Естествознание

Водород

 
 
01

Водород — самый простой, но в то же время и один из самых удивительных химических элементов. Его атом состоит из ядра, содержащего один протон, и одного единственного электрона:

 
Конфигурация водорода Схема электронной конфигурации атома водорода
   
02

Этот самый маленький и легкий атом не имеет аналогов в периодической системе. Он способен терять электрон, превращаясь в катион Н+, и в этом отношении похож на щелочные металлы, которые также проявляют степень окисления +1. С другой стороны атом водорода может и присоединять электрон, образуя при этом анион Н –, электронная конфигурация которого — такая же, как у атома гелия. Этим водород напоминает галогены, анионы которых имеют электронные конфигурации соседних благородных газов. Таким образом, водород обладает двойственной природой, проявляя как окислительную, так и восстановительную способность. По этой причине в одних случаях его помещают в подгруппу щелочных металлов, в других — в подгруппу галогенов (рис. 1).

 
Рис. 1
Положение водорода в периодической системе элементов
03 Положение водорода в периодической системе элементов
 
 
   
04

Изотопы водорода, в отличие от других элементов, имеют собственные названия: 1H — протий, 2H — дейтерий и 3H — тритий. Протий и дейтерий стабильны; в природе наиболее распространен протий: на него приходится 99,985 % всех атомов водорода, в то время как на дейтерий, называемый также «тяжелым водородом» — оставшиеся 0,015 %. Тритий радиоактивен и имеет период полураспада 12,3 года.

05 Водород — самый распространенный элемент во вселенной. Фактически, звезды — это огромные сгустки водорода, превращающегося в гелий в процессе термоядерного синтеза (рис. 2). Когда водород заканчивается, звезда начинает погибать, становясь сначала «красным гигантом», а затем — «белым карликом». На сегодняшний день водород составляет примерно половину массы Солнца.

Почитать о жизненном цикле звезд на сайте «Элементы»

 
Рис. 2
Свет звезд — это излучение, испускаемое в процессе термоядерного синтеза.
Фотография сделана телескопом «Хаббл»
06 Свет звезд
 
 
   
   
07

Основные запасы водорода на Земле сконцентрированы в воде, природном газе и нефти. Его массовое содержание в земной коре достигает 0,15 %, с учетом гидросферы — около 1 %.

08

Водород как простое вещество — газ без цвета и запаха, плохо растворим в воде, в 14,5 раз легче воздуха. При температуре –252,8 °С газообразный водород превращается в жидкость, также бесцветную. Молекула водорода двухатомна: H2.

09

В сложных веществах водород всегда одновалентен. Для него наиболее характерна степень окисления +1:

 
вода кислоты основания соединения с неметаллами
   
10

Однако, в соединениях водорода с менее электроотрицательными элементами, чем он сам, например, с металлами, водород имеет степень окисления –1:

 
   
гидрид лития гидрид магния    
   
11

Уникальное электронное строение атома водорода обуславливает существование водородной связи, за счет которой полярные молекулы могут выстраиваться в длинные цепи и сети, а разные фрагменты больших органических молекул — притягиваться друг к другу. Для возникновения водородной связи необходимо, чтобы атом водорода был связан ковалентно с более электроотрицательным атомом, имеющим хотя бы одну неподеленную электронную пару. Это имеет место в том числе и в молекулах галогенводородов, например HF (рис. 3). Ковалентная связь между водородом и фтором осуществляется за счет общей электронной пары, образованной электроном водорода и одним из семи электронов фтора. Эта связь очень полярна, поскольку атом фтора имеет высокую электроотрицательность: электронная пара сильно смещена в сторону фтора. Ядро водорода, в буквальном смысле «оголившееся» после смещения единственного электрона ко фтору, готово притягиваться к любым отрицательным зарядам, находящимся поблизости. Этими зарядами как раз и обладают неподеленные электронные пары соседних молекул HF.

 
Рис. 3
Образование водородных связей между молекулами фтороводорода
12 Водородная связь
 
 
   
   
13

Таким образом, каждая молекула HF ядром атома водорода притягивается к предыдущей молекуле, а электронными парами атома фтора — к последующей. Подобные «молекулярные цепи» характерны также для воды, сероводорода, спирта, аммиака и других веществ.

   

Методы получения водорода

14 В промышленности водород получают из водяного пара при взаимодействии его с коксом, который в основном состоит из углерода:

C + H2O → CO + H2

или же с простейшим углеводородом — метаном, основным компонентом природного газа:

CH4 + H2O → CO + 3H2

15 Существует также и прямой метод получения водорода из воды — это ее электролиз, т. е. разложение под действием электрического тока:

2H2O 2H2 + O2

Однако, такой метод является очень дорогостоящим из-за высокого расхода электроэнергии.

16

Одним из перспективных направлений получения водорода является также газификация биомассы — отходов сельскохозяйственной деятельности, бытового мусора, опилок и пр.

17 В лаборатории водород обычно получают действием растворов кислот на металлы, например:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

   

Химические свойства водорода

18 В качестве окислителя водород выступает редко, реагируя, например, с металлами. В продуктах таких реакций — гидридах, — его степень окисления, как было сказано выше, составляет –1:

Ca + H2 → CaH2
2Na + H2 → 2NaH

19 Значительно чаще водород проявляет себя как восстановитель, меняя в результате реакции степень окисления с 0 до +1. Например, при взаимодействии с неметаллами:

H2 + S → H2S

20 Многие смеси водорода с газообразными неметаллами очень взрывоопасны, поэтому называются «гремучими». В частности, со взрывом протекают реакции водорода с галогенами и кислородом:

H2 + Cl2 → 2HCl
H2 + O2 → H2O

 
Видеоролик показывает в замедленной съемке, как происходит взрыв мыльных пузырей, наполненных водородом
На английском языке
21
 
 
   
   
22 Водород способен также восстанавливать металлы из их оксидов; такие реакции могли бы найти широкое применение в металлургии, но этому препятствует в том числе и относительно высокая себестоимость водорода:

CuO + H2 → Cu + H2O

   

Несколько слов о водородной энергетике

23

Последние десятилетия водород активно рассматривается как перспективное топливо, способное со временем встать на замену традиционному бензину и дизельному топливу. Водород имеет более высокую теплоту сгорания — 120 МДж/кг, в то время, как бензин — всего 42 МДж/кг. Кроме того, единственным выхлопным газом при сгорании водорода являются водяные пары, которые вступают в естественный природный круговорот воды. А, как известно, посредством электролиза из воды можно снова получить водород. Этот замкнутый цикл, лежащий в основе идеи водородной энергетики, позволяет назвать водород одним из самых экологичных видов топлива (рис. 4).

 
Рис. 5
Схематичное изображение концепции водородной энергетики
24 Водородная энергетика
 
 
   
   
25 Очевидно, что при переходе транспорта на водородное топливо экологические проблемы больших городов были бы раз и навсегда решены. Однако, перед таким переходом стоит ряд проблем, среди которых:
  • потребность в огромных энергозатратах для получения водорода электролизом воды;
  • необходимость использования специальных сверхгерметичных емкостей для хранения и транспортировки водорода, т. к. в силу малого размера молекул он обладает высокой проникающей способностью;
  • необходимость создания развитой сети заправочных станций в каждом населенном пункте и вдоль крупных автомагистралей: водород — самый легкий и наименее плотный газ, поэтому автомобилю с водородным двигателем придется заправляться намного чаще, чем в автомобилям с бензиновым и дизельным двигателями.

26

Тем не менее, многие производители автомобилей сделали первые шаги в направлении водородной энергетики. В частности, уже несколько лет выпускаются так называемые гибридные автомобили, снабженные как традиционным бензиновым двигателем, так и электродвигателем, работающим благодаря водородному топливному элементу.

27

Водородный топливный элемент во многом напоминает обычный аккумулятор: в нем энергия химической реакции преобразуется в электрическую энергию. Принцип его действия показан на рис. 5.

 
Рис. 5
Водородный топливный элемент
28 Водородный топливный элемент
 
 
   
   
29

Водород из специальной герметичной емкости подается в топливный элемент, состоящий из двух электродов (анода и катода) и протонообменной мембраны — материала, пропускающего только протоны. На аноде, изготовленном с использованием благородного металла (например, платины или ее сплавов), молекулы водорода распадаются на атомы и теряют электроны. Освободившиеся при этом ядра водорода, т. е. протоны, начинаются двигаться к катоду сквозь мембрану. Электроны же направляются как бы «в обход» мембраны, поскольку их она пропускать не будет. Поток электронов и представляет собой электрический ток, который потребляется электродвигателем автомобиля. Миновав двигатель, электроны поступают на катод. Там же, в свою очередь, распадаются на атомы молекулы кислорода, поступающего в топливный элемент из атмосферы. Таким образом, на катоде происходит одновременная встреча атомов кислорода, протонов и электронов: это приводит, очевидно, к образованию молекул воды, которые благополучно выводятся в за пределы элемента.

30 Фактически, топливный элемент позволяет провести уже знакомую нам высокоэнергетичную реакцию

H2 + O2 → H2O,

но не в виде взрыва, а в спокойном, управляемом режиме. Схематичное изображение автомобиля с топливным элементом приведено на рис. 6.

 
Рис. 5
Принципиальная схема автомобиля на водородных топливных элементах
Original by Peter Welleman, www.imageproduction.nl
31 Автомобиль на водородных топливных элементах
 
 
   
   
32

Автомобили-гибриды могут использовать бензиновый двигатель при движении за городом, на больших магистралях, где концентрация выхлопных газов мала и не наносит значимого ущерба окружающей среде. При движении в черте города, где количество транспорта значительно возрастает, а скорости становятся небольшими, автомобиль переключается с бензинового двигателя на водородный топливный элемент и работает как электромобиль, при этом не выделяя никаких выхлопов, кроме воды. Это особенно оценят жители домов, расположенных вдоль наиболее загруженных улиц, где часто возникают пробки.

 
Рис. 7
Автомобиль марки Ford Edge Hybrid-2007, работающий на водородных топливных элементах
Original by Aude on commons.wikimedia.org
33 Ford Edge Hybrid
 
 
   
   
34

Вероятно, дальнейшее развитие водородной энергетики напрямую связано с успехами в области изучения управляемого термоядерного синтеза. Как вы думаете, почему? ;-)

   
   
35 Немного упражнений
  1. Какая масса цинка должна провзаимодействовать с соляной кислотой, чтобы полученным водородом можно было восстановить 14,4 г оксида меди (II)?

2. При восстановлении водородом образца оксида олова (II) массой 120 г образовалось 86 г металла. Определите его практический выход.

3. Закончите уравнения реакций:
Al + H2 → ...
Br2 + H2 → ...
Mg + HCl → ...
Ca + H2O → ...
Cr2O3 + H2 → ...
PbO2 + H2 → ...
2Al + 3H2не пойдет!
Br2 + H2 → 2HBr
Mg + 2HCl → MgCl2 + H2
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2
Cr2O3 + 3H2 → 2Cr + 3H2O
PbO2 + 2H2 → Pb + 2H2O

4. При обработке 8 г смеси магния и оксида магния соляной кислотой выделилось 5,6 л водорода (н. у.). Какова массовая доля магния в исходной смеси?

5. Сколько граммов водяных паров образуется при взрыве гремучей смеси, содержащей 44,8 л водорода и 33,6 л кислорода (н. у.)?

6. Современные технологии позволяют при газификации 1 кг биомассы получить до 500 г биогаза, массовая доля водорода в котором составляет около 5 %. Также известно, что автомобиль, работающий на водородных топливных элементах, расходует в среднем 1,2 кг водорода на 100 км пробега. Определите, сколько килограммов биомассы необходимо переработать, чтобы доехать на таком автомобиле от Москвы до Ростова-на-Дону.
   
  ***
 
 
 
«Водород», март 2010 Т. С. Конькова, Д. В. Широков
© 2009–2011 «Естествознание»
При перепечатке материалов ссылка на ресурс обязательна
Пишите нам: mail@nscience.ru
О проекте