Что значит плотность по водороду

Как вычислять относительную плотность вещества

Для того чтобы справиться с задачей, необходимо использовать формулы на определение относительной плотности:

D (воздух) = Mr (газа)/ Mr (воздуха), где:

Все три параметра единиц измерения не имеют.

Mr (воздуха) = 29 (величина постоянная), следовательно формула будет иметь вид:
D (воздух) = Mr (газа)/ 29.

По аналогии выглядит формула на определение относительной плотности по водороду, с тем исключением, что вместо воздуха стоит водород. А значит, и в расчет берется относительная молекулярная масса водорода.

Mr (водорода) = 2, следовательно и формула будет иметь вид:
D (воздух) = Mr (газа)/ 2.

Пример № 1. Вычислите относительную плотность аммиака по воздуху. Аммиак имеет формулу NH3.

Сначала найдите относительную молекулярную массу аммиака, которую можно рассчитать по таблице Д.И. Менделеева.

Ar (N) = 14, Ar (H) = 3 х 1 = 3, отсюда
Mr (NH3) = 14 + 3 = 17

Подставьте полученные данные в формулу на определение относительной плотности по воздуху:
D (воздух) = Mr (аммиака)/ Mr (воздуха);
D (воздух) = Mr (аммиака)/ 29;
D (воздух) = 17/ 29 = 0, 59.

Пример № 2. Вычислите относительную плотность аммиака по водороду.

Подставьте данные в формулу на определение относительной плотности по водороду:
D (водород) = Mr (аммиака)/ Mr (водорода);
D (водород) = Mr (аммиака)/ 2;
D (водород) = 17/ 2 = 8, 5.

Источник

Химия, Биология, подготовка к ГИА и ЕГЭ

В ЕГЭ иногда встречаются задачи (часть С последнее задание), где в условии дана относительная плотность вещества по… водороду, кислороду, воздуху, азоту и т.д.

Относительная плотность вещества – отношение плотности вещества Б к плотности вещества А

Относительная плотность — величина безразмерная

Формула достаточно простая, и из нее вытекает другая формула —

Формула молярной массы вещества

Mr1 = D•Mr2

В условии задачи может быть полная формулировка — «относительная плотность (паров)…», а может быть просто «плотность вещества по…»

Давайте решим нашу задачу:

Дана плотность паров вещества по воздуху, значит, нам подходит формула молярной массы вещества —

Mr (вещества)=Mr(воздуха)•D=29 г\моль • D

Mr(вещества)=29 г\моль • 1.448 = 42 г\моль

Нам дан углеводород — СхHy, значит, мы можем найти Mr(Cx и Mr(Hy). Обратите внимание, именно молярные массы, т.к.у нас несколько атомов углерода и водорода.

Для этого надо молярную массу вещества умножить на процентное содержание элемента:

Mr(Cx)=Mr(вещества)•ω

Mr(Cx)= 42 г\моль · 0.8571=36 г\моль

x=Mr(Cx)\Ar(C)=36 г\моль ÷ 12 г\моль =3.

Точно так же находим все данные для водорода:

Mr(Hy)=Mr(вещества)•ω

Mr(Hy)= 42 г\моль · 0.1429=6 г\моль

x=Mr(Hy)\Ar(H)=6 г\моль ÷ 1 г\моль =6.

Искомое вещество — C3H6 — пропен.

Еще раз повторим определение —

Относительная плотность газа – это сравнение молярной или относительной молекулярной массы одного газа с аналогичным показателем другого газа.

Дана относительная плотность по аргону.

Mr (вещества)=Ar(Ar)•D

Mr (CxHy)=40 г\моль ·1.05=42 г\моль

Запишем уравнение горения:

СхHy + O2 = xCO2 + y\2H2O

Найдем количество углекислого газа и воды:

n(CO2)=V\22,4 л\моль = 33.6\22.4=1.5

Соотношение х : y\2 как 1.5 : 1.5, т.е. y=2x, что соответствует общей формуле алкенов: CnH2n

Выражаем в общем виде молярную массу: Mr=Mr(C) + Mr(H)

Наше вещество — C3H6 — пропен

Еще на эту тему:

Обсуждение: «Относительная плотность по… задачи»

Поясните, пожалуйста, как решать задачу : Укажите относительную плотность по кислороду паров дибромпроизводного алкана, молекула которого содержит 5 атомов углерода.
Спасибо.

Так. давайте по-порядку:
1) у нас дибромпроизводное алкана, содержащего 5 атомов С, т.е. его формула будет С5H10Br2
2) Mr( С5H10Br2 )= 230 г\моль
3) указать надо плотность паров по кислороду, т.е. нам нужна Mr (O2). Mr(O2)=32 г\моль
и, наконец,
4) D = Mr (( С5H10Br2 ) \ Mr(O2) = 230\32 = 7,1875

Спасибо, Лолита. Была у меня загвоздка с 4-м пунктом. Делила наоборот.
Спасибо Вам большое за помощь и прекрасные и доступные объяснения (уже не в первый раз 🙂 ).

Ой как приятно! И вам спасибо за добрый отзыв! Кстати, у вас осталось 2 тематических комментария — и вы получите подарочек от сайта! 🙂

Здравствуйте! Бьюсь над такой задачей. Если можете — помогите. Относительные плотности по неону паров высшего хлорида и бромида одного и того же элемента равны соответственно 8,5 и 17,4. Установите элемент. Буду признательна!

Добрый день! Все решается по формулам:
Mr(ЭxCly) = Mr(Ne) * D(Ne) = 8.5 * 20 г/моль = 170 г/моль;
M(ЭxBry) = Mr(Ne) * D(Ne) = = 17.4 * 20 г/моль = 348 г/моль;
Методом подбора по таблице Менделеева
Если хлора 1 атом, то Ar(Э) = 170-35.5 =134.5 г\моль
нет такого элемента
Если хлора 2 атома, то Ar(Э) = 170-71 =99г\моль
Возможно, это Те
Проверим по брому: Ar(Э) =348-160 = 188
не подходит
Значит, элемент трехвалентный — считаем, там тоже не подходит.
Остается валентность 4:
Ar(Эх) = 28 г\моль — получаем либо кремний: SiCl4 \SiBr4, либо галогеналкен: C2Cl4 \С2Br4

Оксид трехвалентного металла массой 12г восстановили смесью водородом с оксидом углерода. В результате реакции образовалось 5,4г воды и 413,2г диоксида углерода. Определите металл.

Э2О3 + 2H2 + CO = 2Э + 2H2O + CO2
n(H2O)=m\Mr = 0.3 моль
n(Э2О3) = 0.15 моль
Mr=m\n=12\0.15 = 80 г\моль
Ar(Me)=(80-48)\2 = 16 — такого металла нет
Пробуем по CO2:
n(CO2)=m\Mr=413.2\44 = 9.4 моль
n(оксида)=n(CO2)
Mr=m\n = … не получается
Проверьте условие задачи. Что-то там не то с числами…

CxHy+O2 = xCO2 + y/2H2O
Что означает уравнение реакции? сколько атомов вступило в реакцию, столько же и образовалось, Значит, если в веществе х атомов С (Сх), то и CO2 будет х молекул.
Если водорода вступило y атомов, то образуется y\2 молекул воды.
Проще на примере:
допустим, сожгли этан:C2H6
вот уравнение:
С2Н6 + O2 = 2CO2 + 3H2O
Понятно?

Здравствуйте,помогите пожалуйста с задачей:при сжигании органического в-ва массой 8.6 г получили V(СО2)=13.44 дм3 и m(H2O)=12.6г.
Относительная плотность этого в-ва по кислороду равна 2.6875.
определите молекулярную формулу в-ва.

Относительная плотность вещества по воздуху = M(вещества) \ M(воздуха) (29 г\моль)
Относительная плотность вещества по водороду = M(вещества) \ M(H2)

M(вещества)=M(N2)*D=28г\моль*1.57
M(Cx)=M(вещества)*0.818
X=M(Cx)\12 г\моль
Количество водорода = М(вещества)-М(Сх)
Ответ вам уже дан 🙂

Здраствуйте,смотрите я не могу понять как это решить((

1.Укажите относительную плотность карбона(IV) оксида с азотом
2.Укажите малярную масу газов относительная густота какого за водородом равняеться 32
3.Укажите относительную густоту пропану за C3H3воздухом
4.Укажите формулу газа который тяжелее воздуха(надеюсь вы мне ответите по тому что я в химии полный ноль()

W(H)=14,3%
Относительная плотность по водороду 21.
Найти формулу CхHy

Добрый день!
Тут все ровно по 2-м формулам:
M(CxHy)=21*2 г\моль = 42 г\моль
M(Hy)=42 г\моль* 0.143 = 6 г\моль
y = M(Hy)\Ar(H) = 6\6 = 1
значит, M(Cy)=42-6 = 36 г\моль
y = M(Cy)\Ar(C) = 36\12 = 3
C3H6

Помогите пожалуйста. Природный газ состоящий из этана, пропан, метана имеет относительную плотность по водороду 10.8. Рассчитайте массовую долю углерода в газе.

Помогите, пожалуйста, решить задачу:
Плотность смеси озона с кислородом по водороду равна 18. Найти, исходя из этого, объёмный состав смеси.

Средняя молярная масса смеси равна M(смеси) = M(H2)*D(H2) =18*2 = 36 г/моль

Пусть доля кислорода в ней будет Х, тогда доля озона будет 1 — Х

Тогда уравнение будет выглядеть так:

16Х = 12
Х = 0,75 ии 75 %
В смеси 75 % кислорода и 25 % озона

Относительные плотности по водороду оксидов элементов Х и Y равны, соответственно, 14 и 15. Определите формулы этих оксидов. Как решить, пожалуйста!

Добрый день!
M( оксида 1) = 14*2 г\моль = 28 г\моль, предположим, что в оксиде 1 атом О, тогда 12 г\моль — атомная масса элемента. Это С
M( оксида 2) = 15*2 г\моль = 30 г\моль. Если у нас 1 атома О, то 14 г\моль — приходится на элемент, но такого в Периодической системе нет. Предположим, то элемент одновалентный, т.е. оксид состоит из двух атомов элемента, по 7 г\моль — это Li

Газовую смесь, состоящую из этена и водорода и имеющую плотность по водороду 4,9 пропустили над нагретым паладиевым катализатором. При этом образовалась газовая смесь с плотностью по водороду на 20% больше исходной газовой смеси. Определите объемные доли веществ в полученной газовой смеси

Источник

Химия. 10 класс

*§ 8-1. Закон Авогадро. Относительная плотность газов. Объёмная доля газа в смеси

Закон Авогадро. Относительная плотность газов. Объёмная доля газа в смеси

Как вам известно, вещества могут находиться в твёрдом, жидком и газообразном состоянии. Молекулы жидкости и твёрдого вещества располагаются близко друг к другу. Это возможно благодаря тому, что молекулы притягиваются друг к другу. То есть существуют силы, которые удерживают молекулы жидкости или твёрдого вещества вместе. Из курса химии 8-го класса вы знаете, что эти силы называются силами межмолекулярного взаимодействия. Молекулы газов находятся на значительно большем расстоянии друг от друга, чем в случае жидкостей и твёрдых веществ. На таком расстоянии молекулы практически не взаимодействуют друг с другом. Поэтому, чтобы превратить жидкость или твёрдое вещество в газ, необходимо преодолеть силы межмолекулярного взаимодействия, отдалив молекулы друг от друга.

Переход в газообразное состояние осуществляется в результате нагревания веществ, находящихся в твёрдом или жидком состоянии (кипение жидкостей, возгонка твёрдых веществ).

Так как расстояние между молекулами газов значительно больше размеров самих молекул, то объём, который занимает газ, — это, по существу, объём свободного пространства между хаотически движущимися молекулами газа. Величина этого пространства определяется условиями, при которых находится газ, т. е. температурой и давлением. Эта величина примерно одинакова для всех газов. При этом объёмом, занимаемым самими молекулами, можно пренебречь. Отсюда следует закон Авогадро — в равных объёмах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.

Интересно знать

Из закона Авогадро вытекают два основных следствия.

.

Таким образом, из закона Авогадро следует, что 22,4 дм 3 любого газа при нормальных условиях содержат 6,02 ∙ 10 23 молекул.

Второе следствие. Плотности газов относятся между собой как молярные массы газов.

Это видно из следующих соображений. Пусть имеется две порции различных газов. Рассчитаем их плотности:

газ 1: ;

газ 2: .

Разделив плотность первого газа на плотность второго, получим: .

Зная D и молярную массу одного газа, легко найти молярную массу другого газа:

Пример 1. Относительная плотность газа по водороду равна 8. Определите молярную массу газа.

Пример 2. Относительная плотность некоторого газообразного углеводорода по воздуху равна 2. Определите молярную массу углеводорода.

Средняя молярная масса воздуха равна 29 г/моль ;

Следует отметить, что газы с молярной массой меньше 29 легче воздуха, больше 29 — тяжелее.

В расчётных задачах могут быть даны относительные плотности неизвестного газа по азоту, кислороду и другим газам. В этом случае для нахождения молярной массы неизвестного газа необходимо умножить относительную плотность на молярную массу соответственно азота (28 г/моль ), кислорода (32 г/моль ) и т. д.

Закон Авогадро широко применяется в химических расчётах. Поскольку для газов объёмы пропорциональны количествам (моль) веществ, то коэффициенты в уравнении реакции между газообразными веществами, отражающие количественное соотношение реагирующих веществ, пропорциональны объёмам взаимодействующих газов. Очевидно, что объёмы должны быть измерены при одинаковых условиях.

Пример 3. Какой объём кислорода потребуется для сжигания 2 дм 3 пропана? Объёмы измерены при н. у.

Уравнение реакции горения пропана:

С₃Н₈ + 5О₂ 3СО₂ + 4Н₂О

2 дм 3 С₃Н₈ — 10 дм 3 О₂

Смеси газов

Состав смеси газов часто выражают в объёмных долях. Объёмная доля газа обозначается греческой буквой φ (фи) и равна отношению объёма данного газа к объёму смеси. Рассчитаем объёмную долю азота в полученной выше смеси газов:

φ = = 0,5, или 50 %.

Пример 4. В результате пропускания 150 дм 3 (н. у.) воздуха через избыток известковой воды выпало 0,201 г осадка. Найдите объёмную долю (%) углекислого газа в данном образце воздуха.

Уравнение реакции взаимодействия углекислого газа с известковой водой:

СО₂ + Са(ОН)₂ = СаСО₃ + Н₂О

Найдём количество (моль) карбоната кальция, выпавшего в осадок (M(CaCO₃) = 100 г/моль ):

По уравнению реакции:

Рассчитаем объёмную долю углекислого газа в воздухе:

V(CO₂) = 0,00201 ∙ 22,4 = 0,045 дм 3 ;

φ(СО₂) = 0,045/150 = 0,0003, или 0,03 %.

Уравнение реакции взаимодействия водорода с хлором:

H₂ + Cl₂ 2HCl

Поскольку после взаимодействия осталось 10 см 3 хлора, то 40 см 3 исходной смеси прореагировало. Хлор и водород реагируют между собой в равных объёмных отношениях. Исходя из этих соображений, в реакцию вступили по 20 см 3 хлора и водорода. Поскольку осталось 10 см 3 хлора, то в первоначальной смеси было 20 см 3 водорода и 30 см 3 хлора.

Рассчитаем объёмные доли газов в исходной смеси:

φ(Cl₂) = 30/50 = 0,6, или 60 %.

Согласно закону Авогадро, в равных объёмах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое количество молекул.

Один моль любого газа при нормальных условиях (температура таяния льда, атмосферное давление) занимает объём

Плотности газов, измеренные при одинаковых условиях, относятся между собой как их молярные массы. Это отношение называется относительной плотностью одного газа по другому газу.

Объёмная доля газа в смеси равна отношению объёма данного газа к общему объёму смеси.

Источник

Что значит плотность по водороду

При полном сжигании вещества, не содержащего кислорода, образуется азот и вода. Относительная плотность паров этого вещества по водороду равна 16. Объём необходимого на сжигание кислорода равен объёму выделившегося азота. Определите молекулярную формулу соединения.

Запишем уравнение реакции горения:

Установим простейшую формулу вещества:

По условию объемы азота и кислорода равны, значит,

, откуда

Простейшая формула

Установим молекулярную формулу вещества:

, откуда молекулярная формула , т. к.

Источник

Водород

Название, символ, номерВодород / Hydrogenium (H), 1Атомная масса
(молярная масса)[ 1,00784 ; 1,00811]а. е. м. (г/моль)Электронная конфигурация1s 1Радиус атома53 пмКовалентный радиус32 пмРадиус иона54 (−1 e) пмЭлектроотрицательность2,20 (шкала Полинга)Степени окисления+1, 0, −1Энергия ионизации
(первый электрон)1311,3 (13,595) кДж/моль (эВ)Плотность (при н. у.)0,0000899 (при 273 K (0 °C)) г/см³Температура плавления14,01 K; −259,14 °CТемпература кипения20,28 K; −252,87 °CУд. теплота плавления0,117 кДж/мольУд. теплота испарения0,904 кДж/мольМолярная теплоёмкость28,47 Дж/(K·моль)Молярный объём14,1 см³/мольСтруктура решёткигексагональнаяПараметры решёткиa = 3,780 c = 6,167 ÅОтношение c/a1,631Температура Дебая110 KТеплопроводность(300 K) 0,1815 Вт/(м·К)Номер CAS12385-13-6

Водород (H, лат. hydrogenium ) — химический элемент периодической системы с обозначением H и атомным номером 1, самый лёгкий из элементов периодической таблицы. Его одноатомная форма — самое распространённое химическое вещество во Вселенной, составляющее примерно 75 % всей барионной массы. Звёзды, кроме компактных, в основном состоят из водородной плазмы.

Три изотопа водорода имеют собственные названия: 1 H — протий, 2 H — дейтерий и 3 H — тритий (радиоактивен). Ядро самого распространённого изотопа, протия, состоит из одного только протона и не содержит нейтронов.

При стандартных температуре и давлении водород — бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичный двухатомный газ с химической формулой H₂, который в смеси с воздухом или кислородом горюч и крайне пожаро- и взрывоопасен. В присутствии других окисляющих газов, например фтора или хлора, водород также взрывоопасен. Поскольку водород охотно формирует ковалентные связи с большинством неметаллов, большая часть водорода на Земле существует в молекулярных соединениях, таких как вода или органические вещества. Водород играет особенно важную роль в кислотно-основных реакциях.

Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, титане, платине, ниобии.

Содержание

История открытия

Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Впервые водород получил Парацельс, погружая железные опилки в серную кислоту в XVI веке.

В 1671 году Роберт Бойль подробно описал реакцию между железными опилками и разбавленными кислотами, при которой выделяется газообразный водород.

В 1766 году Генри Кавендиш был первым, кто признал газообразный водород индивидуальным элементом, назвав газ, выделяющийся при реакции металла с кислотой «горючим воздухом». Он предположил, что «горючий воздух» идентичен гипотетическому веществу, называемому «флогистон», и в 1781 году обнаружил, что при его сгорании образуется вода.

Прямо указывал на выделение водорода и Михаил Ломоносов, но он уже понимал, что это не флогистон.

Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Жаном Мёнье, используя специальные газометры, в 1783 году осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Так 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». В 1801 году последователь Лавуазье, академик Василий Севергин, называл его «водотворное вещество», он писал:

Водотворное вещество в соединении с кислотворным составляет воду. Сие можно доказать, как через разрешение, так и через составление.

Русское наименование «водород» предложил химик Михаил Соловьёв в 1824 году — по аналогии с «кислородом» Ломоносова.

Распространённость

Во Вселенной

В настоящее время водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 88,6 % всех атомов (около 11,3 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — порядка 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. Повсеместное возникновение атомарного водорода впервые произошло в эпоху рекомбинации.

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 для сухого воздуха).

Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках, где по числу атомов на водород приходится почти 63 %.

Получение

В промышленности

На 2019 год в мире потребляется 75 млн тонн водорода, в основном в нефтепереработке и производстве аммиака. Из них более 3/4 производится из природного газа, для чего расходуется более 205 млрд м 3 газа. Почти все остальное получают из угля. Около 0,1 % (

100 тыс. тонн) вырабатывается электролизом. При производстве водорода в атмосферу поступает

830 млн тонн CO₂. Себестоимость водорода из природного газа оценивается в 1,5-3 доллара за 1 кг.

В лаборатории

Очистка

В промышленности реализованы несколько способов очистки водорода из углерод-содержащего сырья (т. н. водородсодержащий газ — ВСГ).

Стоимость

Стоимость водорода при крупнооптовых поставках колеблется в диапазоне 2—7 USD/кг. В небольших количествах перевозится в стальных баллонах зелёного или тёмно-зелёного цвета.

Физические свойства

Водород — самый лёгкий газ: он легче воздуха в 14,5 раз. Поэтому, например, мыльные пузыри, наполненные водородом, на воздухе стремятся вверх. 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 7 раз выше теплопроводности воздуха.

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.

В 1935 году Уингер и Хунтингтон высказали предположение о том, что при давлении свыше 250 тысяч атм водород может перейти в металлическое состояние. Получение этого вещества в устойчивом состоянии открывало очень заманчивые перспективы его применения — ведь это был бы сверхлёгкий металл, компонент лёгкого и энергоёмкого ракетного топлива. В 2014 году было установлено, что при давлении порядка 1,5—2,0 млн атм водород начинает поглощать инфракрасное излучение, а это означает, что электронные оболочки молекул водорода поляризуются. Возможно, при ещё более высоких давлениях водород превратится в металл. В 2017 году появилось сообщение о возможном экспериментальном наблюдении перехода водорода в металлическое состояние под высоким давлением.

Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях): ортоводород и параводород. Модификации немного различаются по физическим свойствам, оптическим спектрам, также по характеристикам рассеивания нейтронов. В молекуле ортоводорода o-H₂ (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) спины ядер 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 параводорода, так как энергия пара-молекулы немного ниже энергии орто-молекулы. При 80 К соотношение модификаций приблизительно 1:1. Десорбированный с угля параводород при нагревании превращается в ортоводород с образованием равновесной смеси. При комнатной температуре равновесна смесь ортоводорода и параводорода в отношении около 75:25. Без катализатора взаимное превращение происходит относительно медленно, что даёт возможность изучить свойства обеих модификаций. В условиях разреженной межзвёздной среды характерное время перехода в равновесную смесь очень велико, вплоть до космологических.

Изотопы

Наиболее известны три изотопа водорода: протий 1 H (атомное ядро — протон), дейтерий 2 H (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона) и тритий 3 H (ядро состоит из одного протона и двух нейтронов). Эти изотопы имеют собственные химические символы: протий — H, дейтерий — D, тритий — T.

Искусственно получены также тяжёлые радиоактивные изотопы водорода с массовыми числами 4—7 и периодами полураспада 10 −21 —10 −23 с.

Природный молекулярный водород состоит из молекул H₂ и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание в нём молекул из чистого дейтерия D₂ ещё меньше, отношение концентраций HD и D₂ составляет примерно 6400:1.

Из всех изотопов химических элементов физические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов.

	Температура плавления, K	Температура кипения, K	Тройная точка		Критическая точка		Плотность, кг/м³
			T, K	P, кПа	T, K	P, МПа	жидкий	газ
H2	13,96	20,39	13,96	7,3	32,98	1,31	70,811	1,316
HD	16,65	22,13	16,6	12,8	35,91	1,48	114,0	1,802
HT		22,92	17,63	17,7	37,13	1,57	158,62	2,31
D2	18,65	23,67	18,73	17,1	38,35	1,67	162,50	2,23
DT		24.38	19,71	19,4	39,42	1,77	211,54	2,694
T2	20,63	25,04	20,62	21,6	40,44	1,85	260,17	3,136

Молекулы чистых протия, дейтерия и трития могут существовать в двух аллотропных модификациях (отличающихся взаимной ориентацией спинов ядер) — орто- и параводород: o-D₂, p-D₂, o-T₂, p-T₂. Молекулы водорода с другим изотопным составом (HD, HT, DT) не имеют орто- и парамодификаций.

Свойства изотопов

Свойства изотопов водорода представлены в таблице.

Изотоп	Z	N	Масса, а. е. м.	Период полураспада	Спин	Содержание в природе, %	Тип и энергия распада
1 H	1	0	1,007 825 032 07(10)	стабилен	1 ⁄2 +	99,9885(70)
2 H	1	1	2,014 101 777 8(4)	стабилен	1 +	0,0115(70)
3 H	1	2	3,016 049 277 7(25)	12,32(2) года	1 ⁄2 +		β −	18,591(1) кэВ
4 H	1	3	4,027 81(11)	1,39(10)⋅10 −22 с	2 −		-n	23,48(10) МэВ
5 H	1	4	5,035 31(11)	более 9,1⋅10 −22 с	( 1 ⁄2 + )		-nn	21,51(11) МэВ
6 H	1	5	6,044 94(28)	2,90(70)⋅10 −22 с	2 −		−3n	24,27(26) МэВ
7 H	1	6	7,052 75(108)	2,3(6)⋅10 −23 с	1 ⁄2 +		-nn	23,03(101) МэВ

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

Свойства ядра 1 H 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:

Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

С галогенами образует галогеноводороды:

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

Оксиды металлов (как правило, d-элементов) 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: основная масса водорода, как и других летучих элементов, покинула планету во время аккреции или вскоре после неё. Однако точное содержание данного газа в составе геосфер нашей планеты (исключая земную кору) — астеносферы, мантии, ядра Земли — неизвестно.

Свободный водород H₂ относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах. Известно содержание водорода в составе вулканических газов, истечение некоторых количеств водорода вдоль разломов в зонах рифтогенеза, выделение этого газа в некоторых угольных месторождениях.

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

В атмосфере молекулярный водород непрерывно образуется в результате разложения формальдегида, образующегося в цепочке окисления метана или другой органики, солнечным излучением (31—67 гигатонн/год), неполного сгорания различных топлив и биомасс (по 5—25 гигатонн/год), в процессе фиксации азота микроорганизмами из воздуха (3−22 гигатонн/год).

Имея малую массу, молекулы водорода в составе воздуха обладают высокой тепловой скоростью (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут навсегда улететь в космическое пространство (см. Диссипация атмосфер планет). Объёмы потерь оцениваются в 3 кг в секунду.

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 объёму. 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.

Применение

Водород сегодня применяется во многих областях. Структура мирового потребления водорода представлена в следующей таблице

Структура мирового потребления водорода (2007) (англ.)

Применение	Доля
Производство аммиака	54 %
Нефтепереработка и химическая промышленность	35 %
Производство электроники	6 %
Металлургия и стекольная промышленность	3 %
Пищевая промышленность	2 %

Химическая промышленность

Химическая промышленность — это крупнейший потребитель водорода. Около 50 % мирового выпуска водорода идёт на производство аммиака. Ещё около 8 % используется для производства метанола. Из аммиака производят пластмассы, удобрения, взрывчатые вещества и прочее. Метанол является основой для производства некоторых пластмасс.

Нефтеперерабатывающая промышленность

В нефтепереработке водород используется в процессах гидрокрекинга и гидроочистки, способствуя увеличению глубины переработки сырой нефти и повышению качества конечных продуктов. Для этих целей используется порядка 37 % всего производимого в мире водорода.

Пищевая и косметическая промышленность

При производстве саломаса (твёрдый жир, производимый из растительных масел). Саломас является основой для производства маргарина, косметических средств, мыла. Водород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949.

Химические лаборатории

Водород используется в химических лабораториях в качестве газа-носителя в газовой хроматографии. Такие лаборатории есть на многих предприятиях в пищевой, парфюмерной, металлургической и химической промышленности. Несмотря на горючесть водорода, его использование в такой роли считается достаточно безопасным, поскольку водород используется в незначительных количествах. Эффективность водорода как газа-носителя при этом лучше, чем у гелия, при существенно более низкой стоимости.

Авиационная промышленность

В настоящее время водород в авиации не используется. 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.

Метеорология

Водород используется в метеорологии для заполнения оболочек метеозондов. Водород в этом качестве имеет преимущество перед гелием, так как он дешевле. Ещё более существенно, что водород вырабатывается прямо на метеостанции с помощью простого химического генератора или с помощью электролиза воды. Гелий же должен доставляться на метеостанцию в баллонах, что может быть затруднительно для удалённых мест.

Топливо

Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей.

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

Электроэнергетика

Водород применяется для охлаждения мощных электрических генераторов.

Прочее

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки. Высокая теплопроводность водорода используется для заполнения сфер гирокомпасов и стеклянных колб филаментных LED-лампочек.

Источник