Водень

Вóдень (гідроге́н, гідроґе́н; хімічний символ — H, ) — хімічний елемент з атомним номером 1, який належить до 1-ї групи (за старою класифікацією — головної підгрупи 1-ї групи), 1-го періоду періодичної системи хімічних елементів, та є першим і найпростішим представником усіх хімічних елементів взагалі. Найрозповсюдженіший елемент Всесвіту. Належить до неметалів.

Також, вóдень () — проста речовина, яку утворює хімічний елемент водень — (за нормальних умов) дуже легкий (найлегший), двоатомний газ без запаху, кольору та смаку.

Водень погано розчиняється у воді та інших розчинниках (спирт, гексан), добре — у багатьох металах, найкраще в паладії (в одному об'ємі паладію розчиняється вісім об'ємів водню). Водень входить до багатьох природних сполук, найважливіша з яких — вода. Сполуки з неметалами та металами називаються гідридами. Суміш водню з киснем (гримучий газ) вибухонебезпечна. Водень є відновником. Сировина для промислового отримання водню — гази нафтоперероблення, гази природні, продукти газифікації вугілля та вода; а також сільськогосподарські та інші органічні відходи та стічні води для отримання біоводню. Основний лабораторний спосіб отримання водню — взаємодія цинку та соляної кислоти в апараті Кіппа. Водень застосовують для синтезу аміаку, метилового спирту, у процесах гідрогенізації, при зварюванні й різанні металів тощо. Водень — перспективне газоподібне пальне.

Три ізотопи водню мають власні назви: 1H — протій (Н), 2H — дейтерій (D) і 3H — тритій (T). Дейтерій і тритій використовують у ядерній енергетиці.

Історія Виділення горючого газу при взаємодії кислот та металів спостерігали у XVI та XVII століттях на початку становлення хімії як науки такі вчені як, наприклад, Парацельс чи Роберт Бойль.

У 1766 році англійський фізик та хімік Генрі Кавендіш був першим, хто визнав газоподібний водень як дискретну речовину, назвавши газ, що утворився в результаті хімічної реакції метала з кислотою, «займистим повітрям». Він припустив, що «займисте повітря» фактично ідентичне гіпотетичній речовині під назвою «флогістон», а також виявив у 1781 році, що газ утворює воду при спалюванні. Зазвичай йому приписують відкриття водню як елемента.

Французький хімік Антуан Лавуазьє разом із інженером Жаном Меньє, використовуючи спеціальні газометри, у 1783 році здійснили синтез води, а згодом її аналіз, розклавши водяну пару розжареним залізом. Таким чином вони встановили, що водень входить до складу води (H2O) та може бути отриманий із неї.

Ізотопи водню було відкрито в 30-x роках XX століття й вони швидко набули великого значення в науці й техніці.

Наприкінці 1931 року Юрі Брекуедд і Мерфі досліджували залишок після тривалого випарювання рідкого водню і виявили в ньому важкий водень 2Н з атомною масою 2. Цей ізотоп назвали дейтерієм (Deuterium, D) від грец. — другий. Через чотири роки у воді, підданій тривалому електролізу, було виявлено ще важчий ізотоп водню 3Н, який назвали тритієм (Tritium, Т), від грец. «третій».

Походження назви А. Лавуазьє дав назву «hydrogene» (від  — вода та  — народжую) — «той, що народжує воду». 1801 року послідовник А. Л. Лавуазьє академік В. М. Севергін називав його «водотворна речовина», він писавСевергин В. М. Пробирное искусство, или руководство к химическому испытанию металлических руд и других ископаемых тел. СПб.: Издание Имп. АН, 1801. C. 2.:«Водотворна речовина в поєднанні з киснетворною складають воду. Це можна довести, як через розкладання, так і через складання». Традиційна українська назва хімічного елементу «водень» також вказує на входження його до складу води. Російська назва «водород» — дослівний переклад латинської назви .

Поширення

У Всесвіті

Водень — найпоширеніший хімічний елемент у ВсесвітіКнига рекордов Гиннесса для химических веществ . На його частку припадає близько 88,6 % всіх атомів (близько 11,3 % складають атоми гелію, частка всіх інших разом узятих елементів — приблизно 0,1 %). Таким чином, водень — основна складова частина зір та міжзоряного газу. В умовах зоряних температур (наприклад, температура поверхні Сонця ≈ 6000 °C) водень існує у вигляді плазми, у міжзоряному просторі цей елемент існує у вигляді окремих молекул, атомів та іонів і може утворювати молекулярні хмари, які значно різняться між собою за розмірами, щільністю й температурою. На підтвердження на початку 2023 року дослідники з Рочестерського університету та Каліфорнійського університету в Сан-Дієго застосували передові комп'ютерні симуляції, щоб передбачити поведінку водню при екстремальних тисках і температурах, набагато вищих за ті, що існують на Землі. Вони виявили, що при тиску, який приблизно в 3,5 мільйона разів перевищує атмосферний, і температурі 10000 K водень демонструє незвичайну поведінку. Він переходить у нову фазу, відому як фазовий перехід «рідина-рідина», де молекули розпадаються і знову формуються в абсолютно нову структуру. Дослідники вважають, що ця нова фаза водню може існувати в надрах газових планет-гігантів, як-от Юпітер і СатурнФізики відкрили нову дивну теоретичну фазу водню. 30.04.2023.

Земна кора та живі організми У земній корі водню міститься близько 1 % за масою — це десятий за масовою поширеністю елемент. Однак його роль у природі визначається не масою, а числом атомів, частка яких серед інших елементів становить 17,25 % (друге місце після кисню, частка атомів якого дорівнює ≈52 %). Тому значення водню в хімічних процесах, що відбуваються на Землі, майже таке велике, як і кисню. На відміну від кисню, що існує на Землі і у зв'язаному, й у вільному станах, практично весь водень на Землі перебуває у вигляді сполук; лише в дуже незначній кількості водень у вигляді простої речовини міститься в атмосфері. Відносний вміст водню в атмосфері збільшується з висотою. На рівні моря він становить 0,00005 % за об'ємомSource for figures: Carbon dioxide, NOAA Earth System Research Laboratory , (updated 2010.06). Methane, IPCC TAR table 6.1 , (updated to 1998). The NASA total was 17 ppmv over 100 %, and CO2 was increased here by 15 ppmv. To normalize, N2 should be reduced by about 25 ppmv and O2 by about 7 ppmv., верхні ж шари (вище 700 км) складаються переважно з нього. Вільний водень міститься в горючих газах, що виділяються із надр землі. Він утворюється при гнитті й бродінні органічних речовин і тому міститься в кишкових газах людини й тварин, та утворюється при мікробному бродінні (ферментації) органічних відходів. Основна маса гідрогену перебуває у зв'язаному стані у вигляді різноманітних сполук. Найпоширенішими з них є вода, до складу якої входить 11,19 % водню. Відома велика кількість сполук водню з вуглецем (вуглеводні). Водень входить до складу нафти, кам'яного вугілля, деяких мінералів. Водень входить до складу практично всіх органічних речовин і наявний у всіх живих клітинах. У живих клітинах за кількістю атомів на водень припадає майже 63 %Хорнак Д. П. Основы МРТ . Водночас у 2023 році, як повідомило наукове видання IFLScience, дослідники з Університету Лотарингії та Національного центру наукових досліджень Франції (CNRS) дослідили старий вуглевидобувний регіон у Лотарингії, розташований на південному сході Франції та натрапили на родовище білого водню, який потенційно вважається «паливом майбутнього». Автори дослідження зазначають, що в регіоні міститься до 46 мільйонів тонн білого водню, що робить це родовище найбільшим у всьому світі, при тому, на глибині 1093 м концентрація водню становила 15 %, на глибині 1250 м — вона досягла 20 %. Попередні розрахунки свідчать про те, що на глибині близько 3000 м концентрація водню становитиме 98 %.

Геохімія На Землі вміст водню знижений порівняно із Сонцем, планетами-гігантами й первинними метеоритами, з чого випливає, що під час утворення Земля була значно дегазована: основна маса водню, як і інших летючих елементів, залишила планету під час акреції або незабаром після неї. Однак точний вміст цього газу в складі геосфер нашої планети (виключаючи земну кору) — астеносфери, мантії, ядра Землі — невідомий.

Вільний водень H2 відносно рідко зустрічається в земних газах, але у вигляді води він бере виключно важливу участь у геохімічних процесах. Відомо вміст водню в складі вулканічних газів, витікання деяких кількостей водню вздовж розломів у зонах рифтогенезу, виділення цього газу в деяких вугільних родовищахАлександр Портнов. Вулканы — месторождения водорода. / Промышленные ведомости, № 10-12 октябрь, декабрь 2010Гресов А. И., Обжиров А. И., Яцук А. В. К вопросу водородоносности угольных бассейнов Дальнего востока/ Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2010, № 1, Выпуск 15. С.19-32.. До складу мінералів водень може входити у вигляді іона амонію, гідроксил-іона і води.

В атмосфері молекулярний водень безперервно утворюється внаслідок розкладання формальдегіду, що утворюється в ланцюжку окиснення метану або іншої органіки, сонячним випромінюванням (31—67·109 кг/рік), неповного згоряння різних палив і біомас (по 5—25·109 кг/рік), у процесі фіксації азоту мікроорганізмами з повітря (3—22·109 кг/рік)http://www.atmos-chem-phys.net/11/3375/2011/acp-11-3375-2011.pdf A new estimation of the recent tropospheric molecular hydrogen budget using atmospheric observations and variational inversion] doi:10.5194/acp-11-3375-2011, 2011 «The main sources of H2 are photochemical production by the transformation of formaldehyde (HCHO) in the atmosphere and incomplete combustion processes. Photolysis of HCHO, a product in the oxidation chain of methane and other volatile organic compounds (VOCs) accounts for 31 to 77 Tg yr−1 and represents half of the total H2 source. Fossil fuel and biomass burning emissions, two incomplete combustion sources, account for similar shares of the global H2 budget (5−25 Tg yr−1). H2 emissions (3−22 Tg yr−1) originating from nitrogen fixation in the continental and marine biosphere complete the sources. H2 oxidation by free hydroxyl radicals (OH) and enzymatic H2 destruction in soils must balance these sources because tropospheric H2 does not show a significant long term trend (Grant et al., 2010)»Chemistry of the Natural Atmosphere pages 207—201, table 4.14Global environmental impacts of the hydrogen economy page 61 table 1.

Маючи малу масу, молекули водню мають високу швидкість дифузійного руху (вона близька до другої космічної швидкості) і, потрапляючи у верхні шари атмосфери, можуть полетіти в космічний простір (див. планетарний вітер). Обсяги втрат оцінюються в 3 кг на секундуDavid C. Catling and Kevin J. Zahnle, The Planetary Air Leak. As Earth's atmosphere slowly trickles away into space, will our planet come to look like Venus? //SCIENTIFIC AMERICAN, May 2009http://books.google.ru/books?id=7cBTwb9PETsC&pg=PA296 ISBN 90-277-2418-0, 1987, page 296 chapter 8 table VII «Time (in years) of dissipation of gases from the Earth's atmosphere at different temperatures».

Ізотопи

Водень трапляється у вигляді трьох ізотопів, які мають індивідуальні назви: 1H — протій (Н), 2Н — дейтерій (D), 3Н — тритій (радіоактивний) (T).

Протій і дейтерій є стабільними ізотопами з масовими числами 1 і 2. Вміст їх у природі відповідно становить 99,9885 ± 0,0070 % і 0,0115 ± 0,0070 %G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Це співвідношення може незначно змінюватися залежно від джерела та способу отримання водню.

Ізотоп водню 3Н (тритій) нестабільний. Його період напіврозпаду становить 12,32 року. Тритій міститься в природі в дуже малих кількостях. У літературі також наводяться дані про ізотопи водню з масовими числами 4—7 і періодами напіврозпаду 10−22—10−23 с.

Природний водень складається з молекул H2 і HD (дейтероводень) у співвідношенні 3200:1. Вміст чистого дейтерійного водню D2 ще менший. Відношення концентрацій HD і D2 приблизно 6400:1.