Водород это газ или нет

Водород - это... Что такое Водород?

Водоро́д — первый элемент периодической системы элементов; обозначается символом H. Название представляет собой кальку с латинского: лат. Hydrogenium (от др.-греч. ὕδωρ — «вода» и γεννάω — «рождаю») — «порождающий воду». Широко распространён в природе. Катион (и ядро) самого распространённого изотопа водорода ¹H — протон.

Три изотопа водорода имеют собственные названия: ¹H — протий (Н), ²H — дейтерий (D) и ³H — тритий (радиоактивен) (T).

Простое вещество водород — H₂ — лёгкий бесцветный газ. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен. Нетоксичен^[2]. Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, титане, платине.

История

Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Прямо указывал на выделение его и Михаил Васильевич Ломоносов, но уже определённо сознавая, что это не флогистон. Английский физик и химик Генри Кавендиш в 1766 году исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду, но приверженность Кавендиша теории флогистона помешала ему сделать правильные выводы. Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783 г. осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Таким образом он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.

Происхождение названия

Лавуазье дал водороду название hydrogène (от др.-греч. ὕδωρ — вода и γεννάω — рождаю) — «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году — по аналогии с «кислородом» М. В. Ломоносова .

Распространённость

Во Вселенной

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной^[3]. На его долю приходится около 92 % всех атомов (около 8 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~ 6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.

Земная кора и живые организмы

Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 % (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~ 52 %). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005 % по объёму).

Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках. В живых клетках по числу атомов на водород приходится почти 50 %.

Получение

В промышленности

• Пропускание паров воды над раскалённым коксом при температуре около 1000 °C:

В лаборатории

Физические свойства

Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.

Молекула водорода двухатомна — Н₂. При нормальных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н. у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания 120,9·10⁶ Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л.

Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов H₂ на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.

Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C 0,0708 г/см³) и текучая (вязкость при −253 °C 13,8 сП). Критические параметры водорода очень низкие: температура −240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79 % пара-Н₂, 0,21 % орто-Н₂.

Твердый водород, температура плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см³ (при −262 °C) — снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a = 0,378 нм и c = 0,6167 нм. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние.

Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях) — в виде орто- и параводорода. В молекуле ортоводорода o-H₂ (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода p-H₂ (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H₂ и p-H₂ при заданной температуре называется равновесный водород e-H₂.

Разделить модификации водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно (в условиях межзвёздной среды — с характерными временами вплоть до космологических), что даёт возможность изучить свойства отдельных модификаций.

Изотопы

Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия: ¹H — протий (Н), ²Н — дейтерий (D), ³Н — тритий (T; радиоактивный).

Протий и дейтерий являются стабильными изотопами с массовыми числами 1 и 2. Содержание их в природе соответственно составляет 99,9885 ± 0,0070 % и 0,0115 ± 0,0070 %^[4]. Это соотношение может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода.

Изотоп водорода ³Н (тритий) нестабилен. Его период полураспада составляет 12,32 лет^[4]. Тритий содержится в природе в очень малых количествах.

В литературе^[4] также приводятся данные об изотопах водорода с массовыми числами 4—7 и периодами полураспада 10⁻²²—10⁻²³ с.

Природный водород состоит из молекул H₂ и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание чистого дейтерийного водорода D₂ ещё меньше. Отношение концентраций HD и D₂, примерно, 6400:1.

Из всех изотопов химических элементов физические и химические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов^[5].

Дейтерий и тритий также имеют орто- и парамодификации: p-D₂, o-D₂, p-T₂, o-T₂. Гетероизотопный водород (HD, HT, DT) не имеют орто- и парамодификаций.

Свойства изотопов

Свойства изотопов водорода представлены в таблице^[4][6].

В круглых скобках приведено среднеквадратическое отклонение значения в единицах последнего разряда соответствующего числа.

Свойства ядра ¹H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.

Химические свойства

Молекулы водорода достаточно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении:

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

С галогенами образует галогеноводороды:

, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,

, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)

Оксиды восстанавливаются до металлов:

Гидрирование органических соединений

Молекулярный водород широко применяется в органическом синтезе для восстановления органических соединений. Эти процессы называют реакциями гидрирования. Эти реакции проводят в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре. Катализатор может быть как гомогенным (напр. Катализатор Уилкинсона), так и гетерогенным (напр. никель Ренея, палладий на угле).

Так, в частности, при каталитическом гидрировании ненасыщенных соединений, таких как алкены и алкины, образуются насыщенные соединения — алканы.

Геохимия водорода

На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем, планетами-гигантами и первичными метеоритами, из чего следует, что во время образования Земля была значительно дегазирована и водород вместе с другими летучими элементами покинул планету во время аккреции или вскоре после неё.

Свободный водород H₂ относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.

В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.

В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением^[7]. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство.

Меры предосторожности

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21 %. Также водород пожароопасен. Жидкий водород при попадании на кожу может вызвать сильное обморожение.

Считается, что взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4 % до 96 % объёмных. При смеси с воздухом от 4 % до 75 (74) % по объему. Такие цифры фигурируют сейчас в большинстве справочников, и ими вполне можно пользоваться для ориентировочных оценок. Однако, следует иметь в виду, что более поздние исследования (примерно конец 80-х) выявили, что водород в больших объёмах может быть взрывоопасен и при меньшей концентрации. Чем больше объём, тем меньшая концентрация водорода опасна.

Источник этой широко растиражированной ошибки в том, что взрывоопасность исследовалась в лабораториях на малых объёмах. Поскольку реакция водорода с кислородом — это цепная химическая реакция, которая проходит по свободнорадикальному механизму, «гибель» свободных радикалов на стенках (или, скажем, поверхности пылинок) критична для продолжения цепочки. В случаях, когда возможно создание «пограничных» концентраций в больших объёмах (помещения, ангары, цеха), следует иметь в виду, что реально взрывоопасная концентрация может отличаться от 4 % как в большую, так и в меньшую стороны.

Экономика

Стоимость водорода при крупнооптовых поставках колеблется в диапазоне 2-5$ за кг^[8]. В небольших количествах перевозится в стальных баллонах зелёного или тёмно-зелёного цвета.

Применение

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.

Химическая промышленность

Пищевая промышленность

• При производстве маргарина из жидких растительных масел.
• Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 (упаковочный газ, класс «Прочие»). Входит в список пищевых добавок, допустимых к применению в пищевой промышленности Российской Федерации в качестве вспомогательного средства для производства пищевой продукции.^{[источник не указан 658 дней]}

Авиационная промышленность

Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько катастроф, в ходе которых дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием, несмотря на его существенно более высокую стоимость.

Топливо

Водород используют в качестве ракетного топлива.

Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающую среду и выделяют только водяной пар.

В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.

Интересные факты

• Хорватское название водорода — Vodik, ввёл в употребление филолог Богослав Шулек.

См. также

Примечания

1. ↑ Hydrogen: electronegativities  (англ.). Webelements. Проверено 15 июля 2010.
2. ↑ ^{1 2} Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 400—402. — 623 с. — 100 000 экз.
3. ↑ Книга рекордов Гиннесса для химических веществ
4. ↑ ^{1 2 3 4} G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A 729: 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
5. ↑ Züttel A.,Borgschulte A.,Schlapbach L. Hydrogen as a Future Energy Carrier.- Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008. — ISBN 978-3-527-30817-0
6. ↑ G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). «The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references.». Nuclear Physics A 729: 337—676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.
7. ↑ Правилов А. М. Фотопроцессы в молекулярных газах. М.: Энергоатомиздат, 1992.
8. ↑ Аркадий Шварц Снова о водороде Вестник online № 19(356) 15 сентября 2004

Литература

• Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы: Учебное пособие для вузов /Н. Е. Кузьменко, В. В. Еремин, В. А. Попков. — М.: Издательство «Экзамен»,2005.
• Учебный справочник школьника. Учебное издание. — М.: Дрофа, 2001.
• Дигонский С. В., Тен В. В. Неизвестный водород. — СПб: Наука, 2006 ISBN 5-02-025114-3

Ссылки

dic.academic.ru

Фтороводород — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Фтороводоро́д (фтористый водород, гидрофторид, фторид водорода, HF) — бесцветный токсичный (очень ядовитый) газ (при стандартных условиях) с резким запахом, при комнатной температуре существует преимущественно в виде димера H₂F₂, ниже 19,9°C — бесцветная подвижная летучая жидкость. Смешивается с водой в любом отношении с образованием фтороводородной (плавиковой) кислоты. Образует с водой азеотропную смесь с концентрацией 35,4 % HF.

Молекула фтороводорода сильно полярна, μ = 0,64⋅10⁻²⁹ Кл·м. Фтороводород в жидком и газообразном состояниях имеет большую склонность к ассоциации вследствие образования сильных водородных связей. Энергия водородных связей FH•••FH приблизительно составляет 41,5 кДж/моль, а средняя степень полимеризации в газовой фазе (при температуре кипения) ≈4. Даже в газообразном состоянии фтороводород состоит из смеси полимеров H₂F₂, H₃F₃, H₄F₄, H₅F₅, H₆F₆. Простые молекулы HF существуют лишь при температурах выше 90 °C. Вследствие высокой прочности связи термический распад фтороводорода становится заметным лишь выше 3500 °C (что выше температуры плавления вольфрама — самого тугоплавкого из металлов). Для сравнения — у воды термический распад становится заметным при температурах выше 2000 °C.

В кристаллическом состоянии HF образует орторомбические кристаллы, состоящие из цепеобразных структур: угол HFH = 116 °, d(F-H) = 95 пм, d(F•••H) = 155 пм. Аналогичные зигзагообразные

цепи с углом HFH = 140°) имеют и полимеры HF, существующие в газовой фазе.

Физические свойства[править | править код]

• Химические свойства HF зависят от присутствия воды. Сухой фтористый водород не действует на большинство металлов и не реагирует с оксидами металлов. Однако если реакция начнется, то дальше она некоторое время идет с автокатализом, так как в результате взаимодействия количество воды увеличивается:

MgO+2HF→MgF2+h3O{\displaystyle {\mathsf {MgO+2HF\rightarrow MgF_{2}+H_{2}O}}}

• Жидкий HF — сильный ионизирующий растворитель. Все электролиты, растворённые в нём, за исключением хлорной кислоты HClO₄, являются основаниями:

HCl+2HF⇄h3Cl++HF2−{\displaystyle {\mathsf {HCl+2HF\rightleftarrows H_{2}Cl^{+}+HF_{2}^{-}}}}

В жидком фтороводороде кислотные свойства проявляют соединения, которые являются акцепторами фторид-ионов, например, BF₃, SbF₅:

BF3+2HF→h3F++[BF4]−{\displaystyle {\mathsf {BF_{3}+2HF\rightarrow H_{2}F^{+}+[BF_{4}]^{-}}}}

Амфотерными соединениями в среде жидкого фтороводорода являются, например, фториды алюминия и хрома(III):

3NaF+AlF3→3Na++[AlF6]3−{\displaystyle {\mathsf {3NaF+AlF_{3}\rightarrow 3Na^{+}+[AlF_{6}]^{3-}}}}

(AlF₃ — как кислота)

AlF3+3BF3→Al3++3[BF4]−{\displaystyle {\mathsf {AlF_{3}+3BF_{3}\rightarrow Al^{3+}+3[BF_{4}]^{-}}}}

(AlF₃ — как основание)

• Фтороводород в газообразном состоянии и в виде водного раствора реагирует с диоксидом кремния:

При условии, если фтороводород в газообразном состоянии:

4HF+SiO2→SiF4+2h3O{\displaystyle {\mathsf {4HF+SiO_{2}\rightarrow SiF_{4}+2H_{2}O}}}

При условии, если фтороводород в виде водного раствора:

6HF+SiO2→h3[SiF6]+2h3O{\displaystyle {\mathsf {6HF+SiO_{2}\rightarrow H_{2}[SiF_{6}]+2H_{2}O}}}

• Фтороводород неограниченно растворяется в воде, при этом происходит ионизация молекул HF:

2HF+h3O⇄HF2−+h4O+{\displaystyle {\mathsf {2HF+H_{2}O\rightleftarrows HF_{2}^{-}+H_{3}O^{+}}}}

K_d= 7,2⋅10⁻⁴

HF+F−⇄HF2−{\displaystyle {\mathsf {HF+F^{-}\rightleftarrows HF_{2}^{-}}}}

K_d= 5,1

Водный раствор фтороводорода (плавиковая кислота) является кислотой средней силы. Соли плавиковой кислоты называются фторидами. Большинство их труднорастворимо в воде, хорошо растворяются лишь фториды NH₄, Na, К, Ag(I), Sn(II), Ni(II) и Mn(II). Все растворимые соли плавиковой кислоты очень ядовиты (в больших дозах).

Фтор со взрывом взаимодействует с водородом даже при низких температурах и (в отличие от хлора) в темноте с образованием фтороводорода:

h3+F2→2HF{\displaystyle {\mathsf {H_{2}+F_{2}\rightarrow 2HF}}}

В промышленности фтороводород получают при взаимодействии плавикового шпата и сильных нелетучих кислот (например, серной):

CaF2+h3SO4→CaSO4+2HF{\displaystyle {\mathsf {CaF_{2}+H_{2}SO_{4}\rightarrow CaSO_{4}+2HF}}}

Процесс проводят в стальных печах при 120—300 °C, по сравнению с аналогичными реакциями получения других галогеноводородов, реакция получения фтороводорода из фторидов идет очень медленно. Части установки, служащие для поглощения фтороводорода, делаются из свинца.

Фтористый водород (гидрофторид) обладает резким запахом, очень ядовит, дымит на воздухе (вследствие образования с парами воды мелких капелек раствора) и сильно разъедает стенки дыхательных путей. Фтороводород обладает слабыми наркотическими свойствами.

Как и некоторые другие производные фтора, HF высокоопасен в обращении.

Подробнее о токсикологии фтороводорода см в ст. Плавиковая кислота.

Применяют для получения криолита, фтористых производных урана, фреонов, фторорганических веществ, матового травления силикатного стекла (плавиковую кислоту — для прозрачного травления). Необычная растворимость биологических молекул в жидком фтороводороде без разложения (напр., белков) используется в биохимии. Добавление в жидкий фтороводород акцепторов фтора позволяет создавать сверхкислые среды.

• Известный писатель-фантаст Иван Ефремов написал повесть «Сердце змеи», в которой описал гипотетическую жизнь, образовавшуюся на планете, где основную роль в природе играет не кислород, а фтор, а вместо воды поверхность планеты покрыта океанами фтороводорода. На эту мысль писателя навела глубокая аналогия между свойствами воды и фтороводорода.

• Фтороводород реагирует со стеклом, поэтому он хранится в пластмассовых ёмкостях. При хранении фтороводорода в стеклянной посуде прибегают к покрытию стекла парафином для защиты его от фтороводорода.

• Ахметов Н. С. «Общая и неорганическая химия» М.: Высшая школа, 2001.
• Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. М.: Химия, 1994.

ru.wikipedia.org

Что такое водород? – Vunderkind.Info

Цель сегодняшней публикации – представить неподготовленному читателю исчерпывающие сведения о том, что такое водород, каковы его физические и химические свойства, сфера применения, значение и способы получения.

Мы также проследим историю открытия этого удивительного вещества, изложив теорию по возможности кратко и без использования излишне заумной терминологии.

Что такое водород: общие сведения

Водород – это один из самых распространенных в природе химических элементов. Доля водорода в массе Солнца составляет примерно половину. Во Вселенной же доля атомов водорода приближается к 90 %, являясь основой межзвездного газа и звезд.

Водород присутствует в подавляющем большинстве органических веществ и живых клеток, в которых на его долю приходится почти две трети атомов.

Фото 1. Водород считается одним из самых распространенных элементов в природе

В периодической системе элементов Менделеева водород занимает почетную первую позицию с атомным весом, равным единице.

Название «водород» (в латинском варианте – Hydrogenium) ведет происхождение от двух древнегреческих слов: ὕδωρ — «вода» и γεννάω — «рождаю» (буквально – «рождающий воду) и впервые было предложено в 1824 г. русским химиком Михаилом Соловьевым.

Водород является одним из водообразующих (наряду с кислородом) элементов (химическая формула воды H₂O).

По физическим свойствам водород характеризуется как бесцветный газ (легче воздуха). При смешении с кислородом или воздухом крайне взрывоопасен и горюч.

Способен растворяться в некоторых металлах (титане, железе, платине, палладии, никеле) и в этаноле, однако очень плохо растворим в серебре.

Молекула водорода состоит из двух атомов и обозначается H₂. Водород имеет несколько изотопов: протий (H), дейтерий (D) и тритий (T).

История открытия водорода

Еще в первой половине XVI века при проведении алхимических опытов, смешивая металлы с кислотами, Парацельс заметил доселе неизвестный горючий газ, который отделить от воздуха он так и не смог.

Спустя почти полтора столетия – в конце XVII века – французскому ученому Лемери удалось-таки отделить водород (еще не зная, что это именно водород) от воздуха и доказать его горючесть.

Фото 2. Генри Кавендиш — первооткрыватель водорода

Химические опыты в середине XVIII века позволили Михаилу Ломоносову выявить процесс выделения некоего газа в результате некоторых химических реакций, не являющегося, однако, флогистоном.

Настоящий прорыв в исследовании горючего газа удалось совершить английскому химику Генри Кавендишу, которому и приписывается открытие водорода (1766).

Этот газ Кавендиш называл «горючим воздухом». Им же проведена реакция сжигания этого вещества, в результате которой получалась вода.

В 1783 г. французским химикам во главе с Антуаном Лавуазье был осуществлен синтез воды, а впоследствии – разложение воды с выделением «горючего воздуха».

Эти исследования окончательно доказали присутствие водорода в составе воды. Именно Лавуазье предложил именовать новый газ Hydrogenium (1801).

Полезные свойства водорода

Водород легче воздуха в четырнадцать с половиной раз.

Его же отличает и самая высокая теплопроводность среди прочих газов (белее чем в семь раз превышает теплопроводность воздуха).

В былые времена воздушные шары и дирижабли заполняли водородом. После серии катастроф в середине 1930-х, закончившихся взрывами дирижаблей, конструкторам пришлось искать водороду замену.

Теперь для подобных летательных аппаратов используется гелий, который намного дороже водорода, зато не так взрывоопасен.

Водород хорошо зарекомендовал себя в качестве компонента ракетного топлива.

Фото 3. Водород применяется для изготовления ракетного топлива

Во многих странах ведутся исследования по созданию экономичных двигателей для легковых и грузовых автомобилей на основе водорода.

Автомобили на водородном топливе значительно экологичнее своих бензиновых и дизельных собратьев.

При обычных условиях (комнатная температура и естественное атмосферное давление) водород неохотно вступает в реакции.

При нагревании смеси водорода и кислорода до 600 °C начинается реакция, завершающаяся образованием молекул воды.

Эту же реакцию можно спровоцировать с помощью электрической искры.

Реакции при участи водорода завершаются, лишь когда участвующие в реакции компоненты будут израсходованы целиком.

Температура горящего водорода достигает 2500-2800 °C.

С помощью водорода производят очистку различных типов топлива на основе нефти и нефтепродуктов.

В живой природе водород заменить нечем, так как он присутствует в любой органике (включая нефть) и во всех белковых соединениях.

Без участия водорода жизнь на Земле была бы невозможна.

Агрегатные состояния водорода

Водород способен пребывать в трех основных агрегатных состояниях:

• газообразном;
• жидком;
• твердом.

Обычное состояние водорода – газ. Понижая его температуру до -252,8 °C, водород превращается в жидкость, а после температурного порога -262 °C водород становится твердым.

Фото 4. Уже несколько десятилетий вместо дешевого водорода для наполнения воздушных шаров используют дорогой гелий

Ученые предполагают, что водород способен находиться в дополнительном (четвертом) агрегатном состоянии – металлическом.

Для этого нужно всего лишь создать давление в два с половиной миллиона атмосфер.

Пока, увы, это всего лишь научная гипотеза, так как получить «металлический водород» еще никому не удавалось.

Жидкий водород – из-за своей температуры — при попадании на кожу человека способен вызвать сильное обморожение.

Водород в таблице Менделеева

В основе распределения химических элементов в периодической таблице Менделеева лежит их атомный вес, рассчитанный относительно атомного веса водорода.

Фото 5. В таблице Менделеева водороду отведена ячейка с порядковым номером 1

Правильность такого подхода долгие годы никто не мог ни опровергнуть, ни подтвердить.

С возникновением квантовой физики в начале XX века и, в частности, появлением знаменитых постулатов Нильса Бора, объясняющих с позиций квантовой механики строение атома, удалось доказать справедливость гипотезы Менделеева.

Верно и обратное: именно соответствие постулатов Нильса Бора периодическому закону, лежащему в основе таблицы Менделеева, и стало самым веским доводом в пользу признания их истинности.

Участие водорода в термоядерной реакции

Изотопы водорода дейтерий и тритий являются источниками невероятно мощной энергии, высвобождающейся в процессе термоядерной реакции.

Фото 6. Термоядерный взрыв без водорода был бы невозможен

Такая реакция возможна при температуре не ниже 1060 °C и протекают очень быстро – в течение нескольких секунд.

На Солнце термоядерные реакции протекают медленно.

Задача ученых – понять, почему так происходит, чтобы использовать полученные знания для создания новых – практически неисчерпаемых – источников энергии.

Что такое водород (видео):

>

vunderkind.info

физические и химические свойства, история открытия и применение

Если кислород является самым распространенным химическим элементом на Земле, то водород – самый распространенный элемент во всей Вселенной. Наше Солнце (и другие звезды) примерно на половину состоит из водорода, а что касается межзвездного газа, то он на 90% состоит из атомов водорода. Немалое место этот химический элемент занимает и на Земле, ведь вместе с кислородом он входит в состав воды, а само его название «водород» происходит от двух древнегреческих слов: «вода» и «рожаю». Помимо воды водород присутствует в большинстве органических веществ и клеток, без него, как и без кислорода, была бы немыслима сама Жизнь.

История открытия водорода

Первым среди ученых водород заметил еще великий алхимик и лекарь средневековья Теофраст Парацельс. В своих алхимических опытах, в надежде отыскать «философский камень» смешивая металлы с кислотами Парацельс получил некий неизвестный до того горючий газ. Правда отделить этот газ от воздуха так и не удалось.

Только спустя полтора века после Парацельса французскому химику Лемери таки удалось отделить водород от воздуха и доказать его горючесть. Правда Лемери так и не понял, что полученный им газ является чистым водородом. Параллельно подобными химическими опытами занимался и русский ученый Ломоносов, но настоящий прорыв в исследовании водорода был сделан английским химиком Генри Кавендишом, которого по праву считают первооткрывателем водорода.

В 1766 году Кавендишу удалось получить чистый водород, который он называл «горючим воздухом». Еще через 20 лет талантливый французский химик Антуан Лавуазье смог синтезировать воду и выделить из нее этот самый «горючий воздух» – водород. И к слову именно Лавуазье предложил водороду его название – «Hydrogenium», он же «водород».

Антуан Лавуазье со своей женой, помогавшей ему проводить химические опыты, в том числе и по синтезу водорода.

Водород в таблице Менделеева

В основе расположения химических элементов в периодической системе Менделеева лежит их атомный вес, рассчитанный относительно атомного веса водорода. То есть иными словами водород и его атомный вес является краеугольным камнем таблицы Менделеева, той точкой опоры, на основе которой великий химик создал свою систему. Поэтому не удивительно, что в таблице Менделеева водород занимает почетное первое место.

Помимо этого водород имеет такие характеристики:

• Атомная масса водорода составляет 1,00795.
• У водорода в наличии три изотопа, каждый из которых обладает индивидуальными свойствами.
• Водород – легкий элемент имеющий малую плотность.
• Водород обладает восстановительными и окислительными свойствами.
• Вступая в химические реакции с металлами, водород принимает их электрон и стает окислителем. Подобные соединения называются гидратами.

Строение молекулы водорода

Водород это газ, молекула его состоит из двух атомов.

Так схематически выглядит молекула водорода.

Молекулярный водород, образованный из таких вот двухатомных молекул взрывается при поднесенной горящей спичке. Молекула водорода при взрыве распадается на атомы, которые превращаются в ядра гелия. Именно таким образом происходят ядерные реакции на Солнце и других звездах – за счет постоянного распадение молекул водорода наше светило горит и обогревает нас своим теплом.

Физические свойства водорода

У водорода в наличие следующие физические свойства:

• Температура кипения водорода составляет 252,76 °C;
• А при температуре 259,14 °C он уже начинает плавиться.
• В воде водород растворяется слабо.
• Чистый водород – весьма опасное взрывчатое и горючее вещество.
• Водород легче воздуха в 14,5 раз.

Химические свойства водорода

Поскольку водород может быть в разных ситуациях и окислителем и восстановителем его используют для осуществления реакций и синтезов.

Окислительные свойства водорода взаимодействуют с активными (обычно щелочными и щелочноземельными) металлами, результатом этих взаимодействий является образование гидридов – солеподобных соединений. Впрочем, гидриды образуются и при реакциях водорода с малоактивными металлами.

Восстановительные свойства водорода обладают способностью восстанавливать металлы до простых веществ из их оксидов, в промышленности это называется водородотермией.

Как получить водород?

Среди промышленных средств получения водорода можно выделить:

• газификацию угля,
• паровую конверсию метана,
• электролиз.

В лаборатории водород можно получить:

• при гидролизе гидридов металлов,
• при реакции с водой щелочных и щелочноземельных металлов,
• при взаимодействии разбавленных кислот с активными металлами.

Применение водорода

Так как водород в 14 раз легче воздуха, то в былые времена им начиняли воздушные шары и дирижабли. Но после серии катастроф произошедших с дирижаблями конструкторам пришлось искать водороду замену (напомним, чистый водород – взрывоопасное вещество, и малейшей искры было достаточно, чтобы случился взрыв).

Взрыв дирижабля Гинденбург в 1937 году, причиной взрыва как раз и стало воспламенение водорода (вследствие короткого замыкания), на котором летал этот огромный дирижабль.

Поэтому для подобных летательных аппаратов вместо водорода стали использовать гелий, который также легче воздуха, получение гелия более трудоемкое, зато он не такой взрывоопасный как водород.

Тем не менее, водород весьма хорошо зарекомендовал себя в качестве одного из компонентов ракетного топлива. А автомобили, работающие на водородном топливе более экологичнее своих дизельных и бензиновых собратьев.

Также с помощью водорода производится очистка различных видов топлива, в особенности на основе нефти и нефтепродуктов.

Водород, видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

www.poznavayka.org

Металлический водород — Википедия

Металли́ческий водоро́д — совокупность фазовых состояний водорода, находящегося при крайне высоком давлении и претерпевшего фазовый переход. Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и, по некоторым предположениям, может обладать некоторыми специфическими свойствами — высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода.

Предсказан теоретически в 1935 году.

В 1930-х годах британский ученый Джон Бернал предположил, что атомарный водород, состоящий из одного протона и одного электрона и представляющий собой полный аналог щелочных металлов, может оказаться стабильным при высоких давлениях^[1]. В 1935 году Юджин Вигнер и Xиллард Белл Хантингтон провели соответствующие расчёты. Гипотеза Бернала нашла подтверждение — согласно полученным расчётам, молекулярный водород переходит в атомарную металлическую фазу при давлении около 250 тыс. атмосфер (25 ГПа) со значительным увеличением плотности^[2]. В дальнейшем оценка давления, требуемого для фазового перехода, была повышена, но условия перехода всё же считаются потенциально достижимыми. Предсказание свойств металлического водорода ведётся теоретически. Попытки получения, начатые в 1970-х годах, привели к сообщениям о возможном получении металлического водорода в 1996, 2008 и 2011 году, пока, наконец, в 2017 году профессор Айзек Сильвера и его коллега Ранга Диас не добились получения стабильного образца при давлении 5 млн атмосфер^[3][4][1], однако камера, где хранился образец, под давлением разрушилась, и образец был потерян.

Связь с другими областями физики[править | править код]

Астрофизика

Считается, что большие количества металлического водорода присутствуют в ядрах планет-гигантов — Юпитера, Сатурна — и крупных экзопланет. Благодаря гравитационному сжатию под газовым слоем должно находиться ядро из металлического водорода.

Переход в металлическую фазу[править | править код]

При увеличении внешнего давления до десятков ГПа коллектив атомов водорода начинает проявлять металлические свойства. Ядра водорода (протоны) сближаются друг с другом существенно ближе боровского радиуса, на расстояние, сравнимое с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, сила связи электрона с ядром становится нелокализованной, электроны слабо связываются с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.

Жидкий металлический водород[править | править код]

Жидкая фаза металлического водорода отличается от твердой фазы отсутствием дальнего порядка. Имеется дискуссия о допустимом диапазоне существования жидкого металлического водорода. В отличие от гелия-4, жидкого при температуре ниже 4,2 K и нормальном давлении благодаря нулевой энергии нулевых колебаний, массив плотно упакованных протонов обладает значительной энергией нулевых колебаний. Соответственно, переход от кристаллической фазы к неупорядоченной ожидается при ещё более высоких давлениях. Исследование, проведенное Н. Ашкрофтом, допускает область жидкого металлического водорода при давлении около 400 ГПа и низких температурах^[5][6]. В других работах Е. Бабаев предполагает, что металлический водород может представлять собой металлическую сверхтекучую жидкость.^[7][8]

Сверхпроводимость[править | править код]

В 1968 году Нейл Ашкрофт предположил, что металлический водород может обладать сверхпроводимостью при сравнительно высоких температурах.^[9]

Более точные расчёты^[10] (Н. А. Кудряшов, А. А. Кутуков, Е. А. Мазур, Письма ЖЭТФ, т. 104, вып. 7, 2016, с. 488) показали, что критическая температура металлического водорода в фазе I41/AMD, той самой, которая изучалась^[3] Рангой Диас и Иcааком Сильверой при давлении в 5 миллионов атмосфер, дает величину температуры перехода в сверхпроводящее состояние 215 кельвинов, то есть −58 градусов по Цельсию.

Экспериментальные попытки получения[править | править код]

Металлизация водорода ударным сжатием в 1996 году[править | править код]

В 1996 году Ливерморская национальная лаборатория сообщила, что в ходе исследований были созданы условия для металлизации водорода и получены первые свидетельства его возможного существования^[11]. Кратковременно (около 1 мс) было достигнуто давление более 100 ГПа (106{\displaystyle 10^{6}} атм.), температура порядка тысяч кельвинов при плотности вещества около 600 кг/м^3[12]. Поскольку предыдущие опыты по сжатию твердого водорода в ячейке с алмазными наковальнями до 250 ГПа не дали результата, целью эксперимента не было получение металлического водорода, а только изучение проводимости образца под давлением. Однако, по достижении 140 ГПа электрическое сопротивление практически исчезло. Ширина запрещенной зоны водорода под давлением составила 0.3 эВ, что оказалось сравнимо с тепловой энергией kT{\displaystyle kT}, соответствующей 3000 К и что свидетельствует о переходе «полупроводник — металл».

Исследования после 1996 года[править | править код]

Продолжались попытки перевести водород в металлическое состояние статическим сдавливанием при низких температурах. А. Руофф и Ч. Нараяна (Корнеллский университет, 1998)^[13], П. Лоувьер и Р. Летуле (2002) последовательно приближались к давлениям, наблюдаемым в центре Земли (324—345 ГПа), но все же не наблюдали фазового перехода.

Эксперименты 2008 года[править | править код]

Теоретически предсказанный максимум кривой плавления на фазовой диаграмме, указывающий на жидкую металлическую фазу водорода, был экспериментально обнаружен Ш. Деемьяд и И. Сильвера^[14]. Группа М. Ереметца заявила о переходе силана в металлическое состояние и проявление сверхпроводимости^[15], но результаты не были повторены.^[16][17]

Эксперименты 2011 года[править | править код]

В 2011 году было сообщено о наблюдении жидкой металлической фазы водорода и дейтерия при статическом давлении 260—300 ГПа. ^[18], что вновь вызвало вопросы в научном сообществе^[19].

Эксперименты 2015 года[править | править код]

26 июня 2015 году в журнале Science была опубликована статья, в которой описан успешный эксперимент группы исследователей из Сандийских национальных лабораторий (США) совместно с группой из Ростокского университета (Германия) по сжатию жидкого дейтерия (тяжёлого водорода) с помощью Z-Машины до состояния, которое проявляет свойства металла^[20].

Эксперименты 2016 года[править | править код]

В июле 2016 сообщалось, что физикам из Гарвардского университета удалось получить в лаборатории металлический водород. Они нагрели жидкий водород с помощью коротких вспышек лазера до температуры около 1900 градусов Цельсия и подвергли давлению в 1,1—1,7 мегабар^[21].

Ожидается, что это вещество будет метастабильным, то есть при снятии давления останется металлом. Эксперимент физиков помогает объяснить, какие процессы могут происходить в недрах газовых гигантов. Учёные предполагают, что в будущем металлический водород может быть использован в качестве ракетного топлива или как сверхпроводник, способный существовать при комнатной температуре^[22].

Научное сообщество скептически отнеслось к данной новости^[23], ожидая повторного эксперимента^[24].

Эксперименты 2020 года[править | править код]

В январе 2020 года французские физики подтвердили условия существования металлического водорода. ^[25][26]

Топливные элементы

Метастабильные соединения металлического водорода перспективны как компактное, эффективное и чистое топливо. При переходе металлического водорода в обычную молекулярную фазу высвобождается в 20 раз больше энергии, чем при сжигании смеси кислорода и водорода — 216 МДж/кг^[27].

1. ↑ ^{1 2} Сергей Стишов. Практическое использование металлического водорода следует отнести к научной фантастике // Коммерсантъ Наука, № 1, 24 февраля 2017
2. ↑ Wigner, E.; Huntington, H.B. On the possibility of a metallic modification of hydrogen (англ.) // Journal of Chemical Physics. — 1935. — Vol. 3, no. 12. — P. 764. — doi:10.1063/1.1749590.
3. ↑ ^{1 2} Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera. Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen (англ.) // Science. — 2017-01-26. — P. eaal1579. — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203. — doi:10.1126/science.aal1579.
4. ↑ In, Geology. Scientists Have Finally Created Metallic Hydrogen, Geology IN. Дата обращения 28 января 2017.
5. ↑ Ashcroft N. W. The hydrogen liquids (англ.) // Journal of Physics: Condensed Matter. — 2000. — Vol. 12, no. 8A. — P. A129. — doi:10.1088/0953-8984/12/8A/314.
6. ↑ Bonev S.A., et al. A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first-principles calculations (англ.) // Nature. — 2004. — Vol. 431, no. 7009. — P. 669. — doi:10.1038/nature02968. — arXiv:cond-mat/0410425.
7. ↑ Babaev E., Ashcroft N. W. Violation of the London law and Onsager–Feynman quantization in multicomponent superconductors (англ.) // Nature Physics. — 2007. — Vol. 3, no. 8. — P. 530. — doi:10.1038/nphys646. — arXiv:0706.2411.
8. ↑ Babaev E., Sudbø A., Ashcroft N. W. A superconductor to superfluid phase transition in liquid metallic hydrogen (англ.) // Nature. — 2004. — Vol. 431, no. 7009. — P. 666. — doi:10.1038/nature02910. — arXiv:cond-mat/0410408.
9. ↑ Ashcroft, N.W. Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? (англ.) // Physical Review Letters. — 1968. — Vol. 21, no. 26. — P. 1748. — doi:10.1103/PhysRevLett.21.1748.
10. ↑ N. A. Kudryashov, A. A. Kutukov, E. A. Mazur. Critical temperature of metallic hydrogen at a pressure of 500 GPa (англ.) // JETP Letters. — 2016-12-14. — Vol. 104, iss. 7. — P. 460—465. — doi:10.1134/S0021364016190061.
11. ↑ Weir S. T., Mitchell A. C., Nellis W. J. Metallization of fluid molecular hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar) (англ.) // Physical Review Letters. — 2004. — Vol. 76, no. 11. — P. 1860. — doi:10.1103/PhysRevLett.76.1860.
12. ↑ Nellis, W. J. Metastable Metallic Hydrogen Glass (неопр.). Lawrence Livermore Preprint UCRL-JC-142360 OSTI 15005772 (2001). — «minimum electrical conductivity of a metal at 140 GPa, 0.6 g/cm3, and 3000 K».
13. ↑ Ruoff A. L., et al. Solid hydrogen at 342 GPa: No evidence for an alkali metal (англ.) // Nature. — 1998. — Vol. 393, no. 6680. — P. 46. — doi:10.1038/29949.
14. ↑ Deemyad S., Silvera I. F. The melting line of hydrogen at high pressures (англ.) // Physical Review Letters. — 2008. — Vol. 100, no. 15. — doi:10.1103/PhysRevLett.100.155701. — arXiv:0803.2321.
15. ↑ Eremets M. I., et al. Superconductivity in hydrogen dominant materials: Silane (англ.) // Science. — 2008. — Vol. 319, no. 5869. — P. 1506—1509. — doi:10.1126/science.1153282.
16. ↑ Degtyareva O. Formation of transition metal hydrides at high pressures (англ.) // Solid State Communications. — 2009. — Vol. 149, no. 39—40. — doi:10.1016/j.ssc.2009.07.022. — arXiv:0907.2128v1.
17. ↑ Hanfland M., Proctor J., Guillaume C. L., et al. High-Pressure Synthesis, Amorphization, and Decomposition of Silane (англ.) // Physical Review Letters. — 2011. — Vol. 106, no. 9. — doi:10.1103/PhysRevLett.106.095503.
18. ↑ Eremets M. I., Troyan I. A. Conductive dense hydrogen (англ.) // Nature Materials. — 2011. — No. 10. — P. 927—931. — doi:10.1038/nmat3175.
19. ↑ Nellis W. J., Ruoff A., Silvera I. F. Has Metallic Hydrogen Been Made in a Diamond Anvil Cell? (англ.) // arxiv.org. — 2012. — arXiv:http://arxiv.org/abs/1201.0407.
20. ↑ M. D. Knudson, M. P. Desjarlais, A. Becker, R. W. Lemke, K. R. Cochrane, M. E. Savage, D. E. Bliss, T. R. Mattsson, R. Redmer. Direct observation of an abrupt insulator-to-metal transition in dense liquid deuterium (англ.) // Science. — 26 June 2015. — Vol. 348, no. 6242. — P. 1455—1460. — doi:10.1126/science.aaa7471.
21. ↑ Физики получили частицу Юпитера на Земле
22. ↑ В США ученые провели эпохальный опыт. Они получили металлический водород // Независимая газета, 27.01.2017.
23. ↑ Physicists doubt bold report of metallic hydrogen // Nature - News & Comment
24. ↑ There's Reason To Be Skeptical About Metallic Hydrogen // Форбс (англ.)
25. ↑ Физики нашли новые намеки на существование металлического водорода
26. ↑ Подтверждено существование аномальной формы материи
27. ↑ Silvera, Isaac F. Metallic Hydrogen: A Game Changing Rocket Propellant (неопр.). NIAC SPRING SYMPOSIUM (27 марта 2012). — «Recombination of hydrogen atoms releases 216 MJ/kg Hydrogen/Oxygen combustion in the Shuttle releases 10 MJ/kg ... density about 12-13 fold». Дата обращения 13 мая 2012.

ru.wikipedia.org

ВОДОРОД - это... Что такое ВОДОРОД?

Неметаллы образуют летучие гидриды общей формулы MHx (х - целое число) с относительно низкой температурой кипения и высоким давлением паров. Эти гидриды существенно отличаются от солевых гидридов, в которых водород имеет более отрицательный заряд. У летучих гидридов (например, углеводородов) преобладает ковалентная связь между неметаллами и водородом. По мере усиления неметаллического характера образуются соединения с частично ионной связью, например H+Cl-, (h3)2+O2-, N3-(h4)3+. Отдельные примеры образования различных гидридов приведены ниже (в скобках указана теплота образования гидрида):

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество. 2000.

• КАЙРУАН
• ИОСИЯ

Смотреть что такое "ВОДОРОД" в других словарях:

• Водород-4 — Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Водород 4, 4H Нейтронов 3 Протонов 1 Свойства нуклида Атомная масса 4,027810(110) …   Википедия

• Водород-5 — Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Водород 5, 5H Нейтронов 4 Протонов 1 Свойства нуклида Атомная масса 5,035310(110) …   Википедия

• Водород-6 — Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Водород 6, 6H Нейтронов 5 Протонов 1 Свойства нуклида Атомная масса 6,044940(280) …   Википедия

• Водород-7 — Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Водород 7, 7H Нейтронов 6 Протонов 1 Свойства нуклида Атомная масса 7,052750(1080) …   Википедия

• ВОДОРОД — (Hydrogenium), H, первый, наиболее легкий химический элемент периодической системы, атомная масса 1,00794; газ, tкип 252,76шC. Ядро атома водорода называют протоном. Водород входит в состав воды, живых организмов, нефти, каменного угля,… …   Современная энциклопедия

• Водород — (Hydrogenium), H, первый, наиболее легкий химический элемент периодической системы, атомная масса 1,00794; газ, tкип 252,76°C. Ядро атома водорода называют протоном. Водород входит в состав воды, живых организмов, нефти, каменного угля,… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

• ВОДОРОД — (символ Н), газообразный, неметаллический элемент, впервые выделенный и идентифицированный в 1766 г. Генри КАВЕНДИШЕМ, который назвал его «горючим воздухом». Водород бесцветен и не имеет запаха, его относят вместе со щелочными металлами к первой… …   Научно-технический энциклопедический словарь

• Водород —         Н (лат. hydrogenium; a. hydrogen; н. Wasserstoff; ф. hydrogene; и. hidrogeno), хим. элемент периодич. системы элементов Mенделеева, к рый относят одновременно к I и VII группам, ат. н. 1, ат. м. 1,0079. Природный B. имеет стабильные… …   Геологическая энциклопедия

• Водород — h3 газ без цвета, запаха и вкуса. Молярная масса 2,0157 кг/кмоль, температура плавления 13,95 К, температура кипения 71,07 кг/м3, низшая теплота сгорания 114460 кДж/кг, газовая постоянная 4,124 Дж/(кг*К), стехиометрический коэффициент 34,25 кг… …   Энциклопедия техники

• водород — протий, дейтерий, тритий, гидроген Словарь русских синонимов. водород сущ., кол во синонимов: 10 • водотвор (1) • газ …   Словарь синонимов

• Водород — получают путем электролиза воды или из водяного газа, коксового газа или углеводородов. Водород обычно рассматривается как неметалл. Он хранится под давлением в стальных баллонах. Он используется для гидрирования масел (получение твердых жиров),… …   Официальная терминология

Книги

• ВОДОРОД. параметры горения и взрыва, Б. Е. Гельфанд. Обобщены результаты преимущественно экспериментальных исследований процессовгорения, воспламенения/самовоспламенения, быстрой дефлаграции и детонации в водородсодержащих горючих системах. Для… Подробнее  Купить за 772 руб
• Водород: параметры горения и взрыва, Гельфанд Борис Ефимович, Попов Олег Евгеньевич, Чайванов Борис Борисович. Обобщены результаты преимущественно экспериментальных исследований процессов горения, воспламенения/самовоспламенения, быстрой дефлаграции и детонации в водородсодержащих горючих системах.… Подробнее  Купить за 717 руб
• Водород. Параметры горения и взрыва, Б. Е. Гельфанд, О. Е. Попов, Б. Б. Чайванов. Обобщены результаты преимущественно экспериментальных исследований процессов горения, воспламенения/самовоспламенения, быстрой дефлаграции и детонации в водородсодержащих горючих системах.… Подробнее  Купить за 508 руб

dic.academic.ru

Горение водорода — Википедия

Водород считается одним из наиболее перспективных видов топлива и зарекомендовал себя как эффективный и экологически чистый энергоноситель. С практической точки зрения горение водорода связано с его использованием в энергетических установках и топливных элементах и безопасностью соответствующих технологических процессов и устройств^[1]. Удельная теплота сгорания водорода составляет примерно 140 МДж/кг (верхняя) или 120 МДж/кг (нижняя), что в несколько раз превышает удельную теплоту сгорания углеводородных топлив (для метана — около 50 МДж/кг).

Смеси водорода с кислородом или воздухом взрывоопасны и называются гремучим газом (название происходит от knallgas, нем. knall — громкий хлопок, резкий звук выстрела или взрыва). При зажигании искрой или другим источником смесь водорода с воздухом небольшого объёма сгорает чрезвычайно быстро, с громким хлопком, что субъективно воспринимается как взрыв. В физике горения такой процесс считается медленным горением, или дефлаграцией, однако гремучий газ способен и к детонации, при этом действие взрыва оказывается существенно более сильным.

Наиболее взрывоопасны смеси с составом, близким к стехиометрическому, в стехиометрической смеси на один моль кислорода приходится два моля водорода, то есть, с учётом того, что в воздухе соотношение кислорода и азота и других не участвующих в горении газов по объёму составляет примерно 21 % : 79 % = 1:3,72, то объёмное соотношение водорода с воздухом в гремучем газе в стехиометрическом соотношении составляет ≈0,42^[2]. Однако гремучий газ способен гореть в широком диапазоне концентраций водорода в воздухе, от 4—9 объёмных процентов в бедных смесях и до 75 % в богатых смесях. Приблизительно в этих же пределах он способен и детонировать^[3].

Гремучий газ самовоспламеняется при атмосферном давлении и температуре 510 °C. При комнатной температуре в отсутствие источников зажигания (искра, открытое пламя) гремучий газ может храниться неограниченно долго, однако он способен взорваться от самого слабого источника, так как для инициирования взрыва достаточно искры с энергией 17 микроджоулей^[4]. С учётом того, что водород обладает способностью проникать через стенки сосудов, в которых он хранится, например, диффундировать сквозь металлические стенки газового баллона, и не обладает никаким запахом, при работе с ним следует быть чрезвычайно осторожным.

В 1766 г. Генри Кавендиш получил водород в реакции металла с кислотой:

Fe+h3SO4⟶FeSO4+h3{\displaystyle {\ce {Fe + h3SO4 -> FeSO4 + h3}}}.

В лабораторных условиях гремучий газ можно получить электролизом воды в реакции:

2h3O⟶2h3+O2{\displaystyle {\ce {2h3O -> 2h3 + O2}}}.

В XIX веке для освещения в театрах использовался так называемый друммондов свет, где свечение получалось с помощью пламени кислород-водородной смеси, направленного непосредственно на цилиндр из негашёной извести, которая может нагреваться до высоких температур (белого каления) без расплавления. В пламени кислород-водородной смеси достигается высокая температура, и также в XIX веке это нашло применение в паяльных лампах для плавления тугоплавких материалов, резки и сварки металлов. Однако все эти попытки применения гремучего газа были ограничены тем, что он очень опасен в обращении, и были найдены более безопасные варианты решения этих задач.

В настоящее время водород считается перспективным топливом для водородной энергетики. При горении водорода образуется чистая вода, поэтому этот процесс считается экологически чистым. Основные проблемы связаны с тем, что затраты на производство, хранение и транспортировку водорода к месту его непосредственного применения слишком высоки, и при учёте всей совокупности факторов водород пока не может конкурировать с традиционными углеводородными топливами.

Кинетическая схема горения водорода[править | править код]

Горение водорода формально выражается суммарной реакцией:

2h3+O2⟶2h3O{\displaystyle {\ce {2h3 + O2 -> 2h3O}}}.

Однако эта суммарная реакция не описывает разветвлённые цепные реакции, протекающие в смесях водорода с кислородом или воздухом. В реакциях участвуют восемь компонентов: H₂, O₂, H, O, OH, HO₂, H₂O, H₂O₂. Подробная кинетическая схема химических реакций между этими молекулами и атомами включает более 20 элементарных реакций с участием свободных радикалов в реагирующей смеси. При наличии в системе соединений азота или углерода число компонентов и элементарных реакций существенно увеличивается.

В силу того, что механизм горения водорода является одним из наиболее простых по сравнению с механизмами горения прочих газообразных топлив, таких, например, как синтез-газ или углеводородные топлива, а кинетические схемы горения углеводородных топлив включают в себя все компоненты и элементарные реакции из механизма горения водорода, он изучается чрезвычайно интенсивно многими группами исследователей^[5][6][7]. Однако, несмотря на более чем столетнюю историю исследований, этот механизм до сих пор изучен не полностью.

Критические явления при воспламенении[править | править код]

При комнатной температуре стехиометрическая смесь водорода и кислорода может храниться в закрытом сосуде неограниченно долго. Однако при повышении температуры сосуда выше некоторого критического значения, зависящего от давления, смесь воспламеняется и сгорает чрезвычайно быстро, со вспышкой или взрывом. Это явление нашло своё объяснение в теории цепных реакций, за которую Н. Н. Семёнов и Сирил Хиншелвуд были удостоены Нобелевской премии по химии 1956 года.

Кривая зависимости между критическими давлением и температурой, при которых происходит самовоспламенение смеси, имеет характерную Z-образную форму, как показано на рисунке. Нижняя, средняя и верхняя ветви этой кривой называются соответственно первым, вторым и третьим пределами воспламенения. Если рассматриваются только первые два предела, то кривая имеет форму полуострова, и традиционно этот рисунок называется полуостровом воспламенения.

В 1960-е года американский инженер Уильям Роудс (William Rhodes) якобы открыл «новую форму» воды, коммерциализированную Юллом Брауном (Yull Brown), болгарским физиком, эмигрировавшим в Австралию. «Брауновский газ», то есть фактически смесь кислорода и водорода, получаемая в аппарате электролиза воды, объявлялся способным очищать радиоактивные отходы, гореть как топливо, расслаблять мышцы и стимулировать проращивание семян^[9]. Впоследствии итальянский физик Руджеро Сантилли (en:Ruggero Santilli) выдвинул гипотезу, утверждающую существование новой формы воды в виде «газа HHO», то есть химической структуры вида (H × H — O), где «×» представляет гипотетическую магнекулярную связь, а «—» — обычную ковалентную связь. Статья Сантилли, опубликованная в авторитетном реферируемом журнале International Journal of Hydrogen Energy^[10], вызвала жёсткую критику со стороны коллег, назвавших утверждения Сантилли псевдонаучными^[11], однако некоторые другие учёные выступили в поддержку Сантилли^[12][13].

1. ↑ Sánchez, Williams - review, 2014.
2. ↑ Уравнение горения стехиометрической водородно-воздушной смеси: 0,21·2Н₂ + 0,21О₂ + 0,79(N₂ + ...) → 0,42H₂O + 0,79(N₂+...).
3. ↑ Гельфанд и др., Водород: параметры горения и взрыва, 2008, с. 85,196.
4. ↑ Корольченко, Пожаровзрывоопасность веществ, 2004, с. 311.
5. ↑ Konnov A. A. Remaining uncertainties in the kinetic mechanism of hydrogen combustion // Combustion and Flame. — Elsevier, 2008. — Vol. 152, № 4. — P. 507–528. — doi:10.1016/j.combustflame.2007.10.024.
6. ↑ Shimizu K., Hibi A., Koshi M., Morii Y., Tsuboi N. Updated Kinetic Mechanism for High-Pressure Hydrogen Combustion // Journal of Propulsion and Power. — American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2011. — Vol. 27, № 2. — P. 383–395. — doi:10.2514/1.48553.
7. ↑ Burke M. P., Chaos M., Ju Y., Dryer F. L., Klippenstein S. J. Comprehensive H₂/O₂ kinetic model for high-pressure combustion // International Journal of Chemical Kinetics. — Wiley Periodicals, 2012. — Vol. 44, № 7. — P. 444–474. — doi:10.1002/kin.20603.
8. ↑ Льюис, Эльбе, Горение, пламя и взрывы в газах, 1968, с. 35.
9. ↑ Ball, Philip. Nuclear waste gets star attention (англ.) // Nature : journal. — 2006. — ISSN 1744-7933. — doi:10.1038/news060731-13.
10. ↑ Ruggero Maria Santilli. A new gaseous and combustible form of water (англ.) // International Journal of Hydrogen Energy : journal. — 2006. — Vol. 31, no. 9. — P. 1113—1128. — doi:10.1016/j.ijhydene.2005.11.006.
11. ↑ J. M. Calo. Comments on "A new gaseous and combustible form of water" by R.M. Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006: 31(9), 1113–1128) (англ.) // International Journal of Hydrogen Energy : journal. — 2006. — 3 November (vol. 32, no. 9). — P. 1309—1312. — doi:10.1016/j.ijhydene.2006.11.004. Архивировано 1 августа 2013 года.
12. ↑ Martin O. Cloonan. A chemist's view of J.M. Calo's comments on: "A new gaseous and combustible form of water" by R.M. Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006:31(9), 1113–1128) (англ.) // International Journal of Hydrogen Energy : journal. — 2008. — Vol. 33, no. 2. — P. 922—926. — doi:10.1016/j.ijhydene.2007.11.009. Архивировано 20 марта 2012 года.
13. ↑ J.V. Kadeisvili. Rebuttal of J.M. Calo's comments on R.M. Santilli's HHO paper (англ.) // International Journal of Hydrogen Energy : journal. — 2008. — Vol. 33, no. 2. — P. 918—921. — doi:10.1016/j.ijhydene.2007.10.030. Архивировано 20 марта 2012 года.

• Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. 2-е изд. Пер. с англ. под ред. К. И. Щёлкина и А. А. Борисова. — М.: Мир, 1968. — 592 с.
• Гельфанд Б. Е., Попов О. Е., Чайванов Б. Б. Водород: параметры горения и взрыва. — М.: Физматлит, 2008. — 288 с. — 700 экз. — ISBN 9785922108980.
• Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х частях. Часть 1. — М.: Ассоциация «Пожнаука», 2004. — 713 с. — ISBN 5-901283-02-3.

Обзоры[править | править код]

ru.wikipedia.org

Водородное топливо - Техническая библиотека Neftegaz.RU

Lh3 является самым экологически чистым видом моторного топлива, поэтому его перспективы очевидны

Использование водорода в качестве топлива

В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО₂).

В Норвегии - Nel Hydrogen отрабатывает технологию использования ВИЭ для высокотемпературного электролиза для разделения воды на водород и кислород, который будет выбрасываться в атмосферу.

Kawasaki Heavy Industries разрабатывает танкер - водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH₂).

Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла. Если взять 1 моль H₂ (2 г) и 0,5 моль O₂ (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению

Н₂ + 0,5 О₂= Н₂О

после завершения реакции образуется 1 моль H₂O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.

Для сравнения: теплота сгорания ацетилена - 1300 кДж/моль, пропана - 2200 кДж/моль.

1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.

1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии. Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.

При сжигании водорода получается чистая вода. То есть водородное топливо производится без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина.

Получение водорода

Для получения водорода используют химические методы, в тч реакции разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода - реакция с водой метана, который входит в состав природного газа.
Она проводится при высокой температуре:

СН₄ + 2Н₂0 = CO₂ + 4Н₂ - 165 кДж

• 1.Электролиз водных растворов солей:

• 2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

• 3.Из природного газа.

• 4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
• 5. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

• 6.Взаимодействие кальция с водой:

• 7.Гидролиз гидридов:

• 8.Действие щелочей на цинк или алюминий:

• 9 .С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

• Биореактор для производства водорода

Физические свойства

Газообразный водород может существовать в 2^х формах (модификациях) - в виде орто - и пара-водорода.
В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) - противоположно друг другу (антипараллельны).
Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота.
При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода.
При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25).
Без катализатора превращение происходит медленно, что дает возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм.
Молекула водорода двухатомна - Н_₂. При обычных условиях - это газ без цвета, запаха и вкуса.
Водород - самый легкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре.
Как самые легкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому.
Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства

Молекулы водорода Н_₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Н₂=2Н - 432 кДж

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca + Н₂ = СаН₂ и с единственным неметаллом - фтором, образуя фтороводород:

F₂+H₂=2HF

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

CuO + Н₂ = Cu + Н₂0

Записанное уравнение отражает реакцию восстановления - процесс, в результате которого от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются).

Реакция восстановления противоположна реакции окисления.

Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

С галогенами образует галогеноводороды:

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

Оксиды восстанавливаются до металлов:

Геохимия водорода

Водород - самый распространенный элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем.
Свободный водород H₂ относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением.
Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Применение кроме энергетики:

•  для атомно-водородной сварки,
•  в пищевой промышленности, как пищевая добавка E949- упаковочный газ, для производства маргарина из жидких растительных масел,
•  химической промышленности - при производстве аммиака, мыла и пластмасс,
•  в качестве ракетного топлива,

Пожароопасность и взрывоопасность

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь - гремучий газ. 
Наибольшую взрывоопасность - при объемном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближенно 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%.
Водород пожароопасен.

neftegaz.ru

Водород — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья

Конфигурация единственного электронного слоя нейтрального невозбужденного атома водорода 1s¹. В соединениях проявляет степени окисления +1 и, реже, –1 (валентность I). Радиус нейтрального атома водорода 0, 024 нм. Энергия ионизации атома 13, 595 эВ, сродство к электрону 0, 75 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность водорода 2, 20. Водород принадлежит к числу неметаллов.

В свободном виде — легкий горючий газ без цвета, запаха и вкуса.

В 1787 году Лавуазье пришел к выводу, что «горючий воздух» представляет собой простое вещество, и, следовательно, относится к числу химических элементов. Он дал ему название hydrogene (от греческого hydor — вода и gennao — рождаю) — «рождающий воду». Установление состава воды положило конец «теории флогистона».

На долю водорода приходится около 1% массы земной коры (10-е место среди всех элементов). В свободном виде водород на нашей планете практически не встречается (его следы имеются в верхних слоях атмосферы), но в составе воды распространен на Земле почти повсеместно. Элемент водород входит в состав органических и неорганических соединений живых организмов, природного газа, нефти, каменного угля. Он содержится, разумеется, в составе воды (около 11% по массе), в различных природных кристаллогидратах и минералах, в составе которых имеется одна или несколько гидроксогрупп ОН.

Водород как элемент доминирует во Вселенной. На его долю приходится около половины массы Солнца и других звезд, он присутствует в атмосфере ряда планет.

Водород можно получить многими способами. В промышленности для этого используют природные газы, а также газы, получаемые при переработке нефти, коксовании и газификации угля и других топлив. При производстве водорода из природного газа (основной компонент — метан) проводят его каталитическое взаимодействие с водяным паром и неполное окисление кислородом:

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂ и CH₄ + 1/2 O₂ = CO₂ + 2H₂

Выделение водорода из коксового газа и газов нефтепереработки основано на их сжижении при глубоком охлаждении и удалении из смеси газов, сжижаемых легче, чем водород. При наличии дешевой электроэнергии водород получают электролизом воды, пропуская ток через растворы щелочей. В лабораторных условиях водород легко получить взаимодействием металлов с кислотами, например, цинка с соляной кислотой.

При обычных условиях водород — легкий (плотность при нормальных условиях 0, 0899 кг/м³) бесцветный газ. Температура плавления –259, 15 °C, температура кипения –252, 7 °C. Жидкий водород (при температуре кипения) обладает плотностью 70, 8 кг/м³ и является самой легкой жидкостью. Стандартный электродный потенциал Н₂/Н^- в водном растворе принимают равным 0. Водород плохо растворим в воде: при 0 °C растворимость составляет менее 0, 02 см³/мл, но хорошо растворим в некоторых металлах (губчатое железо и других), особенно хорошо — в металлическом палладии (около 850 объемов водорода в 1 объеме металла). Теплота сгорания водорода равна 143, 06 МДж/кг.

Существует в виде двухатомных молекул Н₂. Константа диссоциации Н₂ на атомы при 300 К 2, 56·10^-34. Энергия диссоциации молекулы Н₂ на атомы 436 кДж/моль. Межъядерное расстояние в молекуле Н₂ 0, 07414 нм.

В научной литературе неоднократно высказывались соображения о том, что при высоких давлениях (выше 10 ГПа) и при низких температурах (около 10 К и ниже) твердый водород, обычно кристаллизующийся в гексагональной решетке молекулярного типа, может переходить в вещество с металлическими свойствами, возможно, даже сверхпроводник. Однако пока однозначных данных о возможности такого перехода нет.

Высокая прочность химической связи между атомами в молекуле Н₂ (что, например, используя метод молекулярных орбиталей, можно объяснить тем, что в этой молекуле электронная пара находится на связывающей орбитали, а разрыхляющая орбиталь электронами не заселена) приводит к тому, что при комнатной температуре газообразный водород химически малоактивен. Так, без нагревания, при простом смешивании водород реагирует (со взрывом) только с газообразным фтором:

H₂ + F₂ = 2HF + Q.

H₂ + 1/2O₂ = Н₂О + 285, 75 кДж/моль

С остальными неметаллами и металлами водород если и взаимодействует, то только при определенных условиях (нагревание, повышенное давление, присутствие катализатора). Так, с азотом водород обратимо реагирует при повышенном давлении (20-30 МПа и больше) и при температуре 300-400 °C в присутствии катализатора — железа:

3H₂ + N₂ = 2NH₃ + Q.

Также только при нагревании водород реагирует с серой с образованием сероводорода H₂S, с бромом — с образованием бромоводорода НBr, с иодом — с образованием иодоводорода НI. С углем (графитом) водород реагирует с образованием смеси углеводородов различного состава. С бором, кремнием, фосфором водород непосредственно не взаимодействует, соединения этих элементов с водородом получают косвенными путями.

При нагревании водород способен вступать в реакции с щелочными, щелочноземельными металлами и магнием с образованием соединений с ионным характером связи, в составе которых содержится водород в степени окисления –1. Так, при нагревании кальция в атмосфере водорода образуется солеобразный гидрид состава СаН₂. Полимерный гидрид алюминия (AlH₃)_x — один из самых сильных восстановителей — получают косвенными путями (например, с помощью алюминийорганических соединений). Со многими переходными металлами (например, цирконием, гафнием и др.) водород образует соединения переменного состава (твердые растворы).

Водород способен реагировать не только со многими простыми, но и со сложными веществами. Прежде всего надо отметить способность водорода восстанавливать многие металлы из их оксидов (такие, как железо, никель, свинец, вольфрам, медь и др.). Так, при нагревании до температуры 400-450 °C и выше происходит восстановление железа водородом из его любого оксида, например:

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O.

Следует отметить, что восстановить водородом из оксидов можно только металлы, расположенные в ряду стандартных потенциалов за марганцем. Более активные металлы (в том числе и марганец) до металла из оксидов не восстанавливаются.

Водород способен присоединяться по двойной или тройной связи ко многим органическим соединениям (это — так называемые реакции гидрирования). Например, в присутствии никелевого катализатора можно осуществить гидрирование этилена С₂Н₄, причем образуется этан С₂Н₆:

С₂Н₄ + Н₂ = С₂Н₆.

Взаимодействием оксида углерода(II) и водорода в промышленности получают метанол:

2Н₂ + СО = СН₃ОН.

Одно время высказывалось предположение, что в недалеком будущем основным источником получения энергии станет реакция горения водорода, и водородная энергетика вытеснит традиционные источники получения энергии (уголь, нефть и др.). При этом предполагалось, что для получения водорода в больших масштабах можно будет использовать электролиз воды. Электролиз воды — довольно энергоемкий процесс, и в настоящее время получать водород электролизом в промышленных масштабах невыгодно. Но ожидалось, что электролиз будет основан на использовании среднетемпературной (500-600 °C) теплоты, которая в больших количествах возникает при работе атомных электростанций. Эта теплота имеет ограниченное применение, и возможности получения с ее помощью водорода позволили бы решить как проблему экологии (при сгорании водорода на воздухе количество образующихся экологически вредных веществ минимально), так и проблему утилизации среднетемпературной теплоты. Однако после Чернобыльской катастрофы развитие атомной энергетики повсеместно свертывается, так что указанный источник энергии становится недоступным. Поэтому перспективы широкого использования водорода как источника энергии пока сдвигаются по меньшей мере до середины 21-го века.

Водород не ядовит, но при обращении с ним нужно постоянно учитывать его высокую пожаро- и взрывоопасность, причем взрывоопасность водорода повышена из-за высокой способности газа к диффузии даже через некоторые твердые материалы. Перед началом любых операций по нагреванию в атмосфере водорода следует убедиться в его чистоте (при поджигании водорода в перевернутой вверх дном пробирке звук должен быть глухой, а не лающий).

• Некрасов Б. В. Основы общей химии. М., 1973.
• Жидкий водород. М., 1980.
• Водород в металлах. М., 1981.

megabook.ru

Вода — Википедия

Вода́ (оксид водорода) — бинарное неорганическое соединение с химической формулой H₂O: молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного — кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеющую цвета (при малой толщине слоя), запаха и вкуса. В твёрдом состоянии называется льдом (кристаллы льда могут образовывать снег или иней), а в газообразном — водяным паром. Вода также может существовать в виде жидких кристаллов (на гидрофильных поверхностях)^[7][8].

Вода является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).

Исключительно важна роль воды в глобальном кругообороте вещества и энергии^[9], возникновении и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Вода является важнейшим веществом для всех живых существ на Земле^[10].

Всего на Земле около 1400 млн км³ воды. Вода покрывает 71 % поверхности земного шара (океаны, моря, озёра, реки, льды — 361,13 млн км²^[11][12]). Бо́льшая часть земной воды (97,54 %) принадлежит Мировому океану — это солёная вода, непригодная для сельского хозяйства и питья. Пресная же вода находится в основном в ледниках (1,81 %) и подземных водах (около 0,63 %), и лишь небольшая часть (0,009 %) в реках и озёрах. Материковые солёные воды составляют 0,007 %, в атмосфере содержится 0,001 % от всей воды нашей планеты^[13][14].

Происходит от др.-русск. вода, далее от праславянского *voda^[15] (ср. ст.-слав. вода, болг. вода́, сербохорв. во̀да, словен. vóda, чеш. voda, слвц. voda, польск. woda, в.-луж., н.-луж. woda), затем от праиндоевропейского *wed-, родственно лит. vanduõ, жем. unduo, д.-в.-н. waʒʒar «вода», гот. watō, англ. water, греч. ὕδωρ, ὕδατος, арм. get «река», фриг. βέδυ, др.-инд. udakám, uda-, udán- «вода», unátti «бить ключом», «орошать», ṓdman- «поток», алб. uj «вода»^[16][17]. Также родственно русским словам ведро, выдра. В рамках необщепринятой гипотезы о существовании некогда праностратического языка слово может сравниваться с гипотетическим прауральским *wete (ср., например, фин. vesi, эст. vesi, коми va, венг. víz), а также с предполагаемыми праалтайскими, прадравидийским и пр. словами, и реконструироваться как *wetV для праязыка^[18].

С формальной точки зрения вода имеет несколько различных корректных химических названий:

• Оксид водорода: бинарное соединение водорода с атомом кислорода в степени окисления −2, встречается также устаревшее название окись водорода.
• Гидроксид водорода: соединение гидроксильной группы OH^- и катиона (H⁺)
• Гидроксильная кислота: воду можно рассматривать как соединение катиона H⁺, который может быть замещён металлом, и «гидроксильного остатка» OH^-
• Монооксид дигидрогена
• Дигидромонооксид

Физические свойства[править | править код]

Вода при нормальных условиях находится в жидком состоянии, тогда как аналогичные водородные соединения других элементов являются газами (H₂S, CH₄, HF). Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45° (104°27′). Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды обладает большим дипольным моментом (p = 1,84 Д, уступает только синильной кислоте и диметилсульфоксиду). Каждая молекула воды образует до четырёх водородных связей — две из них образует атом кислорода и две — атомы водорода^[19]. Количество водородных связей и их разветвлённая структура определяют высокую температуру кипения воды и её удельную теплоту парообразования^[19]. Если бы не было водородных связей, вода, на основании места кислорода в таблице Менделеева и температур кипения гидридов аналогичных кислороду элементов (серы, селена, теллура), кипела бы при −80 °C, а замерзала при −100 °C^[20].

При переходе в твёрдое состояние молекулы воды упорядочиваются, при этом объёмы пустот между молекулами увеличиваются, и общая плотность воды падает, что и объясняет меньшую плотность (больший объём) воды в фазе льда. При испарении, напротив, все водородные связи рвутся. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868 кДж энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель.

Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (333,55 кДж/кг при 0 °C) и парообразования (2250 кДж/кг).

Физические свойства разных изотопных модификаций воды при различных температурах^[21]:

Вода обладает также высоким поверхностным натяжением, уступая в этом только ртути^[22][23][24]. Относительно высокая вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

Вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.

Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде^[25]. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Вода обладает отрицательным электрическим потенциалом поверхности.

Чистая вода — хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H₃O⁺) и гидроксильных ионов OH⁻ составляет 10^-7 моль/л. Но поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть присутствуют другие положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.

Агрегатные состояния[править | править код]

По состоянию различают:

При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., 101 325 Па) вода переходит в твёрдое состояние при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C (значения 0 °C и 100 °C были выбраны как соответствующие температурам таяния льда и кипения воды при создании температурной шкалы «по Цельсию»). При снижении давления температура таяния (плавления) льда медленно растёт, а температура кипения воды — падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такие давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки (сублимации) льда падает со снижением давления. При высоком давлении существуют модификации льда с температурами плавления выше комнатной.

С ростом давления температура кипения воды растёт^[26]:

При росте давления плотность насыщенного водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды — падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении и/или температуре исчезает разница между жидкой водой и водяным паром. Такое агрегатное состояние называют «сверхкритическая жидкость».

Вода может находиться в метастабильных состояниях — пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, можно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Оптические свойства[править | править код]

Они оцениваются по прозрачности воды, которая, в свою очередь, зависит от длины волны излучения, проходящего через воду. Вследствие поглощения оранжевых и красных компонентов света вода приобретает голубоватую окраску. Вода прозрачна только для видимого света и сильно поглощает инфракрасное излучение, поэтому на инфракрасных фотографиях водная поверхность всегда получается чёрной. Ультрафиолетовые лучи легко проходят через воду, поэтому растительные организмы способны развиваться в толще воды и на дне водоёмов, инфракрасные лучи проникают только в поверхностный слой. Вода отражает 5 % солнечных лучей, в то время как снег — около 85 %. Под лёд океана проникает только 2 % солнечного света.

Изотопные модификации[править | править код]

И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы. В зависимости от типа изотопов водорода, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды:

Последние три вида возможны, так как молекула воды содержит два атома водорода. Протий — самый лёгкий изотоп водорода, дейтерий имеет атомную массу 2,0141017778 а. е. м., тритий — самый тяжёлый, атомная масса 3,0160492777 а. е. м. В воде из-под крана тяжелокислородной воды (H₂O¹⁷ и H₂O¹⁸) содержится больше, чем воды D₂O¹⁶: их содержание, соответственно, 1,8 кг и 0,15 кг на тонну^[20].

Хотя тяжёлая вода часто считается мёртвой водой, так как живые организмы в ней жить не могут, некоторые микроорганизмы могут быть приучены к существованию в ней^[20].

По стабильным изотопам кислорода ¹⁶O, ¹⁷O и ¹⁸O существуют три разновидности молекул воды. Таким образом, по изотопному составу существуют 18 различных молекул воды. В действительности любая вода содержит все разновидности молекул.

Химические свойства[править | править код]

Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ.

Её иногда рассматривают как амфолит — и кислоту и основание одновременно (катион H⁺анион OH⁻). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pK_a ≈ 16.

Вода — химически активное вещество. Сильно полярные молекулы воды сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.

Воду можно получать:

• в ходе реакций —

2h3O2→2h3O+O2↑{\displaystyle {\mathsf {2H_{2}O_{2}\rightarrow 2H_{2}O+O_{2}\uparrow }}}

NaHCO3+Ch4COOH→Ch4COONa+h3O+CO2↑{\displaystyle {\mathsf {NaHCO_{3}+CH_{3}COOH\rightarrow CH_{3}COONa+H_{2}O+CO_{2}\uparrow }}}

2Ch4COOH+CaCO3→Ca(Ch4COO)2+h3O+CO2↑{\displaystyle {\mathsf {2CH_{3}COOH+CaCO_{3}\rightarrow Ca(CH_{3}COO)_{2}+H_{2}O+CO_{2}\uparrow }}}

h3SO4+2KOH→K2SO4+2h3O{\displaystyle {\mathsf {H_{2}SO_{4}+2KOH\rightarrow K_{2}SO_{4}+2H_{2}O}}}

HNO3+Nh5OH→Nh5NO3+h3O{\displaystyle {\mathsf {HNO_{3}+NH_{4}OH\rightarrow NH_{4}NO_{3}+H_{2}O}}}

2Ch4COOH+Ba(OH)2→Ba(Ch4COO)2+2h3O{\displaystyle {\mathsf {2CH_{3}COOH+Ba(OH)_{2}\rightarrow Ba(CH_{3}COO)_{2}+2H_{2}O}}}

• Восстановлением водородом оксидов металлов —

CuO+h3→Cu+h3O{\displaystyle {\mathsf {CuO+H_{2}\rightarrow Cu+H_{2}O}}}

Под воздействием очень высоких температур или электрического тока (при электролизе)^[27], а также под воздействием ионизирующего излучения, как установил в 1902 году^[28]Фридрих Гизель^[en] при исследовании водного раствора бромида радия^[29], вода разлагается на молекулярный кислород и молекулярный водород:

2h3O→2h3↑+O2↑{\displaystyle {\mathsf {2H_{2}O\rightarrow 2H_{2}\uparrow +O_{2}\uparrow }}}

Вода реагирует при комнатной температуре:

2h3O+2Na→2NaOH+h3↑{\displaystyle {\mathsf {2H_{2}O+2Na\rightarrow 2NaOH+H_{2}\uparrow }}}

• со фтором и межгалоидными соединениями

2h3O+2F2→4HF+O2{\displaystyle {\mathsf {2H_{2}O+2F_{2}\rightarrow 4HF+O_{2}}}}

h3O+F2→HF+HOF

ru.wikipedia.org

Сероводород — Википедия

Сероводоро́д (серни́стый водоро́д, сульфи́д водоро́да, дигидросульфи́д) — бесцветный газ со сладковатым вкусом, обеспечивающий характерный неприятный тяжёлый запах тухлых яиц (тухлого мяса). Бинарное химическое соединение водорода и серы. Химическая формула — H₂S. Плохо растворим в воде, хорошо — в этаноле. В больших концентрациях ядовит. Огнеопасен. Концентрационные пределы воспламенения в смеси с воздухом составляют 4,5—45 % сероводорода. Используется в химической промышленности для синтеза некоторых соединений, получения элементарной серы, серной кислоты, сульфидов. Сероводород также используют в лечебных целях, например в сероводородных ваннах^[2].

В природе встречается редко в составе попутных нефтяных газов, природного газа, вулканических газах, в растворённом виде в природных водах (например, в Чёрном море слои воды, расположенные глубже 150—200 м, содержат растворённый сероводород). Образуется при гниении белков, которые содержат в составе серосодержащие аминокислоты метионин и/или цистеин. Небольшое количество сероводорода содержится в кишечных газах человека и животных.

Термически устойчив (при температурах больше 400 °C разлагается на простые вещества — S и H₂). Молекула сероводорода имеет изогнутую форму, поэтому она полярна (μ = 0,34⋅10⁻²⁹ Кл·м). В отличие от воды, в сероводороде не образуются водородные связи, поэтому сероводород в обычных условиях не сжижается. Раствор сероводорода в воде — очень слабая сероводородная кислота.

Переходит в сверхпроводящее состояние при давлении порядка 100 ГПа (1 млн атмосфер). При этом температура сверхпроводящего перехода начинает резко возрастать при давлении выше 150 ГПа, и достигает 150 К (−120 °C) при давлении порядка 200 ГПа. Это привело к открытию стабильной фазы соединения серы и водорода, обладавшей на момент открытия рекордной температурой сверхпроводящего перехода 203 К (−70 °C) при давлении 150 ГПа. В этой фазе химическая формула вещества ближе к H₃S^[3].

• Зависимость критической температуры, при которой сероводород H₂S и его изотополог D₂S переходят в сверхпроводящее состояние, от давления^[4]

• Зависимость от давления критической температуры, при которой в сверхпроводящее состояние переходят гидрид серы H_xS и дейтерид серы D_xS, находящиеся в оптимальной фазе^[5]

Собственная ионизация жидкого сероводорода ничтожно мала.

В воде сероводород мало растворим, водный раствор H₂S является очень слабой кислотой:

h3S→HS−+H+{\displaystyle {\mathsf {H_{2}S\rightarrow HS^{-}+H^{+}}}} K_a = 6,9⋅10⁻⁷ ; pK_a = 6,89.

Реагирует со щелочами:

h3S+2NaOH→Na2S+2h3O{\displaystyle {\mathsf {H_{2}S+2NaOH\rightarrow Na_{2}S+2H_{2}O}}} (средняя соль, при избытке NaOH)

h3S+NaOH→NaHS+h3O{\displaystyle {\mathsf {H_{2}S+NaOH\rightarrow NaHS+H_{2}O}}} (кислая соль, при отношении 1:1)

Сероводород — сильный восстановитель. Окислительно-восстановительные потенциалы:

S+2e−→S2−(Eh=−0.444B){\displaystyle {\mathsf {S+2e^{-}\rightarrow S^{2-}(Eh=-0.444B)}}}

S+2H++2e−→h3S(Eh=0.144B){\displaystyle {\mathsf {S+2H^{+}+2e^{-}\rightarrow H_{2}S(Eh=0.144B)}}}

В воздухе горит синим пламенем:

2h3S+3O2→2h3O+2SO2{\displaystyle {\mathsf {2H_{2}S+3O_{2}\rightarrow 2H_{2}O+2SO_{2}}}}

при недостатке кислорода:

2h3S+O2→2S+2h3O{\displaystyle {\mathsf {2H_{2}S+O_{2}\rightarrow 2S+2H_{2}O}}} (на этой реакции основан промышленный способ получения серы).

Сероводород реагирует также со многими другими окислителями, при его окислении в растворах образуется свободная сера или ион SO₄²⁻, например:

3h3S+4HClO3→3h3SO4+4HCl{\displaystyle {\mathsf {3H_{2}S+4HClO_{3}\rightarrow 3H_{2}SO_{4}+4HCl}}}

2h3S+SO2→2h3O+3S{\displaystyle {\mathsf {2H_{2}S+SO_{2}\rightarrow 2H_{2}O+3S}}}

h3S+h3O2→2h3O+S{\displaystyle {\mathsf {H_{2}S+H_{2}O_{2}\rightarrow 2H_{2}O+S}}}

Качественной реакцией на сероводородную кислоту и её соли является их взаимодействие с солями свинца, при котором образуется чёрный осадок сульфида свинца, например^[6]:

h3S+Pb(NO3)2→PbS↓+2HNO3{\displaystyle {\mathsf {H_{2}S+Pb(NO_{3})_{2}\rightarrow PbS{\downarrow }+2HNO_{3}}}}

При пропускании сероводорода через человеческую кровь она чернеет, поскольку гемоглобин разрушается и железо, входящее в его состав и придающее крови красный цвет, вступает в реакцию с сероводородом и образует чёрный сульфид железа^[6].

Сульфиды[править | править код]

Соли сероводородной кислоты называют сульфидами. В воде хорошо растворимы только сульфиды щелочных металлов, аммония. Сульфиды остальных металлов практически не растворимы в воде, они выпадают в осадок при введении в растворы солей металлов и растворимой соли сероводородной кислоты, например сульфида аммония (NH₄)₂S. Многие сульфиды ярко окрашены.

Для всех щелочных и щелочноземельных металлов известны также гидросульфиды M⁺HS и M²⁺(HS)². Гидросульфиды Са²⁺ и Sr²⁺ очень нестойки. Являясь солями слабой кислоты, в водном растворе растворимые сульфиды подвергаются гидролизу. Гидролиз сульфидов, содержащих металлы в высоких степенях окисления, либо гидроксиды которых являются очень слабыми основаниями (например, Al₂S₃, Cr₂S₃ и др.), часто проходит необратимо с выпадением в осадок нерастворимого гидроксида.

Сульфиды применяются в технике, например полупроводники и люминофоры (сульфид кадмия, сульфид цинка), смазочные материалы (дисульфид молибдена) и др.

Многие природные сульфиды в виде минералов являются ценными рудами (пирит, халькопирит, киноварь, молибденит).

Пример окисления сульфида перекисью водорода:

PbS+4h3O2=PbSO4+4h3O{\displaystyle {\mathsf {PbS+4H_{2}O_{2}=PbSO_{4}+4H_{2}O}}}

• Взаимодействием разбавленных кислот с сульфидами:

FeS+2 HCl⟶ FeCl2+ h3S↑{\displaystyle {\mathsf {FeS+2\ HCl\longrightarrow \ FeCl_{2}+\ H_{2}S\uparrow }}}

Al2S3+6 h3O⟶2 Al(OH)3↓+3 h3S↑{\displaystyle {\mathsf {Al_{2}S_{3}+6\ H_{2}O\longrightarrow 2\ Al(OH)_{3}\downarrow +3\ H_{2}S\uparrow }}}

• Сплавлением парафина с серой.

Соединения, генетически связанные с сероводородом[править | править код]

Является первым членом в ряде полисероводородов (сульфанов) — H₂S_n (выделены полисероводороды с n=1÷8)^[7].

Сероводород из-за своей токсичности находит ограниченное применение.

В норме[править | править код]

Эндогенный сероводород производится в небольших количествах клетками млекопитающих и выполняет ряд важных биологических функций, в том числе сигнальную. Это третий из открытых «газотрансмиттеров» (после окиси азота и угарного газа).

Эндогенный сероводород образуется в организме из цистеина при помощи ферментов цистатионин-β-синтетазы и цистатионин-γ-лиазы. Он является спазмолитиком (расслабляет гладкие мышцы) и вазодилататором, подобно окиси азота и угарному газу^[8]. Он также проявляет активность в ЦНС, где он повышает NMDA-опосредованную нейротрансмиссию и способствует долговременному запоминанию информации^[9].

В дальнейшем сероводород окисляется до сульфит-иона в митохондриях при помощи фермента тиосульфат-редуктазы. Сульфит-ион в дальнейшем окисляется до тиосульфат-иона и затем в сульфат-ион ферментом сульфит-оксидазой. Сульфаты, как конечный продукт метаболизма, экскретируются с мочой^[10].

Благодаря свойствам, сходным со свойствами окиси азота (но без её способности образовывать пероксиды, реагируя с супероксидом), эндогенный сероводород считается сейчас одним из важных факторов, защищающих организм от сердечно-сосудистых заболеваний^[8]. Известные кардиопротективные свойства чеснока связаны с катаболизмом полисульфидных групп аллицина в сероводород, причём эта реакция катализируется восстановительными свойствами глютатиона^[11].

Хотя и оксид азота(II) NO, и сероводород способны расслаблять мышцы и вызывать вазодилатацию, их механизмы действия, судя по всему, различны. В то время как оксид азота активирует фермент гуанилатциклазу, сероводород активирует АТФ-чувствительные калиевые каналы в гладкомышечных клетках. Исследователям до настоящего времени неясно, как распределяются физиологические роли в регулировании тонуса сосудов между окисью азота, угарным газом и сероводородом. Однако существуют некоторые данные, позволяющие предположить, что окись азота в физиологических условиях в основном расширяет крупные сосуды, в то время как сероводород ответствен за аналогичное расширение мелких кровеносных сосудов^[12].

Последние исследования заставляют предполагать значительное внутриклеточное кросс-общение между сигнальными путями оксида азота(II) и сигнальными путями сероводорода^[13], демонстрирующие, что вазодилатирующие, спазмолитические, противовоспалительные и цитопротективные свойства этих газов взаимозависимы и взаимодополняющи. Кроме того, показано, что сероводород способен реагировать с внутриклеточными S-нитрозотиолами, в результате чего образуется наименьший возможный S-нитрозотиол — HSNO. Это заставляет предполагать, что сероводород играет роль в контроле за уровнем внутриклеточного содержания S-нитрозотиолов^[14].

Подобно окиси азота, сероводород играет роль в расширении сосудов полового члена, необходимом для осуществления эрекции, что создаёт новые возможности для терапии эректильной дисфункции при помощи тех или иных средств, повышающих продукцию эндогенного сероводорода^[15][16].

При патологических состояниях[править | править код]

При инфаркте миокарда обнаруживается выраженный дефицит эндогенного сероводорода, что может иметь неблагоприятные последствия для сосудов.^[17] Инфаркт миокарда приводит к некрозу сердечной мышцы в зоне инфаркта через два различных механизма: один — это повышенный оксидативный стресс и повышенное образование свободных радикалов, и другой — это сниженная биодоступность эндогенных вазодилататоров и «защитников» тканей от свободнорадикального повреждения — окиси азота и сероводорода.^[18] Повышенное образование свободных радикалов происходит вследствие повышенного несвязанного электронного транспорта в активном сайте фермента эндотелиальной синтазы оксида азота — фермента, ответственного за превращение L-аргинина в окись азота.^[17][18] Во время инфаркта, окислительная деградация тетрагидробиоптерина, кофактора в процессе производства окиси азота, ограничивает доступность тетрагидробиоптерина и соответственно ограничивает способность синтазы оксида азота к производству NO.^[18] В результате синтаза оксида азота реагирует с кислородом, другим косубстратом, необходимым для производства окиси азота. Результатом этого является образование супероксидов, повышенное образование свободных радикалов и внутриклеточный оксидативный стресс.^[17] Дефицит сероводорода ещё более ухудшает эту ситуацию, нарушая активность синтазы оксида азота за счёт ограничения активности Akt и угнетения фосфорилирования Akt синтазы оксида азота в сайте eNOSS1177, необходимом для её активации.^[17][19] Вместо этого при дефиците сероводорода активность Akt изменяется таким образом, что Akt фосфорилирует ингибирующий сайт синтазы оксида азота — eNOST495 — что приводит к ещё большему угнетению биосинтеза окиси азота.^[17][19]

«Сероводородная терапия» использует донор или прекурсор сероводорода, такой как диаллил-трисульфид, для того, чтобы повысить содержание сероводорода в крови и тканях пациента с инфарктом миокарда. Доноры или прекурсоры сероводорода уменьшают повреждение миокарда после ишемии и реперфузии и риск осложнений инфаркта миокарда.^[17] Повышенные уровни сероводорода в тканях и крови реагируют с кислородом, содержащимся в крови и тканях, в результате чего образуется сульфан-сера, промежуточный продукт, в составе которого сероводород «запасается», хранится и транспортируется в клетки.^[17] Пулы сероводорода в тканях реагируют с кислородом, повышение содержания сероводорода в тканях активирует синтазу оксида азота и тем самым повышает продукцию окиси азота.^[17] Вследствие повышения использования кислорода для производства окиси азота, меньше кислорода остаётся для реагирования с эндотелиальной синтазой оксида азота и производства супероксидов, повышенного при инфаркте, что в итоге приводит к уменьшению образования свободных радикалов.^[17] Кроме того, меньшее образование свободных радикалов понижает оксидативный стресс в гладкомышечных клетках сосудов, понижая тем самым окислительную деградацию тетрагидробиоптерина.^[18] Повышение доступности кофактора синтазы оксида азота — тетрагидробиоптерина — также способствует увеличению продукции окиси азота в организме.^[18] Кроме того, более высокие концентрации сероводорода непосредственно повышают активность синтазы оксида азота через активацию Akt, что приводит к повышению фосфорилирования активирующего сайта eNOSS1177 и снижению фосфорилирования ингибирующего сайта eNOST495.^[17][19] Это фосфорилирование приводит к повышению каталитической активности синтазы оксида азота, что приводит к более эффективному и более быстрому превращению L-аргинина в окись азота и повышению концентрации окиси азота.^[17][19] Повышение концентрации окиси азота повышает активность растворимой гуанилатциклазы, что, в свою очередь, приводит к повышению образования циклического гуанозинмонофосфата цГМФ из ГТФ.^[20] Повышение уровня циклического ГМФ приводит к повышению активности протеинкиназы G (PKG).^[21] А протеинкиназа G приводит к снижению уровня внутриклеточного кальция в гладких мышцах стенок сосудов, что приводит к их расслаблению и усилению кровотока в сосудах.^[21] Кроме того, протеинкиназа G также ограничивает пролиферацию гладкомышечных клеток стенок сосудов, уменьшая тем самым утолщение интимы сосудов. В конечном итоге «сероводородная терапия» приводит к уменьшению размеров зоны инфаркта.^[17][20]

При болезни Альцгеймера уровень сероводорода в мозгу резко понижен.^[22] В модели на крысах болезни Паркинсона концентрация сероводорода в мозгу крыс также оказалась пониженной, причём введение крысам доноров или прекурсоров сероводорода улучшало состояние животных вплоть до полного исчезновения симптомов.^[23] При трисомии 21 (синдроме Дауна) организм, напротив, вырабатывает избыточное количество сероводорода.^[10] Эндогенный сероводород также вовлечён в патогенез сахарного диабета 1-го типа. Бета-клетки поджелудочной железы больных сахарным диабетом 1-го типа вырабатывают чрезмерно повышенные количества сероводорода, что приводит к гибели этих клеток и к понижению секреции инсулина соседними, пока ещё живыми, клетками.^[12]

Использование для гибернации и анабиоза[править | править код]

В 2005 году было показано, что мышь можно погрузить в состояние почти анабиоза: искусственной гипотермии, подвергнув её воздействию низких концентраций сероводорода (81 ppm) во вдыхаемом воздухе. Дыхание животных замедлилось со 120 до 10 дыхательных движений в минуту, а их температура тела упала с 37 градусов Цельсия до уровня, всего на 2 градуса Цельсия превышающего температуру окружающей среды (то есть эффект был таков, как будто теплокровное животное внезапно стало холоднокровным). Мыши пережили эту процедуру в течение 6 часов, причём после этого у них не наблюдалось никаких негативных последствий для здоровья, нарушений поведения или каких-либо повреждений внутренних органов^[24] В 2006 году было показано, что артериальное давление у мыши, подвергнутой подобным образом воздействию сероводорода, существенно не снижается^[25].

Сходный процесс, известный как гибернация или «зимняя спячка», наблюдается в природе у многих видов млекопитающих, а также у жаб, но не у мыши (хотя мышь может впадать в ступор при долгом отсутствии еды). Было показано, что во время «зимней спячки» продукция эндогенного сероводорода у тех животных, которые впадают в зимнюю спячку, значительно повышается. Теоретически, если бы удалось заставить вызываемую сероводородом гибернацию столь же эффективно работать у людей, это могло бы быть очень полезным в клинической практике для спасения жизни тяжело травмированных или перенёсших тяжёлую гипоксию, инфаркты, инсульты больных, а также для консервации донорских органов. В 2008 году было показано, что гипотермия, вызванная сероводородом в течение 48 часов, у крыс способна уменьшать степень повреждения головного мозга, вызываемого экспериментальным инсультом или травмой мозга^[26].

Сероводород связывается с цитохромоксидазой C и тем самым предотвращает связывание с нею кислорода, что приводит к резкому замедлению метаболизма, но в больших количествах «парализует» клеточное дыхание и приводит к «удушью» на уровне клетки — к клеточной гипоксии. И у человека, и у животных все клетки организма в норме производят некоторое количество сероводорода. Ряд исследователей предположили, что, помимо других физиологических ролей, сероводород также используется организмом для естественной саморегуляции скорости метаболизма (метаболической активности), температуры тела и потребления кислорода, что может объяснить вышеописанное наступление гибернации у мышей и крыс при повышенных концентрациях сероводорода, а также повышение его концентрации при физиологической спячке у животных^[27].

Однако два последних исследования вызывают сомнения в том, что этого эффекта гибернации и индукции гипометаболизма при помощи сероводорода возможно достичь у более крупных животных. Так, исследование 2008 года не смогло воспроизвести этот же эффект на свиньях, что привело исследователей к заключению, что эффект, наблюдаемый у мышей, не наблюдается у более крупных животных^[28]. Аналогично другая статья отмечает, что эффекта индукции гипометаболизма и гибернации при помощи сероводорода, легко достижимого у мышей и крыс, не удаётся достичь у овец^[29].

В феврале 2010 года учёный Марк Рот заявил на конференции, что вызванная сероводородом гипотермия у человека прошла I фазу клинических испытаний^[30]. Однако решение о проведении дальнейших клинических испытаний на больных с инфарктом было отозвано основанной им компанией Ikaria в августе 2011 года ещё до начала набора участников испытаний без объяснения причин со ссылкой на «решение компании»^[31][32].

Очень токсичен. Вдыхание воздуха с небольшим содержанием сероводорода вызывает головокружение, головную боль, тошноту, а со значительной концентрацией приводит к коме, судорогам, отёку лёгких и даже к летальному исходу. При высокой концентрации однократное вдыхание может вызвать мгновенную смерть. При вдыхании воздуха с небольшими концентрациями у человека довольно быстро возникает адаптация к неприятному запаху «тухлых яиц» и он перестаёт ощущаться. Во рту возникает сладковатый металлический привкус^[33].

При вдыхании воздуха с большой концентрацией из-за паралича обонятельного нерва запах сероводорода почти сразу перестаёт ощущаться.

Порог запаха сероводорода (концентрации, при которых начинает ощущаться запах) по данным Всемирной Организации Здравоохранения («Рекомендации по качеству воздуха для Европы») составляет 0,007 мг/м3.

В Российской Федерации предельно-допустимая максимально-разовая концентрация сероводорода в атмосферном воздухе (ПДКм.р.) установлена на уровне порога запаха и составляет 0,008 мг/м3.

Концентрации сероводорода в воздухе, при которых начинаются обратимые реакции у чувствительных групп населения, значительно выше порога запаха.

В рекомендациях Всемирной Организации Здравоохранения по качеству атмосферного воздуха для Европы рекомендуемое значение, при котором могут возникнуть первые обратимые от воздействия сероводорода (раздражение глаз), составляет 0,15 мг/м3 — в 18,75 раз больше, чем порог запаха. Согласно отдельному докладу Всемирной Организации Здравоохранения, посвященному исследованиям воздействия сероводорода на здоровье населения, обратимая реакция у чувствительных групп населения (астматиков и аллергиков) начинается с концентрации 2,8 мг/м3, что в 350 раз выше порога запаха.

1. ↑ ^{1 2 3} http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0337.html
2. ↑ Польза сероводородных ванн
3. ↑ A. P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov, S. I. Shylin. Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system (англ.) // Nature. — Vol. 525, iss. 7567. — P. 73—76. — doi:10.1038/nature14964.
4. ↑ José A. Flores-Livas, Lilia Boeri, Antonio Sanna, Gianni Profeta, Ryotaro Arita. A perspective on conventional high-temperature superconductors at high pressure: Methods and materials (англ.) // Physics Reports. — 2020-04. — Vol. 856. — P. 1–78. — doi:10.1016/j.physrep.2020.02.003.
5. ↑ José A. Flores-Livas, Lilia Boeri, Antonio Sanna, Gianni Profeta, Ryotaro Arita. A perspective on conventional high-temperature superconductors at high pressure: Methods and materials (англ.) // Physics Reports. — 2020-04. — Vol. 856. — P. 1–78. — doi:10.1016/j.physrep.2020.02.003.
6. ↑ ^{1 2} Ходаков Ю.В., Эпштейн Д.А., Глориозов П.А. § 88. Сероводород // Неорганическая химия: Учебник для 7—8 классов средней школы. — 18-е изд. — М.: Просвещение, 1987. — С. 206—207. — 240 с. — 1 630 000 экз.
7. ↑ Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4 (Пол-Три). — 639 с. — ISBN 5-82270-092-4.
8. ↑ ^{1 2} Lefer, David J. A new gaseous signaling molecule emerges: Cardioprotective role of hydrogen sulfide (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 2007. — November (vol. 104, no. 46). — P. 17907—17908. — doi:10.1073/pnas.0709010104. — Bibcode: 2007PNAS..10417907L. — PMID 17991773.
9. ↑ Kimura, Hideo. Hydrogen sulfide as a neuromodulator (неопр.) // Molecular Neurobiology. — 2002. — Т. 26, № 1. — С. 13—19. — doi:10.1385/MN:26:1:013. — PMID 12392053.
10. ↑ ^{1 2} Kamoun, Pierre. H₂S, a new neuromodulator (неопр.) // Médecine/Sciences. — 2004. — July (т. 20, № 6—7). — С. 697—700. — doi:10.1051/medsci/2004206-7697. — PMID 15329822.
11. ↑ Benavides, Gloria A; Squadrito, Giuseppe L; Mills, Robert W; Patel, Hetal D; Isbell, T Scott; Patel, Rakesh P; Darley-Usmar, Victor M; Doeller, Jeannette E; Kraus, David W. Hydrogen sulfide mediates the vasoactivity of garlic (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 2007. — 13 November (vol. 104, no. 46). — P. 17977—17982. — doi:10.1073/pnas.0705710104. — Bibcode: 2007PNAS..10417977B. — PMID 17951430.
12. ↑ ^{1 2} «Toxic Gas, Lifesaver», Scientific American, March 2010

ru.wikipedia.org

Смотрите также

• 
  Как снять секретку с колеса
• 
  Покраска кожи автомобиля
• 
  Что такое в автомобиле чек
• 
  Как называется передняя часть машины
• 
  Как поставить круиз контроль
• 
  Неисправности дизельного двигателя
• 
  После оплаты штрафа
• 
  Как провести провода от аккумулятора под сабвуфер сузуки гранд витара
• 
  Двигатель уаз 414 технические характеристики
• 
  Замена масла в акпп своими руками ниссан санни
• 
  Схема подключения печки