[МУЗЫКА] [МУЗЫКА] Здравствуйте! На второй неделе курса мы переходим к химии элементов и начнем с самого простого химического элемента — водорода. Сегодня на лекции нам понадобится вот этой небольшой реквизит, чуть дальше вы узнаете, почему. Итак, водород находится в уникальном первом периоде периодической системы, в котором всего лишь два элемента: водород и гелий. Водород — самый простой химический элемент, в его составе всего лишь один электрон. Тем не менее этот самый распространенный во Вселенной элемент. Его масса составляет более 90 % массы Солнца и других космических объектов. Но на Земле водород занимает лишь 5-е место по распространенности. Он крайне редко встречается в виде простого вещества, но входит в состав воды, минералов и всех живых существ. Химики часто спрашивают: в какую группу периодической системы поместить водород, в первую или в седьмую? С чем связан этот вопрос? Дело в том, то у водорода всего лишь один валентный электрон, он образует катион H+, и его эти свойства напоминают свойства элементов первой группы щелочных металлов. Однако водород — не металл. Давайте попробуем поместить водород в 7-ю группу, ведь, действительно, он образует анион, H− способен принять один электрон. Его простое вещество — это молекула H2, точно так же, как у молекул галогенов, находящихся в этой группе. Но наиболее характерная степень окисления водорода является +1, в отличие от галогенов. IUPAC рекомендует помещать водород в первую группу, мы будем поступать так же. Какие же степени окисления характерны для водорода? Я уже сказал, что для него характерна степень окисления −1, +1 и, конечно же, 0, которой водород образует простое вещество. Для степени окисления −1 характерны соединения такие, как NaH и CaH2. Это гидриды металлов. И наиболее характерными, выраженными свойствами этих соединений являются сильные соединительные свойства. В степени окисления +1 водород образует большинство своих соединений — это и вода, и кислоты, например HCl или H2SO4, и щелочи KOH или NaOH. В этой степени окисления, конечно же, водород может быть только окислителем — он может только понижать степень окисления. Но окислительные свойства слабые и в основном характерны только для кислот. В результате этих реакций водород в степени окисления +1 превращается в простое вещество H2. Степень окисления 0 — это промежуточная степень окисления, и водород может быть как окислителем, так и восстановителем. Но, конечно же, наиболее характерными свойствами простого вещества являются восстановительные свойства. Хотя он их проявляет только при повышенной температуре и чуть дальше мы рассмотрим, почему. Следует также отметить, что есть особый водород в степени окисления 0 — атомарный водород, который выделяется в процессе получения простого вещества. Вот этот водород обладает уже сильными восстановительными свойствами. Каковы физические свойства простого вещества H2? Это газ, без цвета, без запаха и вкуса. Иногда получаемый в лаборатории водород имеет слабый запах, обусловленный наличием примеси. Это очень легкий газ, его плотность — всего лишь 0.09 кг/ м³. И именно поэтому водород начали использовать для заполнения дирижаблей и воздушных шаров. Его подъемная сила составляет 27 кг/моль или 1.2 г/литр при нормальных условиях. У меня есть шарик. Он очень похож на обычный гелиевый шарик, но наполнен водородом. Какие же опасности в заполнении водородом дирижаблей и воздушных шаров существовали, что от этого отказались? Конечно же, это опасность взрыва. Водород — крайне взрывоопасный газ, и это можно легко продемонстрировать. Я надену очки, наушники и попробую поджечь водород с помощью обычной газовой горелки. [ШУМ] Итак, как вы убедились, водород чрезвычайно взрывоопасен. Достаточно небольшой искры, чтобы огромный дирижабль или воздушный шар взорвались. Именно это и произошло со знаменитым дирижаблем Гинденбург, который прилетел из Европы в Америку и при посадке взорвался. Погибло огромное число людей, после чего использование водорода в качестве газа-наполнителя для воздушных шаров и дирижаблей прекратилось. Каковы другие физические свойства водорода? Водород плохо растворяется как в воде, так и в органических растворителях. Однако удивительно, но водород неплохо растворим в некоторых металлах и их сплавах, например в палладии и в платине. Температуры плавления и кипения водорода чрезвычайно низкие и составляют −253 и −259°C. Ниже температуры кипения и плавления имеет только гелий. Однако в виду того, что он менее доступен, водород часто используют для создания низких температур. Водород образует несколько изотопов, то есть типов атомов, в состав которых входит различное число нейтронов. Самый простой изотоп водорода — протий, в состав которого входит только один протон. Другой изотоп — дейтерий, в ядре его содержится один протон и один нейтрон. Также известен тритий, в ядро которого входит один протон и два нейтрона. Тритий является радиоактивным с периодом полураспада 12,4 года. Водород — единственный элемент в периодической системы, изотопы которого имеют собственные обозначения. Так, протий обозначается H, дейтерий — D, а тритий — T. Тритий используют для производства термоядерного оружия, и его получают путем бомбардировки лития-6 нейтронами. Обычно вещества, содержащие разные изотопы химических элементов, имеют одинаковые химические и физические свойства. Однако для водорода разница в массах изотопов огромна. Дейтерий в два раза тяжелее, чем протий, и это уже существенно сказывается на химических свойствах. Так, температура кипения обычной воды H2O — 100°C ровно, а температура кипения тяжелой воды D2O примерно на полтора градуса выше. Для чего применяют водород? Основное применение водорода связано с использованием его в качестве восстановителя. Так, в реакции с CO, а смесь CO и водорода называется синтез-газ, можно получить можно ценных органических продуктов, например метанол. Восстанавливая оксиды металлов водорода, можно получить чистые металлы, и эта реакция используется для получения в промышленности молибдена и вольфрама. Огромное количество водорода тратится на производство аммиака. В реакции с азотом в условиях повышенной температуры, давления и присутствии катализатора образуется аммиак, который затем перерабатывается в азотное удобрение, в красители, во взрывчатые вещества. Водород находит и применении в качестве восстановителя в органической химии. Так, алкены восстанавливаются до алканов, и эти реакции вы рассмотрите в курсе органической химии. Очень заманчивым выглядит применение водорода в качестве топлива в ракетах или даже в автомобилях, однако нужно учитывать его потенциальную взрывоопасность. Это особенно актуально сегодня, когда рост числа автомобилей, фабрик и заводов, загрязняющих нашу атмосферу становится огромным, и мы столкнулись с проблей глобального потепления. Заманчиво перейти от углеродного топлива (бензина, газа и других) на безуглеродное топливо, например на водород. Однако на этой пути предстоит решить еще целый ряд задач. Важнейшая из них — это проблема производства водорода. Сегодня его получают из углеродсодержащего сырья. Вторая проблема — проблема хранения водорода. Если мы будем сжимать водород под высоким давлением, что само по себе достаточно опасно, то мы все равно получим топливный бак, размером с саму машину. И третья проблема — проблема преобразования энергии. Необходимо разработать топливные элементы, которые позволят напрямую преобразовывать энергию химических связей молекул водорода в электрическую энергию и питать таким образом электродвигатель. Как получают водород сегодня? Как я уже отметил, основным способом получения водорода является его получение из углеродсодержащих источников. Такими источниками является природный газ и уголь. В результате каталитической конверсии метана водяным паром получается синтез-газ (CO и H2) с соотношением 1 : 3. Уголь газифицируется также водяными парами и получается CO и H2, но соотношение меньше 1 : 1. Дополнительно увеличить выход водорода возможно, проведя каталитическую реакцию сдвига: CO + снова водяной пар получается CO2 и H2, дополнительно 1 моль водорода. Заманчивым выглядит использование электролиза для получения водорода, однако нужно учитывать, что для этого требуются дешевые источники электроэнергии. Основным лабораторным способом получения водорода является взаимодействие активных металлов — таких, например, как цинк с кислотами. Именно так мы будем получать водород в лаборатории в аппарате Киппа — взаимодействием цинка и соляной кислоты. И также доступным, но реже используемым, способом получения водорода является взаимодействие металлов, образующих амфотерные гидроксиды, например цинка и алюминия с растворами щелочей. В этой реакции они дают растворимый гидроксокомплекс, например KAlH4 и молекулярный водород.
