Какой материал содержит много водорода. Водород - это что за вещество? Химические и физические свойства водорода. Геологическое происхождение: реакция серпентинизации

ВОДОРОД, Н (лат. hydrogenium; а. hydrogen; н. Wasserstoff; ф. hydrogene; и. hidrogeno), — химический элемент периодической системы элементов Менделеева, который относят одновременно к I и VII группам, атомный номер 1, атомная масса 1,0079. Природный водород имеет стабильные изотопы — протий (1 Н), дейтерий (2 Н, или D) и радиоактивный — тритий (3 Н, или Т). Для природных соединений среднее отношение D/Н = (158±2).10 -6 Равновесное содержание 3 Н на Земле ~5.10 27 атомов.

Физические свойства водорода

Водород впервые описал в 1766 английский учёный Г. Кавендиш. При обычных условиях водород — газ без цвета, запаха и вкуса. В природе в свободном состоянии находится в форме молекул Н 2 . Энергия диссоциации молекулы Н 2 — 4,776 эВ; потенциал ионизации атома водорода 13,595 эВ. Водород — самое лёгкое вещество из всех известных, при 0°С и 0,1 МПа 0,0899 кг/м 3 ; t кипения- 252,6°С, t плавления — 259,1°С; критические параметры: t — 240°С, давление 1,28 МПа, плотность 31,2 кг/ м 3 . Наиболее теплопроводный из всех газов — 0,174 Вт/(м.К) при 0°С и 1 МПа, удельная теплоёмкость 14,208.10 3 Дж(кг.К).

Химические свойства водорода

Жидкий водород очень лёгок (плотность при -253°С 70,8 кг/м 3) и текуч ( при -253°С равна 13,8 сП). В большинстве соединений водород проявляет степень окисления +1 (подобен щелочным металлам), реже -1 (подобен гидридам металлов). В обычных условиях молекулярный водород малоактивен; растворимость в воде при 20°С и 1 МПа 0,0182 мл/г; хорошо растворим в металлах — Ni, Pt, Pd и др. С кислородом образует воду с выделением тепла 143,3 МДж/кг (при 25°С и 0,1 МПа); при 550°С и выше реакция сопровождается взрывом. При взаимодействии с фтором и хлором реакции идут также со взрывом. Основные соединения водорода: Н 2 О, аммиак NH 3 , сероводород Н 2 S, CH 4 , гидриды металлов и галогенов CaH 2 , HBr, Hl, а также органические соединения С 2 Н 4 , HCHO, CH 3 OH и др.

Водород в природе

Водород — широко распространённый в природе элемент, содержание его в 1 % (по массе). Главный резервуар водорода на Земле — вода (11,19%, по массе). Водород — один из основных компонентов всех природных органических соединений. В свободном состоянии присутствует в вулканических и других природных газах, в (0,0001%, по числу атомов). Составляет основную часть массы Солнца, звёзд, межзвёздного газа, газовых туманностей. В атмосферах планет присутствует в форме Н 2 , CH 4 , NH 3 , Н 2 О, CH, NHOH и др. Входит в состав корпускулярного излучения Солнца (потоки протонов) и космических лучей (потоки электронов).

Получение и применение водорода

Сырьё для промышленного получения водорода — газы нефтепереработки, продукты газификации и др. Основные способы получения водорода: реакция углеводородов с водяным паром, неполное окисление углеводородов , конверсия окиси , электролиз воды. Водород применяют для производства аммиака, спиртов, синтетического бензина, соляной кислоты, гидроочистки нефтепродуктов, резки металлов водородно-кислородным пламенем.

Водород — перспективное газообразное горючее. Дейтерий и тритий нашли применение в атомной энергетике.

ВОДОРОД
Н (лат. hydrogenium) ,
самый легкий газообразный химический элемент - член IA подгруппы периодической системы элементов, иногда его относят к VIIA подгруппе. В земной атмосфере водород в несвязанном состоянии существует только доли минуты, его количество составляет 1-2 части на 1 500 000 частей воздуха. Он выделяется обычно с другими газами при извержениях вулканов, из нефтяных скважин и в местах разложения больших количеств органических веществ. Водород соединяется с углеродом и(или) кислородом в органическом веществе типа углеводов, углеводородов, жиров и животных белков. В гидросфере водород входит в состав воды - наиболее распространенного соединения на Земле. В породах, грунтах, почвах и других частях земной коры водород соединяется с кислородом, образуя воду и гидроксид-ион OH-. Водород составляет 16% всех атомов земной коры, но по массе лишь около 1%, так как он в 16 раз легче кислорода. Масса Солнца и звезд на 70% состоит из водородной плазмы: в космосе это самый распространенный элемент. Концентрация водорода в атмосфере Земли возрастает с высотой благодаря его низкой плотности и способности подниматься на большие высоты. Обнаруженные на поверхности Земли метеориты содержат 6-10 атомов водорода на 100 атомов кремния.
Историческая справка. Еще немецкий врач и естествоиспытатель Парацельс в 16 в. установил горючесть водорода. В 1700 Н.Лемери обнаружил, что газ, выделяющийся при действии серной кислоты на железо, взрывается на воздухе. Водород как элемент идентифицировал Г.Кавендиш в 1766 и назвал его "горючим воздухом", а в 1781 он доказал, что вода - это продукт его взаимодействия с кислородом. Латинское hydrogenium, которое происходит от греческого сочетания "рождающий воду", было присвоено этому элементу А.Лавуазье.
Общая характеристика водорода. Водород - это первый элемент в периодической системе элементов; его атом состоит из одного протона и вращающегося вокруг него одного электрона
(см. также ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ).
Один из 5000 атомов водорода отличается наличием в ядре одного нейтрона, увеличивающего массу ядра с 1 до 2. Этот изотоп водорода называют дейтерием 21H или 21D. Другой, более редкий изотоп водорода содержит два нейтрона в ядре и называется тритием 31H или 31T. Тритий радиоактивен и распадается с выделением гелия и электронов. Ядра различных изотопов водорода различаются спинами протонов. Водород может быть получен а) действием активного металла на воду, б) действием кислот на определенные металлы, в) действием оснований на кремний и некоторые амфотерные металлы, г) действием перегретого пара на уголь и метан, а также на железо, д) электролитическим разложением воды и термическим разложением углеводородов. Химическая активность водорода определяется его способностью отдавать электрон другому атому или обобществлять его почти поровну с другим элементами при образовании химической связи либо присоединять электрон другого элемента в химическом соединении, называемом гидридом. Водород, производимый промышленностью, в огромных количествах расходуют на синтез аммиака, азотной кислоты, гидридов металлов. Пищевая промышленность применяет водород для гидрирования (гидрогенизации) жидких растительных масел в твердые жиры (например, маргарин). При гидрировании насыщенные органические масла, содержащие двойные связи между углеродными атомами, превращаются в насыщенные, имеющие одинарные углерод-углеродные связи. Высокочистый (99,9998%) жидкий водород используется в космических ракетах в качестве высокоэффективного горючего.
Физические свойства. Для сжижения и затвердевания водорода требуются очень низкие температуры и высокое давление (см. таблицу свойств). В нормальных условиях водород - бесцветный газ, без запаха и вкуса, очень легкий: 1 л водорода при 0° C и атмосферном давлении имеет массу 0,08987 г (ср. плотность воздуха и гелия 1,2929 и 0,1785 г/л соответственно; поэтому воздушный шар, наполненный гелием и имеющий такую же подъемную силу, как и воздушный шар с водородом, должен иметь на 8% больший объем). В таблице приведены некоторые физические и термодинамические свойства водорода. СВОЙСТВА ОБЫЧНОГО ВОДОРОДА
(при 273,16 К, или 0° С)
Атомный номер 1 Атомная масса 11Н 1,00797 Плотность, г/л

при нормальном давлении 0,08987 при 2,5*10 5 атм 0,66 при 2,7*10 18 атм 1,12*10 7

в воде, объем/100 объемов H2O (при стандартных условиях) 2,148 в бензоле, мл/г (35,2° С, 150,2 атм) 11,77 в аммиаке, мл/г (25° С) при 50 атм 4,47 при 1000 атм 79,25

Неметаллы образуют летучие гидриды общей формулы MHx (х - целое число) с относительно низкой температурой кипения и высоким давлением паров. Эти гидриды существенно отличаются от солевых гидридов, в которых водород имеет более отрицательный заряд. У летучих гидридов (например, углеводородов) преобладает ковалентная связь между неметаллами и водородом. По мере усиления неметаллического характера образуются соединения с частично ионной связью, например H+Cl-, (H2)2+O2-, N3-(H3)3+. Отдельные примеры образования различных гидридов приведены ниже (в скобках указана теплота образования гидрида):

Изомерия и изотопы водорода. Атомы изотопов водорода непохожи. Обычный водород, протий, всегда представляет собой протон, вокруг которого вращается один электрон, находящийся от протона на огромном расстоянии (относительно размеров протона). Обе частицы обладают спином, поэтому атомы водорода могут различаться либо спином электрона, либо спином протона, либо и тем, и другим. Водородные атомы, различающиеся спином протона или электрона, называются изомерами. Комбинация двух атомов с параллельными спинами приводит к образованию молекулы "ортоводорода", а с противоположными спинами протонов - к молекуле "параводорода". Химически обе молекулы идентичны. Ортоводород имеет очень слабый магнитный момент. При комнатной или повышенной температуре оба изомера, ортоводород и параводород, находятся обычно в равновесии в соотношении 3:1. При охлаждении до 20 K (-253° C) содержание параводорода возрастает до 99%, так как он более стабилен. При сжижении методами промышленной очистки ортоформа переходит в параформу с выделением теплоты, что служит причиной потерь водорода от испарения. Скорость конверсии ортоформы в параформу возрастает в присутствии катализатора, например древесного угля, оксида никеля, оксида хрома, нанесенного на глинозем. Протий - необычный элемент, так как в ядре его нет нейтронов. Если в ядре появляется нейтрон, то такой водород называется дейтерий 21D. Элементы с одинаковым количеством протонов и электронов и разным количеством нейтронов называются изотопами. Природный водород содержит небольшую долю HD и D2. Аналогично, природная вода содержит в малой концентрации (менее 0,1%) DOH и D2O. Тяжелая вода D2O, имеющая массу больше, чем у H2O, отличается по физическим и химическим свойствам, например, плотность обычной воды 0,9982 г/мл (20° С), а тяжелой - 1,105 г/мл, температура плавления обычной воды 0,0° С, а тяжелой - 3,82° С, температура кипения - соответственно 100° С и 101,42° С. Реакции с участием D2O протекают с меньшей скоростью (например, электролиз природной воды, содержащей примесь D2O, с добавкой щелочи NaOH). Скорость электролитического разложения оксида протия H2O больше, чем D2O (с учетом постоянного роста доли D2O, подвергающейся электролизу). Благодаря близости свойств протия и дейтерия можно замещать протий на дейтерий. Такие соединения относятся к так называемым меткам. Смешивая соединения дейтерия с обычным водородсодержащим веществом, можно изучать пути, природу и механизм многих реакций. Таким методом пользуются для изучения биологических и биохимических реакций, например процессов пищеварения. Третий изотоп водорода, тритий (31T), присутствует в природе в следовых количествах. В отличие от стабильного дейтерия тритий радиоактивен и имеет период полураспада 12,26 лет. Тритий распадается до гелия (32He) с выделением b-частицы (электрона). Тритий и тритиды металлов используют для получения ядерной энергии; например, в водородной бомбе происходит следующая реакция термоядерного синтеза: 21H + 31H -> 42He + 10n + 17,6 МэВ
Получение водорода. Зачастую дальнейшее применение водорода определяется характером самого производства. В некоторых случаях, например при синтезе аммиака, небольшие количества азота в исходном водороде, конечно, не являются вредной примесью. Примесь оксида углерода(II) также не будет помехой, если водород используют как восстановитель. 1. Самое крупное производство водорода основано на каталитической конверсии углеводородов с водяным паром по схеме CnH2n + 2 + nH2O (r) nCO + (2n + 1)H2 и CnH2n + 2 + 2nH2O (r) nCO2 + (3n + 1)H2. Температура процесса зависит от состава катализатора. Известно, что температуру реакции с пропаном можно снизить до 370° С, используя в качестве катализатора боксит. До 95% производимого при этом CO расходуется при дальнейшей реакции с парами воды: H2O + CO -> CO2 + H2
2. Метод водяного газа дает значительную часть общего производства водорода. Сущность метода заключается в реакции паров воды с коксом с образованием смеси CO и H2. Реакция эндотермична (DH° = 121,8 кДж/моль), и ее проводят при 1000° С. Нагретый кокс обрабатывают паром; выделяющаяся очищенная газовая смесь содержит некоторое количество водорода, большой процент CO и небольшую примесь CO2. Для повышения выхода H2 монооксид CO удаляют дальнейшей паровой обработкой при 370° C, при этом получается больше CO2. Углекислый газ довольно легко удалить, пропуская газовую смесь через скруббер, орошаемый водой противотоком. 3. Электролиз. В электролитическом процессе водород является фактически побочным продуктом производства главных продуктов - хлора и щелочи (NaOH). Электролиз проводят в слабощелочной водной среде при 80° C и напряжении около 2В, используя железный катод и никелевый анод:

4. Железо-паровой метод, по которому пар при 500-1000° C пропускают над железом: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 + 160,67 кДж. Получаемый этим методом водород обычно используют для гидрогенизации жиров и масел. Состав оксида железа зависит от температуры процесса; при nC + (n + 1)H2
6. Следующим по объему производства является метанол-паровой метод: CH3OH + H2O -> 3H2 + CO2. Реакция эндотермична и ее проводят при ВОДОРОД260° C в обычных стальных реакторах при давлении до 20 атм. 7. Каталитическое разложение аммиака: 2NH3 -> Реакция обратима. При небольших потребностях в водороде этот процесс неэкономичен. Существуют также разнообразные способы получения водорода, которые, хотя и не имеют большого промышленного значения, в некоторых случаях могут оказаться экономически наиболее выгодными. Очень чистый водород получается при гидролизе очищенных гидридов щелочных металлов; при этом из малого количества гидрида образуется много водорода: LiH + H2O -> LiOH + H2
(Этот метод удобен при непосредственном применении получаемого водорода.) При взаимодействии кислот с активными металлами также выделяется водород, однако при этом он обычно загрязнен парами кислоты или другим газообразным продуктом, например фосфином PH3, сероводородом H2S, арсином AsH3. Наиболее активные металлы, реагируя с водой, вытесняют водород и образуют щелочной раствор: 2H2O + 2Na -> H2 + 2NaOH Распространен лабораторный метод получения H2 в аппарате Киппа по реакции цинка с соляной или серной кислотой:
Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2. Гидриды щелочноземельных металлов (например, CaH2), комплексные солевые гидриды (например, LiAlH4 или NaBH4) и некоторые бороводороды (например, B2H6) при реакции с водой или в процессе термической диссоциации выделяют водород. Бурый уголь и пар при высокой температуре также взаимодействуют с выделением водорода.
Очистка водорода. Степень требуемой чистоты водорода определяется его областью применения. Примесь углекислого газа удаляют вымораживанием или сжижением (например, пропуская газообразную смесь через жидкий азот). Эту же примесь можно полностью удалить барботированием через воду. CO может быть удален каталитическим превращением в CH4 или CO2 или сжижением при обработке жидким азотом. Примесь кислорода, образующаяся в процессе электролиза, удаляется в виде воды после искрового разряда.
Применение водорода. Водород применяется главным образом в химической промышленности для производства хлороводорода, аммиака, метанола и других органических соединений. Он используется при гидрогенизации масел, а также угля и нефти (для превращения низкосортных видов топлив в высококачественные). В металлургии с помощью водорода восстанавливают некоторые цветные металлы из их оксидов. Водород используют для охлаждения мощных электрогенераторов. Изотопы водорода находят применение в атомной энергетике. Водородно-кислородное пламя применяется для резки и сварки металлов.
ЛИТЕРАТУРА
Некрасов Б.В. Основы общей химии. М., 1973 Жидкий водород. М., 1980 Водород в металлах. М., 1981

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Смотреть что такое "ВОДОРОД" в других словарях:

Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Водород 4, 4H Нейтронов 3 Протонов 1 Свойства нуклида Атомная масса 4,027810(110) … Википедия

Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Водород 5, 5H Нейтронов 4 Протонов 1 Свойства нуклида Атомная масса 5,035310(110) … Википедия

Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Водород 6, 6H Нейтронов 5 Протонов 1 Свойства нуклида Атомная масса 6,044940(280) … Википедия

Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Водород 7, 7H Нейтронов 6 Протонов 1 Свойства нуклида Атомная масса 7,052750(1080) … Википедия

- (Hydrogenium), H, первый, наиболее легкий химический элемент периодической системы, атомная масса 1,00794; газ, tкип 252,76шC. Ядро атома водорода называют протоном. Водород входит в состав воды, живых организмов, нефти, каменного угля,… … Современная энциклопедия

Водород - (Hydrogenium), H, первый, наиболее легкий химический элемент периодической системы, атомная масса 1,00794; газ, tкип 252,76°C. Ядро атома водорода называют протоном. Водород входит в состав воды, живых организмов, нефти, каменного угля,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (символ Н), газообразный, неметаллический элемент, впервые выделенный и идентифицированный в 1766 г. Генри КАВЕНДИШЕМ, который назвал его «горючим воздухом». Водород бесцветен и не имеет запаха, его относят вместе со щелочными металлами к первой… … Научно-технический энциклопедический словарь

Н (лат. hydrogenium; a. hydrogen; н. Wasserstoff; ф. hydrogene; и. hidrogeno), хим. элемент периодич. системы элементов Mенделеева, к рый относят одновременно к I и VII группам, ат. н. 1, ат. м. 1,0079. Природный B. имеет стабильные… … Геологическая энциклопедия

H2 газ без цвета, запаха и вкуса. Молярная масса 2,0157 кг/кмоль, температура плавления 13,95 К, температура кипения 71,07 кг/м3, низшая теплота сгорания 114460 кДж/кг, газовая постоянная 4,124 Дж/(кг*К), стехиометрический коэффициент 34,25 кг… … Энциклопедия техники

ВОДОРОД , Н, химический элемент, порядковый номер 1; атомный вес 1,008 (1,00775). Раньше атомный вес водорода принимался за единицу; в этом случае атомный вес кислорода приходилось считать равным 15,879 и атомные веса многих др. элементов выражать смешанными числами, что оказалось неудобным для стехиометрических вычислений; поэтому в настоящее время для атомного веса кислорода принято целое число 16; в связи с этим атомный вес водорода оказался равным 1,008. В последнее время дробную часть атомного веса водорода стараются объяснить релятивистским эффектом. Независимо от этого последние завоевания в области теоретической химии и физики подтвердили высказанную еще в самом начале 19 в. Проутом гипотезу, что водород является тем простейшим элементом, из которого построены все остальные химические элементы. Действительно, атомы водорода выделяются наравне с атомами гелия при радиоактивной и искусственной дезинтеграции многих химических элементов, с выделением в некоторых случаях весьма значительных (относительно) количеств энергии. Эта роль водорода в образовании остальных химических элементов соответствует его распространенности во вселенной: спектры всех светил, в том числе солнца, содержат линии водорода, и многие из светил состоят, по-видимому, исключительно из скоплений раскаленного газообразного водорода.

Физические свойства . Водород бесцветный газ без вкуса и запаха; он является наиболее легким из всех известных по настоящее время веществ: водород в 1472 раза легче воздуха и в 16 раз легче кислорода. Один литр водорода на широте 45° весит при нормальных условиях 0,089871 ± 0,000005 г; температура кипения -252,7°С; температура плавления -259,1°С; температура критическая -239,9°С; критическое давление 12,8 Atm; критическая плотность 0,531 г·см -3 ; удельный вес водорода при температуре кипения 0,07081 (по отношению к воздуху); коэффициент расширения водорода 0,0036613 при 760 мм давления между 0 и 100°С; теплопроводность 0,0322 при -252°С (Eucken), 0,4994 при 100°С, 0,445 при 40°С (Kundt und Warburg); удельная теплота при 15°С равна 14,5 джоулей на грамм-атом, при температуре от 0 до 2500°С равна 2,89 (c v); молекулярная теплота 5,82 (при температуре 0-2500°С); скрытая теплота испарения при температуре кипения равна 0,450 килоджоулей на грамм-атом; скорость звука в водороде - около 1270 м/сек при 0°С (Dulong). При обыкновенной температуре водород является газом совершенным. Коэффициент диффузии водорода по отношению к кислороду = 0,677 см 3 ·сек -1 при 0°С и 760 мм; 1 г водорода при 0°С и 760 мм занимает объем в 11,1176 л. Вес атома водорода (по Спирингу), во всяком случае, не превышает 2,5 десятибиллионных частей г; вязкость водорода при 20°С равна 88,7 х 10 -6 пуаз; поверхностное натяжение при температуре кипения равно 1,91; показатель преломления для линии Hg 5790 Ӑ при температуре кипения равен 1,197. Водород оказывает прохождению электрической искры меньшее сопротивление, чем кислород, азот воздуха и окись углерода. В воде водород растворим очень мало: при температуре 0-24°С 100 объемов воды растворяют 1,93 объемов водорода. Древесный уголь сгущает водород на своей поверхности, причем 1 см 3 угля адсорбирует (при 0°С) 1,5 см 3 водорода. Водород может проникать через пористые тела при обыкновенной температуре; через платину, палладий и железо - при температуре красного каления; при температуре около 1300°С водород диффундирует даже через стенки трубок из плавленого кварца; водород диффундирует через пористую стенку глиняного сосуда со скоростью в 4 раза большею, чем кислород. Различные металлы, находясь в атмосфере водорода, поглощают водород и отдают его обратно лишь при повышении температуры; на холоде это поглощение незначительно, при красном калении - весьма значительно; этой окклюзией , или растворимостью, водорода в металлах объясняется тот факт, что водород может проникать через металлы; легче всего водород проникает через палладий; прокаленные листочки палладия поглощают 376 объемов водорода при обыкновенной температуре, 643 - при 97°С; при этом интересно, что в вакууме металлы не отдают обратно водорода, но выделяют его лишь при температуре, близкой к красному калению. Поглощение водорода металлами зависит также и от состояния металла: металлический порошок в большинстве случаев поглощает больше водорода, чем сплавленный, вальцованный или кованный металл. Процесс поглощения водорода металлами сопровождается выделением значительного количества тепла. Жидкий водород представляет собой прозрачную бесцветную жидкость с незначительным поверхностным натяжением. Критическая температура водорода 239,9°С, критическое давление 12,8 Atm. Жидкий водород не проводит электричества, его теплота испарения около точки кипения равна 200 cal; удельная теплота 6,4; атомный объем при точке кипения 14,3 см 3 , а плотность 0,07. При действии на газообразный водород вольтовой дуги между вольфрамовыми электродами или при пропускании водорода через зону электрического разряда молекулярный водород диссоциирует на атомы особенно активного атомного водорода, соединяющиеся обратно в молекулы Н 2 с выделением значительного количества тепла (около 100000 cal).

Химические свойства . При обыкновенной температуре водород - мало активный элемент, соединяющийся только с фтором (с которым реагирует даже при температуре -210°С) и с литием. При нагревании водорода с щелочными , щелочно-земельными (кроме магния и бериллия) металлами и с теми металлами редких земель , которые отличаются более основным характером, образуются гидриды этих металлов, например: КН, СаН 2 , LaH 3 . В гидридах щелочей (например, в LiH) водород функционирует как анион, а не как катион. С хлором водород в темноте при комнатной температуре соединяется лишь крайне медленно, но если смесь одного объема водорода с одним объемом хлора осветить химически активными лучами, то оба газа соединяются со взрывом. С другими галоидами и с элементами кислородной группы водород реагирует лишь при более высоких температурах. Смешанный с кислородом в отношении 2: 1, водород образует гремучую смесь, сгорающую при поджигании или пропускании электрической искры с сильным взрывом. При сгорании 2,02 г водород с 16 г кислорода выделяется 68360 cal. Скорость распространения взрыва гремучего газа равна 2500 м/сек. Мелко раздробленная платина может воспламенить смеси водорода с кислородом или воздухом. С азотом водород соединяется лишь крайне медленно: даже при красном калении скорость реакции чрезвычайно мала; но и при дальнейшем повышении температуры условия равновесия обратимой реакции соединения водорода с азотом таковы, что значительной концентрации NH 3 в смеси реагирующих газов не образуется. На растворы серебряных солей и на хлористую платину водород действует восстанавливающим образом, уже при давлении в одну Atm; при повышенном давлении водорода восстанавливаются также и другие металлы из их солей (например, Hg из соли закисной ртути). При высокой температуре водород восстанавливает весьма многие неорганические соединения: окислы, сернистые соединения и др. При высоких давлениях и температурах водород восстанавливает, как показал В. Н. Ипатьев и его школа, целый ряд солей при действии в водных растворах. В присутствии некоторых металлических катализаторов, в особенности Ni, Со, а также некоторых металлических окислов, водород обладает способностью гидрировать при нагревании непредельные, ароматические соединения, а также восстанавливать и другие органические соединения (Сабатье и Сандерен, Ипатьев). В присутствии коллоидальных Pt и Pd целый ряд аналогичных процессов протекает также и на холоде (Paal Skita, Willstatter, Фокин, Зелинский). Под действием α-лучей эманации или электрического разряда при пониженном давления водород переходит с одновременным уменьшением своего объема в активный водород . Активный водород способен непосредственно соединяться с серой и фосфором и восстанавливать As 2 О 3 И КМnO 4 .

Получение водорода в технике . Наиболее простые методы добывания водорода являются в то же время при осуществлении в технике наименее рентабельными; поэтому их применяют лишь в условиях военного времени; к таким методам относится получение водорода при действии кислот на металлы, при действии едких щелочей на алюминий, цинк или ферросилиций (силикол) и др. Военная техника выработала целый ряд методов и препаратов (гидрогенит, гидролит, амальгама алюминия, гидрон, или сплав натрия со свинцом), которые удобны для транспорта и дают возможность легко и быстро в полевой обстановке добывать водород для целей воздухоплавания при помощи передвижных установок. Но техническое добывание водорода для промышленных целей во много раз превышает потребность в водороде для военных нужд и основано на совершенно иных процессах. Значительная часть добываемого мировой промышленностью водорода потребляется для габеровского синтеза аммиака. Однако в этом процессе исходный водород поступает в производство по методу BASF не в чистом виде, а уже смешанный с необходимым количеством азота. Смесь генераторного газа, водяного газа и водяных паров, будучи пропущена через контактную массу (окислы металлов группы железа), вступает в химическое взаимодействие, причем содержащаяся в водяном и в генераторном газе окись углерода СО реагирует с парами воды по уравнению:

Углекислый газ поглощается водой при высоком давлении; от остатка СО смесь очищается путем пропускания ее через аммиачный раствор закиси меди. В результате при правильной пропорции смешения водяного газа с генераторным газом, содержащим кроме других газов неизменившийся азот воздуха, получается непосредственно смесь азота с водородом в пропорции N 2: 3H 2 , требуемой для синтеза аммиака.

В тех случаях, когда д. б. получен один водород, без примеси азота, приходится для выделения водорода из паров воды пользоваться не генераторным газом, содержащим азот, а водяным газом. При этом взаимодействие между парами воды и восстановительным газом протекает по уравнению (I). Процесс этот обратим, и положение его равновесия зависит в значительной степени от температуры, а скорость реакции - кроме того и от применения подходящих катализаторов. При взаимодействии паров воды с раскаленным коксом при температуре в 800°С образуется главным образом водород и углекислый газ по уравнению:

между тем как при температуре выше 1000°С образуется водяной газ, т. е. смесь водорода с окисью углерода по уравнению (I). По этому методу, разработанному BASF, вырабатывается свыше 400 млн. м 3 (35000 тонн) водорода в год. Для выделения водорода из смеси газов лучше всего предварительно освобождать ее от СО 2 [отмыванием водой при высоком давлении, поглощением СО 2 щелочами или углекислыми солями, пропитыванием угля сернокислыми, кремнекислыми и хлористыми солями (Ан. П. 7718, 7719, 7720, Дифенбаха и Мольденгауера)]. Отделять водород от СО гораздо труднее. Однако по мере понижения температуры скорость реакции значительно уменьшается; поэтому приходится вести реакцию по уравнению (I) и изыскивать удобные методы отделения водорода от СО из водяного газа, образующегося при более высокой температуре. Эти методы основаны на связывании СО при высоком давлении (свыше 100 Atm) аммиачным раствором закиси меди. При этом обнаружилось, что хлористая закисная соль меди мало пригодна для этой цели в виду ее разрушающего действия на железные части аппаратуры; поэтому по Г. П. 289694 для поглощения СО пользуются закисью меди, растворенной в аммиаке или углекислом аммонии. Для предотвращения наблюдающегося при этом осаждения на железных частях аппаратуры металлической меди к водяному газу прибавляют незначительные количества кислорода или воздуха, окисляющего обратно металлическую медь до закиси меди. Предложено также прибавлять и более значительное количество кислорода к газовой смеси, чтобы часть Сu 2 O окислялась до СuО; окись меди, в свою очередь, окисляет СО, восстанавливаясь вновь до Сu 2 O. Кроме того окись углерода по указанию некоторых патентов м. б. переводима в муравьинокислый натрий при обработке ее под давлением в 50 Atm раствором весьма концентрированного едкого натра.

Наряду с этим методом значительное распространение имеет метод разложения паров воды при контакте с железом (в частности, наиболее распространен метод Мессершмита, эксплуатируемый фирмой Карл Франк в Бремене, и, в особенности, метод BAMAG). В 1918 г. при помощи установок BAMAG производилось до 125 млн. м 3 водорода в год. Этот метод также дает возможность получить довольно чистый водород в отдельности, уже независимо от азота. По методу Франка и Каро (Г. П. 174324) предварительно высушенный водяной газ, содержащий приблизительно 50% Н 2 , 40% СО, 5% СО 2 , 4,5% N 2 и 0,5% О 2 , пропускается при высокой температуре над карбидом кальция; уже после первого пропускания получается газ с содержанием от 99 до 99,6% Н 2 ; N 2 присоединяется к карбиду с образованием цианамида, а СО, СО 2 и О 2 связываются с образованием СаО и СаСО 3 ; одновременно в числе продуктов реакции образуется и графит. Однако гораздо большее техническое значение приобрела идея А. Франка, реализованная Обществом Линде, состоящая в применении для выделения водорода из водяного газа метода сгущения при помощи холодильных машин. Этот метод - Линде-Франка-Каро - разработан при содействии фирмы BAMAG (Г. П. 254043 и 261735 и Швейцарск. П. 56594). В виду того, что температура кипения Н 2 равна 20,4°К, а температура кипения СО равна 82°К, - оба эти газа м. б. отделены друг от друга путем фракционированной конденсации. При температуре кипения жидкого воздуха и атмосферном давлении смесь из 50% Н 2 и 50% СО не м. б. разделена указанным способом. Но при -197°С часть СО конденсируется в жидкость; при -205°С парциальное давление паров жидкой СО не превышает 1/7 Atm, и отгоняющийся газ содержит лишь 14% СО. При дальнейшем понижении температуры или при повышении давления можно добиться еще более благоприятных результатов. Так, при давлении в 50 Atm и температуре -197°С парциальное давление СО равно 0,5 Atm, а парциальное давление Н 2 равно 49,5 Atm, т. е. содержание СО в смеси равняется 0,5: 50 = 1%. При -203°С и50 Atm водород содержит примеси лишь 0,3% СО. Осуществление столь значительного охлаждения водяного газа возможно лишь с применением жидкого воздуха (или жидкого азота, при пониженном давлении; последнее более рентабельно), ибо водяной газ, вследствие значительного содержания в нем Н 2 , обнаруживает лишь весьма незначительное охлаждение при понижении давления (незначительный эффект Джоуля-Томсона).

Схема процесса сжижения СО представлена на фиг. 1. Водяной газ д. б. очищен от СО 2 . В целях экономии в расходовании NaOH Бедфорд предложил «отмывать» водяной газ водой при высоком давлении, после чего он содержит лишь 0,3 - 0,5% СО 2 .

Для очистки газа и от этих следов СО 2 его обрабатывают под давлением натронной известью. Сжатый водяной газ поступает в а и охлаждается встречными холодными газами; при этом СО сгущается в жидкость и собирается в б . Вентиль в понижает давление паров СО, после чего они выходят по г через д при комнатной температуре. В свою очередь водород выходит через е . Жидкий воздух, необходимый для охлаждения, находится (схематически) в з . Выделенный по описанному методу водород не содержит легко сгущающихся примесей (СО 2 , О 2 , СН 4 = 0%), но содержит еще от 2 до 1,7% СО и от 1,0 до 0,8% N 2 ; т. о. содержание чистого водорода в нем равно 97,0-97,5%. Такой водород с удельным весом 0,094 вполне пригоден для металлотехники, металлургии и воздухоплавания. Конденсированная при указанном процессе окись углерода содержит 80-85 % СО и идет в качестве горючего газа на покрытие затрат на топливо в предприятии. Образующейся окиси углерода СО хватает с избытком для этой цели уже при установках с производительностью 100 м 3 /ч водорода. При больших установках получается даже избыток СО, который может быть использован в качестве топлива для процесса фракционировки применения жидкого воздуха на О 2 и Na. Первый идет для автогенной сварки, второй - для синтеза аммиака. В последнее время для использования окиси углерода открываются новые перспективы в связи с блестящими открытиями Вергиуса и Фр. Фишера, обещающими осуществить синтетическое получение жидких углеводородов и многочисленных продуктов органического синтеза непосредственно из каменного угля или из первого продукта его сгорания СО. Усовершенствование относящихся к этой области химических технологических методов должно внести еще небывалый переворот во всю область прикладной химии и вместе с тем должно отразиться на всех отраслях мировой промышленности.

На фиг. 2 представлена схема всей установки по методу Линде-Франка-Каро. Из генератора А газ поступает для очистки в скруббер Б и сухую очистительную камеру В, после чего собирается в газгольдере Г.

Отсюда газ, еще содержащий до 3% СО 2 , поступает в компрессоры, которые переводят его после двухстепенного сжатия для «отмывки» СО 2 в водяные башни, из которых газ поступает в охлаждаемые сосуды К и К, где остаток СО 2 поглощается имеющимся в этих сосудах NaOH. К и К работают попеременно, по одной неделе, благодаря чему процесс может проходить непрерывно. В К и К водород отделяется от конденсированной в жидкость СО и выходит под давлением в 50 atm. Компрессор Л дополнительно увеличивает давление водорода, поступающего в стальные цилиндры М.

Наиболее важным в настоящее время методом добывания водорода в техническом масштабе является метод, основанный на окислении металлического железа при температуре красного каления парами воды с образованием свободного водорода:

За этим процессом следует обратный процесс восстановления окислов железа, достигаемого обыкновенно при действии на них водяного газа; затем железо опять вступает в реакцию с парами воды и т. д. Этот процесс был впервые обнаружен еще Лавуазье (1783 г.) и в 1794 г. был применен после его разработки Прейнером и Сент-Клер-Девилем во французской армии для наполнения водородом воздушных шаров. Для успешного течения процесса загружаемое в восстановительную печь железо должно обладать особыми свойствами: оно должно быть пористо, не должно рассыпаться или сплавляться. Такое железо получалось при восстановлении в надлежащих условиях некоторых руд (железный блеск) или при восстановлении окислов железа, остающихся при обжиге свободных от мышьяка и цинка образцов железного колчедана (Internationale Wasserstoff-A.-G., Г. П. 220889). Дифенбах и Мольденгауер применили для этой цели с большим успехом обожженный железный шпат. Весьма вредно отражается на процессе восстановления паров воды железом присутствие в газе, применяемом для обратного восстановления окислов железа, сернистых соединений и окиси углерода; в последнем случае восстановленное железо покрывается налетом угля, препятствующим в дальнейшем образованию водорода. Лане и Зауберман (Г. П. 234175) применили в качестве контактной массы железную руду (в крупных кусках), восстановленную при 800°С газами, не содержавшими углеводородов и заключавшими незначительный % СО по сравнению с содержанием в них Н 2 ; они получили т. о. весьма пористое губчатое железо. Фирма Internationale Wasserstoff- A.-G. пользовалась контактной массой, восстановленной из руды при 800°С при действии технического блаугаза; Мессершмит предложил загружать аппарат массой, в состав которой наряду с пористым железом входит также и компактное железо (Г. П. 258053). Во избежание закупорки труб рыхлой контактной массой и во избежание ее спекания и сплавления тот же Мессершмит предложил применять железо в виде узких трубок, которые как с наружной, так и с внутренней стороны находились бы в контакте с восстановительными газами. Дифенбах и Мольденгауер (Г. П. 270704) примешивают к контактной массе Mn, Сг, W, Ti и другие металлы, которые парами воды окисляются наравне с железом, но не восстанавливаются обратно подобно последнему восстановительными газами. Поэтому они образуют как бы остов из своих окислов для пористого железа, не плавясь сами и препятствуя спеканию железной контактной массы. Негер и Нодинг применяют в качестве контактной массы чугунные шесты, которые легче восстанавливаются и неделями не изменяют своей формы при 1000°С (температура плавления чугуна около 1200°С), но в этом случае топка д. б. нефтяной, ибо при сжигании генераторного и водяного газа достигается температура выше 1200°С. Гергарц предлагает вдувать водяные пары в расплавленные металлы, при чем вода окисляет часть металлов (аналогично процессу Бессемера и Томаса), а водород выделяется в газообразном состоянии. Целый ряд других патентов: Белу (Г. П. 43989), Ф. Крупна (Г. П. 73978 и 67827), Штрахе (Г. П. 77350), Г. Шимминга (Г. П. 95071), Ю. Пинча (Г. П. 283160), Эльворти и Вилльямсона (Г. П. 164350), Каро (Г. П. 249269), содержат те или иные улучшения, гл. обр. в смысле более экономного использования энергии, а также более удачного подбора и обработки контактной массы или наиболее рациональной последовательности отдельных стадий процесса. В этом отношении наиболее удачным методом следует считать метод, запатентованный фирмой BAMAG (Г. П. 294039), который состоит в том, что после первоначального окисления контактной массы обратный процесс восстановления ее генераторным газом не следует непосредственно за первым процессом, но в течение некоторого времени между обоими процессами через контактную массу продувают воздух, вызывающий полное окисление последней в отличие от частичного окисления контактной массы при действии на нее водяных паров. При этом выделяется столь значительное количество тепла, что его с избытком хватает для поддержания всего процесса. Целый ряд патентов, заявленных Мессершмитом (Г. П. 263391 и др.), весьма удачно разрешают вопрос о регулировании нагревания контактной железной массы. Водород образуется при этом в шахтной печи. Первоначальное разогревание генератора до температуры в 700-900°С осуществляется при помощи водяного газа и продолжается 7-8 ч., но затем при повторении эта фаза процесса не требует более 17-19 мин. После восстановления всей контактной массы удаляют последние следы водяного газа и воздуха путем продувания в течение 5-10 сек. водяного газа и переключают процесс в противоположном направлении по уравнению:

Эта фаза продолжается около 8 мин., затем в течение 3-5 мин. продувают воздух, чтобы сжечь отложившийся уголь (и иногда серу); при этом выделяется значительное количество тепла; затем вновь следует восстановительная фаза и т. д. Весьма сходен с описанным выше методом Мессершмита метод BAMAG (Г. П. 267944 и 300711). Фаза образования водорода здесь длится около 5 мин. Смена окислительных и восстановительных фаз осуществляется автоматически. Этот метод дает возможность получать продукт с содержанием 98,5% водорода.

На фиг. 3 изображен схематически аппарат Григса, сходный по типу с аппаратом К. Франка-Мессершмита. В этом аппарате процесс протекает в следующем порядке. 1) Фаза восстановления: смесь воздуха и восстановительного газа поступает через а и нагревается в камере б , после чего нагревает шамотовые решетки, образующие центральную часть аппарата; затем пропускается избыток восстановительного газа, который восстанавливает окислы железа, содержащиеся в в . 2) Фаза образования водорода: пары, поступившие через г , проходят через часть аппарата, содержащую шамотовые решетки, затем они поступают в в , после чего выходят через д . 3) Фаза пропускания пара: пары воды поступают через д , проходят через в , спускаются по центральной части и выходят через г . 4) Фаза аэрации: воздух входит через а .

При получении водорода действием железа на водяные пары приходится заботиться больше всего об усовершенствовании теплового использования, ибо если не позаботиться о рекуперации, то 90% тепла водяного газа пропадает даром. Печи изготовляются из специальных сплавов, хорошо переносящих изменения температуры. Поступление и выход газов в печи регулируются автоматически (например, патент Демпстона: Американский П. 104115/16, патент Бата, Бельгийский П. 137674/19 и др.). Аппарат типа Мессершмита (с одной печью), по-видимому, имеет преимущество перед аппаратом с несколькими печами (типа Лане). Все большее и большее применение получают восстановительные промышленные газы в качестве замены водяного газа, например, печные газы (аппарат Григса - Английский П. 142882/20), газы коксовальных печей, которые содержат до 50% Н 2 , остающегося обыкновенно без всякого применения, светильный газ. Последнее обстоятельство дает возможность легко приспособить коксовальные печи или газовые заводы для производства водорода (Soc. Охуhydrique Frangaise, Ф. П. 563600). Метод завода «Электрон» в Грисгейме преследует гл. обр. цель максимального устранения окиси углерода путем пропускания смеси газов через катализаторы и через известь, и путем разделения друг от друга обоих основных газов реакции (Гринвуд, Английский П. 137340/18). Метод Дифенбаха и Мольденгауера дает возможность в одном и том же процессе получить водяной газ, окислить его парами воды и поглотить СО 2 (Catalysateurs Griesheim, Prius; Анлийский П. 128273/17 Neville et Taylor). Метод Граера (Бельгийский П. -561409/22) предусматривает рассыпание извести, и поэтому водяной газ пропускается через водную известь в отсутствии водяных паров.

Другие физические методы отделения . Клод (Ф. П. 130092, 130358/18) предложил воспользоваться значительно меньшей растворимостью водорода в органических растворителях (например, в эфире) сравнительно с другими газами коксовальных печей для отделения водорода от остальных газов. Кривые на фиг. 4 выражают отношение растворимости в эфире окиси углерода и водорода. Однако метод сжижения сохраняет, по-видимому, свое преимущество. Клод конденсирует газы коксовальной печи и отделяет от них водород. При этом одновременно удается выделить также и те углеводороды, содержащиеся в газах коксовальных печей, которые имеют промышленное применение.

В последнее время все большее и большее значение приобретают методы, основанные на расщеплении углеводородов и других органических соединений при высокой температуре или под действием катализаторов с выделением свободного водорода. К тому же типу методов производства водорода следует отнести взаимодействие при высоких температурах углеводородов, смешанных с водяным паром, при чем образуется чистый водород и окись углерода или углекислый газ. BASF достигает этой цели пропусканием смеси через весьма короткий слой контактной массы, например, через сеточки из никелевой проволоки. Разложение углеводорода достигается при температуре красного каления еще быстрее и полнее при пользовании в качестве катализатора окисью никеля или металлическим никелем, мелко раздробленным и нанесенным в таком состоянии на огнеупорные материалы. По Ринкеру и Вольтеру (Г. П. 174253, 210435), получение водорода может быть достигнуто также из нефтяного газа. В генератор, наполненный раскаленным коксом, вводятся пары нефти или каменноугольной смолы (или же разбрызгиваются в нем сверху нефтяные остатки или каменноугольная смола). Пары пропускаются через слои кокса, где они расщепляются и при достаточно высокой температуре образуют конечный газ с содержанием до 96% водорода. В виду того, что температура генератора вследствие эндотермичности реакции разложения нефтяного газа сильно понижается, необходимо время от времени прекращать прибавление нефтяного газа и повышать нагретыми газами температуру генератора. Метод Ринкера-Вольтера имел ввиду сначала лишь получение светильного газа с небольшим содержанием углерода из нефти или из ее остатков. Однако фирма BAMAG настолько усовершенствовала этот метод, что явилась возможность получать продукт с удельным весом 0,087-0,090 и с содержанием водорода до 98% (остальное-азот).

В тех случаях, когда применение водорода не допускает присутствия в нем ядовитых примесей, «отравляющих» катализатор, участвующий в процессе производства, для которого используется водород (также при производстве водорода для лампочек накаливания), - удобнее всего пользоваться электролитическим водородом (в особенности, если наличность гидроэлектрических ресурсов и возможность одновременного использования получающегося в качестве побочного продукта кислорода снижает цену электролитического водорода). В таких случаях возможно пользоваться электролитическим водородом преимущественно перед водородом, добытым другими методами, при которых необходимо производить очистку водорода от неизбежных отравляющих примесей. Электролитический водород, разумеется, совершенно чист. Для электролиза пользуются водой, к которой добавлено некоторое количество кислоты, едкой щелочи и углекислых щелочей. Электроды изготовляются либо из железа (при щелочной реакции раствора), либо из свинца (при кислых растворах). Во избежание, смешивания Н 2 с О 2 электроды отделяются друг от друга диафрагмой из пористого (асбестовая ткань) неэлектропроводного материала. По этому принципу сконструирован завод водорода для военных воздухоплавательных целей в Шале-Медон (метод Репара). Для электролиза пользуются напряжением в 2,25-2,5 V при температуре электролита 50-70°С. Построенные по этому принципу аппараты производят водород в 99,8% чистоты. Другой принцип конструкции аппаратов для электролиза предусматривает присутствие перегородки между электродами из электропроводного материала.

Особенное значение для электролитического получения водорода приобрела установка О. Шмита (Г. П. 111131). Этот электролизер состоит из системы электродов, связанных вместе по типу фильтр-пресса. Устройство всего аппарата ясно из фиг. 5а - схематический вид аппарата сбоку, 5б - горизонтальный разрез, 5в - разрез через одну раму (вид спереди) и 5г - разрез через газоотделитель; ее - двойные электроды, д - диафрагмы; каждая пластина электрода наверху и внизу имеет по два отверстия о, о и o", о".

Два канала проходят через эти отверстия: нижний подводит воду в электродные пространства, верхний служит для отвода образующихся газов. Дальнейшее усовершенствование этой установки состоит в совершенной изоляции пластин от их держателей путем введения между пластинами и держателями коротких прослоек фарфора, стекла и других изоляционных материалов. Фабрика Эрликон изготовляет (Г. П. 275515) электролизеры на 20, 40, 75 и 125 А, приспособления для напряжения 65, 110 и 220 V. Электролитом является 10%-ный раствор поташа. Для получения 1 м 3 водорода при 40°С требуется 6 kW. Ввиду замкнутости всего аппарата газы м. б. получены и под давлением. Разновидностями той же системы электролизеров являются аппараты Эйкена, Леруа и Морица, а равно и электролизер Французского анонимного общества (Societe Anonyme Oxyhydrique). Особенно удобной конструкцией отличаются аппараты системы Левина (Г. П. 288776), отличие которых от описанных выше заключается в возможности регулировать гидростатическое и газовое давление каждой ячейки отдельно вследствие того, что на дне газовых собирателей имеются каналы с отогнутыми в сторону отверстиями, при помощи которых в общий собиратель поступают газы из отдельных газоулавливателей. Путем изменения высоты уровня выходного отверстия удается регулировать газовое давление и уровни жидкости отдельно каждой ячейки. Аппараты Левина изготовляются в Нью-Йорке в предприятии International Oxygen С°.

Значительные количества водорода образуются в качестве побочного продукта при получении бутилового алкоголя по методу брожения под влиянием чистых культур Clostridium acetobutilicum. Фабрики Commercial Solvents Corporation в США производят по этому методу около 69000 м 3 водорода в день в качестве побочного продукта наряду с полуторным количеством СО 2 . Столь значительный выход водорода дает возможность утилизировать его на месте для производства синтетического аммиака.

В военное время для добывания водорода применялись методы (независимо от калькуляции стоимости водорода), которые обеспечивали возможность быстрого получения водорода при помощи легко подвижных установок. К числу таких методов можно отнести: силиколевый метод (Жобера или Лелоржа - действие щелочей на ферросилиций), гидрогенитовый метод (действие NaOH на кремний), гидролитовый (действие воды на СаН 2), метод действия кислоты на цинк или железо , действие алюминия на раствор едкого натра, метод Морино-Бопре (действие амальгамы алюминия на едкий натр), гидроновый метод (действие сплава натрия и свинца на воду), метод Ринкера-Вольтера, приспособленный к полевой обстановке, и другие.

Применение водорода . До войны 1914-18гг. потребление и производство водорода было сравнительно весьма ограниченным. Водород применялся для воздухоплавания, для (весьма слабо развитого в то время) производства синтетического аммиака, для автогенной сварки металлов, где водород постепенно вытеснялся ацетиленом. Лишь война, выдвинув громадную потребность в водороде, сильно способствовала усовершенствованию методов его получения и развитию водородной промышленности. Синтетический аммиак потребовался в громадных количествах как для целей удобрения, в виду затрудненности транспорта чилийской селитры , так и в качестве исходного продукта для окисления его по методу Оствальда в азотную кислоту, необходимую для изготовления взрывчатых веществ. Потребность в водороде для воздухоплавания во время войны также достигла значительных размеров. По окончании войны производство синтетического аммиака для целей удобрения не только не уменьшилось, но еще значительно увеличилось (одни только заводы BASF потребляют для получения синтетического аммиака 2 млн. м 3 водорода в день). Равным образом значительно увеличилось потребление водорода для гидрогенизации жиров, дающей возможность из малоценных растительных жиров и несъедобного рыбьего жира получать твердые жиры, пригодные для пищи, а также для мыловаренного производства. Производство гидрогенизированных жиров весьма сильно развито во Франции (Марсель), в США и в Японии. Еще в 1922 году Япония вырабатывала 62 т гидрогенизированного жира в день. До войны в России действовало несколько заводов по гидрогенизации жиров (Волжского Акц. об-ва «Салолин» в Петербурге и в Н. Новгороде). В СССР производство гидрогенизированных жиров имеется, например, на саламасном заводе в Ростове-на-Дону, в Москве на бывшем Невском стеариновом заводе и в других местах. Этот вид промышленности развивается весьма быстро, потребляя все большие и большие количества водорода. Водород широко применяется в технике и в исследовательских лабораториях также и для гидрогенизации других ненасыщенных органических соединений (кроме жиров), как, например, ароматических углеводородов (например, при получении декалина, тетралина из нафталина, для гидрирования ацетилена и углеводородов, получаемых при сухой перегонке каменного и бурого угля, и для гидрогенизации нефтяных остатков, перерабатываемых в присутствии катализаторов с присоединением водорода в гидрированные продукты). Кроме того, водород применяется в целом ряде химических производств, например, при получении аминов из нитросоединений, алкоголей из альдегидов (например, винного спирта из ацетальдегида), при получении метана из окиси углерода, для получения муравьиной кислоты при действии водородом на углекислоту или на бикарбонаты под влиянием темных электрических разрядов. Целый ряд фармацевтических препаратов получается от действия водорода на алкалоиды, лецитин и другие органические соединения. В последние годы потребность в водороде встретилась со стороны еще новой отрасли, которой суждено сыграть величайшую роль в химической промышленности. Эта область применения водорода связана с открытием Бергиусом и Фишером методов т. н. сжижения угля, т. е. методов присоединения к углю водорода при высоком давлении и при участии катализаторов с образованием жидких горючих углеводородов, а равно и методов присоединения водорода при высоком давлении к непредельным органическим соединениям. Отметить следует также и работы швейцарского проф. Фиртца, разработавшего метод присоединения водорода к целлюлозе. Неудивительно поэтому, что во всех странах в последнее время усиленно разрабатываются методы производства водорода и что число патентов, относящихся к этим методам, растет с неимоверной быстротой во всех странах.

Получение водорода см. .

В периодической системе имеет свое определенное место положения, которое отражает проявляемые им свойства и говорит о его электронном строении. Однако есть среди всех один особый атом, который занимает сразу две ячейки. Он располагается в двух совершенно противоположных по проявляемым свойствам группах элементов. Это водород. Такие особенности делают его уникальным.

Водород - это не просто элемент, но и простое вещество, а также составная часть многих сложных соединений, биогенный и органогенный элемент. Поэтому рассмотрим его характеристики и свойства подробнее.

Водород как химический элемент

Водород - это элемент первой группы главной подгруппы, а также седьмой группы главной подгруппы в первом малом периоде. Данный период состоит всего из двух атомов: гелия и рассматриваемого нами элемента. Опишем основные особенности положения водорода в периодической системе.

1. Порядковый номер водорода - 1, количество электронов такое же, соответственно, протонов столько же. Атомная масса - 1,00795. Существует три изотопа данного элемента с массовыми числами 1, 2, 3. Однако свойства каждого из них очень сильно различаются, так как увеличение массы даже на единицу именно для водорода является сразу двойным.
2. То, что на внешнем он содержит всего один электрон, позволяет успешно проявлять ему как окислительные, так и восстановительные свойства. Кроме того, после отдачи электрона у него остается свободная орбиталь, которая принимает участие в образовании химических связей по донорно-акцепторному механизму.
3. Водород - это сильный восстановитель. Поэтому основным местом его считается первая группа главной подгруппы, где он возглавляет самые активные металлы - щелочные.
4. Однако при взаимодействии с сильными восстановителями, такими как, например, металлы, он может быть и окислителем, принимая электрон. Данные соединения получили название гидридов. По этому признаку он возглавляет подгруппу галогенов, с которыми является схожим.
5. Благодаря совсем маленькой атомной массе, водород считается самым легким элементом. Кроме того, его плотность также очень мала, поэтому он также является эталоном легкости.

Таким образом, очевидно, что атом водорода - это совершенно уникальный, непохожий на все остальные элемент. Следовательно, свойства его тоже особенные, а образуемые простые и сложные вещества очень важны. Рассмотрим их далее.

Простое вещество

Если говорить о данном элементе как о молекуле, то нужно сказать, что она двухатомна. То есть водород (простое вещество) - это газ. Формула его эмпирическая будет записываться как Н 2 , а графическая - через одинарную сигма-связь Н-Н. Механизм образования связи между атомами - ковалентный неполярный.

1. Паровая конверсия метана.
2. Газификация угля - процесс подразумевает нагревание угля до 1000 0 С, в результате чего образуется водород и высокоуглеродный уголь.
3. Электролиз. Данный метод может использоваться только для водных растворов различных солей, так как расплавы не приводят к разряжению воды на катоде.

Лабораторные способы получения водорода:

1. Гидролиз гидридов металлов.
2. Действие разбавленных кислот на активные металлы и средней активности.
3. Взаимодействие щелочных и щелочноземельных металлов с водой.

Чтобы собрать образующийся водород, необходимо держать пробирку перевернутой вверх дном. Ведь данный газ нельзя собрать так, как, например, углекислый газ. Это водород, он намного легче воздуха. Быстро улетучивается, а в больших количествах при смешении с воздухом взрывается. Поэтому и следует переворачивать пробирку. После ее заполнения ее нужно закрыть резиновой пробкой.

Чтобы проверить чистоту собранного водорода, следует поднести к горлышку зажженную спичку. Если хлопок глухой и тихий - значит газ чистый, с минимальными примесями воздуха. Если же громкий и свистящий - грязный, с большой долей посторонних компонентов.

Области использования

При сгорании водорода выделяется настолько большое количество энергии (теплоты), что данный газ считается самым выгодным топливом. К тому же экологически чистым. Однако на сегодняшний день его применение в данной области ограничено. Это связано с непродуманными до конца и не решенными проблемами синтеза чистого водорода, который был бы пригоден для использования в качестве топлива в реакторах, двигателях и портативных устройствах, а также отопительных котлах жилых домов.

Ведь способы получения данного газа достаточно дорогостоящие, поэтому прежде необходимо разработать особый метод синтеза. Такой, который позволит получать продукт в большом объеме и с минимальными затратами.

Можно выделить несколько основных областей, в которых находит применение рассматриваемый нами газ.

1. Химические синтезы. На основании гидрирования получают мыла, маргарины, пластмассы. При участии водорода синтезируется метанол и аммиак, а также другие соединения.
2. В пищевой промышленности - как добавка Е949.
3. Авиационная промышленность (ракетостроение, самолетостроение).
4. Электроэнергетика.
5. Метеорология.
6. Топливо экологически чистого вида.

Очевидно, что водород так же важен, как и распространен в природе. Еще большую роль играют образуемые им различные соединения.

Соединения водорода

Это сложные, содержащие атомы водорода вещества. Можно выделить несколько основных типов подобных веществ.

1. Галогеноводороды. Общая формула - HHal. Особое значение среди них имеет хлорид водорода. Это газ, который растворяется в воде с образованием раствора соляной кислоты. Данная кислота находит широкое применение практически во всех химических синтезах. Причем как органических, так и неорганических. Хлорид водорода - это соединение, имеющее эмпирическую формулу HCL и являющееся одним из крупнейших по объемам производства в нашей стране ежегодно. Также к галогеноводородам относятся йодоводород, фтороводород и бромоводород. Все они образуют соответствующие кислоты.
2. Летучие Практически все они достаточно ядовитые газы. Например, сероводород, метан, силан, фосфин и прочие. При этом очень горючие.
3. Гидриды - соединения с металлами. Относятся к классу солей.
4. Гидроксиды: основания, кислоты и амфотерные соединения. В их состав обязательно входят атомы водорода, один или несколько. Пример: NaOH, K 2 , H 2 SO 4 и прочие.
5. Гидроксид водорода. Это соединение больше известно как вода. Другое название оксид водорода. Эмпирическая формула выглядит так - Н 2 О.
6. Пероксид водорода. Это сильнейший окислитель, формула которого имеет вид Н 2 О 2 .
7. Многочисленные органические соединения: углеводороды, белки, жиры, липиды, витамины, гормоны, эфирные масла и прочие.

Очевидно, что разнообразие соединений рассматриваемого нами элемента очень велико. Это еще раз подтверждает его высокое значение для природы и человека, а также для всех живых существ.

- это лучший растворитель

Как уже упоминалось выше, простонародное название данного вещества - вода. Состоит из двух атомов водорода и одного кислорода, соединенных между собой ковалентными полярными связями. Молекула воды является диполем, это объясняет многие проявляемые ею свойства. В частности то, что она является универсальным растворителем.

Именно в водной среде происходят практически все химические процессы. Внутренние реакции пластического и энергетического обмена в живых организмах также осуществляются с помощью оксида водорода.

Вода по праву считается самым важным веществом на планете. Известно, что без нее не сможет жить ни один живой организм. На Земле она способна существовать в трех агрегатных состояниях:

• жидкость;
• газ (пар);
• твердое (лед).

В зависимости от изотопа водорода, входящего в состав молекулы, различают три вида воды.

1. Легкая или протиевая. Изотоп с массовым числом 1. Формула - Н 2 О. Это привычная форма, которую используют все организмы.
2. Дейтериевая или тяжелая, ее формула - D 2 O. Содержит изотоп 2 Н.
3. Сверхтяжелая или тритиевая. Формула выглядит как Т 3 О, изотоп - 3 Н.

Очень важны запасы пресной протиевой воды на планете. Уже сейчас во многих странах ощущается ее недостаток. Разрабатываются способы обработки соленой воды с целью получения питьевой.

Пероксид водорода - это универсальное средство

Данное соединение, как уже упоминалось выше, прекрасный окислитель. Однако с сильными представителями может вести себя и как восстановитель тоже. Кроме того, обладает выраженным бактерицидным эффектом.

Другое название данного соединения - перекись. Именно в таком виде его используют в медицине. 3% раствор кристаллогидрата рассматриваемого соединения - это медицинское лекарство, которое применяют для обработки небольших ран с целью их обеззараживания. Однако доказано, что при этом заживление ранения по времени увеличивается.

Также пероксид водорода используется в ракетном топливе, в промышленности для дезинфекции и отбеливания, в качестве пенообразователя для получения соответствующих материалов (пенопласта, например). Кроме того, перекись помогает очищать аквариумы, обесцвечивать волосы и отбеливать зубы. Однако при этом наносит вред тканям, поэтому специалистами в этих целях не рекомендуется.