Водень – характеристика, фізичні та хімічні властивості

Водень був відкритий в другій половині 18 століття англійським вченим в області фізики і хімії Г. Кавендішем. Він зумів виділити речовину в чистому стані, зайнявся її вивченням і описав властивості.

Така історія відкриття водню. В ході експериментів дослідник визначив, що це горючий газ, згоряння якого в повітрі дає воду. Це призвело до визначення якісного складу води.

Що таке водень

Про водень, як про просту речовину, вперше заявив французький хімік А.Лавуазьє в 1784 році, оскільки визначив, що до складу його молекули входять атоми одного виду.

Назва хімічного елемента по-латині звучить як hydrogenium (читається «гідрогеніум»), що означає «воду народжує». Назва відсилає до реакції Gorenje, в результаті якої утворюється вода.

Характеристика водню

Позначення водню Н.Менделєєв присвоїв цьому хімічному елементу перший порядковий номер, розмістивши його в головній підгрупі першої групи і першому періоді і умовно в головній підгрупі сьомої групи.

Атомна маса (атомна маса) водню становить 1,00797. Молекулярна маса H2 дорівнює 2 А.Е. молярна маса чисельно дорівнює їй.

Представлений трьома ізотопами, що мають спеціальну назву: найпоширеніший протій (H), важкий дейтерій (D), радіоактивний тритій (Т).

Це перший елемент, який може бути повністю розділений на ізотопи простим способом. Ґрунтується він на високій різниці мас ізотопів. Вперше процес був здійснений в 1933 році. Пояснюється це тим, що лише в 1932 році був виявлений ізотоп з масою 2.

Фізична властивість

У нормальних умовах проста речовина водень у вигляді двоатомних молекул є газом, без кольору, у якого відсутній смак і запах. Мало розчинний у воді та інших розчинниках.

Температура кристалізації-259,2 оС, температура кипіння – 252,8 оС. Діаметр молекул водню настільки малий, що вони мають здатність до повільної дифузії через ряд матеріалів (гума, скло, метали). Це властивість знаходить застосування, коли потрібно очистити водень від газоподібних домішок. При Н. У. Водень має густину, рівну 0,09 кг/м 3 .

Чи можливо перетворення водню в метал за аналогією з елементами, розташованими в першій групі? Вченими встановлено, що водень в умовах, коли тиск наближається до 2 млн.атмосфер, починає поглинати інфрачервоні промені, що свідчить про поляризацію молекул речовини. Можливо, при ще більш високих тисках, водень стане металом.

Це цікаво: є припущення, що на планетах-гігантах, Юпітері і Сатурні, водень знаходиться у вигляді металу. Передбачається, що в складі земного ядра теж присутній металевий твердий водень, завдяки надвисокому тиску, створюваному земною мантією.

Хімічна властивість

У хімічну взаємодію з воднем вступають як прості, так і складні речовини. Але малу активність водню потрібно збільшити створенням відповідних умов – підвищенням температури, застосуванням каталізаторів і ін.

При нагріванні в реакцію з воднем вступають такі прості речовини, як кисень (O2), хлор(Cl2), азот (N2), сірка(s).

Якщо підпалити чистий водень на кінці газовідвідної трубки в повітрі, він буде горіти рівно, але ледве помітно. Якщо ж помістити газовідвідну трубку в атмосферу чистого кисню, то Gorenje продовжиться з утворенням на стінках судини крапель води, як результат реакції:

Горіння водню супроводжується виділенням великої кількості теплоти. Це екзотермічна реакція сполуки, в процесі якої водень окислюється киснем з утворенням оксиду H2O. це також і окислювально-відновна реакція, в якій водень окислюється, а кисень відновлюється.

Аналогічно відбувається реакція з Cl2 з утворенням хлороводню.

Для здійснення взаємодії азоту з воднем потрібна висока температура і підвищений тиск, а також присутність каталізатора. Результатом є аміак.

В результаті реакції з сіркою утворюється сірководень, розпізнавання якого полегшує характерний запах тухлих яєць.

Ступінь окислення водню в цих реакціях +1, а в гідридах, описуваних нижче, – 1.

При реакції з деякими металами утворюються гідриди, наприклад, гідрид натрію – NaH. Деякі з цих складних сполук використовуються як паливо для ракет, а також у термоядерній енергетиці.

Водень реагує і з речовинами з категорії складних. Наприклад, з оксидом міді (II), формула CuO. Для здійснення реакції, водень міді пропускається над нагрітим порошкоподібним оксидом міді (II). В ході взаємодії реагент змінює свій колір і стає червоно-коричневим, а на холодних стінках пробірки осідають крапельки води.

Водень в ході реакції окислюється, утворюючи воду, а мідь відновлюється з оксиду до простої речовини (Cu).

Галузь застосування

Водень має велике значення для людини і знаходить застосування в самих різних сферах:

• У хімічному виробництві – це сировина, в інших галузях – паливо. Не обходяться без водню і підприємства нафтохімії та нафтопереробки.
• В електроенергетиці це проста речовина виконує функцію охолоджуючого агента.
• У чорній і кольоровій металургії водню відводиться роль відновника.
• Сього допомогою створюють інертну середу при упаковці продуктів.
• Фармацевтична промисловість – користується воднем як реагентом у виробництві перекису водню.
• Цим легким газом наповнюють метеорологічні зонди.
• Відомий цей елемент і в якості відновника палива для ракетних двигунів.

Вчені одностайно пророкують водневому паливу пальму першості в енергетиці.

Отримання в промисловості

У промисловості водень отримують методом електролізу, якому піддають хлориди або гідроксиди лужних металів, розчинені у воді. Також можна отримувати водень цим способом безпосередньо з води.

Використовується в цих цілях конверсія коксу або метану з водяною парою. Розкладання метану при підвищеній температурі також дає водень. Зрідження коксового газу фракційним методом теж застосовується для промислового отримання водню.

Отримання в лабораторії

У лабораторії для отримання водню використовують апарат Кіппа.

В якості реагентів виступають соляна або сірчана кислота і цинк. В результаті реакції утворюється водень.

Знаходження водню в природі

Водень частіше за інших елементів зустрічається у Всесвіті. Основну масу зірок, в тому числі Сонця, і інших космічних тіл становить водень.

У земній корі його всього 0,15%. Він присутній у багатьох мінералах, у всіх органічних речовинах, а також у воді, що покриває на 3/4 поверхню нашої планети.

У верхніх шарах атмосфери можна виявити сліди водню в чистому вигляді. Знаходять його і в ряді горючих природних газів.

Що таке ТДС та ppm води? Який ТДС має бути у питній воді?

Ми бачимо, що багато чого ми вживаємо кожен день, і ми не можемо сказати, що Кола або Апельсиновий сік не придатний для пиття. Насправді цей прилад не є «гряземіром», ТДС-метр – прилад для вимірювання електропровідності води . Він має два електроди, батарейку, прилад, який вимірює струм та дисплей. Коли між двома електродами знаходиться рідина, що проводить електричний струм, на дисплеї загоряються циферки, які показують електропровідність розчину. Чим більше розчинено у воді мінералів, тим більші показання на екрані.

Що вимірює ТДС-метр?

TDS (Total Dissolved Salts) перекладається як “Всього Розчинених Солей”. ТДС-метр вимірює концентрацію розчинених у воді твердих частинок, переважно солей, через це називають його «солеміром».

Одиниці виміру ppm (Parts Per Million) у перекладі «Частинок На Мільйон». Цей показник свідчить, скільки міліграм розчинених частинок на 1 літр води (1ppm = 1 мг/л).

Експерименти із «Солеметром» (ТДС-метром)

Підвищимо ТДС води своїми руками: Сама собою вода, як хімічна речовина, є дуже поганим провідником. І це легко переконатися. Беремо демінералізовану зворотноосмотичну воду і дивимося, що показує ТДС метр – 9 ppm, це досить низький показник, він набагато менший за електропровідність звичайної водопровідної води (приблизно 250-400 ppm). Але варто лише додати в нашу дистильовану та мінералізовану звичайну кухонну сіль, невелику кількість, і ми побачимо, як показання приладу зростуть. Ми розчинили сіль, електропровідність нашого розчину збільшилася, що, власне кажучи, і показав ТДС метр.

ТДС і температура: Але електропровідність залежить не тільки від кількості солей, розчинених у воді, вона також залежить і від інших факторів. Наприклад, від температури. Якщо ми візьмемо звичайну електричну плитку і поставимо наш розчин нагріватись, то при збільшенні температури ми побачимо, як цифри підуть нагору. Все тому, що зі зростанням температури зростає рухливість іонів і зростає електропровідність розчину.

Що не бачить TDS-метр: І в напої Кокакола, і в апельсиновому соку теж розчинено кілька мінеральних солей, але в цьому випадку, справа не в них. У колі та апельсиновому соку містяться кислоти, досить у великій кількості, і лимонна кислота, і аскорбінова кислота, і ортофосфорна кислота. Кислоти чудово дисоціюють на іони і відповідно чудово проводять електрику, тобто є електролітами і наш прилад легко визначить їхню наявність у наших напоях. Тобто, цей прилад показує кількість розчинених у воді речовин. Але якщо у воді розчинені речовини, які не дисоціюють і не проводять електричний струм, то прилад їх не побачить.

Можемо в цьому легко переконатися, візьмемо склянку демінералізованої води (пам’ятаємо, що вона має низьку електропровідність 9 ppm) і розчинний у ній речовина, яка є отрутою – інсектицид. Використовується для боротьби з різними комахами. З розчиненою отруйною речовиною ТДС метр показує значення 9, тому що ця речовина не є електролітом, розчиняючись у воді, вона не дисоціює, не утворює заряджені іони, відповідно його розчин не проводить електричний струм.

Висновки:

ТДС метр визначення рівня «бруду» у воді не підходить . Він не визначає ні якість водопровідної води, ні якість після водоочисника, який не змінює мінеральний склад води, тобто не змінює її електропровідність. ТДС метр може показати чи працює мембрани зворотного осмосу, і тому використовується тими людьми, які займаються встановленням або обслуговуванням фільтрів для води.

Який має бути ТДС у питній воді?

Як ми бачимо на картинці, питна вода повинна бути з найнижчим показником ТДС . Основні мінерали ми купуємо з їжі, а вода не є достатнім джерелом мінералів (Зверніть увагу, що це не відноситься до лікувальних мінеральних вод, які ви можете приймати тільки за призначенням лікаря. Самолікування мінеральною водою може викликати у вас відкладення каменів у нирках та інші наслідки)