Физические свойства водорода - характеристики и сферы применения

Общие сведения

В XVI веке были проведены различные эксперименты по взаимодействию металлов с кислотами. Генри Кавендиш, исследуя реакции, наблюдал появление газа, который был им назван «горючим воздухом». Учёный пробовал сжигать это вещество и в результате получал воду. Таким образом, был открыт синтез разложения водяного пара. В дальнейшем Лавуазье и Менье установили, что газ может не только превращаться в воду, но и быть получен из неё.

Открытие элемента сыграло важную роль в науке. Теория Нильса Бора, объяснявшая особенности строения атомов и внутренний закон периодичности, была полностью подтверждена при изучении спектра водорода. Опытным путём установлено, что обычная форма свободного существования вещества представляет двухатомную молекулу.

Современное название «водород» было предложено русским химиком Соловьёвым. Он смог узнать, что атомы, входящие в состав вещества, намного легче, чем у других газов, поэтому элемент является самым легчайшим из всех известных материалов. В периодической таблице Менделеева на первом месте оказался именно водород, так как классификация в ней осуществляется по атомному весу — фундаментальной характеристики физического тела.

На Земле в свободном состоянии водород встречается в небольших количествах. Зафиксированы случаи его появления при вулканических извержениях и бурении глубоких скважин. С другой стороны, присутствие молекулы газа довольно распространено в различных соединениях. Например, девятую часть воды составляют атомы водорода. От общего же содержания молекул в земной коре количество элемента составляет около 17%.

Во Вселенной атомы газа входят в состав большинства звёзд и планет, например, Солнца, Юпитера, Сатурна. На некоторых планетарных телах он может существовать в твёрдом виде. Наибольшее же распространение на Земле элемент получил, находясь в соединении со следующими веществами:

• серой (H2S);
• кислородом (H2O);
• углеродом (CH4);
• азотом (NH3, N2H4);
• хлором (HCl).

Интересно, что как полагает ряд учёных, старение организма связано с водородным дефицитом. В противоположность кислороду, который является сильнейшим окислителем, атомы вещества — восстановители. Дыхание происходит с отщеплением протонов (водорода) от субстратов. В этом помогает кислород, который образовывает ионы газа.

Особенности водорода

Все характеристики элемента связаны с его строением. Атом водорода представляет собой физико-химическую систему, в состав которой входит положительно заряженное ядро и обладающий отрицательным потенциалом электрон. В центре находится протон с несколькими нейтронами. Именно они образуют изотоп водорода. Считается, что в спокойном состоянии радиус оболочки атома близок к боровскому и равняется 0,529 Å.

Согласно теории Бора, перемещение атома ограничивается индивидуально-устойчивой орбитой. Пока он располагается на ней, излучение энергии не происходит. Наибольшая плотность электронного облака достигается при максимальном удалении от центра. Из-за существования центробежной силы электрон не падает на ядро и вращается на 1S-орбитале.

Особое положение в периодической системе обусловлено тем, что для устойчивого состояния не хватает одного электрона: H⁰ — 1е = H⁺. Такое строение сходно со щелочными металлами, хотя оно и условное. Водород принадлежит к группе S-элементов. Единственный отрицательный заряд участвует в формировании химических связей. Он может быть как донором, так и акцептором.

Вещество относится к газам и принадлежит к группе неметаллов. В химии обозначается латинской буквой H. Основные физические свойства элемента:

1. Точку плавления. По Кельвину температура перехода в другое состояние составляет 14,01 градуса.
2. Температуру кипения. Процесс интенсивного парообразования наступает при минус 252,87 градусах Цельсия.
3. Элемент относится к диамагнетикам. Его магнитная проницаемость меньше единицы.
4. Газ не имеет цвета, коэффициент преломления 1,000132.
5. Радиус ядра равняется 1,4 * 10^-15 метра, а атома — 53 * 10^-12 м.
6. Водород не имеет вкуса.
7. Один литр вещества достигает массы 0,0899 г.
8. Связь атомов ковалентная.
9. В одном литре воды при нормальных условиях можно растворить более 2 см³ газа.

Установлено, что межъядерное расстояние составляет 0,0741 нанометров, а энтальпия диссоциации при комнатной температуре равняется 436,1. Теплопроводность при одной атмосфере достигает 0,174 Вт. Удельная теплоёмкость составляет 14,208 кДж / (кгхК). В жидком состоянии элемент обладает плотностью 0,0708 г/см³, а в текучем — вязкостью 13,8 пуаз. Водород быстрее распространяется в пространстве, чем другие газы. Он спокойно проникает через мелкие поры, а при нагреве — даже сквозь сталь.

Основные свойства

Главное свойство водорода заключается в способности восстанавливать вещества, находящиеся в четвёртой, пятой и шестой группе периодической таблицы. Если в атмосферу газа поместить угольные электроды и вызвать между ними электрический разряд, образуется ацетилен. При взаимодействии с кислородом возникает устойчивое соединение — вода.

В обычных условиях элемент характеризуется низкой способностью реагировать с веществами, но если его нагреть, ситуация изменяется на противоположную. При подогреве проявляются восстановительные свойства. Он способен реагировать как с оксидами, так и свободными металлами. Например, реакцию получения вольфрама и молибдена можно описать уравнением: WO3 + 3H2 — W + 3H20. Кроме этого, при нагреве свыше 150⁰С газ способен восстановить двойные и даже тройные связи органических соединений: H2C = CH2 + H2 — H3C — CH3.

Вещество для металлов является окислителем. Но для этого необходима температура порядка 700 градусов по Цельсию. При таком нагреве он образует соединения со щелочными металлами и элементами второй группы. Для примера можно привести уравнение, описывающее взаимодействие с расплавленным натрием: 2Na + H2 — 2NaH .

Подобно многим летучим веществам, газ может образовывать десятки тысяч соединений. Большая часть — органические. К важнейшим из них можно отнести:

• ковалентные гидриды;
• кислоты;
• щёлочи;
• соединения внедрения;
• комплексные и ионные гидриды.

Водород может существовать во всех агрегатных состояниях. Если жидкое можно описать как криогенное, то твёрдое — снегоподобное. Текучий водород не имеет цвета и запаха, а при смешивании с воздухом образует взрывоопасную смесь. Сжижение приводит к уменьшению объёма, что позволяет его хранить в специальных контейнерах под давлением. Жидкий водород нашёл применение как ракетное топливо. Вещество в текучем состоянии опасно для человека: вдыхание паров приводит к отёку лёгких, а при взаимодействии с кожей вызывает обморожение.

Водород становится твёрдым при сильном давлении. Если оно достигает 150 ГПа, происходит кристаллизация, характеризующаяся замедлением вращения молекул. В этом состоянии твёрдый газ является диэлектриком. При достижении давления 300 ГПа элемент переходит в состояние металла.

Превращение в металл

Изучение физической способности преобразования водорода в металл сегодня наиболее перспективное исследование, касающееся газа. В начале 2020 года международная группа учёных закончила ряд экспериментов и опытов, сумев создать новую формулу водорода — «металлическую». Ранее такое превращение обсуждалось только на стадии теории начиная с 1953 года.

Считалось, что для того, чтобы простой водород стал металлом, нужно создать давление, превышающее атмосферное более чем в 4 млн раз. Достигнуть такой величины было невозможно до тех пор, пока учёные не применили «алмазную наковальню». Это устройство с ячейками конической формы, позволяющее за счёт кристаллов получить сжатие более 500 ГПа. При этом прозрачность алмаза даёт возможность проводить исследования, используя электромагнитное излучение.

Как оказалось, для получения металла не нужно сверхбольшого давления: уже при 300 ГПа он становится твёрдым и не пропускает свет. Если же сдавливание довести до 425 ГПа и подогреть систему до 80 градусов по Цельсию, водород потеряет прозрачность и для инфракрасного излучения. Эти факторы и позволили утверждать учёным о получении нового типа вещества. При этом с оговоркой, что пока только доказана возможность перехода в металлическую форму.

Критическое давление приводит к излому кристаллической решётки молекулярного водорода. Плотные связи молекул отделяются и трансформируются в атомарный водород, превращающийся в металл. Следующим этапом исследований будет получение метастабильного вещества, то есть не изменяющего форму после снятия сжатия.

Если сравнить воздействие температуры и давления можно сделать вывод, что при критическом значении первого условия атомы водорода распадаются, а втором — кристаллизуются. Какой метод превращения найдёт большее применение, пока неизвестно. Но то, что даже краткое снятие давления с вещества приводит к выделению энергии порядка 290 МДж/кг, доказано опытным путём. Это значение в несколько раз превышает возможности любого известного вида топлива.

Исследования показали, что металлический водород может использоваться как сверхпроводник. Прогнозируемые потери при передаче энергии должны снизиться на 15−20%. Его можно использовать в транспортной системе, повысив эффективность электромобилей и других радиоустройств.