Водород

Водоро́д (химический символ — H, от лат. hydrogenium) — химический элемент первого периода периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 1.
Одноатомная форма водорода — самое распространённое химическое вещество во Вселенной, составляющее примерно 75 % всей барионной массы. Звёзды, кроме компактных, в основном состоят из водородной плазмы. Самый лёгкий из элементов периодической таблицы.
Три изотопа водорода имеют собственные названия: 1H — протий, 2H — дейтерий и 3H — тритий (радиоактивен). Ядро самого распространённого изотопа — протия — состоит из одного только протона и не содержит нейтронов.
При стандартной температуре и давлении водород — бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичный двухатомный газ (химическая формула — H2), который в смеси с воздухом или кислородом горюч и крайне пожаро- и взрывоопасен. В присутствии других окисляющих газов, например фтора или хлора, водород также взрывоопасен. Поскольку водород охотно формирует ковалентные связи с большинством неметаллов, большая часть водорода на Земле существует в молекулярных соединениях, таких как вода или органические вещества. Водород играет особенно важную роль в кислотно-основных реакциях.
Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, титане, платине, ниобии.
Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Впервые водород получил Парацельс, погружая железные опилки в серную кислоту в XVI веке.
В 1671 году Роберт Бойль подробно описал реакцию между железными опилками и разбавленными кислотами, при которой выделяется газообразный водород.
В 1745 году Михаил Ломоносов изучил реакции растворения металлов кислотами и выдвинул предположение, что выделяющийся в этом процессе «горючий пар» (фактически — водород) является гипотетической субстанцией флогистон.
В 1766 году Генри Кавендиш, независимо от Ломоносова, пришёл к заключению, что «горючий воздух», образующийся при реакции металлов с кислотами, представляет собой флогистон, и в 1781 году обнаружил, что при сгорании этого газа образуется вода.
Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Жаном Мёнье, используя специальные газометры, в 1783 году осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Так он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.
Лавуазье дал водороду название hydrogène (от др.-греч. ὕδωρ — вода и γεννάω — рождаю) — «рождающий воду». В 1801 году последователь Лавуазье, академик Василий Севергин, называл его «водотворное вещество», он писал:
Водотворное вещество в соединении с кислотворным составляет воду. Сие можно доказать, как через разрешение, так и через составление.
Русское наименование «водород» предложил химик Михаил Соловьёв в 1824 году, что являлось переводом латинского hydrogene.
В настоящее время водород является самым распространённым элементом во Вселенной. На его долю приходится около 88,6 % всех атомов (около 11,3 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — порядка 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. Повсеместное возникновение атомарного водорода впервые произошло в эпоху рекомбинации.
В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.
Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 % (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~52 %). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках, где по числу атомов на водород приходится почти 63 %.
В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005 % по объёму для сухого воздуха).
Под воздействием солнечного ветра Земля ежесекундно теряет (в окружающий космос) три килограмма водорода, что в далёкой перспективе приведёт к иссушению нашей планеты.
На 2019 год в мире потребляется 75 млн тонн водорода, в основном в нефтепереработке и производстве аммиака. Из них более 3/4 производится из природного газа, для чего расходуется более 205 млрд м³ газа[19]. Почти все остальное получают из угля. Около 0,1 % (~100 тыс. тонн) вырабатывается электролизом. При производстве водорода в атмосферу поступает ~830 млн тонн CO2. Себестоимость водорода, полученного из природного газа, оценивается в 1,5—3 доллара за 1 кг.

• Конверсия метана с водяным паром при 1000 °C:
CH 4 + H 2 O ↽ − − ⇀ CO + 3 H 2 {\displaystyle {\ce {CH4 + H2O <=> CO + 3H2}}}
• Пропускание паров воды над раскалённым коксом при температуре около 1000 °C:
C + H 2 O ↽ − − ⇀ CO ↑ + H 2 ↑ {\displaystyle {\ce {C + H2O <=> CO ^ + H2 ^}}} CO + H 2 O ↽ − − ⇀ CO 2 ↑ + H 2 ↑ {\displaystyle {\ce {CO + H2O <=> CO2 ^ + H2 ^}}} В результате данного процесса получается «grey hydrogen», который невозможно применять в топливных элементах, так как примесь CO отравляет катализаторы. Дальше, при его очистке до 10—100 ppm CO, получают «blue hydrogen», но и он отравляет платиновый катализатор.
• Электролиз водных растворов солей:
2 NaCl + 2 H 2 O ⟶ 2 NaOH + Cl 2 ↑ + H 2 ↑ {\displaystyle {\ce {2NaCl + 2H2O -> 2NaOH + Cl2 ^ + H2 ^}}}
• «Green hydrogen» (особо чистый водород) получают электрохимическим способом. Электролизом водного раствора гидроксидов активных металлов (преимущественно гидроксида калия)[20] (англ.) при повышенных температуре и давлении на Ni-электродах. Это достаточно энергозатратный метод, который составляет лишь 4 % от общего производства водорода.
2 H 2 O → 4 e − 2 H 2 ↑ + O 2 ↑ {\displaystyle {\ce {2H2O ->[4e^{-}] 2H2 ^ + O2 ^}}} Кроме того, существует промышленная технология электролиза химически чистой воды, без применения каких-либо добавок. Фактически, устройство представляет собой обратимый топливный элемент с твёрдой полимерной мембраной[20] (англ.) или без мембраны.
• Каталитическое окисление метана кислородом:
2 CH 4 + O 2 ↽ − − ⇀ 2 CO + 4 H 2 {\displaystyle {\ce {2CH4 + O2 <=> 2CO + 4H2}}}
• Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

• Взаимодействие разбавленных кислот с металлами, стоящими в электрохимическом ряду напряжений до водорода. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную серную кислоту:
Zn + H 2 SO 4 ⟶ ZnSO 4 + H 2 ↑ {\displaystyle {\ce {Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + H2 ^}}}
• Взаимодействие кальция с водой:
Ca + 2 H 2 O ⟶ Ca ( OH ) 2 + H 2 ↑ {\displaystyle {\ce {Ca + 2H2O -> Ca(OH)2 + H2 ^}}}
• Гидролиз ионных гидридов:
NaH + H 2 O ⟶ NaOH + H 2 ↑ {\displaystyle {\ce {NaH + H2O -> NaOH + H2 ^}}} CaH 2 + 2 H 2 O ⟶ Ca ( OH ) 2 + H 2 ↑ {\displaystyle {\ce {CaH2 + 2H2O ->Ca(OH)2 + H2 ^}}}
• Действие щелочей на цинк или алюминий:
2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O ⟶ 2 Na [ Al ( OH ) 4 ] + 3 H 2 ↑ {\displaystyle {\ce {2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ^}}} Zn + 2 KOH + 2 H 2 O ⟶ K 2 [ Zn ( OH ) 4 ] + H 2 ↑ {\displaystyle {\ce {Zn + 2KOH + 2H2O -> K2[Zn(OH)4] + H2 ^}}}
• Электролиз водных растворов кислот, щелочей или некоторых солей на катоде происходит выделение водорода, например:
2 H 3 O + + 2 e − ⟶ 2 H 2 O + H 2 ↑ {\displaystyle {\ce {2H3O+ + 2e- -> 2H2O + H2 ^}}}

Дейтероводород получают из тяжёлой воды, которую в настоящее время производят электролитическим обогащением обычной воды. 0,0156 % водорода находится в виде дейтерия.
Перенапряжение выделения H2 несколько меньше по сравнению с D2 (хотя зависит от природы материала катода и состава раствора), тяжёлая вода накапливается в электролизёре. Применяется каскад электролизёров.
Другие способы получения дейтероводорода: термодиффузия газообразного водорода, диффузия смеси D2/H2 через палладиевый фильтр.
Водород — самый лёгкий газ: он легче воздуха в 14,5 раз. Поэтому, например, мыльные пузыри, наполненные водородом, на воздухе стремятся вверх[24]. Шары, наполненные водородом, также стремятся вверх. Водород использовался для воздухоплавания, но из-за взрывоопасности от водорода отказались в пользу гелия. Чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа, за счёт чего быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.
Молекула водорода двухатомна — Н2. При нормальных условиях это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н. у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания 120,9⋅106 Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л при н.у. Растворимость водорода в воде возрастает с увеличением давления и снижается с увеличением температуры.
Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов H2 на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.
Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C 0,0708 г/см³) и текучая (вязкость при −253 °C 13,8 сП). Критические параметры водорода: температура −240,2 °C, давление 12,8 атм, критическая плотность 0,0312 г/см³ и критический объём 66,95—68,9 см³/моль (0,033 м³/кг). Указанными значениями критических параметров объясняются трудности при ожижении водорода.
В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79 % пара-Н2, 0,21 % орто-Н2
Твёрдый водород, температура плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см³ (при −262 °C) — снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a = 0,378 нм и c = 0,6167 нм.
Молекулы водорода достаточно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
H 2 ⟶ 2 H − 432 кДж {\displaystyle {\ce {H2->2H-432{\text{кДж}}}}}
Поэтому окислительная способность водорода проявляется в реакциях с активными металлами, как правило, при повышенных температуре и давлении. При обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например, с кальцием, образуя гидрид кальция:
Ca + H 2 ⟶ CaH 2 {\displaystyle {\ce {Ca + H2 -> CaH2}}}
и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:
H 2 + F 2 ⟶ 2 HF {\displaystyle {\ce {H2 + F2 -> 2HF}}}
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например, при освещении:
2 H 2 + O 2 ⟶ 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {2H2 + O2 -> 2H2O}}}
Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.
CuO + H 2 ⟶ Cu + H 2 O {\displaystyle {\ce {CuO + H2 -> Cu + H2O}}}
С галогенами образует галогеноводороды:
H 2 + F 2 ⟶ 2 HF {\displaystyle {\ce {H2 + F2 -> 2HF}}}, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, H 2 + Cl 2 ⟶ 2 HCl {\displaystyle {\ce {H2 + Cl2 -> 2HCl}}}, реакция протекает со взрывом, только на свету.
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
C + 2 H 2 ⟶ CH 4 {\displaystyle {\ce {C + 2H2 -> CH4}}}
Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21 %. Пределы взрываемости: с воздухом — 4-75 об. %, с кислородом — 4,1-96 об. %[39]. Также водород пожароопасен. Жидкий водород при попадании на кожу может вызвать сильное обморожение.
Водород сегодня применяется во многих областях.
Химическая промышленность — это крупнейший потребитель водорода. Более 50 % мирового выпуска водорода идёт на производство аммиака. Ещё около 8 % используется для производства метанола. Из аммиака производят пластмассы, удобрения, взрывчатые вещества и прочее. Метанол является основой для производства некоторых пластмасс.
В нефтепереработке около 37 % мирового выпуска водорода используется в процессах гидрокрекинга и гидроочистки, способствуя увеличению глубины переработки сырой нефти и повышению качества конечных продуктов.
Водород используют и в качестве ракетного топлива. Ввиду крайне узкого диапазона температур (менее 7 кельвинов), при котором водород остаётся жидкостью, на практике чаще используется смесь жидкой и твёрдой фаз.
В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.
Водород используется в качестве топлива для серийно выпускаемых автомобилей на Водородных топливных элементах: Toyota Mirai, Hyundai Nexo.
Американская компания представила линейку коммерческих автомобилей на водороде, а также пикап Nikola Badger с запасом хода 960 км.
Компания Alstom в 2018 году запустила в Германии первый коммерческий поезд на топливных элементах Coradia iLint, способный проходить 1000 км на одном резервуаре с водородом. Поезда совершают 100-километровые рейсы со скоростью до 140 километров в час.
В электроэнергетике водород применяется для охлаждения мощных электрических генераторов.
При производстве саломаса (твёрдый жир, производимый из растительных масел) используется около 2 % мирового выпуска водорода. Саломас является основой для производства маргарина, косметических средств, мыла. Водород зарегистрирован в качестве пищевой добавки под номером E949.
Водород используется в химических лабораториях в качестве газа-носителя в газовой хроматографии. Такие лаборатории есть на многих предприятиях в пищевой, парфюмерной, металлургической и химической промышленности. Несмотря на горючесть водорода, его использование в такой роли считается достаточно безопасным, поскольку водород используется в незначительных количествах. Эффективность водорода как газа-носителя при этом лучше, чем у гелия, при существенно более низкой стоимости.
Водород используется в метеорологии для заполнения оболочек метеозондов. Водород в этом качестве имеет преимущество перед гелием, так как он дешевле. Ещё более существенно, что водород вырабатывается прямо на метеостанции с помощью простого химического генератора или с помощью электролиза воды. Гелий же должен доставляться на метеостанцию в баллонах, что может быть затруднительно для удалённых мест.
В настоящее время водород в авиации не используется. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько катастроф, в ходе которых дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием, несмотря на его существенно более высокую стоимость.
Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки. Высокая теплопроводность водорода используется для заполнения сфер гирокомпасов и стеклянных колб филаментных LED-лампочек.

*Источник https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4