ВОДОРО́Д

ВОДОРО́Д (лат. Hydrogenium), $\ce{H}$, хи­мич. эле­мент VII груп­пы ко­рот­кой фор­мы (1-й груп­пы длин­ной фор­мы) пе­рио­дич. сис­те­мы; ат. н. 1, ат. м. 1,00794; не­ме­талл. В при­ро­де два ста­биль­ных изо­то­па: про­тий $\ce{^1H}$ (99,985% по мас­се) и дей­те­рий $\ce{D}$, или $\ce{^2H}$ (0,015%). Ис­кус­ст­вен­но по­лу­чае­мый ра­дио­ак­тив­ный три­тий $\ce{^3H}$, или $\ce{T}$ ($β$-рас­пад, $T_{1/2}$ 12,26 го­да), в при­ро­де об­ра­зу­ет­ся в ни­чтож­но ма­лых ко­ли­че­ст­вах в верх­них сло­ях ат­мо­сфе­ры в ре­зуль­та­те взаи­мо­дей­ст­вия кос­мич. из­лу­че­ния гл. обр. с яд­ра­ми $\ce{N}$ и $\ce{O}$. Ис­кус­ст­вен­но по­лу­че­ны край­не не­ус­той­чи­вые ра­дио­ак­тив­ные изо­то­пы $\ce{^4H, ^5H, ^6H}$.

Историческая справка

Впер­вые В. ис­сле­до­ван в 1766 Г. Ка­вен­ди­шем и на­зван им «го­рю­чим воз­ду­хом». В 1787 А. Ла­ву­а­зье по­ка­зал, что этот газ при го­ре­нии об­ра­зу­ет во­ду, вклю­чил его в спи­сок хи­мич. эле­мен­тов и пред­ло­жил назв. hydrogène (от греч. ὕδωρ – во­да и γεννάω – ро­ж­дать).

Распространённость в природе

Со­дер­жа­ние В. в ат­мо­сфер­ном воз­ду­хе 3,5·10^–6% по мас­се, в зем­ной ко­ре 1%. Гл. ре­зер­ву­ар В. на Зем­ле – во­да (11,19% В. по мас­се). В. от­но­сит­ся к чис­лу био­ген­ных эле­мен­тов, вхо­дит в со­став со­еди­не­ний, об­ра­зую­щих уг­ли, нефть, при­род­ные го­рю­чие га­зы, мн. ми­не­ра­лы и пр. В око­ло­зем­ном про­стран­ст­ве В. в ви­де по­то­ка про­то­нов об­ра­зу­ет внутр. ра­диа­ци­он­ный по­яс Зем­ли. В. – са­мый рас­про­стра­нён­ный эле­мент в кос­мо­се; в ви­де плаз­мы со­став­ля­ет ок. 70% мас­сы Солн­ца и звёзд, осн. часть меж­звёзд­ной сре­ды и га­зо­вых ту­ман­но­стей, при­сут­ст­ву­ет в ат­мо­сфе­ре ря­да пла­нет в фор­ме $\ce{H_2, CH_4, NH_3, H_2O}$ и пр.

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма В. $1s^1$; в со­еди­не­ни­ях про­яв­ля­ет сте­пе­ни окис­ле­ния $1$ и $–1$. Элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 2,1; ра­диу­сы (пм): атом­ный 46, ко­ва­лент­ный 30, ван-дер-ва­аль­сов 120; энер­гия ио­ни­за­ции $\ce{H^0→H^+}$ 1312,0 кДж/моль. В сво­бод­ном со­стоя­нии В. об­ра­зу­ет двух­атом­ную мо­ле­ку­лу $\ce{H_2}$, межъ­я­дер­ное рас­стоя­ние 76 пм, энер­гия дис­со­циа­ции 432,1 кДж/моль ($0\: \ce{K}$). В за­ви­си­мо­сти от вза­им­ной ори­ен­та­ции ядер­ных спи­нов су­ще­ст­ву­ют ор­то-во­до­род (па­рал­лель­ные спи­ны) и па­ра-во­до­род (ан­ти­па­рал­лель­ные спи­ны), раз­ли­чаю­щие­ся по маг­нит­ным, оп­тич. и тер­мич. свой­ст­вам и со­дер­жа­щие­ся обыч­но в со­от­но­ше­нии 3:1; при пре­вра­ще­нии па­ра-во­до­ро­да в ор­то-во­до­род за­тра­чи­ва­ет­ся 1418 Дж/моль энер­гии.

В. – газ без цве­та, вку­са и за­па­ха; $t_{пл}$ –259,19 °С, $t$_кип –252,77 °С. В. – самый лёг­кий и наи­бо­лее те­п­ло­про­вод­ный из всех га­зов: при 273 К плот­ность 0,0899 кг/м³, те­п­ло­про­вод­ность 0,1815 Вт/(м·К). Не рас­тво­ря­ет­ся в во­де; хо­ро­шо рас­тво­ря­ет­ся во мн. ме­тал­лах (луч­ше все­го в Pd – до 850% по объ­ё­му); диф­фун­ди­ру­ет че­рез мн. ма­те­риа­лы (напр., сталь). На воз­ду­хе го­рит, об­ра­зу­ет взры­во­опас­ные сме­си. Твёр­дый В. кри­стал­ли­зу­ет­ся в гек­са­го­наль­ной ре­шёт­ке; при дав­ле­нии св. 10⁴ МПа воз­мо­жен фа­зо­вый пе­ре­ход с об­ра­зо­ва­ни­ем струк­ту­ры, по­стро­ен­ной из ато­мов и об­ла­даю­щей ме­тал­лич. свой­ст­ва­ми, – т. н. ме­тал­лич. во­до­род.

В. об­ра­зу­ет со­еди­не­ния со мн. эле­мен­та­ми. С ки­сло­ро­дом об­ра­зу­ет во­ду (при темп-ре вы­ше 550 °С ре­ак­ция со­про­во­ж­да­ет­ся взры­вом), с азо­том – ам­ми­ак, с га­ло­ге­на­ми – га­ло­ге­но­во­до­ро­ды, с ме­тал­ла­ми, ин­тер­ме­тал­ли­да­ми, а так­же со мн. не­ме­тал­ла­ми (напр., халь­ко­ге­на­ми) – гид­ри­ды, с уг­ле­ро­дом – уг­ле­во­до­ро­ды. Прак­тич. зна­че­ние име­ют ре­ак­ции с $\ce{CO}$ (см. Син­тез-газ). В. вос­ста­нав­ли­ва­ет ок­си­ды и га­ло­ге­ни­ды мн. ме­тал­лов до ме­тал­лов, не­на­сы­щен­ные уг­ле­во­до­ро­ды – до на­сы­щен­ных (см. Гид­ри­ро­ва­ние). Яд­ро ато­ма В. – про­тон $\ce{H^+}$ – оп­ре­де­ля­ет ки­слот­ные свой­ст­ва со­еди­не­ний. В вод­ных рас­тво­рах $\ce{H^+}$ об­ра­зу­ет с мо­ле­ку­лой во­ды ион гид­ро­ксо­ния $\ce{H_3O}$. В со­ста­ве мо­ле­кул разл. со­еди­не­ний В. скло­нен об­ра­зо­вы­вать во­до­род­ную связь со мн. элек­тро­от­ри­цат. эле­мен­та­ми.

Применение

Га­зо­об­раз­ный В. ис­поль­зу­ют в пром. син­те­зе ам­миа­ка, со­ля­ной ки­сло­ты, ме­та­но­ла и выс­ших спир­тов, син­те­тич. жид­ко­го то­п­ли­ва и пр., для гид­ро­ге­ни­за­ции жи­ров и др. ор­га­нич. со­еди­не­ний; в неф­те­пе­ре­ра­бот­ке – для гид­ро­очи­ст­ки и гид­ро­кре­кин­га неф­тя­ных фрак­ций; в ме­тал­лур­гии – для по­лу­че­ния ме­тал­лов (напр., $\ce{W, Mo, Re}$ из их ок­си­дов и фто­ри­дов), соз­да­ния за­щит­ной сре­ды при об­ра­бот­ке ме­тал­лов и спла­вов; в про­из-ве из­де­лий из квар­це­во­го стек­ла с ис­поль­зо­ва­ни­ем во­до­род­но-ки­сло­род­но­го пла­ме­ни, для атом­но-во­до­род­ной свар­ки ту­го­плав­ких ста­лей и спла­вов и пр., как подъ­ём­ный газ аэ­ро­ста­тов. Жид­кий В. – го­рю­чее в ра­кет­ной и кос­мич. тех­ни­ке; при­ме­ня­ет­ся так­же в ка­че­ст­ве хла­да­ген­та.

Об осн. спо­со­бах по­лу­че­ния, а так­же о хра­не­нии, транс­пор­ти­ров­ке и при­ме­не­нии В. в ка­че­ст­ве но­си­те­ля энер­гии см. Во­до­род­ная энер­ге­ти­ка.