Водород как химический элемент таблицы Менделеева

Теоретические предсказания

450px-Jupiter_diagram.svg.png Схема Юпитера, показывающая модель внутренней части планеты со скалистым ядром, перекрытым глубоким слоем жидкого металлического водорода (показан пурпурным цветом) и внешним слоем , состоящим преимущественно из молекулярного водорода . Истинный внутренний состав Юпитера неясен. Например, ядро ​​могло сжаться, поскольку конвекционные потоки горячего жидкого металлического водорода, смешанного с расплавленным ядром, перенесли его содержимое на более высокие уровни внутри планеты. Кроме того, нет четкой физической границы между слоями водорода — с увеличением глубины газ плавно увеличивается по температуре и плотности, в конечном итоге становясь жидкостью. Детали показаны в масштабе, за исключением полярных сияний и орбит галилеевых спутников .

Водород под давлением

Хотя водород часто помещается в верхнюю часть столбца щелочного металла в периодической таблице , в обычных условиях водород не проявляет свойств щелочного металла. Вместо этого он образует двухатомный молекулы, аналогичные галогенам, и некоторые неметаллы во втором ряду периодической таблицы, такие как азот и кислород . Диатомовый водород представляет собой газ , который, при атмосферном давлении , сжижается и затвердевает только при очень низкой температуре (20 градусов и 14 градусов выше абсолютного нуля , соответственно). Юджин Вигнер и Хиллард Белл Хантингтон предсказали, что при огромном давлении около 25 ГПа (250 000 атм; 3 600 000 фунтов на квадратный дюйм) водород будет проявлять металлические свойства: вместо дискретного молекул (которые состоят из двух электронов, связанных между двумя протонами), объемная фаза будет формироваться с твердой решеткой протонов и электронов, делокализованных повсюду. С тех пор производство металлического водорода в лаборатории было описано как «… Святой Грааль физики высоких давлений».

Первоначальный прогноз о величине необходимого давления в конечном итоге оказался слишком низким. Начиная с первой работы Вигнера и Хантингтона, более современные теоретические расчеты указывают на более высокие, но тем не менее потенциально достижимые давления металлизации около 400 ГПа (3 900 000 атм; 58 000 000 фунтов на квадратный дюйм).

Жидкий металлический водород

Гелий-4 представляет собой жидкость при нормальном давлении, близком к абсолютному нулю , что является следствием его высокой энергии нулевой точки (ZPE). ZPE протонов в плотном состоянии также высока, и при высоких давлениях ожидается снижение энергии упорядочения (относительно ZPE). Аргументы были выдвинуты Нилом Эшкрофтом и другими, что существует максимум температуры плавления в сжатом водороде , но также может быть диапазон плотностей при давлениях около 400 ГПа, где водород будет жидким металлом даже при низких температурах.

Гэн предсказал, что ZPE протонов действительно снижает температуру плавления водорода до минимума 200-250 К (-73-23 ° C) при давлениях 500-1500 ГПа (4,900,000-14,800,000 атм; 73,000,000-218,000,000 фунтов на квадратный дюйм).

Внутри этой плоской области может быть элементарная мезофаза, промежуточная между жидким и твердым состоянием, которая может метастабильно стабилизироваться до низкой температуры и переходить в сверхтвердое состояние.

Сверхпроводимость

В 1968 году Нил Эшкрофт предположил, что металлический водород может быть сверхпроводником до комнатной температуры (290 К или 17 ° C). Эта гипотеза основана на ожидаемой сильной связи между электронами проводимости и колебаниями решетки . Это могло быть фактически подтверждено на начало 2019 года, металлический водород производился как минимум дважды в лаборатории, а эффект Мейснера 250K был предварительно обнаружен, но не подтвержден независимо Сильвера и др. И командой во Франции.

Как ракетное топливо

Метастабильный металлический водород может иметь потенциал в качестве высокоэффективного ракетного топлива с теоретическим удельным импульсом до 1700 секунд, хотя метастабильная форма, подходящая для массового производства и обычного хранения большого объема, может не существовать.

Возможность новых типов квантовой жидкости

В настоящее время известными «сверх» состояниями вещества являются сверхпроводники , сверхтекучие жидкости и газы, а также сверхтвердые тела . Егор Бабаев предсказал, что если водород и дейтерий имеют жидкие металлические состояния, они могут иметь квантовые упорядоченные состояния, которые нельзя классифицировать как сверхпроводящие или сверхтекучие в обычном смысле. Вместо этого они могут представлять два возможных новых типа квантовых жидкостей : сверхпроводящие сверхтекучие

жидкости<fo> металлические сверхтекучие жидкости . Было предсказано, что такие жидкости будут иметь весьма необычные реакции на внешние магнитные поля и вращения, что могло бы предоставить средства для экспериментальной проверки предсказаний Бабаева. Было также высказано предположение, что под действием магнитного поля водород может проявлять фазовые переходы от сверхпроводимости к сверхтекучести и наоборот. </fo>

Легирование литием снижает необходимое давление

В 2009 году Zurek et al. предсказал, что сплав будет стабильным металлом только при одной четверти давления, необходимого для металлизации водорода, и что аналогичные эффекты должны сохраняться для сплавов типа LiH n и, возможно, «других щелочных высокогидридных систем », то есть сплавов типа XH n, где X представляет собой щелочной металл . Позже это было подтверждено в AcH 8 и LaH 10 с Tc, приближающейся к 270 К, что привело к предположению, что другие соединения могут быть стабильными даже при давлениях простых МПа со сверхпроводимостью при комнатной температуре.

Экспериментальная погоня

Ударно-волновое сжатие, 1996 г.

В марте 1996 года группа ученых из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса сообщила, что они случайно произвели первый идентифицируемый металлический водород примерно за микросекунду при температурах в тысячи кельвинов , давлениях более 100 ГПа (1000000 атм; 15000000 фунтов на квадратный дюйм) и плотностях. примерно 0,6 г / см 3 . Команда не предполагала производить металлический водород, поскольку в нем не использовался твердый водород , который считался необходимым, и работала при температурах выше тех, которые указаны в теории металлизации. Предыдущие исследования, в которых твердый водород сжимался внутри алмазных наковальней до давления до 250 ГПа (2500000 атм; 37000000 фунтов на квадратный дюйм), не подтвердили обнаруживаемую металлизацию. Команда просто стремилась измерить менее резкие изменения электропроводности, которых они ожидали. Исследователи использовали легкую газовую пушку

1960-х годов , первоначально использовавшуюся в исследованиях

управляемых ракет

, чтобы выстрелить ударной пластиной в герметичный контейнер, содержащий образец

жидкого водорода

толщиной полмиллиметра . Жидкий водород контактировал с проводами, ведущими к устройству для измерения электрического сопротивления. Ученые обнаружили, что при повышении давления до 140 ГПа (1400000 атм; 21000000 фунтов на квадратный дюйм) ширина

запрещенной зоны

электронов , мера

электрического сопротивления

, упала почти до нуля. Ширина запрещенной зоны водорода в несжатом состоянии составляет около 15  эВ , что делает его изолятором, но при значительном увеличении давления ширина запрещенной зоны постепенно уменьшалась до . Поскольку тепловая энергия жидкости (температура стала примерно 3000 K или 2730 ° C из-за сжатия образца) была выше , водород можно считать металлическим.

Другие экспериментальные исследования, 1996–2004 гг.

Продолжается множество экспериментов по производству металлического водорода в лабораторных условиях при статическом сжатии и низкой температуре. Артур Руофф и Чандрабхас Нараяна из Корнельского университета в 1998 году, а затем Поль Лубейр и Рене ЛеТуллек из Commissariat à l’Energie Atomique , Франция в 2002 году, показали, что при давлениях, близких к давлениям в центре Земли (320–340 ГПа или 3 200 000–3 400 000 атм) и температурах 100–300 К (–173–27 ° C) водород все еще не является настоящим щелочным металлом из-за ненулевой ширины запрещенной зоны. Поиски металлического водорода в лаборатории при низкой температуре и статическом сжатии продолжаются. Также продолжаются исследования дейтерия . Шахриар Бадей и Лейф Холмлид из Гетеборгского университета показали в 2004 году, что конденсированные металлические состояния, состоящие из возбужденных атомов водорода ( ридберговское вещество ), являются эффективными промоторами металлического водорода.

Эксперимент по импульсному лазерному нагреву, 2008 г.

Теоретически предсказанный максимум кривой плавления (необходимое условие для жидкого металлического водорода) был обнаружен Шанти Димьядом и Исааком Ф. Силвера с помощью импульсного лазерного нагрева. Молекулярный силан, богатый водородом ( ) Была утверждали, что металлизированные и становится сверхпроводящим от MI Eremets и др. . Это утверждение оспаривается, и их результаты не повторялись.

Наблюдение жидкого металлического водорода, 2011 г.

В 2011 году Еремец и Троян сообщили о наблюдении жидкого металлического состояния водорода и дейтерия при статических давлениях 260–300 ГПа (2 600 000–3 000 000 атм). Это утверждение было подвергнуто сомнению другими исследователями в 2012 году.

Машина Z, 2015

В 2015 году ученые Z Pulsed Power Facility объявили о создании металлического дейтерия с использованием плотного жидкого дейтерия , перехода от электрического изолятора к проводнику, связанного с увеличением оптической отражательной способности.

Заявленное наблюдение твердого металлического водорода, 2016 г.

5 октября 2016 года Ранга Диас и Исаак Ф. Сильвера из Гарвардского университета обнародовали утверждения экспериментальных доказательств того, что твердый металлический водород был синтезирован в лаборатории при давлении около 495 гигапаскалей (4890 000  атм ; 71 800 000  фунтов на квадратный дюйм ) с использованием ячейки с

алмазной наковальней

. Эта рукопись была доступна в октябре 2016 года, а исправленная версия была впоследствии опубликована в журнале Science в январе 2017 года.

В препринте статьи Диас и Сильвера пишут:

При увеличении давления мы наблюдаем изменения в образце, переходя от прозрачного к черному, к отражающему металлу, последний изучался при давлении 495 ГПа … отражательная способность с использованием модели свободных электронов Друде для определения плазменной частоты 30,1 эВ. при T  = 5.5 K, с соответствующей концентрацией электронных носителей 6,7 × 10 23 частиц / см 3 , что соответствует теоретическим оценкам. Свойства такие же, как у металла. В лаборатории был получен твердый металлический водород.

-  Диас и Сильвера (2016)

Сильвера заявил, что они не повторяли свой эксперимент, поскольку дополнительные тесты могут повредить или разрушить их существующий образец, но заверил научное сообщество, что будут новые тесты. Он также заявил, что давление в конечном итоге будет сброшено, чтобы выяснить, является ли образец метастабильным (то есть сохранится ли он в своем металлическом состоянии даже после того, как давление будет сброшено).

Вскоре после того , как заявка была опубликована в Science , Nature «s новости разделение опубликовала статью о том , что некоторые другие физики считали результат со скептицизмом. Недавно видные члены сообщества исследователей высокого давления подвергли критике заявленные результаты, поставив под сомнение заявленные значения давления или присутствие металлического водорода при заявленных давлениях.

В феврале 2017 года сообщалось, что образец заявленного металлического водорода был утерян после того, как алмазные наковальни находились между поломками.

В августе 2017 года Силвера и Диас опубликовали ошибку в статье Science , касающуюся скорректированных значений коэффициента отражения из-за различий между оптической плотностью напряженных природных алмазов и синтетических алмазов, используемых в их ячейках с алмазной наковальней для предварительного сжатия .

В июне 2019 года группа из Комиссариата по атомной энергии и альтернативным источникам энергии (Французская комиссия по альтернативной энергии и атомной энергии) заявила, что создала металлический водород с плотностью около 425 ГПа с использованием ячейки с алмазной наковальней тороидального профиля, изготовленной с использованием электронно-лучевой обработки.

Эксперименты с жидким дейтерием в Национальном центре зажигания, 2018 г.

В августе 2018 года ученые объявили о новых наблюдениях, касающихся быстрого преобразования жидкого дейтерия из изоляционной в металлическую форму при температуре ниже 2000 К. Замечательное согласие обнаружено между экспериментальными данными и предсказаниями, основанными на моделировании квантового Монте-Карло, которое, как ожидается, будет самый точный метод на сегодняшний день. Это может помочь исследователям лучше понять гигантские газовые планеты , такие как Юпитер, Сатурн и связанные с ними экзопланеты , поскольку считается, что такие планеты содержат много жидкого металлического водорода, который может быть ответственным за наблюдаемые ими мощные магнитные поля .

Особенности обращения

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).Редактировать

Физические и химические свойства

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 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.Так как ядро каждого атома Н, входящего в состав молекулы, имеет свой спин, то молекулярный водород может находиться в двух формах: в форме ортоводорода (о-Н2) (оба спина имеют одинаковую ориентацию) и в форме параводорода (п-Н2) (спины имеют разную ориентацию). При обычных условиях нормальный водород представляет собой смесь 75% о-Н2 и 25% п-Н2. Физические свойства п- и о-Н2 немного различаются между собой. Так, если температура кипения чистого о-Н2 20, 45 К, то чистого п-Н2 — 20, 26 К. Превращение о-Н2 в п-Н2 сопровождается выделением 1418 Дж/моль теплоты.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.Если смесь водорода и хлора при комнатной температуре облучить ультрафиолетовым светом, то наблюдается немедленное образование хлороводорода НСl. Реакция водорода с кислородом происходит со взрывом, если в смесь этих газов внести катализатор — металлический палладий (или платину). При поджигании смесь водорода и кислорода (так называемый гремучий газ) взрывается, при этом взрыв может произойти в смесях, в которых содержание водорода составляет от 5 до 95 объемных процентов. Чистый водород на воздухе или в чистом кислороде спокойно горит с выделением большого количества теплоты:H2 + 1/2O2 = Н2О + 285, 75 кДж/мольС 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 С2Н62Н4 + Н2 = С2Н6.Взаимодействием оксида углерода(II) и водорода в промышленности получают метанол:2Н2 + СО = СН3ОН.В соединениях, в которых атом водорода соединен с атомом более электроотрицательного элемента Э (Э = F, Cl, O, N), между молекулами образуются водородные связи (два атома Э одного и того же или двух разных элементов связаны между собой через атом Н: Э’… Н… Э», причем все три атома расположены на одной прямой). Такие связи существуют между молекулами воды, аммиака, метанола и др. и приводят к заметному возрастанию температур кипения этих веществ, увеличению теплоты испарения и т. д.Редактировать

Как получают водород

Chernobyl_04710018_8134364258-1024x669.jpg

На самом деле способов получения водорода очень и очень много. Если взять приблизительную цифру возможных способов, то, вероятно, она превысит число 300. Все эти способы можно объединить в множество групп и подгрупп. Стоит выделить самые основные. Самым простым способом добычи водорода является метод электролиза. Он заключается в пропускании через обычную воду электричества с низким напряжением. В таком варианте на аноде образуется чистый кислород, а на катоде водород.

Следующим способом получения водорода является отделение его из углеводородов посредством высоких температур. Этот способ называется как паровой реформинг и добывается из природного газа. В результате химических реакций выделяется отдельно H2 и CO2. При этой реакции температура варьируется от 1000°C до 2000°C.

Остальные способы заключаются в взаимодействии всеразличных кислот и металлов, которые осуществляются в промышленных лабораториях.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий