§ 15. Водород

Самый первый, простейший и наиболее распространённый химический элемент во Вселенной (химический знак $\\text{H}$, порядковый номер 1, атомная масса 1,008).

• В космическом пространстве водород составляет более половины массы Солнца, звёзд и планет-гигантов (Юпитера, Сатурна), где существует в форме плазмы и молекулярного газа
• На Земле в свободном виде практически отсутствует из-за ничтожной массы и высокой летучести (в воздухе содержатся лишь следовые микроколичества — около 0,00005% по объёму)
• В связанном виде чрезвычайно широко распространён: образует гидросферу Земли (входит в состав молекул воды $\\text{H}_2\text{O}$ — 11,1% по массе), содержится в виде паров в атмосфере, слагает минералы и входит в молекулы абсолютно всех органических соединений (белков, жиров, углеводов, ДНК, нефти, природного газа)

Совокупность макроскопических физических характеристик простого вещества водорода состава $\\text{H}_2$.

• Газ без цвета, вкуса и запаха, самый лёгкий из всех существующих газов в природе ($M_r(\\text{H}_2) = 2$, он в 14,5 раз легче воздуха: $D_{\text{возд.}}(\\text{H}_2) \approx \frac{2}{29} \approx 0{,}069$)
• Практически не растворяется в воде (в 100 объёмах воды при 20 °C растворяется всего около 2 объёмов $\\text{H}_2$)
• Обладает высочайшей теплопроводностью среди всех газов и чрезвычайно низкой температурой кипения ($-252{,}8\ ^\circ\text{C}$ при нормальном давлении)
• Крайне огнеопасен: легко воспламеняется на воздухе и образует с кислородом разрушительные взрывоопасные смеси

Экспериментальные основы работы с газообразным водородом в лабораторных условиях.

• 1. Лабораторное получение: взаимодействие активных металлов (расположенных в ряду активности левее водорода) с разбавленными кислотами:

$$\\text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \\text{H}_2\uparrow$$

(Опыт проводят в пробирке или в аппарате Киппа; цинк вытесняет водород из соляной или серной кислоты)

• 2. Собирание водорода:
• Метод вытеснения воздуха: газоотводную трубку вводят в перевёрнутую вверх дном сухую пробирку, так как водород значительно легче воздуха и устремляется вверх, вытесняя воздух вниз
• Метод вытеснения воды: в опрокинутый в сосуд с водой цилиндр (ввиду ничтожной растворимости водорода в воде)
• 3. Распознавание и проверка на чистоту:
• Пробирку с собранным газом, не переворачивая (дном кверху), подносят к пламени спиртовки
• Чистый водород сгорает спокойно с мягким глухим хлопком («п-пах»)
• Смесь водорода с воздухом сгорает с резким, пронзительным «лающим» свистящим звуком (признак загрязнённости)
• Смесь 2 объёмов $\\text{H}_2$ и 1 объёма $\text{O}_2$ (или 2 объёма $\\text{H}_2$ на 5 объёмов воздуха) называют «гремучим газом» — при поджигании она взрывается с колоссальной разрушительной силой

Реакционная способность простого вещества $\\text{H}_2$ и направления его практического использования в промышленности и технике.

• 1. Взаимодействие с кислородом (горение): горит бесцветным или бледно-голубым пламенем с выделением огромного количества теплоты ($Q = +484\text{ кДж}$):

$$2\\text{H}_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{t} 2\\text{H}_2\text{O}$$

(Лежит в основе водородно-кислородной сварки и резки металлов, где температура пламени достигает 2800 °C)

• 2. Взаимодействие с неметаллами: при нагревании реагирует с серой, хлором, азотом:

$$\\text{H}_2 + \text{S} \xrightarrow{t} \\text{H}_2\text{S}\uparrow \quad (\text{сероводород с запахом тухлых яиц})$$

$$3\\text{H}_2 + \text{N}_2 \xrightleftharpoons{p, t, \text{кат.}} 2\text{NH}_3 \quad (\text{промышленный синтез аммиака})$$

• 3. Восстановление металлов из оксидов: водород отнимает кислород у оксидов малоактивных и средней активности металлов:

$$\\text{H}_2 + \text{CuO} \xrightarrow{t} \text{Cu} + \\text{H}_2\text{O}$$

$$\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\\text{H}_2 \xrightarrow{t} 2\text{Fe} + 3\\text{H}_2\text{O}$$

(Металлургический метод получения тугоплавких и особо чистых металлов — вольфрама, молибдена, меди, железа)

• 4. Сферы применения: экологически чистое ракетное и автомобильное топливо (единственный продукт сгорания — чистая вода), сырьё для синтеза аммиака, соляной кислоты и метилового спирта, гидрогенизация растительных жиров в маргарин в пищевой промышленности

1. Физические свойства водорода:

Водород ($\\text{H}_2$) при стандартных условиях представляет собой бесцветный газ, лишённый запаха и вкуса. Он является самым лёгким из всех известных химических веществ (в 14,5 раз легче воздуха). Водород крайне плохо растворяется в воде, обладает чрезвычайно высокой летучестью и диффузионной способностью, сжижается только при глубоком криогенном охлаждении (температура кипения жидкого водорода составляет $-252{,}8\ ^\circ\text{C}$).

2. Способы собирания водорода:

• Методом вытеснения воздуха: приёмный сосуд (пробирку или колбу) удерживают строго дном вверх, а газоотводную трубку вводят снизу до самого свода дна. Поскольку водород значительно легче воздуха, он поднимается под свод пробирки и вытесняет более тяжёлый воздух вниз.
• Методом вытеснения воды: пробирку, заполненную водой, опрокидывают вверх дном в ванночку с водой и подводят трубку с выходящим газом под срез горлышка. Водород вытесняет воду из сосуда, не растворяясь в ней.

3. Опасность заполнения воздушных шаров и дирижаблей:

В первой половине XX века лёгкий водород активно применялся в воздухоплавании для создания подъёмной силы в аэростатах и дирижаблях. Однако водород чрезвычайно огнеопасен и взрывоопасен. При малейшей утечке через микропоры оболочки он смешивается с атмосферным кислородом, образуя взрывчатую смесь — «гремучий газ». Достаточно микроскопической искры статического электричества или перегрева, чтобы произошёл мгновенный катастрофический взрыв всего объёма воздушного судна (как это произошло в исторической катастрофе дирижабля «Гинденбург» в 1937 г.). Поэтому сегодня летательные аппараты заполняют более дорогим, но абсолютно инертным и негорючим гелием ($\text{He}$).

Сравнительный анализ свойств и методов работы с газами в лаборатории:

| Критерий сравнения | Кислород ($\text{O}_2$) | Водород ($\\text{H}_2$) |

|---|---|---|

| Исходные вещества в лаборатории | Кислородсодержащие соли или пероксиды: перманганат калия $\text{KMnO}_4$, пероксид водорода $\\text{H}_2\text{O}_2$. | Металлы средней активности и кислоты: гранулы цинка $\\text{Zn}$ и соляная $\text{HCl}$ / серная $\\text{H}_2\text{SO}_4$ кислота. |

| Тип химической реакции получения | Реакция разложения: $2\text{KMnO}_4 \xrightarrow{t} \text{K}_2\text{MnO}_4 + \text{MnO}_2 + \text{O}_2\uparrow$ или $2\\text{H}_2\text{O}_2 \xrightarrow{\text{MnO}_2} 2\\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2\uparrow$. | Реакция замещения: $\\text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \\text{H}_2\uparrow$. |

| Плотность по отношению к воздуху | Тяжелее воздуха ($M_r(\text{O}_2) = 32 > M_r(\text{возд.}) \approx 29$). | Значительно легче воздуха ($M_r(\\text{H}_2) = 2 \ll M_r(\text{возд.}) \approx 29$). |

| Положение сосуда при собирании вытеснением воздуха | Пробирка располагается строго дном вниз (газ заполняет дно и вытесняет воздух вверх). | Пробирка располагается строго дном вверх (газ собирается под сводом дна и вытесняет воздух вниз). |

| Собирание вытеснением воды | Возможно (кислород малорастворим в воде). | Возможно (водород практически нерастворим в воде). |

| Способ распознавания (качественная реакция) | С помощью тлеющей лучинки: при опускании в кислород лучинка ярко вспыхивает пламенем. | С помощью поднесения к пламени спиртовки: чистый газ загорается с глухим хлопком, а смесь с воздухом взрывается с «лающим» свистом. |

Практическое применение водорода обусловлено его уникальными химическими и физическими свойствами:

• Высокая теплота сгорания ($2\\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\\text{H}_2\text{O} + 484\text{ кДж}$):
• Применяется в качестве высокоэффективного ракетного топлива в космических ракетах-носителях (в паре с жидким кислородом).
• Служит экологически чистым моторным топливом для водородных автомобилей и автобусов на топливных элементах (нулевой углеродный след, выхлоп представляет собой чистый водяной пар).
• Используется в водородно-кислородных горелках для высокотемпературной сварки и плазменной резки тугоплавких металлов и кварцевого стекла.
• Восстановительная способность (отнятие кислорода у оксидов при нагревании):
• Широко используется в металлургии для прямого восстановления чистых и тугоплавких металлов из их природных оксидных руд ($\text{CuO} + \\text{H}_2 \xrightarrow{t} \text{Cu} + \\text{H}_2\text{O}$, $\text{WO}_3 + 3\\text{H}_2 \xrightarrow{t} \text{W} + 3\\text{H}_2\text{O}$), что позволяет получать металлы высокой чистоты без примесей углерода.
• Химическая активность при синтезе соединений:
• Крупномасштабное производство аммиака ($\text{N}_2 + 3\\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$) — основы для азотных минеральных удобрений, азотной кислоты и взрывчатых веществ.
• Промышленный синтез соляной кислоты ($\\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$) и метилового спирта.
• Реакции гидрирования в органической химии и пищевой индустрии:
• Присоединение водорода к непредельным растительным маслам (гидрогенизация) для превращения жидких растительных жиров в твёрдые растительные саломасы и маргарины.