Вопрос 1. Водород: положение этого химического элемента в периодической системе, строение его атома и молекулы. Физические и химические свойства водорода, получение и применение.

Элемент водород начинает периодическую систему — он имеет поряд­ковый номер 1. Это самый легкий из химических элементов. Обладая уни­кальными свойствами, частично напоминающими свойства галогенов, час­тично-щелочных металлов, он оказывается расположенным и в первой, и в VII группах периодической системы. Атом водорода имеет очень простое строение — в нем содержится всего один протон и один электрон. Отдавая электрон, атом приобретает степень окисления +1, а принимая его — сте­пень окисления -I. Относительная атомная масса атома водорода равна 1. Однако в природе существуют и более тяжелые атомы водорода — дейте­рий (содержит один нейтрон, поэтому его масса равна 2) и тритий (содер­жит два нейтрона, атомная масса равна 3).

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной. На Земле он уступает по распространенности кислороду, кремнию и некоторым дру­гим элементам. Главное соединение водорода — вода. Также он содержится в природном газе, нефти, в некоторых минералах, в белках, жирах и углево­дах.

При обычных условиях водород — газ, состоящий из двухатомных мо­лекул. Он не имеет ни цвета, ни запаха, мало растворим в воде (1,82 мл в 100 г воды при 20°С). При сильном сжатии и охлаждении переходит в жид­кое состояние. Жидкий водород кипит при -253°С, при этой температуре азот и кислород находятся в кристаллическом состоянии. Твердый водород образуется при охлаждении до -259°С.

Газообразный водород обладает рядом уникальных свойств. Благодаря маленькому радиусу атомы и молекулы водорода могут проникать через резину, стекло и даже через металлы. Некоторые металлы, например, пла­тина и палладий, способны растворять значительные количества газообраз­ного водорода. Водород в 14,5 раз легче воздуха, 100 л водорода при 0°С весят всего 9 г. Это самый легкий из газов и самое легкое вещество.

При комнатной температуре реагирует лишь с фтором, а на свету — с хлором, при нагревании — с кислородом, серой, азотом, углеродом:

Н₂ + Х₂ = 2НХ (X = F, CI) Н₂ + S = H₂S, 2Н₂ + 0₂ = 2Н₂0, ЗН₂ + N₂ « 2NH₃.

С кислородом и воздухом водород образует взрывчатые смеси. Особен­но опасна смесь одного объема кислорода и двух объемов водорода. Ее называют гремучим газом.

При взаимодействии с щелочными и щелочно-земельными металлами образует гидриды. Восстанавливает некоторые металлы из оксидов:

t°

CuO + Н₂ = Си + Н₂0 HgO + Н₂ = Hg + Н₂0

В лаборатории получают действием цинка на разбавленные кислоты — серную или соляную:

Zn + H₂S0₄ = ZnS0₄ + H₂t.

Реакцию обычно проводят в аппарате Киппа. Также образуется при дей­ствии растворов щелочей на цинк, кремний и алюминий, при реакции ще­лочных и щелочно-земельных металлов и их гидридов с водой. В промыш­ленности водород получают электролизом воды, термическим разложением (пиролизом) углеводородов, в смеси с угарным газом взаимодействием угля и природного газа с перегретым водяным паром. Применяется водород в синтезе аммиака, хлороводорода и соляной кислоты, метилового спирта, получении некоторых металлов из оксидов, при гидрировании раститель­ных жиров. В смеси с угарным газом (синтез-газ) используется для получе­ния разнообразны^ органических веществ. Является перспективным топли­вом.