Основные физико-химические свойства водорода

Основные физико-химические свойства водорода.

Водород - простейший из всех химических элементов. По своей атомной массе, равный 1,00797, водород занимает первое место в периодической системе химических элементов.

В земной каре (включая гидросферу и атмосферу) содержится 1,00% [16% (ат.)] Н. Вблизи земной поверхности водород в свободном состоянии встречается редко, лишь в вулканических и некоторых других природных газах. В атмосфере земли в свободном состоянии содержится менее 1*10^-4% (ат.) Н. Однако, атмосфера земли на высоте более 100 кмсостоит главным образом из водорода. Атмосфера солнца содержит 84% Н. В космосе водород самый распространенный элемент. Он составляет до половины массы солнца и большинства звезд, присутствует в атмосфере ряда планет, в кометах, газовых туманностях и межзвездном газе в виде Н₂, СН₄, NН_з, СН, NH, ОН, SiН, РН, MgH, NaH и т. д. Некоторые из звезд, по-видимому, состоят исключительно из скоплений раскаленного водорода - в виде плазмы.

В обычных условиях элементарный водород существует в виде двухатомных молекул Н₂, в которых атомы водорода кавалентно связаны друг с другом путем обобществления пары электронов. Молекулярный водород - бесцветный газ, без вкуса и запаха, самый легкий из всех газов, он в 14,32 раза легче воздуха. Плотность газообразного водорода при температуре 0° С и давлении 760 мм рт. ст.. составляет 0,089870 г/л.

Теплоемкость газообразного водорода при постоянном давлении С_р = 14,3 Дж/(г*град), или 3,409 кал/(г*град) (в пределах 12-198°); теплоемкость при постоянном объеме C_v=8,55 Дж/(г * град), или 2,404 кал/(г*град) при 18° С. Зависимость молекулярной теплоемкости водорода от температуры в интервале 273-3500° К приближенно мажет быть выражена уравнением С_р = 6,65 + 0,00069 Т. Водород обладает более высокой, чем какой-либо другой газ, теплопроводностью: при 0° λ = 0,000412 кал/(см * сек * град), что. в 7,2 раза больше теплопроводности воздуха; при 46° С л = 0,000474 кал/ (см· сек· град). Зависимость теплопроводности газообразного водорода от температуры выражается линейным уравнением

λ = 423 . 10^-6 (1 + 0,0025t)  кал/(см·сек·град).

Коэффициент теплового расширения водорода в интервале температур от 0 до 100° С при давлении 1,013 бар (1 атм) равен 0,003662. Коэффициент внутреннего трения газообразного водорода значительно меньше, чем коэффициент внутреннего трения воздуха. Их отношение равно 0,493.

Критическая температура водорода t⁰_К = -239,9° С, критическое давление 12,96 бар (12,8 атм), критическая плотность 0,031 г/ см³.

Жидкий водород - прозрачная, бесцветная, не проводящая электричества жидкость, поверхностное натяжение которой в 35 раз меньше, чем у воды. Температура кипения жидкого водорода равна -252,8° С (20,4° К). Температура плавления твердого водорода составляет -257,3⁰ С (15,9⁰ К).

Плотность жидкого водорода при температуре кипения равна 0,0708 г/см³, а плотность твердого водорода при -262° С составляет 0,0807 г/см³.

Удельная теплоемкость С_р  жидкого водорода при температуре - 256° С равна 8,07 Дж/г (1,93 кал/г), а твердого водорода при - 259,8° С 2,64 Дж/г (0,630 кал/г).

Теплота испарения жидкого водорода при 20,4⁰ К равна ~ 453-478 Дж/г(108-114 кал/г). Теплота плавления твердого водорода ~58,7 Дж/г (14 кал/г).

Зависимость упругости пара над жидким водородом от температуры выражается уравнением

Соответствующая зависимость для упругости пара над твердым водородом имеет вид:

Диэлектрическая постоянная о газообразного водорода при температуре 0° С и давлении 760 мм рт. ст. равна 1,000263; для жидкого водорода при 20,4° К она составляет 1,2315 и для твердого водорода при 13,5° К - 1,1952.

Предполагается, что диаметр молекулы водорода равен 2,12*10-8 см при 25⁰ С. Равновесное расстояние между ядрами в молекуле водорода найдено равным 0,74116· 10^-8 см. Это расстояние для всех изотопных модификаций молекулы водорода одинаково с точностью ±0,0001 А. Как и все симметричные двухатомные молекулы, водород не имеет дипольного колебательно-вращательного спектра.

При температуре 1,65° К твердый водород имеет плотную гексагональную решетку, в узлах которой расположены молекулы Н₂. Постоянные решетки а = 3,75 kX, с = 6,12 kX, с/а= 1,633. Рентгеновская плотность вычислена равной 0,088 г/см3.

Сжимаемость твердого водорода при температуре 4,2° К и давлении до ~ 10130 бар (10 тыс. атм) была исследована Стюартом [2], который измерял изменение объема цилиндрических образцов в условиях равноосного сжатия. Оказалось, что отвердевшие газы вообще обладают большей сжимаемостью, чем другие твердые тела, водород же отличается наибольшей сжимаемостью. Автор объясняет это свойство водорода большим значением его нулевой энергии. Найденное Стюартом значение коэффициента сжимаемости для водорода при температуре 4° К оказалось равным 4,8· 10^-4 см²/кг. При повышении давления до максимального наблюдалось уменьшение коэффициента сжимаемости твердого водорода в 40 раз. Стюарт и Свенсон отметили значительную, пластичность твердого водорода; в опытах, которые они проводили при температуре 4,2⁰ К и давлении ~ 2026 бар (2000 атм), весь водород выдавливался из матрицы через зазор (менее 5 мкм) между матрицей и пуансоном. Молярный объем водорода при давлении ~ 10130 бар (10 тыс. атм) уменьшается вдвое.

Металлическая модификация водорода неизвестна.