Водород — най-лекият химичен елемент: свойства, изотопи и значение
Открийте водорода — най-лекият елемент: свойства, ключови изотопи и основното му значение за Вселената, енергетиката и модерната наука.
Водородът е химичен елемент. Той има символ H и атомен номер 1. Стандартното му атомно тегло е 1,008, което означава, че той е най-лекият елемент в периодичната таблица.
Водородът е най-разпространеният химичен елемент във Вселената, като съставлява 75% от цялата нормална (барионна) материя (по маса). Повечето звезди се състоят предимно от водород. Най-разпространеният изотоп на водорода има един протон с един електрон, който обикаля около него.
Физични свойства
При стандартни условия водородът съществува като безцветен, без мирис и без вкус диатомен газ H2. Някои основни физични характеристики:
- Молекулна формула: H2; атомна конфигурация (за протонната форма): 1s1.
- Моларна маса: приблизително 1,008 g·mol−1.
- Плътност при 0 °C и 1 atm: около 0,0899 g·L−1 (много по-ниска от въздуха).
- Точка на топене: близо −259,16 °C (≈14,01 K); точка на кипене: −252,87 °C (≈20,28 K).
- Дължина на H–H връзката във молекулата H2: около 74 pm; енергия на връзката ≈ 436 kJ·mol−1.
- Ионизационна енергия (първа): ≈1 312 kJ·mol−1; електронегативност (Паулинг): ≈2,20.
Химични свойства
Водородът е химически реактивен и образува връзки с почти всички елементи. Някои характерни реакции и състояния:
- Обикновено образува ковалентни връзки (напр. H2O, CH4) и проявява валентност +1 в повечето съединения.
- Може да образува и хидриди (M–H), при които в някои случаи проявява формално оксидационно число −1 (металните хидриди са добри редуктори).
- В присъствие на каталитични условия (Pt, Pd и др.) реагира лесно с кислород — гори с незабележимо пламъче и образува вода (H2 + 1/2 O2 → H2O), което е и основата на горивните клетки.
- Атомният водород (H) е силно реактивен и участва в много реакционни механизми, например в звездните ядра (термоядрен синтез) и в лабораторни процеси.
Изотопи
Водородът има няколко известни изотопа:
- Протий (протиум), 1H — най-разпространеният изотоп; ядро от един протон, без неутрони.
- Дейтерий, 2H (D) — стабилен изотоп с един протон и един неутрон; процентното съдържание в природния водород е малко (приблизително 0,015–0,02% по отношение на атомите). Използва се в научни изследвания, тежка вода (D2O) и в някои ядрени приложения.
- Тритий, 3H (T) — радиоактивен изотоп с два неутрона; полуразпадът е около 12,32 години. Произвежда се в ядрени реактори и в околния космически поток; важен е за термоядрените изследвания (D–T синтеза) и като маркер в биомедицината.
Разпространение и производство
- В космоса водородът е най-честият елемент и основна суровина за звездите и галактическите процеси.
- На Земята водородът почти винаги е свързан в съединения — предимно във вода (H2O) и органични молекули. Свободният (молекулярен) водород е относително рядък в атмосферата.
- Индустриално производство: най-често чрез пароводен рефоринг на природен газ (steam methane reforming, SMR), частично окисление на въглеводороди и чрез електролиза на вода. „Зелен“ водород се получава чрез електролиза, захранвана от възобновяема енергия.
Използване и значение
Водородът има широк спектър от приложения и голямо бъдеще като енергиен носител:
- Химическа промишленост: синтез на амоняк (Haber–Bosch процес), производство на метанол, рафиниране на нефт (хидрообезсаждане и др.).
- Енергетика: горивни клетки, където водород + кислород дават електричество и вода като отпадък; потенциална основа на „водородна икономика“. Термоядрен синтез (в бъдеще) използва водородни изотопи за производство на огромни количества енергия.
- Космонавтика: течен водород като ракетно гориво (в комбинация с течен кислород) благодарение на високото отношение енергия/масса.
- Наука и технологии: използва се в лабораторни среди, като редуктор в металургията, в полупроводниковата индустрия и в аналитични методи.
Безопасност, съхранение и предизвикателства
- Водородът е лесно запалим газ с широки граници на възпламенение в въздуха (прибл. 4–75% обемни). Има ниска енергия на запалване и гори почти невидимо пламъче при природни условия.
- Малкият молекулен размер води до лесни пропуски през много уплътнения и материални дефекти; това усложнява безопасното съхранение и пренос.
- Хидридното или водородно изтощаване (hydrogen embrittlement) може да отслаби метали и сплави при контакт с водород, което изисква специални материали и дизайн за тръбопроводи и съдове под налягане.
- Съхранение: компресиран до висок натиск, в течно състояние при криогенни температури, в метални или химически хидриди и в течни органични носители (LOHC) — всеки метод има предимства и ограничения по отношение на енергийната ефективност и безопасността.
Роля във Вселената и в бъдещето
Водородът е ключов за разбирането на космическата еволюция — от формирането на звездите и галактиките до синтеза на по-тежки елементи. На Земята водородът може да играе централна роля в декарбонизацията на енергийните системи, ако бъде произвеждан по устойчиви методи и съхраняван/разпределян ефективно.
Като цяло водородът съчетава простотата на най-лекия елемент с изключително широко приложение — от основна част на вселената до обещание за чиста енергия и напредък в науката и индустрията.
Свойства
Водородът е класифициран като реактивен неметал, за разлика от другите елементи, които се намират в първата колона на периодичната таблица и са класифицирани като алкални метали. Очаква се обаче твърдата форма на водорода да се държи като метал.
Когато е самостоятелен, водородът обикновено се свързва със себе си, като образува диводород (H2 ), който е много стабилен поради високата си енергия на дисоциация на връзката - 435,7 kJ/mol. При стандартна температура и налягане този водороден газ (H2 ) няма цвят, мирис или вкус. Той не е токсичен. Той е неметал и гори много лесно.
Изгаряне
Молекулярният водород е запалим и реагира с кислорода:
2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2 O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)
При температури над 500 градуса по Целзий водородът се запалва спонтанно във въздуха.
Съединения
Макар че в чист вид водородът не е реактивен, той образува съединения с много елементи, особено с халогени, които са много електроотрицателни. Водородът също така образува обширни масиви с въглеродни атоми, образувайки въглеводороди. Изследването на свойствата на въглеводородите е известно като органична химия.
Анионът H- (отрицателно зареден атом) се нарича хидрид, въпреки че този термин не се използва широко. Пример за хидрид е литиевият хидрид (LiH), който се използва като "запалителна свещ" в ядрените оръжия.
Киселини
Киселините, разтворени във вода, обикновено съдържат голямо количество водородни йони, т.е. свободни протони. Нивото им обикновено се използва за определяне на нейното рН, което по същество означава съдържанието на водородни йони в определен обем. Например солната киселина, намираща се в стомаха на хората, може да се дисоциира на хлориден анион и свободен протон, а свойството на свободния протон е как тя може да смила храната, като я разяжда.
Макар и рядък на Земята, катионът H3+ е един от най-разпространените йони във Вселената.
Изотопи
Основна статия: изотопи на водорода
Известни са 7 изотопа на водорода, два от които са стабилни (1 H и2 H), които обикновено се наричат протий и деутерий. Изотопът3 H е известен като тритий и има период на полуразпад от 12,33 години и се произвежда в малки количества от космическите лъчи. Останалите 4 изотопа имат период на полуразпад от порядъка на йоктосекунди.
Водородът в природата
В чистата си форма на Земята водородът обикновено е газ. Водородът е и една от съставните части на молекулата на водата. Водородът е важен, защото е горивото, което захранва Слънцето и други звезди. Водородът съставлява около 74 % от цялата Вселена. Символът на водорода в Периодичната таблица на елементите е H.
Чистият водород обикновено се състои от два свързани помежду си водородни атома. Учените ги наричат двуатомни молекули. При смесване на водорода с повечето други елементи протича химична реакция. Той няма цвят или мирис.
Чистият водород е много рядко срещан в земната атмосфера, тъй като почти целият първичен водород би избягал в космоса поради теглото си. В природата той обикновено се намира във водата. Водородът се съдържа и във всички живи същества, като част от органичните съединения, от които са изградени живите същества. Освен това водородните атоми могат да се комбинират с въглеродни атоми, за да образуват въглеводороди. Петролът и другите изкопаеми горива са съставени от тези въглеводороди и обикновено се използват за създаване на енергия за човешка употреба.
Някои други факти за водорода:
- Той е газ при стайна температура
- Когато е твърдо, то се държи като метал.
- Той е най-лекият елемент във Вселената.
- Той е най-разпространеният елемент във Вселената.
- Той гори или се взривява при температура над 1000°F / 528°C, например при пожар.
- свети в лилаво, когато е в плазмено състояние.
История на водорода
Водородът е отделен за първи път през 1671 г. от Робърт Бойл. През 1776 г. Хенри Кавендиш го определя като самостоятелен елемент и го нарича "възпламеним въздух". През 1781 г. той разбира, че при изгарянето му се получава вода.
Антоан Лавоазие дава името на водорода от гръцката дума за вода "υδορ" (произнася се /HEEW-dor/) и gennen, което означава "генерирам", тъй като той образува вода в химическа реакция с кислорода.
Използване на водорода
Основните приложения са в петролната промишленост и при производството на амоняк по метода на Хабер. Част от тях се използват и в други отрасли на химическата промишленост. Малка част от него се използва като гориво, например в ракети за космически кораби. По-голямата част от водорода, който се използва от хората, се получава от химическа реакция между природен газ и пара.
Ядрен синтез
Ядреният синтез е много мощен източник на енергия. Той се основава на свързването на атоми, за да се получи хелий и енергия, точно както се случва в звезда като Слънцето или във водородна бомба. За да започне, е необходимо голямо количество енергия и все още не е лесно да се направи. Голямо предимство пред ядреното делене, което се използва в днешните атомни електроцентрали, е, че при него се образуват по-малко ядрени отпадъци и не се използва токсично и рядко гориво като урана. Всяка секунда на Слънцето повече от 600 милиона тона водород се подлагат на термоядрен синтез.
Използване на водород
Водородът се използва най-вече в петролната промишленост за превръщане на тежките петролни фракции в по-леки и по-полезни. Той се използва и за производство на амоняк. По-малки количества се изгарят като гориво. По-голямата част от водорода се получава чрез реакция между природен газ и пара.
При електролизата на водата тя се разпада на водород и кислород с помощта на електричество. Горещият водород се съединява с молекулите на кислорода, за да се получи пара (чиста водна пара). Горивната клетка комбинира водород с молекула кислород, като освобождава електрон под формата на електричество. Поради тези причини много хора вярват, че водородната енергия в крайна сметка ще замени другите синтетични горива.
Водородът може да се изгаря и за получаване на топлина за парни турбини или двигатели с вътрешно горене. Подобно на другите синтетични горива, водородът може да се произвежда от природни горива, като въглища или природен газ, или от електроенергия, поради което представлява ценно допълнение към енергийната мрежа; в същата роля като природния газ. Такава мрежа и инфраструктура с превозни средства с горивни клетки вече се планира от редица страни, включително Япония, Корея и много европейски държави. Това позволява на тези страни да купуват по-малко петрол, което е икономическо предимство. Другото предимство е, че използван в горивна клетка или изгарян в двигател с вътрешно горене, както при водородния автомобил, двигателят не замърсява околната среда. Образува се само вода и малко количество азотни оксиди.
Въпроси и отговори
В: Какъв е символът на водорода?
О: Символът на водорода е H.
В: Какъв е атомният номер на водорода?
О: Атомният номер на водорода е 1.
В: Какво е стандартното атомно тегло на водорода?
О: Стандартното атомно тегло на водорода е 1,008, което го прави най-лекият елемент в периодичната таблица.
В: Каква част от нормалната материя (по маса) съставлява водородът?
О: Водородът съставлява 75 % от цялата нормална (барионна) материя (по маса).
В: Водородът често срещан химичен елемент ли е във Вселената?
О: Да, водородът е най-разпространеният химичен елемент във Вселената.
В: Колко протона и електрона има най-разпространеният изотоп на водорода?
О: Най-разпространеният изотоп на водорода има един протон с един електрон, който обикаля около него.
В: Звездите съставени ли са предимно от водород?
О: Да, повечето звезди са съставени предимно от водород.
обискирам