Загальна інформація

Водень(гідроген,хімічний символ — H,лат.Hydrogenium) — хімічний елемент з атомним номером 1, який належить до 1-ї групи (за старою класифікацією — головної підгрупи 1-ї групи), 1-го періоду періодичної системи хімічних елементів, та є першим і найпростішим представником усіх хімічних елементів взагалі. Найбільш розповсюджений елемент Всесвіту. Належить до неметалів.

Також, вoдень (H₂) — проста речовина, яку утворює хімічний елемент водень — (за нормальних умов) дуже легкий (найлегший), двоатомний газ без запаху, кольору та смаку.Водень погано розчиняється у воді та інших розчинниках (спирт, гексан), добре — у багатьох металах, найкраще в паладії (в одному об'ємі паладію розчиняється вісім об'ємів водню). Водень входить до багатьох природних сполук, найважливіша з яких — вода. Сполуки з неметалами та металами називаються гідридами. Суміш водню з киснем (гримучий газ) вибухонебезпечна. Водень є відновником. Сировина для промислового отримання водню — гази нафтопереробки, гази природні, продукти газифікації вугілля та вода; а також, сільськогосподарські та інші органічні відходи та стічні води для отримання біоводню. Основний лабораторний спосіб отримання водню — взаємодія цинку та соляної кислоти в апараті Кіпа. Водень застосовують для синтезу аміаку, метилового спирту, в процесах гідрогенізації, при зварюванні й різанні металів тощо. Водень — перспективне газоподібне пальне.Три ізотопи водню мають власні назви: ¹H — протій (Н), ²H — дейтерій (D) і ³H — тритій (T). Дейтерій і тритій використовують в атомній енергетиці.

Історія

Виділення горючого газу при взаємодії кислот та металів спостерігали у XVI та XVII століттях на початку становлення хімії як науки, такі вчені як, наприклад, Парацельс чи Роберт Бойль. У своїй дисертації «Про металевий блиск» Михайло Ломоносов описав отримання водню в результаті дії кислот на залізо та інші метали, і першим (1745) висунув гіпотезу про те, що водень являє собою флогістон. 1766 року і відомий англійський фізик та хімік Генрі Кавендіш, який докладним чином вивчив властивості водню, висунув подібну ж гіпотезу. Досліджуючи, як при спаленні водень давав воду, він називав його «горючим повітрям», отриманим з «металів», і вважав, як і всі флогістики, що при розчиненні в кислотах метал втрачає свій флогістон. Дотримання Кавендішом теорії флогістону завадило йому зробити правильні висновки. Французький хімік Антуан Лавуазьє разом із інженером Жаном Меньє, використовуючи спеціальні газометри, у 1783 році здійснили синтез води, а згодом її аналіз, розклавши водяну пару розжареним залізом. Таким чином вони встановили, що водень входить до складу води (H₂O) та може бути отриманий із неї. Ізотопи водню було відкрито в 30-x роках XX століття й вони швидко набули великого значення в науці й техніці. Наприкінці 1931 року Юрі Брекуедд і Мерфі досліджували залишок після тривалого випарювання рідкого водню і виявили в ньому важкий водень ²Н з атомною масою 2. Цей ізотоп назвали дейтерієм (Deuterium, D) від грец. — другий. Через чотири роки у воді, підданій тривалому електролізу, було виявлено ще важчий ізотоп водню ³Н, який назвали тритієм (Tritium, Т), від грец. «третій».

Орто- і параводень

Молекулярний водень існує в двох спінових формах (модифікаціях) — у вигляді орто- і параводню. У молекулі ортоводню o-H2 (температура плавлення -259,10 °C, температура кипіння -252,56 °C) ядерні спіни спрямовані однаково (паралельно), а у параводню п-H₂ (температура плавлення -259,32 °C, температура кипіння -252,89 °C) — протилежно один до одного (антипаралельно). Рівноважна суміш o-H₂ і п-H₂ при заданій температурі називається рівноважний водень e-H₂.
орто -H₂⇆пара -H₂ΔH_R⁰=-0,08кДж/моль
Перехід з одної у другу форму відбувається відповідно при зміні енергії у системі (відводі чи додаванні).

Розділити алотропні модифікації водню можна адсорбцією на активованому вугіллі при температурі рідкого азоту. При дуже низьких температурах рівновага між ортоводнем і параводнем сильно зміщується в бік пара. У рідкому стані рівноважний водень складається з 99,79 % пара-Н₂ і 0,21 % орто-Н₂. При 80 К співвідношення форм приблизно 1:1. Десорбований параводень при нагріванні перетворюється в ортоводень аж до утворення рівноважної при кімнатній температурі суміші (орто: пара = 75:25). Без каталізатора перетворення відбувається повільно (в умовах міжзоряного середовища — з характерними часами аж до космологічних), що дає можливість вивчити властивості окремих модифікацій. Молекули дейтерію і тритію також мають орто- і пара-модифікації: p-D₂, o-D₂, p-T₂, o-T₂, залежно від орієнтації спінів ядер. Гетероізотопні молекули HD, HT, DT не мають орто-і пара-модифікацій.