Здравствуйте! На второй неделе курса мы переходим к химии элементов и начнем с самого простого химического элемента — водорода. Сегодня на лекции нам понадобится вот этот 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 это самый распространенный во Вселенной элемент. Его масса составляет более 90 процентов массы Солнца и других космических объектов. Но на Земле водород занимает лишь пятое 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, что у водорода всего лишь один валентный электрон, он образует катион H плюс, и эти свойства напоминают свойства элементов первой группы — щелочных металлов. Однако водород неметалл. Давайте попробуем поместить водород в седьмую группу, ведь действительно он образует анион H минус, способен принять один электрон. Его простое вещество это молекула H2, точно так же, как у молекул галогенов, находящихся в этой группе. Но наиболее характерной степенью окисления водорода является плюс один 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 характерны степени окисления минус один, плюс один и, конечно же, ноль, в которой водород образует простое вещество. Для степени окисления минус один характерны соединения, такие как NaH и CaH2 — это гидриды металлов, и наиболее характерными, выраженными свойствами этих соединений являются сильные восстановительные свойства. В степени окисления плюс один 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 плюс один превращается в простое вещество H2 в степени окисления ноль, 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 ноль — 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 примесей. Это очень легкий газ, его плотность всего лишь 0.09 килограмм на метр кубический, и именно поэтому водород начали использовать для заполнения дирижаблей и воздушных шаров. Его подъемная сила составляет 27 килограмм на моль или 1.2 грамм на литр при нормальных условиях. У меня есть шарик, он очень похож на обычный гелевый 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. 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 минус 253 и минус 259 градусов Цельсия. Ниже температуры кипения и плавления имеет только гелий. Однако ввиду 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 содержатся 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 системе, 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 градусов Цельсия 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 много ценных органических продуктов, например, метанол. Восстанавливая оксиды металлов водородом, можно получить чистые металлы. 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 присутствия катализатора образуется аммиак, который затем перерабатывается в азотные удобрения, в красители, во взрывчатые вещества. Водород находит и применение 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 проблемой глобального потепления. Заманчиво перейти от углеродного топлива (бензина, газа и других) на безуглеродное топливо, например, на водород. Однако на этом пути предстоит решить еще целый ряд задач. Важнейшие 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 молекулы 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 являются природный газ и уголь. В результате каталитической конверсии метана водяным паром получается синтез-газ CO и H2 с соотношением один к трем. Уголь газифицируется также водяными парами и получается CO и H2, но соотношение меньше: один к одному. Дополнительно увеличить выход водорода возможно, проведя каталитическую реакцию сдвига: CO плюс 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, K(Al(OH)4), и молекулярный водород.
