Водень

Вóдень (гідроге́н, гідроґе́н; хімічний символ — H, лат. hydrogenium) — 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.

Водень (1H)
Назва, символ, номер	Водень, H, 1
Зовнішній вигляд простої речовини	Газ без кольору, запаху та смаку
Емісійний спектр
1 Водень → Гелій H ↓ Li Періодична система елементів 1H
Група, період, блок	група 1, період 1, s блок
Класифікація	інший неметал
Властивості атома
Атомний номер	1
Атомна маса (молярна маса)	1.00784, 1.00811 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома	53 пм
Рад. Ван дер Ваальса	120 пм
Електр. конфігурація Електронні оболонки	1s1 1
Хімічні властивості
Ковалентний радіус	31±5 пм
Іонний радіус	(-1): 54 пм
Електронегативність	(за Полінгом): 2.20
Ступені окиснення	-1, +1
Енергія іонізації	(1й e-): 1311.3 кДж/моль
Термодинамічні властивості
Густина	(при н. у.): 0.00008988 г/см³ (при Tпл): 0.0763 г/см³ (при Tкип): 0.07099 г/см³
Температ. плавлення	14.01 K (-259.14°C)
Температура кипіння	20.28 K (-252.87°C)
Потрійна точка	13.803 K (-259.347°C), 7.041 кПа
Критична точка	32.938 К (-240.212°C), 1.2858 МПа
Теплота плавлення	0.117 кДж/моль
Теплота випаровув.	0.904 кДж/моль
Моляр. теплоємність	28.47 Дж/(K·моль)
Молярний об'єм	14.1 см³/моль
Тиск насиченої пари P (Па) 1 10 100 1 k 10 k 100 k при T (К) 15 20
Кристалічна ґратка
Структура ґратки та Період ґратки	гексагональна a=3.780 c=6.167 Å (при <Tпл)
Відношення c/a	1.631
Температура Дебая	110 K (-163°C)
Інші характеристики
Магнітна структура	діамагнетик
Теплопровідність	0.1815 Вт/(м·К)
Швидкість звуку	(газ, +27 °C): 1310 м⁄с
Номер CAS	1333-74-0
Найдовгоживучиші ізотопи водню
Ізт N ІП Сп ПН ФР ЕР (МеВ) ПР 1H 0 99.9885% 1⁄2+ 1H стабільний 2H 1 0.0115% 1+ 2H стабільний 3H 2 рідкий 1⁄2+ 12.32 р β- 0.01861 3He
Водень у Вікісховищі

1	Водень
H 1,0079
1s1

Також, вóдень (
H
₂) — 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 нафтопереробки, 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 Кіпа. Водень застосовують для синтезу аміаку, метилового спирту, в 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 в атомній енергетиці.

Світимість водню в газорозрядній трубці

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 грец. ὕδωρ — вода та γενναω — народжую) — «той, що народжує воду». 1801 року послідовник А. Л. Лавуазьє академік В. М. Севергін називав його «водотворна речовина», він писав:

«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 hydrogenium.

Поширення

У Всесвіті

NGC 604, гігантська область іонізованого водню в Галактиці Трикутника

Водень — найпоширеніший хімічний елемент у Всесвіті. 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, в 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 цього, 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 Кельвінів 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, таких як Юпітер і Сатурн.

Земна кора та живі організми

У земній корі водню міститься близько 1 % за масою — це десятий за масовою поширеністю елемент. Однак його роль в 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'ємом, верхні ж шари (вище 100 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 в 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 %. В той же час, в 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 метри концентрація водню становила 15 %, на глибині 1250 метрів — вона досягла 20 %. Попередні розрахунки свідчать про те, що на глибині близько 3000 метрів концентрація водню становитиме 98 %.

Геохімія

На Землі вміст водню знижений в порівнянні 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 — невідомо.

Вільний водень H₂ відносно рідко зустрічається в земних газах, але у вигляді води він бере виключно важливу участь в геохімічних процесах. Відомо вміст водню в складі вулканічних газів, витікання деяких кількостей водню вздовж розломів в зонах рифтогенезу, виділення цього газу в деяких вугільних родовищах. До складу мінералів водень може входити у вигляді іона амонію, гідроксил-іона і води.

В атмосфері молекулярний водень безперервно утворюється в результаті розкладання формальдегіду, що утворюється в ланцюжку окислення метану або іншої органіки, сонячним випромінюванням (31-67×10⁹ кг/рік), неповного згоряння різних палив і біомас (по 5-25×10⁹ кг/рік), в процесі фіксації азоту мікроорганізмами з повітря (3-22×10⁹ кг/рік).

Hydrogen spectrum test

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 в секунду.

Ізотопи

Схема атому протію(ізотопу водню) — навколо одного протона в центрі, рухається один електрон

Спектральне випромінювання водню в газорозрядній трубці

Спектральне випромінювання дейтерію в газорозрядній трубці

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 %. Це співвідношення може незначно змінюватися залежно від джерела та способу отримання водню.

Ізотоп водню ³Н (тритій) нестабільний. Його період напіврозпаду становить 12,32 років. 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.

Серед ізотопів усіх хімічних елементів фізичні й хімічні властивості ізотопів водню відрізняються один від одного найсильніше. Це пов'язано з найбільшою відносною зміною мас атомів.

	Температура плавлення, K	Температура кипіння, K	Потрійна точка, K / кПа	Критична точка, K / кПа	Густина рідкий / газ, кг/м³
H2	13,96	20,39	13,96 / 7,3	32,98 / 1,31	70,811 / 1,316
HD	16,65	22,13	16,60 / 12,8	35,91 / 1,48	114,80 / 1,802
HT		22,92	17,63 / 17,7	37,13 / 1,57	158,62 / 2,310
D2	18,65	23,67	18,73 / 17,1	38,35 / 1,67	162,50 / 2,230
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

Молекулярній водень, якщо обидва атоми в молекулі є однаковими (протій, дейтерій або тритій), тобто якщо молекула є гомоізотопною, може існувати в орто- і парамодіфікації, що відрізняються напрямком спінів ядер — в ортомодифікації спіни ядер паралельні, в парамодифікації антипаралельні (див. нижче). Гетероізотопний водень (HD, HT, DT) не має орто- і парамодифікацій.

Властивості ізотопів

Властивості ізотопів водню подано в таблиці.

Ізотоп	Z	N	Маса, а. о. м.	Період напіврозпаду	Спін	Вміст у природі, %	Тип та енергія розпаду
1H	1	0	1,007 825 032 07(10)	стабільний	1⁄2+	99,9885(70)
2H	1	1	2,014 101 777 8(4)	стабільний	1+	0,0115(70)
3H	1	2	3,016 049 277 7(25)	12,32(2) роки	1⁄2+		β−	18,591(1) кеВ
4H	1	3	4,027 81(11)	1,39(10)× 10−22 с	2−		-n	23,48(10) МеВ
5H	1	4	5,035 31(11)	понад 9,1−22 с	(1⁄2+)		-nn	21,51(11) МеВ
6H	1	5	6,044 94(28)	2,90(70)−22 с	2−		−3n	24,27(26) МеВ
7H	1	6	7,052 75(108)	2,3(6)−23 с	1⁄2+		-nn	23,03(101) МеВ

У круглих дужках наведено середньоквадратичне відхилення значення в одиницях останнього розряду відповідного числа.

Властивості ядра ¹H дають змогу широко використовувати ЯМР-спектроскопію в аналізі органічних речовин.

Фізичні властивості

Емісійний спектр випромінювання атомів водню на фоні суцільного спектру у видимій області.

Емісійний спектр атомів водню. Чотири видимі оком спектральні лінії серії Бальмера.

Водень — найлегший газ, він легший за повітря в 14,5 раза. Тому, наприклад, мильні бульбашки, наповнені воднем, у повітрі здіймаються вгору. Очевидно, що чим менше маса молекул, тим вище їх швидкість при одній і тій же температурі. Як найлегші, молекули водню рухаються швидше молекул будь-якого іншого газу і тим самим швидше можуть передавати теплоту від одного тіла до іншого. Звідси випливає, що водень має найвищу теплопровідність серед газоподібних речовин. Його теплопровідність приблизно всемеро вища за теплопровідность повітря.

Молекула водню складається з двох атомів водню — Н₂. За нормальних умов, водень — це газ без кольору, запаху й смаку з густиною 0,08987 г/л (н. у.), температурою кипіння -252,76 °C, теплота згоряння 142,9 кДж/кг. Водень малорозчинний у воді — 18,8 мл/л. Але він добре розчиняється у багатьох металах (Ni, Pt, Pd тощо), особливо в паладії (850 об'ємів на 1 об'єм Pd). З розчинністю водню в металах пов'язана його здатність дифундувати через них; дифузія через вуглецевий сплав (наприклад, сталь) іноді супроводжується руйнуванням сплаву внаслідок взаємодії водню з вуглецем (так звана декарбонізація). Практично не розчинний у сріблі.

Фазова діаграма водню

Рідкий водень існує в дуже вузькому інтервалі температур від -252,76 до -259,2 °C. Це безбарвна рідина, дуже легка (густина при -253 °C — 0,0708 г/см³) й текуча (в'язкість при -253 °C — 13,8 пуаз). Критичні параметри водню дуже низькі: температура -240,2 °C і тиск 12,8 атм. Цим пояснюються труднощі при зрідженні водню. У рідкому стані рівноважний водень складається з 99,79 % пара-Н₂, 0,21 % орто-Н₂.

Твердий водень має температуру плавлення -259,2 °C, густину 0,0807 г/см³ (при -262 °C) — білосніжна маса з кристалами гексагональної сингонії, просторова група — P6/mmc, з параметри комірки a = 0,378 нм і c = 0,6167 нм. 1935 року Уінгер і Хунтінгтон висловили припущення про те, що при тиску понад 250 тисяч атм водень може перейти в металевий стан. Отримання цієї речовини в стійкому стані відкривало дуже привабливі перспективи його застосування — адже це був би надлегкий метал, компонент легкого і енергомісткого ракетного палива. 2014 року було встановлено, що за тиску порядку 1,5–2,0 млн атм водень починає поглинати інфрачервоне випромінювання, а це означає, що електронні оболонки молекул водню поляризуються. Можливо, за вищого тиску водень перетвориться в метал.

Схематичне зображення спінових ізомерів водню

Орто- і параводень

Молекулярний водень існує в двох спінових формах (модифікаціях) — у вигляді орто- і параводню. У молекулі ортоводню o-H₂ (температура плавлення -259,10 °C, температура кипіння -252,56 °C) ядерні спіни спрямовані однаково (паралельно), а у параводню п-H₂ (температура плавлення -259,32 °C, температура кипіння -252,89 °C) — протилежно один до одного (антипаралельно). Рівноважна суміш o-H₂ і п-H₂ при заданій температурі називається рівноважний водень e-H₂.

орто-H₂ ⇆ пара-H₂ ΔH⁰
_R = -0,08 кДж/моль

Перехід з одної у другу форму відбувається відповідно при зміні енергії у системі (відводі чи додаванні).

Рівноважна мольна концентрація пара-водню

Розділити алотропні модифікації водню можна адсорбцією на активованому вугіллі при температурі рідкого азоту. При дуже низьких температурах рівновага між ортоводнем і параводнем сильно зміщується в бік пара. У рідкому стані рівноважний водень складається з 99,79 % пара-Н₂ і 0,21 % орто-Н₂. При 80 К співвідношення форм приблизно 1:1. Десорбований параводень при нагріванні перетворюється на ортоводень аж до утворення рівноважної при кімнатній температурі суміші (орто: пара = 75:25). Без каталізатора перетворення відбувається повільно (в умовах міжзоряного середовища — з характерними часами аж до космологічних), що дає можливість вивчити властивості окремих модифікацій.

Молекули дейтерію і тритію також мають орто- і пара-модифікації: p-D₂, o-D₂, p-T₂, o-T₂, залежно від орієнтації спінів ядер. Гетероізотопні молекули HD, HT, DT не мають орто-і пара-модифікацій.

Характеристики молекули водню

Міжатомні відстані та енергії дисоціації молекул водню, його ізотопів і молекулярного йона водню:

Молекула	Міжатомна відстань, Å	Енергія дисоціації, еВ
H2	0,7416	4,477
HD	0,7414	4,512
D2	0,7416	4,555
DT	0,7416	4,570
T2	0,7416	4,588
HT	0,7416	4,524
H+ 2	1,06	2,648

Константи реакції дисоціації молекулярного водню (K_p) і ступінь перетворення (α) в залежності від абсолютної температури:

T, К	2000	3000	4000	5000	6000	8000
Кр	2,62·10−6	2,47·10−2	2,52	4,09·10	2,62·102	2,70·103
α	8,10·10−4	7,83·10−2	0,621	0,954	0,992	0,999

Хімічні властивості

Частка молекул водню, що продисоціювали

Молекула водню складається із двох атомів. Хімічний зв'язок у молекулі водню — ковалентний неполярний, оскільки молекула утворена атомами з однаковою електронегативністю (атомами одного виду). Через спільнення електронів молекула водню енергетично стійкіша, ніж атоми водню окремо. При нормальних умовах водень мало активний. Енергія дисоціації 436 кДж/моль, тому для активації реакційних властивостей потрібна активація молекули — підвищення температури, електрична іскра, світло (витрата значної кількості енергії):

${\mathsf {H_{2}\rightarrow {}\ 2H}}$  — 432 кДж

Взаємодія з неметалами

Найактивніше реагує з галогенами утворює галогеноводні:

${\mathsf {F_{2}+H_{2}\rightarrow {}\ 2HF}}$, реакція протікає із вибухом за будь-якої температури,

${\mathsf {Cl_{2}+H_{2}\rightarrow {}\ 2HCl}}$, реакція протікає тільки на світлі.

При підпалюванні чи в присутності платинового каталізатора водень реагує із киснем

${\mathsf {O_{2}+2H_{2}\rightarrow {}\ 2H_{2}O}}$, реакція протікає із вибухом.

Суміш двох об'ємів водню та одного об'єму кисню називається гримучим газом.

При нагріванні водень зворотно взаємодіє із сіркою :

${\mathsf {S+H_{2}\rightarrow {}\ H_{2}S}}$ (сірководень)

З азотом — при нагріванні, підвищенні тиску та у присутності каталізатору (залізо):

${\mathsf {N_{2}+3H_{2}\rightarrow {}\ 2NH_{3}}}$ (аміак)

Із сажею водень взаємодіє при сильному нагріванні:

${\mathsf {C+2H_{2}\rightarrow {}\ CH_{4}}}$ (метан)

Взаємодія із лужними та лужноземельними металами

Водень утворює із активними металами гідриди:

${\mathsf {2Na+H_{2}\rightarrow {}\ 2NaH}}$ (гідрид натрію)

${\mathsf {Ca+H_{2}\rightarrow {}\ CaH_{2}}}$ (гідрид кальцію)

${\mathsf {Mg+H_{2}\rightarrow {}\ MgH_{2}}}$ (гідрид магнію)

Гідриди металів — солеподібні, тверді речовини, легко гідролізуються:

${\mathsf {CaH_{2}+2H_{2}O\rightarrow {}\ Ca(OH)_{2}+2H_{2}\uparrow }}$

Взаємодія із оксидами металів (як правило, d-елементів)

Оксиди відновлюються до металів:

$\mathrm {CuO+H_{2}{\xrightarrow {150-250^{o}C}}Cu+H_{2}O}$

$\mathrm {Fe_{2}O_{3}+3H_{2}{\xrightarrow {900^{o}C}}2Fe+3H_{2}O}$

${\mathsf {WO_{3}+3H_{2}\xrightarrow {550-900^{o}C} W+3H_{2}O}}$

Взаємодія з оксидами неметалів (як правило, оксидами азоту та вуглецю)

Водень є компонентом синтез-газу при отриманні метилового спирту

${\mathsf {CO+2H_{2}\rightarrow {}\ CH_{3}OH}}$ (метанол)

Гідрування органічних сполук

Молекулярний водень широко застосовується в органічному синтезі для відновлення органічних сполук. Ці процеси називають реакціями гідрування. Ці реакції проводять у присутності каталізатора при підвищених тиску й температурі. Каталізатор може бути як гомогенним (напр., каталізатор Вілкінсона), так і гетерогенним (напр., нікель Ренея, паладій на вугіллі).

Так, зокрема, при каталітичному гідруванні ненасичених сполук, таких, як алкени і алкіни, утворюються насичені сполуки — алкани.

${\mathsf {R\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH\!\!-\!\!R'+H_{2}}}\rightarrow {\mathsf {R\!\!-\!\!CH_{2}\!\!-\!\!CH_{2}\!\!-\!\!R'}}$

При дії водню на ненасичені вуглеводні у присутності нікелевого каталізатора та при підвищеній температурі, відбувається реакція гідрування:

(етилен) ${\mathsf {CH_{2}=CH_{2}+H_{2}\rightarrow {}\ CH_{3}-CH_{3}}}$ (етан)

Водень відновлює альдегіди до спиртів:

(оцтовий альдегід) ${\mathsf {CH_{3}CHO+H_{2}\rightarrow {}\ C_{2}H_{5}OH}}$ (етанол)

Отримання

Сьогодні водень отримують головним чином (90 %) із викопних джерел. Зв'язок централізованого виробництва з депо малотоннажних автомобілів на паливних елементах потребуватиме розміщення та будівництва розподільчої інфраструктури з великим вкладенням капіталу. Одне із завдань водневої енергетики — забезпечення компактного та безпечного зберігання водню на борту транспортного засобу, з метою подовжити інтервал між заправками.

У промисловості

• з природного газу, що складається переважно з метану, який змішують з водяною парою та киснем і нагрівають до температури 800—900 °C в присутності каталізатора:

${\mathsf {2CH_{4}+O_{2}+2H_{2}O\rightarrow {}\ 2CO_{2}+6H_{2}}}$

• Конверсія з водяною парою при 1000 °C:

${\mathsf {CH_{4}+H_{2}O\ \rightleftarrows {}\ CO+3H_{2}}}$

• Пропущення пари води над розпеченим коксом при температурі близько 1000 °C:

${\mathsf {H_{2}O+C\ \rightleftarrows {}\ CO\uparrow +H_{2}\uparrow }}$

• при електролізі розчинів хлориду натрію та хлориду калію як побічний продукт виробництва лугів, гіпохлоритів і хлоратів:

${\mathsf {2NaCl+2H_{2}O\ {\xrightarrow {}}\ 2NaOH+Cl_{2}\uparrow +H_{2}\uparrow }}$

• Каталітичне окислення киснем:

${\mathsf {2CH_{4}+O_{2}\rightleftarrows {}\ 2CO+4H_{2}}}$

У лабораторіях

• Дією розбавлених кислот на метали, наприклад дією соляної кислоти на цинк:

${\mathsf {2HCl+Zn\rightarrow {}\ H_{2}+ZnCl_{2}}}$.

• Взаємодією кальцію з водою:

${\mathsf {Ca+2H_{2}O\rightarrow Ca(OH)_{2}+H_{2}\uparrow }}$

• Дією лугів на цинк або алюміній:

${\mathsf {2Al+2NaOH+6H_{2}O\rightarrow 2Na[Al(OH)_{4}]+3H_{2}\uparrow }}$

${\mathsf {Zn+2KOH+2H_{2}O\rightarrow K_{2}[Zn(OH)_{4}]+H_{2}\uparrow }}$

• Гідролізом гідридів:

${\mathsf {NaH+H_{2}O\rightarrow NaOH+H_{2}\uparrow }}$

• При електролізі водних розчинів лугів або кислот на катоді відбувається виділення водню, наприклад:

${\mathsf {2H_{3}O^{+}+2e^{-}\rightarrow 2H_{2}O+H_{2}\uparrow }}$

Методи виробництва

На Землі у звичайних природних умовах молекулярний водень майже не зустрічається. Більшість водню на Землі зв'язана з киснем у воді. Виробництво елементарного водню вимагає переробки носія водню, наприклад, викопного палива і води. Витрачаються викопні ресурси та виділяється вуглекислий газ, але найчастіше подальший вклад енергії, крім викопного палива, уже не потрібний. Розкладання води вимагає витрат електроенергії або тепла, одержаного з будь-якого первинного джерела енергії (спалення викопного палива, атомної енергії або відновлюваних джерел енергії).

Сучасні методи виробництва

Завод Праксеір (Praxair) з виробництва водню

У промисловості водень виробляється через перетворення пари, з використанням викопних видів палива, наприклад, природного газу, нафти чи вугілля. Енергоємність виробленого водню менше, ніж енергія, що міститься у вихідному паливі, але завдяки високому ККД паливних елементів вона може бути використана повніше, ніж при безпосередньому використанню вихідного палива. Внаслідок перетворення вихідного палива, в атмосферу може викидатися вуглекислий газ, так само як внаслідок роботи двигуна автомобіля. Але завдяки високому ККД паливних елементів його кількість може бути меншою, ніж при використанні палива безпосередньо.

Невелика частина водню (4 % в 2006 році) отримується шляхом електролізу води. Для одержання кілограму водню таким шляхом необхідно витратити приблизно 50 кіловат-годин електроенергії.

Процес Кварнера

Кварнер-процес, або кварнер сажі та водню (CB & H) — це метод, розроблений в 1980-х роках однойменною норвезькою компанією для виробництва водню з вуглеводнів, наприклад, з метану, природного газу і біогазу. Розподіл енергії у речовині під час процесу приблизно такий: близько 48 % енергії міститься в атомі водню, 40 % — у вуглеці та 10 % — у перегрітій парі.

Біологічне виробництво

Ферментативне виробництво водню — це ферментативне перетворення органічного субстрату в біоводень, що здійснюється групою бактерій за допомогою мультиферментативних систем в три кроки, аналогічно до анаеробного перетворення. Темнова ферментація не потребує світлової енергії, тому можливе неперервне виробництво водню з органічних сполук — вдень і вночі. Фотоферментація відрізняється від темнової ферментації тим, що вона протікає лише за наявності світла. Наприклад, фотоферментація з Rhodobacter sphaeroides SH2C може бути використана для перетворення нижчих жирних кислот у водень. Електрогідрогенез використовують у мікробних паливних елементах, де водень виробляється з органічних речовин (наприклад, зі стічних вод або твердих речовин) при напрузі 0,2–0,8 В.

Біоводень може вироблятися у біореакторі, що містить водорості. Наприкінці 1990-х років було виявлено, що якщо з водоростей вилучити сірку, вони вироблятимуть водень замість кисню, як під час звичайного фотосинтезу.

Біоводень може вироблятись в біореакторах, які використовують іншу сировину, найчастіше цією сировиною є відходи. Цей процес здійснюється бактеріями, що поглинають вуглеводні та виділяють водень і вуглекислий газ. Є кілька способів подальшого відділення CO₂, внаслідок чого залишається лише водень. Прототип водневого біореактора на відходах введено в експлуатацію на заводі виноградних соків Велч у штаті Пенсільванія.

Виробництво біоводню може поєднуватись з виробництвом біобутанолу та біополімерів, для максимізації економічної ефективності.

Електроліз з біокаталізаторами

Крім звичайного електролізу, можливий також електроліз з використанням мікробів. При електролізі з біокаталізаторами водень утворюється внаслідок проходження через мікробний паливний елемент, також можуть використовувати різноманітні водні рослини. До них належать родини Glyceria, Spartina, рис, помідори, люпин, водорості.

Електроліз води

Водень може вироблятись електролізом за високого тиску або електролізом води за низького тиску. У сучасних ринкових умовах 50 кВт·год електроенергії, витраченої на виробництво одного кілограма стисненого водню, коштують приблизно стільки ж, скільки водень, вироблений за 8 центів/(кВт·год). Ціновий еквівалент пояснюється тим, що більшість водню виробляється з викопних видів палива, які ефективніше використовувати для виробництва хімічного продукту безпосередньо, ніж для виробництва електроенергії і подальшого електролізу. Так чи інакше, головним завданням водневої енергетики є отримання водню з інших джерел, тож в майбутньому заплановано не використовувати викопне паливо як сировину.

Електроліз за високого тиску

Електроліз за високого тиску — це електроліз води, при якому вода (H₂O) розкладається на кисень (O₂) і водень (H₂) внаслідок пропускання електричного струму через воду. Різниця між таким електролізером і звичайним полягає у тому, що водень виводиться під тиском близько 120—200 бар. При стисканні водню в електролізаторі потреба у зовнішньому компресорі водню зникає, середнє споживання енергії внутрішнім компресором становить близько 3 %.

Електроліз за високих температур

Водень може бути отриманий в процесі високотемпературного електролізу (HTE), що забезпечується енергією у вигляді тепла та електроенергії. Оскільки частина енергії в HTE — теплова, менша кількість енергії потребує подвійного перетворення (з тепла в електрику, а потім — у хімічну форму), тому на виробництво кілограму водню витрачається набагато менше енергії.

У той час як атомна електроенергія може бути використана для електролізу, теплова ядерна енергія може застосовуватись безпосередньо для розщеплення води на кисень і водень. Розігрітий до високих температур (950—1000 °С) газ у ядерному реакторі може розкладати воду на кисень і водень термохімічним шляхом через використання ядерної теплової енергії. Дослідження можливостей високотемпературних ядерних реакторів можуть зрештою привести до організації виробництва водню, яке буде конкурентоспроможним з виробництвом, що базується на перетворенні природного газу. General Atomics передбачає, що водень, вироблений у високотемпературному газовому реакторі (ВТГР) коштуватиме 1,53 $/кг. 2003 року водень, одержаний переробкою природного газу, коштував 1,40 $/кг. В перерахунку на вартість природного газу у 2005 році, водень коштує 2,70 $/кг.

Високотемпературний електроліз проводився в лабораторії, з витратами 108 МДж теплової енергії на кілограм водню, але не в промислових масштабах. Крім того, в результаті цих процесів одержується низькоякісний «промисловий» водень, який є непридатним для використання в паливних елементах.

Фотоелектрохімічне розщеплення води

Найчистішим способом отримання водню є той, що базується на використанні електроенергії, виробленої фотоелектричними системами. Вода розкладається на водень і кисень шляхом електролізу — фотоелектрохімічного (PEC) процесу, який також називають штучним фотосинтезом. У фотоелектричній промисловості ведуться наукові дослідження, спрямовані на розвиток високоефективної технології мультиперехідних елементів.

Концентрація теплової сонячної енергії

Для розкладання води на кисень і водень необхідні дуже високі температури. Щоб процес протікав за нижчих температур, необхідний каталізатор. Нагрівання води може відбуватись за рахунок концентрації сонячної енергії. Hydrosol-2 — це 100-кіловатний експериментальний завод на Plataforma Solar de Almería в Іспанії, який нагріває воду до необхідних 800—1200 °С за допомогою сонячного світла. Hydrosol II введений в експлуатацію з 2008 року. Розробка цього 100 кіловатного експериментального заводу базується на модульній концепції. Отже, цілком можливо, що діапазон дії цієї технології буде розширений до мегават шляхом збільшення кількості реакторних блоків і з'єднання заводу з геліостатними полями (поля дзеркал, що автоматично орієнтуються на сонце) відповідного розміру.

Фотоелектрокаталітичне виробництво

Метод, вивчений Томасом Нанном і його командою в Університеті Східної Англії, складається з золотого електрода, вкритого шарами наночасток фосфіду індія (InP). Вони ввели залізо-сірчаний комплекс в шари покриття, внаслідок чого після занурення у воду і опромінення світлом під невеликим електричним струмом, вироблявся водень з ККД 60 %.

Термохімічне виробництво

Є більш ніж 352 термохімічних цикли, які можуть використовувати для розкладання води. Близько десятка з них (наприклад, цикл оксиду заліза, цикл церій (IV) — церій (III) оксид, цикл цинк — цинк-оксид, сірчано-йодний цикл, мідно-хлорний і гібридний сірчаний цикл) зараз досліджуються і знаходяться на фазі випробування з метою одержання водню і кисню з води за допомогою теплової енергії та без використання електрики. Ці процеси можуть бути ефективнішими, ніж електроліз за високих температур, діапазоні ефективності від 35–49 % LHV. Термохімічне виробництво водню з використанням хімічної енергії вугілля або природного газу, як правило, не розглядається, бо безпосередньо хімічний спосіб є ефективнішим.

Жоден з термохімічних процесів виробництва водню не був використаний на промисловому рівні, хоча деякі з них були продемонстровані в лабораторії.

Основний промисловий спосіб отримання водню — реакція метану, який входить до складу природного газу, з водою. Вона проводиться при високій температурі:

СН₄ + 2Н₂O = CO₂ ↑ + 4Н₂ −165 кДж

Застосування

Паливо

Фізичні основи

Сонце · Сонячна радіація Фотосинтез · Рослини · Біомаса Гуміфікація · Скам'яніння Горіння

Викопне паливо

Вугілля · Горючі сланці · Гідрат метану · Нафта · Природний газ · Торф

Природне невикопне паливо

Водорості · Деревина · Рослинні і тваринні жири та олії · Трава

Штучне паливо

Біопаливо · Генераторні гази · Кокс · Моторні палива

Концепції

Енергетична біосировина

Атомарний водень використовують для атомно-водневого зварювання.

Паливо

Тестування ракетного двигуна RS-25 в якому паливом є зріджений водень та кисень

Рідкий водень застосовується як ракетне паливо та як охолоджувач, оскільки має найвищу теплопровідність з усіх газів.

Ведуться дослідження по застосуванню водню як палива для легкових і вантажних автомобілів, та громадського транспорту. Водневі двигуни, системи та автомобілі не забруднюють навколишнє середовище і виділяють тільки водяну пару. Перспективним напрямком є використання рідкого водню як палива для двигунів нового типу, так званих паливних елементів. У США та в Європі вже існують водневі заправні станції, які забезпечують воднем автомобілі та автобуси, що на ньому працюють. Ця галузь називається воднева енергетика.

У воднево-кисневих паливних елементах використовують водень для безпосереднього перетворення енергії хімічної реакції на електричну.

Хімічна промисловість

Водень використовують при виробництві метанолу, мила і пластмас, при синтезі аміаку NH₃, хлороводню HCl, метанолу СН₃ОН, при гідрокрекінгу (крекінг у атмосфері водню) природних вуглеводнів, як відновник при отриманні деяких металів.

Харчова промисловість

• Гідруванням природних рослинних олій отримують твердий жир — маргарин.
• Зареєстрований як харчова добавка E949 (упакувальний газ, клас «інші»). Входить у список харчових добавок, які допускаються до застосування в харчовій промисловості як допоміжний засіб для виробництва харчової продукції.

Авіаційна промисловість

Водень дуже легкий і в повітрі завжди піднімається вгору. Колись дирижаблі та повітряні кулі наповнювали воднем. Але у 30-х рр. XX ст. відбулося декілька катастроф, під час яких дирижаблі вибухали і згорали. В наш час дирижаблі наповнюють гелієм, попри його значно більшу вартість.

Залізничний транспорт

28 червня 2023 року, згідно повідомлення CBC, в Канаді почав перевозити пасажирів перший у Північній Америці поїзд, який працює на водні.

Метеорологія

Використовують у метеорології для заповнення кулепілотних оболонок.

Запобіжні заходи

Водень при змішуванні з повітрям утворює вибухонебезпечну суміш — так званий гримучий газ. Найбільшу вибухонебезпечність цей газ має при об'ємному відношенні водню і кисню 2:1, або водню та повітря приблизно 2:5, оскільки в повітрі міститься приблизно 21 % кисню. Також водень пожежонебезпечний. Рідкий водень при потраплянні на шкіру може викликати сильне обмороження.

Вважається, що вибухонебезпечні концентрації водню з киснем містять від 4 до 96 % об'ємних та при суміші з повітрям від 4 % до 75 (74)% за об'ємом. Такі цифри фігурують зараз у більшості довідників, і ними цілком можна користуватися для орієнтовних оцінок. Проте слід мати на увазі, що пізніші дослідження (приблизно кінець 80-х) виявили, що водень у великих обсягах може бути вибухонебезпечний і при меншій концентрації. Чим більший об'єм, тим менша концентрація водню небезпечна.

Джерело цієї широко розтиражованої помилки в тому, що вибухонебезпечність досліджувалася в лабораторіях на малих об'ємах. Оскільки реакція водню з киснем — це ланцюгова хімічна реакція, яка відбувається за вільнорадикальним механізмом, втрата вільних радикалів на стінках (або, скажімо, поверхні пилинок) критична для продовження ланцюжка. У випадках, коли можливе створення «граничних» концентрацій у великих обсягах (приміщення, ангари, цехи), слід мати на увазі, що реально вибухонебезпечна концентрація може відрізнятися від 4 % як у більший, так і в менший бік.

Див. також

• Атом водню
• Молекула водню
• Сполуки водню
• Воднева енергетика
• Антигідроген
• Електропаливо
• Ефект Ваутгайзена — Філда
• Молекулярний іон водню

Література

• Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2004. — Т. 1 : А — К. — 640 с. — ISBN 966-7804-14-3.

Посилання

• ВОДЕНЬ [Архівовано 10 березня 2016 у Wayback Machine.] // Фармацевтична енциклопедія