Нахождение в природе и методы получения

Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Он входит в состав звезд и межгалактического газа (например, гигантские планеты солнечной системы Юпитер и Сатурн в основном состоят из водорода). Водород присутствует в атмосфере ряда планет, в кометах, газовых туманностях и межзвездном газе.

Водород – самый легкий из элементов, поэтому его атомы легче других преодолевают гравитационное поле Земли и покидают атмосферу Земли. По числу атомов в земной коре (атмосфера, литосфера и гидросфера) водород занимает третье место (15,4%). На долю водорода приходится примерно 0,15% массы всей земной коры (он стоит на девятом месте по распространенности, выраженной в мас.%).

В свободном состоянии водород встречается редко (в вулканических и природных газах, в верхних слоях атмосферы Земли). Большая часть находящегося на Земле водорода связана в воду. Водород является составной частью большинства органических соединений: входит в состав природного газа, нефти, белков, жиров и углеводов.

В лаборатории водород поставляется с производства в стальных баллонах. Небольшие количества водорода получают:

1. взаимодействием цинка с 20%-ной серной кислотой (соляной) в аппарате Киппа:

.

Прим. Технический цинк содержит небольшие примеси мышьяка и сурьмы, которые в момент выделения водорода восстанавливаются до ядовитых газов: арсина и стибина . Таким водородом можно отравиться. К тому же химический чистый цинк медленно вступает в реакцию с кислотой из-за перенапряжения, поэтому для увеличения скорости выделения водорода в аппарат Киппа можно добавить несколько кристалликов . В этом случае медь, выделившаяся на поверхности цинка, образует гальваническую пару Cu – Zn, и реакция цинка с кислотой ускоряется.

2. взаимодействием алюминия (кремния) с раствором щелочи при нагревании:

3. взаимодействием гидрида кальция с водой:

В промышленности водород получают:

1. Газификацией твердого топлива (антрацита) перегретым водяным паром или конверсией природного газа (метана) перегретым водяным паром:

кДж

(риформинг)

Образующаяся газовая смесь (синтез-газ) используется в производстве многих органических соединений.

Выход водорода можно увеличить, пропуская синтез-газ над катализатором, при этом СО превращается в СО₂:

кДж

2. Водород высокой чистоты получают электролизом воды:

Физические свойства водорода

Водорода – бесцветный газ без вкуса и запаха, мало растворим в воде (2,1 объема водорода растворяется в 100 объемах воды при н.у.), плохо растворяется в органических растворителях.

Водород образует двухатомную молекулу. Энергия связи 434 кДж/моль, длина связи 74 пм. Молекулы водорода отличаются большой прочностью и малой поляризуемостью, незначительными размерами, малой массой и большой подвижностью. Поэтому у водорода низкие температуры кипения и плавления: С, С.

Для водорода характерен особый вид аллотропии (орто- и пара формы), связанный с различной ориентацией ядерных спинов в молекуле Н₂. В молекуле ортоводорода ( С, С) ядерные спины направлены одинаково, в молекула параводорода ( С, С) – противоположны друг другу. При комнатной температуре водород представляет равновесную смесь орто-(75%) и пара-формы (25%). Разделяют две формы путем адсорбции на активной угле при температуре жидкого азота. Активный уголь катализирует превращение ортоводорода в параводород. При низких температурах преобладает параводород, а при высоких – ортоводород.

Прим. Водород – неметалл. Квантово-механическим расчетом показано, что при очень высоких давлениях ( 250 ГПа) водород может перейти в металлическое состояние. Считается, что на дальних планетах Солнечной системы – Юпитере и Сатурне – водород находится в металлическом состоянии. Существует предположение, что в состав земного ядра также входит металлический водород, где он находится при сверхвысоком давлении, созданном земной мантией.