнів нафти над нікелевим каталізатором при температурі 800—850 °С:

СН₄ + H₂O  CO + ЗН₂

потім у окремому реакторі при 300—350 °С монооксид вуглецю відновлює воду над залізним та мідним каталізаторами:

СО+Н₂О СО₂ +Н₂.

Діоксид вуглецю, який при цьому утворюється, поглинають розчином лугу:

газифікацією твердого палива шляхом взаємодії водяної пари з розжареним вугіллям:

С + Н₂О = CO + Н₂

З утвореної суміші CO і Н₂, яка має назву водяний газ, водень виділяють глибоким охолодженням.

Фізичні властивості

За звичайних умов молекулярний водень — безбарвний газ. без смаку і запаху. З усіх відомих газів він найлегший: у 14,32 рази легший за повітря.

Водень — газ, який важко скраплюється. Лише при температурі —240 °С і під тиском водень перетворюється на безбарвну рідину.

У зв'язку з тим, що зв'язок у молекулі водню ковалентний неполярний, він дуже мало розчиняється у полярних розчинниках. Так, при н. у. в 100 об'ємах Н₂О розчиняється лише 2,15 об'єму Н₂ . Водень добре розчиняється у багатьох металах: нікелі, платині, паладії та ін. Пояснюється це тим, що молекули водню мають малі розміри, тому добре дифундують усередину металу, при цьому більша його частина переходить до атомного стану і включається в міжатомний простір кристалічної решітки металу. Внаслідок цього підщипується реакційна здатність водню. Тому роздріблені метали використовують як каталізатори реакції гідрогенізації.

Хімічні властивості

Атоми водню в молекулі зв'язані міцним ковалентним зв'язком, для розриву якою необхідна енергія 436 кДж/моль. Розпад молекули Н₂ на окремі атоми відбувається лише при температурі, вищій за 2000 °С.

За звичайних умов у газоподібному водні активних молекул небагато, тому молекулярний водень хімічно малоактивний. Він здатний безпосередньо сполучатися лише з найбільш активним неметалом — фтором і при освітленні з хлором:

Н₂ + F₂ = 2HF,

Н₂ + С1₂ 2НСІ.

З бромом реакція відбувається менш енергійно, а з йодом не перебігає до кінця навіть при високій температурі.

Суміш водню з киснем при підпалюванні або опромінюванні ультрафіолетовими променями вибухає:

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О.

Наведену суміш називають гримучим газом.

Механізм взаємодії Н₂ і О₂ досить складний. Швидкість цієї реакції залежить від температури. Якщо суміш Н₂ і О₂ зберігати при кімнатній температурі, то, як показують розрахунки, знадобляться міліарди років, щоб реакція синтезу Н₂О завершилась. При 300 °С реакція закінчується за декілька діб, а при 580 °С — за декілька годин. При 700 °С реакція перебігає майже миттєво, з вибухом.

При нагріванні водень відновлює оксиди багатьох металів, наприклад:

РЬО + Н₂ = РЬ + Н₂О,

МоО₃ + ЗН₂ = Мо + ЗН₂О.

При дії на Н₂ при зниженому тиску «тихого» електричного розряду утворюється атомарний водень. Він існує протягом секунди. Щоб з двох атомів знову утворилася молекула Н₂, необхідні мільйони зіткнень. Атомарний водень має високу хімічну активність. За звичайних умов він сполучається з азотом, сіркою, фосфором і миш'яком. В той час як молекулярний водень з азотом реагує в присутності каталізатора при 500—550 °С, з фосфором молекулярний водень взагалі не реагує.

Пропускання водню над нагрітими металами приводить до утворення гідридів. Найлегше ця реакція перебігає з лужними та лужноземельними металами:

2Na+ H₂ = 2NaH,

Са + Н2 = СаН₂.

Гідриди лужних і лужноземельних металів — це тверді кристалічні речовини, зв'язок в яких близький до іонного. Водень в них виявляє ступінь окиснення —1. Ці гідриди енергійно реагуют із водою та хлороводневою кислотою:

CaH₂ + 2Н₂0 = Са(ОН)₂ + 2Н₂

СаН₂ +2НС1 = СаСІ₂ + 2Н₂

окиснюються киснем повітря:

СаН₂ + О₂ = Са(ОН)₂

при цьому кожний гідрид-іон Н віддає по два електрони двом атомам кисню, набуває ступеня окиснення +1.