Водород

Водород (латински: hydrogenium, од грчки: hydro — 'вода', genes — 'создава') — наjлесниот хемиски елемент во периодниот систем. Карактеристичен е по тоа што во неговото атомско јадро нема неутрони.

Водородот е најраспостранет елемент во вселената. Тој го создава најголемиот дел од материјата на ѕвездите. На Земјата водородот го има како слободен и тоа во горните слоеви на нејзината атмосфера но најмногу го има сврзан во негови соединенија: во водата (H2O) сврзан со кислородот, потоа во киселините, во хидроксидите(бази) и др.

Водородот бил најпрво пронајден во 16 век, преку мешање на метали со киселини. Во 1766-91, Хенри Кевендиш бил првиот што открил дека водородот е дискретна субстанца, и се добива вода кога ќе се запали, а таа способност и го дала името „водород“.

Индустриското производство најчесто се добива преку претворање на пареа во природен гас, а поратко преку интензивни високоенергетски методи како електролиза на водата. Водородот најчесто се користи за добивање на амонијак на пазарот за ѓубрива. Водородот се користи и во металургијата.

 Пронаоѓање 
Првите хемичари го мешале водородот со други гасови сè додека британскиот физичар и хемичар Хенри Кевендиш ги објаснил својствата на водородниот гас во средината на 18 век. Многу научници пред Кевендиш го создавале “запаливиот гас” со мешање на метали со киселини. Кевендиш го нарекол гасот „запаллив воздух” и го проучувал. Тој во 1766 г. демонстрирал дека сулфурната киселина реагирала со метали за да создаде „запаллив воздух”. Подоцна Кевендиш го палел својот „запаллив воздух” во регуларен воздух за да создаде вода. Многу историчари сметаат дека тој треба да се земе како пронаоѓач на водородниот гас, иако шкотскиот инженер Џејмс Ват пријавил дека и тој произвел вода отприлика во исто време со Кевендиш.

Изотопите деутериум и трициум се откриени во 20 век. Кратко после Првата светска војна (1914-1918), британскиот физичар Френсис В. Астон го измислил масниот спектрофотометар, направа која ги одделува атомите според нивните маси. Тој пронашол атоми со невообичаени маси, наречени изотопи. Ова довело до трага за постоење на деутериум. Во 1932 г. американскиот хемичар Харолд Ц. Јуреј и неговите соработници го одвоиле и откриле деутериумот. Јуреј предвидел дека вода создадена со деутериум ќе испарува многу поспоро отколку вода создадена со протиум и на овој начин било возможно да се оддели и изолира деутериумот. Научниците првпат создале трициум во 1935 г. со бомбардирање на деутериумот со јадро од друг деутериум. Научниците неодамна пронајдоа трициум во мали количини и во обичната вода. Трициумот се формира природно во некои атмосферски реакции.

Својства

Согорување
мини|лево|280п|Експлозија на смеса од водород и воздух. Биконусен сад е претходно наполнет со водород. Водородот се пали и гори, а воздухот навлегува од долниот отвор на садот, образувајќи смеса воздух–водород којашто со текот на времето станува сè побогата со воздух. Како што составот на смесата се приближува кон критичниот, горењето станува нестабилно и создава звук со опаѓачка честота (поради осцилациите на смесата од гасови во садот). Штом критичниот состав е постигнат, експлозијата е неизбежна.
Водородот е лесно запалив и гори во воздухот доколку е концентриран од 4% до 75%. Енталпијата на согорување на Водородот е −286 kJ/mol:
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)
Водородот формира експлозивни смеси со воздухот ако е  4–74%  концентрирани со Хлор ако е 5–95% концентриран. Смесите може да се запалат со искра, топлина или сончева светлина. Температурана на која водородот сам би се запалил изнесува  is 500 °C (932 °F).Пламенот од чист Хидрооксид емитуваат ултравиолетова светлина и помешани со смеса од кислород се речи си невидливи за човековото око.За да се отркие излив на запален водород потребен е Детектор на пламен.

H2 реагира со секој оксид. Водородот реагира спонтано и бурно на собна температура со Хлор и Флуор додека не постигне форма на  соодветните водородни халиди, Хлороводород и Флуороводород, кои исто така се опасни Киселини.

Нивоа на енергија на електроните

Основната состојба на ниво на енергија на електрон на водородниот атом е −13.6 eV, which is equivalent to an ultraviolet Photon of roughly 91 nm wavelength. 
што е еквивалентно на ултравиолетовиот Фотон грубо 91 nm бранова должина.

Нивоата на енергија на водородот може да се пресметаат прецизно со употреба на Боров модел на атомот, кој го концептуализира електронот како орбитира аналогно на тоа како земјата кружи околу сонцето. Електромагнетната сила привлекува електрони и протони, додека планетите и другите небесни тела се привлекуваат меѓу себе како резултат на гравитацијата. Поради дискретизација на Аголен момент постулиран во раната Квантна механика, електронот во Боровиот модел може опфати само одредени дистанци од протонот, и одредени енергии.
мини|Hydrogen Spectrum Test
По прецизен опис на водородниот атом, користејки ја квантната механика, ни дава Шредингеровата равека, Дираковата равенка, па дури и Фејмановиот Интеграл се користи за да се пресмета веројатната гстина на електронот околу протонот. Рамнотежата на сооднос меѓу ортоводород и параводород зависи од температурата, но порати орто формата има бурна фаза и повисока енергија од пара формата, таа е нестабилна и не може да се прочисти. На многу ниски температури, рамнотежата е воспоставена само од пара формата. Течната и гасовитата фаза имаат термални својства од чист параводород кој значително се разликуваат од тие во нормална форма поради разликите во ротациотните топлински капацитети. Орто/пара разликата исто така се појавува и во други молекули каде има водород или функционални групи на водород како што се вода и метилен, но со многу помала значајност од нивните термални својства.

Елементарни молекуларни форми

Постојат два различни исомери на спинот на водородот. Во ортоводородна форма, спинот на 2 протона е паралелер и формира тројна врска со молекуларен спин и квантен број 1 (1⁄2+1⁄2); во форма на параводород спиновите се антипаралелни и формираат единечна врска со молекуларен квантен број  (1⁄2–1⁄2). На стандардна температура и стандарден притисок, водородот содржи околу 25 проценти пара и 75 проценти орто форма, позната како "нормална форма". Соодносот на рамнотежа на Ортоводороддо параводород зависи од ремпературата, но поради тоа што орто формата е во возбудена состојба и има поголема енергија од пара формата, таа е нестабилна и не може да биде прочистена. на многу ниски температури, рамнотежата е воспоставена само од пара формата. Разликата Орто/Пара исто така се појавува и во молекулите во кои составен дел е водородот или функционалните групи на водородот како вода и метилен но со многу мала застапеност во однос на нивните термални својства.

Некатализиранат интерконверзија меѓу орто и пара H2 се зголемува со зголемување на температурата. На тој начин кога брзо се кондензира H2 има големи количини на висока енергија од ортоформата која се претвора во пара формата но многу бавно. Орто пара соодносот во кондензираната H2 е важно да се земе предвид при подготовки  за резерви на течен водород. Претворањето од орто во пара е егзотермна и произведува доволно топлина за да испари дел од течниот водород што води до загуба на течниот материјал. Катализите за орто/пара интерконверзијата, како железо оксид,активен јаглен, платинизиран азбест, ретки метали од земјата, делови на ураниум, Хром оксид  или делови од никел, се користат додека се лади водородот.

Фази
 Гасовит водород
 Течен водород
 Кашест водород
 Цврст водород
 Металичен водород

Соедниненија

Ковалентни и органски соединенија

Иако H2 не е многу реактивен во стандардни услови, тој се соединува со повеќето елементи. Вдодородот може да се соедини со елементи кои се по електронегативни, како што халогените (Пр. F, Cl, Br, I), или Кислород. Во овие соединениениа водородот има парциално позитивен полнеж. Кога е сврзан со флуор, кислород или азот, водородот може да учествува во еден вид на средно силни не ковалентни врски сврзувајки се со водородот од други слични молекули, овој феномен се нарекува сврзување на водород, но има критична стабилност доколку се сврзува со повеќето био молекули.IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic version, Hydrogen Bond
Водородот исто така формира соединенија со елементи кои не се толку електронегативни, како метали и металоиди, каде што се сврзува со делумниот негативел електричен полнеж. Овие соединенија се познаци како хидрати.

Водородот формира широк спектар на соедниненија со јаглерод кои се наречени јаглеводороди, а има дури и поширок спектар на соединенија со хетероатоми, поради нивната генерална асоциајција со живите делови, наречени органски соединенија.. Проучувањето на нивните својства е познато како органска хемија и науката која ги проучува живите организми се нарекува биохемија. 
Според некои дефиниции, "органските" соединенија мора да содржат јаглерод. Повеќето од нив содржат водород, а тоа се случува затоа што јаглеводородната врска на овие соединенија им ги дава дел од хемиските одлики, јаглебодородните врски се речи си задолжителни во оргаската хемија. Познати се милиони јаглеводороди, и тие се најчесто формирани со сложени синтетички начини кои ретко го користат елементарниот водород.

Хидрати

Соединенијата на водородот често се нарекуваат хидрати, тоа е поим кој се користи поретко. Поимот "хидрат" ни кажува дека H атомот има стекнато негативен или анјонски карактер и се користи кога водородот фермира соединение со електропизитивен елемент. Постоењето на водородниот анјон препорачано од Гилберт Њ. Луис во 1916 било демонстирано од Моерс во 1920 преку електролиза на молтен литиум-хидрат правејќи стоикиометрија на водородот кај анодата. За другите хидрати, под овој термин се подразбира водород со ниска електронигативност. Иклучок во групата 2 прави  која е полимерна. Во литиум алуминиум хидратот  анјонот носи хидрилични центри цврсто прикачени за Al(III).

Иако хидратите може да се формираат скоро со секоја група на елементи, бројот на комбинации на врски кои може да се формираат варира. На пример,познати се повеќе од 100 бинарни боран хидрати, но само еден бинарен алуминиум хидрат.
Бинарниот индиум хидрат сè уште не е идентификуван, затоа што постојат многу сложености..

Во неорганска хемија, хидратите исто така служат како премостувачи кои поврзуваат два метални центри во координирачки комплекс.
Оваа функиција е многу честа во елементи група 13, особено во боранови (боран хидрати) и алуминиум комплекси.

Протони и киселини

Изотопи

Историја

Во 1671, Роберт Бојл ја откри и ја  опиша реакцијата помеѓу железни  струготини  и разредени  киселини , што резултира со производство на водороден гас.  Во 1766 година, Хенри Кевендиш беше првиот што го  препозна  водородот  како дискретна супстанција, и го нареце гасот  од метал-киселинаска реакција  "запаливи воздух". Тој шпекулираше дека "запаливиот  воздух", всушност, е идентичен  со хипотетичка супстанца наречена " флогистон " и понатаму откривајки  во 1781 година дека гасот произведува вода кога согорува. Тој го нареце ова откритие како елемент. Во 1783 година, Антонио Лавоазје го даде  на елементот  името водород )  , кога тој и Лаплас го  репродуцираа откритието  на Кевендиш дека вода се произведува кога водородот се гори.
	Лавоазје произведува водород за неговите експерименти на конзервација на маса  со реакција на проток на пареа со метални железо низ  взестена  железна  цевка загреана  на оган. Анаеробна оксидација на железо од протони вода на  висока температура може да се шематски претстави како сет на следните реакции:

   Fe +    H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Многу метали како циркониум  подложни  на слична реакција со вода доведува до производство на водород.

Водород е направен течен, за првпат од страна на Џејмс Девар во 1898 година со помош на регенеративно ладење и својот изум, на вакуум колба . Тој произведе цврст водород следната година. деутериум е откриен во декември 1931 година од страна на Харолд Уреи и трициум беше подготвен во 1934 година од страна на Ернест Радерфорд , Марк Олифант и Пол Хартрек . Тешката  вода , која се состои од деутериум на  местото на обицен  водород, беше откриена од страна на група Urey во 1932 година Франсоа Исак де Rivaz изградил првиот   Риваз мотор , моторо со внатрешно согорување кој се напојува со мешавина од водород и кислород во 1806 година Едвард Даниел Кларк измислил  blowpipe на водороден гас во 1819. светилката  Добераинер е и горилникот  беа измислени во 1823.

Година рвиот со водород исполнет  балон бил измислен од страна на Жак Чарлс во 1783 година  Водород овозмози  прва сигурна форма на патување во воздух во 1852 по пронаоѓањето на првиот со водород подигнат воздухоплов  од страна на Хенри Гифард .  Германскиот гроф  Фердинанд фон Цепелин ја промовираше идејата за крути воздухоплови  исполнети со водород, кој подоцна биле наречени цепелини ; првиот на кој имаше свој лет е во 1900 година  Редовни летови започна во 1910 година и до почетокот на Првата светска војна во август 1914 година, тие превезле  35.000 патници без сериозни инциденти. Водородните летала беа користени како платформи за набљудување и бомбардери за време на војната.

Првиот нон-стоп трансатлантските лет беше направен од страна на британскиот авион R34 во 1919 година. Редовна патничка услуга продолжи и во 1920 година, и откривањето на хелиум резерви во САД вети зголемување на безбедноста, но Владата на САД одби да го продаде гасот  за оваа намена . Затоа, H2 беше  користен во Хинденбург балонот , која беше уништен  во пожар во воздухот над Њу Џерси , на 6 мај 1937 година  Инцидентот бил пренесуван во живо на радио и снимен. Палење истечен водород се претпоставувасе  дека е причината, но подоцна истражувања укажаа на палење од статички електрицитет при триенје на алуминиумската обвивка на воздухопловот . Но, штетата на угледот на водород како гас за користење во балони  е веќе направена.

Во истата година, првиот на  водородно  ладење, турбогенератор беше пуштен во употреба, со гас водород како средство за ладење во роторот и статорот во 1937 година во Дејтон , Охајо, со Дејтон Сила и Светлина, со оглед на топлинска спроводливост водородот , ова е најчестиот вид во оваа област и денес.

 никел водородната батерија  се користи за првпат во 1977 година, во сателит-2 (НТС-2). на американската морнарица во навигациска  технологија На пример, на ISS , Марс Одисеја  и Марс Глобал Сурвејор  се опремени со никел-водородните батерии. Во мрацниот   дел од својата орбита, вселенскиот телескоп Хабл е исто така напојуван со никел-водородните батерии, кои на крајот беа заменети во мај 2009 година,  повеќе од 19 години по лансирањето, и 13 години по текот на нивниот животен век.

Улога во квантна теорија

Линии емисија спектар водород во видливиот спектар. Овие се четирите видливи линии на серија Балмер
Поради својата едноставна атомска структура, се состои само од протонот и електронот, , заедно со спектарот на светлина произведена однего  или се апсорбира од него, е од централно значење за развојот на теоријата на атомската структура.  Понатаму , едноставноста на молекулата на водород и соодветните катјони овозмозува  поцелосно разбирање на природата на хемиска врска , која следеше по кратко време по квантно механичкиот  третман на атомот на водород кој бил развиен во средината на 1920-тите.

Еден од првите квантните ефекти јасно забележани  (но не сфатени  во тоа време) беше набљудувањето на Максвел вклучувајќи го  водородот , половина век пред целосно квантно механички теорија да пристигне. Максвел забележал дека специфичниот топлински капацитет на H 2 неразјаснето  заминува од онаа на двоатомски гас под собна температура и почнува да личи повеќе на едноатомен гас при ниски температури. Според квантната теорија, ова однесување произлегува од растојанието на вртежна нивото на енергија, кои се особено широко распоредени во H 2 поради неговата мала маса. Овие широко распоредени нивоа инхибираат еднаква поделба на топлинска енергија во вртежна движење во водород при ниски температури. Двоатомски гасови составен од потешки атоми немаат такви широко распоредени нивоа и не покажуваат ист ефект.

Антиводород ( H ) е антиматерија пандан на водород. Се состои од антипротон со поситрон  . Антиводород е единствениот вид на антиматерија атом кој се произведува  од 2015 година.

Природна појава

Водород, како атомски H, е најзастапениот хемиски елемент  во универзумот, што претставува 75% од нормалната материја со маса и повеќе од 90% од бројот на атоми (најголемиот дел од масата на универзумот, сепак, не е во форма на хемиски елемент тип на материја, туку се претпоставува да се јават како сè уште неоткриени форми на маса, како што темната материја и темната енергија ).  Овој елемент се наоѓа во големо изобилство во ѕвезди и гас гигант планети. молекуларна облаци на H 2 се поврзани со формирањето на ѕвезди . Водород игра витална улога во напојуванјето на  ѕвездите преку реакција мегју  протоните и циклусот на соединување произведува јадрено соединување. 

Во целиот универзум, водородот се наоѓаат главно во атомска и плазма состојби ции  својства се сосема различни од молекуларен водород. Како плазма, електрони и протони водород не се врзани заедно, што резултира со многу висока електрична спроводливост и висока емисивност (производство на светлина од сонцето и другите ѕвезди). Наелектризираните честички се многу под влијание на магнетни и електрични полиња. На пример, во сончевиот ветар тие комуницираат со Земјината магнетосфера сто  доведува до Birkeland струи и Аврора . Водород се наоѓа во неутрална атомски состојба  во меѓуѕвездената средина . Голема количина на неутрален водород најде во пригушено Лајман-алфа системи се смета дека доминираат во космолошки baryonic густина на вселената до црвено поместување z = 4. 
Под обични услови на Земјата, елементарен водород постои како двоатомски гас, H 2 . Сепак, водороден гас е многу редок  во атмосферата на Земјата (1 ppm по волумен) поради својата мала тежина, што му овозможува да се избега од гравитацијата на Земјата полесно отколку потешки гасови. Сепак, водород е трет најзастапен елемент на површината на Земјата, претежно во облик на хеимски соединенија како јаглеводородот и водата. во најголем дел во форма на хемиски соединенија , како што се јаглеводороди и вода. Водородниот гас се произведува од страна на некои бактерии и алги и претставува природна компонента на гасови , како што еметанот , самиот извор на водород од големо значење.

Молекуларна форма наречена протонски молекуларен водород ( H + 3 ) се наоѓа во меѓуѕвездената средина, каде што се генерирани од страна на јонизација на молекуларен водород од космичките зраци . Ова обвинет јон, исто така, се забележани во горниот дел од атмосферата на планетата Јупитер . Јонот  е релативно стабилен во вселената поради ниската температура и густина. H + 
3 е еден од најзастапените јони во универзумот, и игра забележлива улога во хемијата на меѓуѕвездената средина. НеутралнИОТ  триатомски водород H 3 може да постои само во возбудени форма и е нестабилен.  за разлика од тоа, позитивниот  молекуларен водород ( H + 2 ) — ретка молекула во универзумот.

Продукција

Н2 се произведува во хемиски  и биолошки  лаборатории, најчесто како нус-производ на други реакции; во индустрија за хидрогенација на незаситени  подлоги; и во природата како средство за протерување на намалување еквиваленти во биохемиски реакции.

 Реформирање на пареа 

Водород може да бидат подготвен на  неколку различни начини, но економски најважните процеси вклучуваат отстранување на водород од јаглеводороди а околу 95% од производството на водород доаѓа од реформирање со пареа околу 2000 година Комерцијалниот  водород обично се произведува со  реформиранје со пареа на природен гас . На високи температури (1000-1400 К, 700-1100 °C или 1300-2000 °F), пареа (водена пареа) реагира со метан  за да даде  јаглерод моноксид и  H 2 .

  +  → CO + 3 

Оваа реакција е фаворизирана при ниски притисоци, но, сепак е спроведена  на високи притисоци (2,0 MPa, 20 atm или 600  inHg ). Тоа е затоа што при висок притисок добиен  H2 најмногу се продаваи  системи за прочистување (ПСА) работат подобро на повисоки притисоци. Мешавина на производот е познат како синтетицки гас , бидејќи тоа често се користи директно за производство на метанол и сродни соединенија. Јаглеводород , освен метан, можат да се користат за производство на синтетски гас со различни пропорции на производот. Една од многуте компликации на оваа високо оптимизиран технологија е формирање на јаглен  или јаглерод:

  → C + 2 

Како резултат на тоа, реформирање со пареа  обично е совишок на H 
2 O . Дополнителен  водород може да се обнови од пареа со употреба на јаглерод моноксид преку реакција промена  , особено со железо  како катализатор. Оваа реакција е, исто така, распространет  индустриски извор на јаглерод диоксид:

 CO +  →  + 

Други важни методи задобиванје на H2 се  делумна оксидација на јаглеводороди:

 2  +  → 2 CO + 4 

И реакција на јаглен, што може да послужи како вовед во реакцијата на промена, погоре:

 C +  → CO + 

Водород понекогаш се произведува и консумира во истиот индустриски процес, без да бидат одвоени. Во процесот Хабер за производство на амонијак , водород е генерирана од природен гас. [84] електролиза на солена вода за да се добие хлор , исто така, произведува водород како ко-производ. Електролизата на расолница за добивање на хлор исто така дава водород како нуспроизвод.

Meтал-киселина

Во лабораторија , H 2 е обично подготвени од реакцијата на разредена не-оксиданси киселина на некои реактивни метали како цинк со апарат знаењето е моќ .

 Zn + 2  →  + 

Алуминиум исто така може да произведе H2  по третман со бази.

 2 Al + 6  + 2  → 2  + 3 

 Електролиза е едноставен метод на производство на водород. Низок напон струја се спроведува  низ  вода, и гасовит кислород се формира  на анода додека гасовит водород се формира на катодата . Обично катодата е направен од платина или друг инертен метал кога е за производство на водород за складирање. Ако, пак, гасот е да се запали на лице место, кислородот е пожелно да помогне при  согорување, и така двете електроди ќе бидат  направен од инертен метал. (Железо, на пример, ќе оксидира, а со тоа да се намали добиениот  кислород) Теоретска максимална ефикасност (електрична енергија која се користи наспроти  енергетската вредност на водород произведен) — во опсег од 80-94%.

 2 (l) → 2 (g) + (g)

Легура на алуминиум и галиум во форма на пелети додадена на вода може да се користи за производство на водород. Процесот исто така, произведува алуминиум оксид  , но скапиот  галиум, која го спречува формирањето на поврсински оксид на пелетите ,па  може повторно да се користат. Тоа има важни потенцијалните импликации за економија на водород, како водород може да се произведува на лице место и не треба да биде транспортиран.

 Термохемикали 

Постојат повеќе од 200 термохемикални циклуси, што може да се користи за разделувањето на водата , околу една десетина од овие циклуси како што циклус железен оксид , цериум (IV) оксид-цериум (III) оксид циклус , цинк цинк-оксид циклус , сулфур, јод циклус , бакар-хлор циклус и хибридни сулфур циклус се во фаза на истражување и во фазата на тестирање за производство на водород и кислород од водата и топлина, без користење на електрична енергија. Голем број на лаборатории (вклучувајќи ги Франција, Германија, Грција, Јапонија, и САД) се развива термохемикални методи за производство на водород од сончева енергија и вода.

 Анаеробна Корозија 

Под анаеробни услови, железо и челик легури се оксидира бавно од протони вода истовремено се намалени во молекуларен водород (). На анаеробни корозија на железо прво води до формирање на црн хидроксид (зелен ’рѓа) и може да се опише со следнава реакција:

 Fe + 2 O →  + 

Пак, под анаеробни услови, црн хидроксид () може да се оксидира со протоните на вода за да се формира магнетит и молекуларен водород. Овој процес е опишан од страна на реакција Шикор:

 3  →  + 2 O + 
 ''ferrous hydroxide → magnetite + water + hydrogen'

Добро кристализиран магнетит () — термодинамички постабилен од црна хидроксид ().

 Галерија 

 Наводи 

 Надворешни врски 

 Физички својства на водородот на Hemija.net  


Водород
Категорија:Двоатомски неметали
Категорија:Ладила
Категорија:Редуктивни агенси