§ 15. Водород

ВОДОРОД В ПРИРОДЕ: АБСОЛЮТНЫЙ ЧЕМПИОН ВСЕЛЕННОЙ

Водород — первый и самый фундаментальный элемент периодической системы Д. И. Менделеева. Это истинный космический исполин: во Вселенной на долю водорода приходится около половины массы всех видимых космических тел. Наше Солнце более чем наполовину состоит из раскалённого водорода, внутри которого непрерывно идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий, дарующие свет и тепло всей Солнечной системе. Водород образует колоссальные газовые атмосферы планет-гигантов — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, а также составляет гигантские межзвёздные газовые туманности.

На нашей планете из-за своей чрезвычайной лёгкости и летучести свободный газообразный водород практически не задерживается в атмосфере, однако в связанном химическом виде его запасы колоссальны:

• В гидросфере Земли: водород входит в состав молекул воды (H₂O), образующей океаны, моря, реки, ледники и грунтовые воды;
• В атмосфере: присутствует в виде водяного пара;
• В биосфере: вместе с углеродом, кислородом и азотом водород является базовым «элементом жизни» (органогеном), входя в состав белков, жиров, углеводов, ДНК и РНК всех живых клеток и тканей организма.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ИСТОРИЧЕСКИЙ УРОК ДИРИЖАБЛЕЙ

В виде простого вещества водород представляет собой двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха с химической формулой H₂.

Ключевые физические характеристики водорода:

• Рекордная лёгкость: водород — самый лёгкий из всех известных газов в мире. Он в 14,5 раза легче воздуха (молярная масса воздуха составляет 29 г/моль, а водорода — всего 2 г/моль);
• Растворимость: чрезвычайно плохо растворим в воде (в 100 объёмах воды при комнатной температуре растворяется лишь около 2 объёмов водорода);
• Температуры фазовых переходов: ожижается только при экстремальном глубоком охлаждении до −253 °C и замерзает при −259 °C.

Именно феноменальная подъёмная сила водорода определила его триумф в начале XX века, когда гигантские дирижабли и аэростаты бороздили небо, наполненные миллионами кубометров этого газа. Однако у водорода есть смертельно опасная уязвимость — катастрофическая огне- и взрывоопасность. Череда трагических крушений воздухоплавательных аппаратов (самым известным из которых стала гибель трансатлантического дирижабля «Гинденбург» в 1937 году) навсегда закрыла эпоху водородного воздухоплавания. В наши дни современные дирижабли, туристические воздушные шары и научные стратосферные метеозонды наполняют благородным газом гелием (He): гелий вдвое тяжелее водорода, но он абсолютно негорюч и безопасен.

ЛАБОРАТОРНЫЙ СИНТЕЗ И СПОСОБЫ СОБИРАНИЯ ВОДОРОДА

В школьной лаборатории водород получают взаимодействием активных металлов с растворами кислот.

Классическая лабораторная реакция — взаимодействие гранулированного цинка (Zn) с соляной кислотой (HCl):

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑

В ходе этой реакции атомы цинка вытесняют атомы водорода из кислоты: на поверхности серых гранул цинка мгновенно закипают и с шипением поднимаются вверх бесчисленные пузырьки невидимого газа, а в растворе остаётся растворимый хлорид цинка.

Способы собирания газа:

1. Метод вытеснения воздуха (пробирка вверх дном): поскольку водород значительно легче воздуха, газоотводную трубку направляют вверх, а приёмную пробирку надевают на неё строго вверх дном. Поступающий водород вытесняет более тяжёлый воздух вниз и собирается под куполом пробирки. Если перевернуть пробирку горлышком вверх, водород мгновенно улетучится в атмосферу.
2. Метод вытеснения воды: учитывая крайне низкую растворимость водорода в воде, его можно с высокой чистотой собирать в сосуд, предварительно заполненный водой и опущенный горлышком в ванночку (пневматическая ванна).

ПРОВЕРКА НА ЧИСТОТУ И ФЕНОМЕН «ГРЕМУЧЕГО ГАЗА»

Перед проведением любых опытов с водородом химик обязан проверить собранный газ на чистоту. Поджигать непроверенный водород в больших объёмах строжайше запрещено!

Методика распознавания и пробы на чистоту:

• Собранную пробирку поднимают, не переворачивая (держа вверх дном), и подносят горлышком к пламени спиртовки:
  • Чистый водород загорается спокойно, издавая мягкий, глухой приглушённый хлопок («пах»);
  • Водород с примесью воздуха вспыхивает мгновенно с резким, пронзительным, свистяще-«лающим» звуком. Это верный сигнал того, что в пробирке образовалась взрывоопасная смесь, и зажигать газ у газоотводной трубки категорически нельзя.

Гремучий газ:

Смесь 2 объёмов водорода и 1 объёма кислорода (2:1) либо водорода с окружающим воздухом в соотношении 2:5 носит историческое название гремучий газ. При контакте с малейшей искрой или пламенем реакция соединения протекает с колоссальной скоростью, выделяя гигантскую механическую и тепловую энергию. Происходит разрушительный взрыв, разносящий вдребезги тонкостенную стеклянную посуду.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДОРОДА

Молекулярный водород при комнатной температуре относительно инертен из-за прочной ковалентной связи между атомами (H–H), однако при нагревании или поджигании проявляет высочайшую химическую активность.

1. Горение в кислороде (образование воды):

Чистый водород горит в атмосфере кислорода почти бесцветным высокотемпературным пламенем, выделяя рекордное количество теплоты (+Q):

2H₂ + O₂ = 2H₂O

Реакция экзотермична. Пламя водородно-кислородной горелки разогревается до 2800 °C, что используется для автогенной высокоточной сварки и резки тугоплавких металлов, а также кварцевого стекла.

2. Взаимодействие с неметаллами:

При нагревании водород активно реагирует со многими простыми веществами-неметаллами. Например, при взаимодействии с расплавленной серой выделяется токсичный газ с удушливым запахом тухлых яиц — сероводород:

H₂ + S =(t)=> H₂S↑

3. Восстановительные свойства (водородная металлургия):

Одно из важнейших свойств водорода — его способность отнимать кислород у химических соединений, выступая в роли мощного восстановителя. Если через нагретую стеклянную трубку с чёрным порошком оксида меди(II) пропускать ток сухого водорода, то чёрный порошок прямо на глазах светлеет и превращается в блестящую розовато-красную металлическую медь, а на холодных стенках трубки оседают капли воды:

H₂ + CuO =(t)=> Cu + H₂O

Этот процесс позволяет химикам и металлургам получать сверхчистые металлы (медь, вольфрам, молибден, железо) без нежелательных углеродных примесей.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА

Благодаря уникальному комплексу свойств водород находит широчайшее применение:

• Энергетика и транспорт: водород служит непревзойдённым ракетным топливом для ступеней тяжёлых космических ракет-носителей (сжигается в паре с жидким кислородом). В настоящее время активно развивается водородный транспорт на экологически чистых топливных элементах: продуктом работы такого двигателя является чистая дистиллированная вода, полностью исключающая вредные выбросы CO₂ и сажи.
• Металлургия: прямое восстановление тугоплавких и цветных металлов (W, Mo, Cu) из их оксидов.
• Химический синтез: водород является сырьём номер один для промышленного синтеза аммиака (NH₃), который затем перерабатывается в азотные удобрения и азотную кислоту, а также для крупнотоннажного производства соляной кислоты (HCl) и метанола.
• Сварка и резка металлов: применение кислородно-водородных горелок с температурой пламени под 3000 °C.