Водород самый распространенный элемент не только во вселенной

Водород

Водород (лат. Hydrogenium) — химический элемент I группы периодической системы Менделеева, атомный номер 1, атомная масса 1,0079

Водород широко распространен в природе, его содержание в земной коре составляет по массе 1%. Он входит в состав самого распространенного вещества на Земле — воды, в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, а также организмы животных и растений. В космосе водород является самым распространенным элементом. В виде плазмы он составляет около половины массы Солнца, большинства звезд и т. д.

На рисунке изображен работающий на водороде топливный элемент, который используется в электрохимическом генераторе для преобразования химической энергии (топлива и окислителя) в элек трическую. Справа внизу: Автомобиль на водородном топливе. Справа вверху: В будущем, возможно, в ракетах, отправляющихся в космос, будет использоваться в качестве топлива водород; это поможет сэкономить топливные ресурсы Земли

В 1766 г. английский химик Г. Кавендиш собрал вытесняемый металлами из кислот «горючий воздух», исследовал его свойства. Но лишь в 1787 г. А. Лавуазье доказал, что этот «воздух» входит в состав воды, и дал ему название «гидрогениум», т.е. «рождающий воду», «водород».

На долю водорода на Земле, включая воду и воздух, приходится около 1% по массе. Это весьма распространенный и жизненно важный элемент. Он входит в состав всех растений и животных, а также самого распространенного на Земле вещества — воды.

Водород — самый распространенный элемент Вселенной. Он стоит в начале длинного и сложного процесса синтеза элементов в звездах.

Солнечная энергия — основной источник жизни на Земле. А первооснова этой энергии — термоядерная реакция, происходящая на Солнце в несколько стадий. Результат ее — образование из 4 ядер водорода — протонов, одного ядра гелия и двух позитронов. При этом выделяется огромное количество энергии.

Человеку удалось воспроизвести на Земле не очень точное подобие главной солнечной реакции. В земных условиях мы можем заставить вступить в такую реакцию только тяжелые изотопы водорода 2 Н-дейтерий и 3 Н-тритий. Обычный же водород с атомной массой 1-протий — нам в этом смысле неподвластен. Управляемый термоядерный синтез как безграничный источник мирной энергии пока недоступен человеку.

В периодической системе элементов водород занимает особое место. Это элемент, с которого начинается периодическая таблица Менделеева. Он обычно стоит в I группе над литием. Потому что у атома водорода всего один валентный электрон (и вообще один электрон). Однако в современных изданиях таблицы Менделеева водород помещают также в VII группе над фтором, так как у водорода находят общее с галогенами. К тому же водород способен давать соединения с металлами — гидриды. Практически из них наиболее важно соединение лития с тяжелым водородом дейтерием.

Получение водорода в школьной лаборатории с помощью аппарата Киппа по реакции цинка с разбавленной серной кислотой

У изотопов всех элементов основные физические и химические свойства практически идентичны. Но у изотопов водорода — протия, дейтерия и трития — они отличаются довольно сильно. Например, температуры кипения протия, дейтерия и трития различаются на несколько градусов. Поэтому изотопы водорода разделить легче, чем изотопы любого другого элемента.

Водород — бесцветный газ, без вкуса и запаха. Он самый легкий из всех газов, в 14,4 раза легче воздуха. Водород становится жидким при — 252,6°С и твердым — при — 259,1°С.

В обычных условиях химическая активность водорода невысока, он реагирует с фтором и хлором. Но при повышенной температуре водород взаимодействует с бромом, иодом, серой, селеном, теллуром, а в присутствии катализаторов — с азотом, образуя аммиак NH₃. Смесь 2 объемов Н₂ и 1 объема O₂ — ее называют гремучим газом — при поджигании сильно взрывается. Водород горит в кислороде несветящимся пламенем, образуя воду.

При высокой температуре водород способен «изъять» кислород из молекул многих соединений, в том числе из большинства оксидов металлов. Для химика водород — это прежде всего великолепный восстановитель, правда, пока еще довольно дорогой. Да и работать с ним непросто. Поэтому в промышленных масштабах восстановление водородом (например, металлов из оксидов) применяется весьма ограниченно.

Водород широко используют в процессе гидрогенизации — превращения жидких жиров в твердые, например для получения из растительных масел пищевого маргарина, а также в ряде химических синтезов. Крупнейшими потребителями водорода в химической промышленности до сих пор остаются производства аммиака и метилового спирта.

Все больший интерес в наши дни проявляют к водороду как к источнику тепловой энергии. Действительно, при сгорании чистого водорода выделяется значительно больше тепла, чем при сжигании такого же количества любого горючего. Появились даже конструкции автомобилей на водородном топливе. В большинстве из них источником водорода служат твердые гидриды некоторых металлов, которые при определенных условиях прочно удерживают связанный с ними водород. Но стоит эти условия изменить, например повысить температуру сверх какого-то, обычно довольно невысокого, порога, и водород начинает выделяться в устройство, заменяющее такой машине карбюратор. Конечно, на пути создания массового водородного автомобиля еще стоят многие технические трудности. Но, видимо, они будут преодолены достаточно скоро, так как такое топливо энергетически выгодно. К тому же при сжигании водорода не образуется вредных примесей, загрязняющих атмосферу, а получается только чистая вода.

Источник

Водород самый распространенный элемент не только во вселенной

§7.1 Водород как элемент. Положение в Периодической таблице. Распространенность в природе.

Водород – 1-й элемент Периодической таблицы (заряд ядра 1), химический знак – Н, относительная атомная масса (атомный вес) 1,008 (округленно 1). Валентность водорода в соединениях равна единице, наиболее распространенная степень окисления +1. Молекула водорода Н 2 , молекулярная масса (молекулярный вес) 2,016 (округленно 2 а.е.м). Молярная масса 2 г/моль.

Если кислород является самым распространенным элементом в земной коре, то водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Водород составляет около 70 % массы Солнца и звезд. Поскольку водород – наиболее легкий из всех элементов, то такая внушительная масса требует огромного количества атомов этого элемента. Из каждых 100 атомов, встречающихся во Вселенной, 90 – атомы водорода.

Вероятно, когда-то водород входил и в атмосферу Земли. Но из-за своей легкости он способен покидать атмосферу, поэтому доля водорода в воздухе ничтожно мала. В связанном виде водород составляет 0,76 % массы Земли. Наиболее важным соединением водорода, встречающимся в природе, является вода.

Водород – газ, типичный неметалл. Образует прочные ковалентные двухатомные молекулы Н 2 .

Нетрудно подсчитать плотность водорода: 1 моль в обычных условиях занимает 22,4 л, а молярная масса водорода равна 2 г. Следовательно, плотность в пересчете на 1 л составит 2 г/22,4 л = 0,09 г/л. Плотность воздуха заметно выше – 1,305 г/л, поэтому наполненные водородом предметы испытывают выталкивающую силу атмосферы.

Водород становится жидким при очень низких температурах (-253 °С), а твердый водород получить еще труднее (температура плавления твердого водорода -259 °С).

О водороде как элементе вы знаете уже довольно много. Атом водорода – самый простой из всех атомов. Его ядро состоит из единственного протона. Этот (самый распространенный) изотоп водорода называют также протием , чтобы отличить от дейтерия – другого изотопа водорода, в ядре которого 1 протон и 1 нейтрон. Дейтерий не радиоактивен, но находится в природе в очень небольшом количестве. Тем не менее, его научились выделять для нужд ядерной энергетики. Дейтерий – один из немногих изотопов в химии, имеющий свой собственный символ D. Наиболее известным химическим соединением, в которое входит дейтерий, является «тяжелая вода» D 2 O.

В ядерных реакциях образуется еще один изотоп водорода – тритий, в ядре которого 1 протон и 2 нейтрона. Тритий (химический символ T) радиоактивен, период его полураспада чуть больше 12 лет. Однако в природе он все-таки встречается, хотя и в ничтожных количествах — в обычной воде один атом трития приходится на 10 18 атомов протия. Этот тритий — космического происхождения. Он постоянно образуется в атмосфере благодаря тому, что быстрые космические нейтроны расщепляют атомы азота на два фрагмента: углерод-12 и тритий. Протоны высоких энерний, из которых в основном состоят космические лучи, тоже могут порождать тритий при взаимодействии с ядрами любых элементов, входящих в состав атмосферы.

Таким образом, известны 3 изотопа водорода: 1 1 H (или просто H), 2 1 H (или D), 3 1 H (или T). Поскольку в ядре любого изотопа водорода всегда только один протон, то электронная оболочка включает только один электрон, занимающий самый нижний электронный уровень 1s. Таким образом, любой изотоп водорода имеет только одну – и притом валентную – оболочку 1s 1 .

Электронный уровень 1s вмещает не более 2-х электронов и атому водорода достаточно приобрести или потерять один электрон, чтобы достичь устойчивой электронной конфигурации:

Н — 1е — = Н + положительный ион водорода (нет е — )

Н + 1е — = Н — отрицательный ион водорода (1s 2 )

Первое уравнение говорит о родственной связи водорода с элементами I группы – щелочными металлами, которые охотно отдают единственный внешний электрон и образуют положительные ионы Li + , Na + , K + и т.д. Второе уравнение свидетельствует о близости водорода к элементам VII группы, которым не хватает одного электрона для завершения внешней оболочки и которые легко принимают чужой электрон с образованием ионов F — , Cl — , Br — и т.д.

Типичными неметаллическими свойствами этот элемент больше похож на элементы VII группы (фтор, хлор, бром т.д.). Но водород не является р-элементом и более охотно ОТДАЕТ электрон, чем принимает. Поэтому его нахождение в группе s-элементов – активных восстановителей – также имеет смысл. В связи с этим водород часто помещают в I группу Периодической таблицы, а в VII группе повторяют его символ в скобках. Но есть и такие издания Периодической таблицы, где его основным местом является именно VII группа. И то и другое – правильно.

** 7.1 (НГУ). “Тяжелая вода” D 2 O, полученная в результате реакции кислорода с водородом, обогащенным дейтерием, имеет молярную массу 18,2 г. Рассчитайте содержание обоих изотопов в исходном водороде, считая, что кислород состоит практически только из изотопа 16 O.

Источник

Новости

Залы планетария: 10:00 — 21:00
«Ретро-кафе»: 10:00 — 20:00
Выходной день: вторник

Музей Лунариум временно закрыт.
Ознакомьтесь с правилами посещения.

Элементы: Водород – самый распространённый элемент Вселенной

Несмотря на то, что водород является самым распространённым химическим элементом в природе, открыт он был только в 18 веке. В1766 году английский ученый Генри Кавендиш провёл ряд опытов с различными металлами, помещая их в растворы серной и соляной кислот. В результате каждого эксперимента он получал одно и то же легкое газообразное вещество, которое назвал «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду. Полученную таким способом воду в 1783 году детально изучил французский химик Антуан Лавуазье, осуществив её анализ, разлагая водяной пар раскалённым железом. Так он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё выделен.

Молекула воды H₂O

Лавуазье дал полученному газу название hydrogène (др. греч. — рождающий воду). Русский термин «водород» предложил химик Михаил Соловьёв в 1824 году — по аналогии с «кислородом» Ломоносова.

Водород — самый легкий, самый простой и самый распространенный химический элемент во Вселенной, обозначается символом H, занимает клетку № 1 в Таблице Менделеева и имеет относительную атомную массу равную 1. При нормальных условиях это бесцветный газ без вкуса и запаха с формулой H₂, который, перемешиваясь с воздухом, горюч и взрывоопасен. В больших количествах он присутствует в туманностях, звездах и планетах класса «газовый гигант».

Во Вселенной на долю водорода приходится около 88% всех атомов (примерно 11 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — меньше 1 %).

Облако водорода (красное) в созвездии Центавр. Снимок обсерватории Ла-Силья (Чили), 2014 г.

Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. Он играет ключевую роль в реакциях первичного и звёздного нуклеосинтеза, который, в свою очередь, является причиной наблюдаемой распространённости химических элементов.

Особое положение, которое занял водород с момента открытия, привлекало внимание ученых различных направлений. Так, в 1815 году английский химик, врач и религиозный философ Уильям Праут анонимно опубликовал статью, в которой впервые предположил, что все атомы построены из простейшего водорода. Если масса водорода равна 1, то атомные массы всех других элементов должны выражаться целыми числами. Противники гипотезы, в частности Якоб Берцелиус, утверждали, что атомные массы элементов не находятся в целочисленных отношениях по отношению к водороду. Уровень развития техники измерения масс атомов в то время был достаточно высок, поэтому изначально ряду учёных удалось опровергнуть его теорию, так как полученный атомный вес (как тогда говорили) например хлора, был равен 35,5. С открытием изотопов в начале 20 века доказательства некорректности гипотезы Праута, основанные на измерениях атомных масс, оказались также ошибочными — дробный атомный вес хлора был следствием того, что природный хлор является смесью разных изотопов, о существовании которых во времена Праута не знали. И сейчас у этой теории есть сторонники и противники, а в историю науки это научное предположение вошло как «Гипотеза Праута».

По распространённости в земной коре водород стоит на 9 месте со средним содержанием около 1% по массе, находясь там, в основном, в виде соединений. Свободный водород H2 относительно редко встречается в земной коре, но в составе воды он принимает активное участие в геохимических процессах. Основной потребитель водорода — химическая промышленность. Более 50 % мирового выпуска водорода идёт на производство аммиака (NH3), ещё 10 % используется для производства метанола (CH3OH). Из этих веществ производят пластмассы, удобрения, взрывчатые вещества и многое другое.

Источник