Молекула водорода — это… Что такое Молекула водорода?

Моле́кула водоро́да — простейшая молекула, состоящая из двух атомов водорода. В её состав входят два ядра атомов водорода и два электрона. Вследствие взаимодействия между электронами и ядрами образуется ковалентная химическая связь. Кроме основной изотопной модификации H₂, существуют разновидности, в которых один или оба атома протия заменены другими изотопами водорода  — дейтерием или тритием: HD, HT, D₂, DT, T₂. Симметричность или несимметричность молекулы имеет значение при её вращении.

Модели молекулы водорода

Рис.1.Модель водорода по Бору и осевая проекция электронного кольца

Н.Бор ещё в 1913 году дал описание модели молекулы водорода^[1]. Согласно Бору, два внешних электрона, образующих молекулу, вращаются по одной и той же орбите вокруг линии, проходящей через ядра обоих атомов, и удерживают последние на определённом расстоянии друг от друга (рис.1). Боровская модель химической связи давала чёткую картину образования молекулярного водорода — динамическое равновесие системы, содержащей два протона, удерживающихся на определённом расстоянии друг от друга (d), притяжением кольца из двух электронов. При этом модель Н.Бора отражала кулоновскую электронную корреляцию — оба электрона за счёт электростатического отталкивания находятся в диаметрально противоположных точках электронного кольца вокруг линии, проходящей через ядра обоих атомов молекулы водорода.

Также как и боровская модель атома, боровская модель молекулы водорода не отражала и не могла отражать волновую природу электрона и статистическую интерпретацию волновой функции. Здесь уместно дополнить боровскую модель молекулы водорода достижениями квантовой механики, аналогично боровской модели атома. В этом случае гипотетическое кольцо электронов в модели молекулы водорода трансформируется в геометрическое место расположения плотности вероятности нахождения связывающих электронов. Электронную пару следует представлять электронным облаком в форме кольца, баранки, тора. При этом предполагается, что электроны в торе удалены друг от друга на максимально возможное расстояние, а электронная плотность в молекуле водорода имеет минимум — «кулоновскую дырку» на линии, соединяющей ядра молекулы водорода. Наиболее вероятный радиус электронного тора (r

e) определяется боровским радиусом a₀ и межъядерным расстоянием (d)

r_e² = a₀² — (d/2)

2; r_e = 0,377 Å.

Рис.2.Контурная карта электронной плотности для молекулы водорода^[2]

В теории молекулярных орбиталей, разработанной в 1927—1932 г.г. Ф.Хундом, Р.Малликеном и др., модель молекулы водорода описывали контурными картами электронной плотности (рис.2).

Карта строится как разность между электронной плотностью молекулы и несвязанных атомов. Сплошные линии контурной карты отражают области увеличения электронной плотности (в единицах заряда электрона). Пунктирные — области её уменьшения в молекуле по сравнению с электронной плотностью несвязанных атомов водорода, сближенных на равновесное расстояние.^[2]

Поскольку в теории молекулярных орбиталей учитывается лишь фермиевская корреляция электронов, поэтому электронная плотность в молекуле водорода сконцентрирована на линии, соединяющей ядра молекулы (см. рис.2).

Рис.3.Модель молекулы водорода в теории валентных связей

Квантово-механическую теорию ковалентной связи в молекуле водорода разработали в 1927 году Вальтер Гайтлер и Фриц Лондон. Выполненный ими расчёт волновых функций явился основой теории валентных связей. В этой теории модель молекулы водорода описывали перекрыванием атомных орбиталей атомов водорода (1S типа). Схема перекрывания электронных облаков, образующих сигма-связь молекулы водорода, совпадает с линией соединения атомных центров молекулы (рис.3).

Расчёт молекулы водорода в основном сводится к определению интеграла перекрытия атомных орбиталей.

Гамильтониан

Гамильтониан молекулы водорода H₂ записывается в виде

,

где M — масса протона, m — масса электрона,  — координаты ядер,  — координаты электронов.

В адиабатическом приближении задача нахождения энергетических состояний молекулы водорода разбивается на два этапа. На первом этапе рассматривается только электронная подсистема, а ядра считаются зафиксированными в точках и .

Гамильтониан электронной подсистемы имеет вид

,

Гамильтониан молекулы водорода симметричен относительно переменных и , то есть не изменяется при смене нумерации электронов. Кроме того, он не зависит от спиновых переменных.

Волновые функции

Схематическое изображение симметричной волновой функции молекулы водорода и образования ковалентной связи Схематическое изображение антисимметричной волновой функции молекулы водорода

Исходя из принципа тождественности частиц и учитывая то, что электроны являются фермионами, волновая функция молекулы водорода должна быть антисимметричной относительно перестановки электронов. Независимость гамильтониана от спиновых переменных позволяет выбрать её в виде произведения двух функций, одна из которых зависит только от координат и называется координатной волновой функцией, а вторая зависит только от спинов и называется спиновой функцией.

Существуют два возможных типа спиновых функций для двух электронов: с параллельными спинами и с антипараллельными спинами. Функции с параллельными спинами симметричны относительно перестановки электронов и образуют триплетные состояния, в которых суммарный спин равен единице. Функции с антипараллельными спинами образуют синглетные состояния с нулевым суммарным спином (см. Мультиплетность, Состояние (квантовая механика)). Они антисимметричны относительно перестановки электронов.

Поскольку волновая функция электрона должна быть антисимметричной относительно перестановки, она может быть произведением либо

• симметричной координатной функции на антисимметричную спиновую функцию, либо
• антисимметричной координатной функции на симметричную спиновую функцию.

Симметричную и антисимметричную координатные функции основного состояния в нулевом приближении теории возмущений можно построить исходя из волновых функций основного состояния атома водорода .

Первый член каждой из приведенных волновых функций отвечает локализации электрона, пронумерованного индексом 1 на атоме с индексом 1 и электрона, пронумерованного индексом 2 на атоме с индексом 2. Второй член отвечает ситуации, когда первый электрон принадлежит второму атому, а второй — первому. При смене нумерации электронов первая (симметричная) функция не меняется, вторая (антисимметричная) — меняет знак.

Энергия электронных состояний

Энергия электронных состояний находится усреднением гамильтониана на волновых функциях

.

Для двух возможных волновых функций основного состояния она приобретает вид

,

где  — расстояние между ядрами,  — значение энергии основного состояния атома водорода,  — интеграл перекрытия, который определяется выражением

,

 — кулоновский интеграл, определяемый как

,

 — обменный интерграл, равный

.

Энергия молекулы водорода состоит из удвоенной энергии атома водорода, энергии кулоновского отталкивания между ядрами и членов, определяющих взаимодействие электронов между собой и с другим ядром. В зависимости от спинового состояния в формуле для следует выбирать знак «+» или знак «-». Знак «+» отвечает синглетному состоянию, знак «-» — триплетному.

Величина  — это средняя энергия кулоновского взаимодействия между двумя электронами и электронов с «чужим ядром». Величина определяет вклад в энергию обменного взаимодействия, которая не имеет аналога в классической механике. Именно этот член определяет существенное различие между синглетными и триплетными состояниями.

Зависимость энергии основного состояния от расстояния между ядрами

Ковалентная связь

Энергия взаимодействия атомов в молекуле водорода для синглетного(сплошная линия) и триплетного (пунктирная линия) состояний

Обменный интеграл для молеклы водорода в определённом диапазоне расстояний между атомами отрицательный. Вследствие этого, для синглетных состояний он обеспечивает дополнительное притягивание между ядрами атомов, а для триплетных — дополнительное отталкивание. Дополнительное притягивание обусловливает появление минимума электронной энергии на расстоянии приблизительно в 1,5 радиуса Бора (что соответствует приблизительно 75 пм). Этот минимум возникает только для синглетного состояния, то есть для антипараллельных спинов. Таким образом устанавливается ковалентная связь между атомами. Электроны двух атомов водорода «спариваются».

Насыщение ковалентной связи

Для параллельных спинов, то есть для триплетного состояния, дополнительный положительный вклад в энергию приводит к тому, что атому отталкиваются на любом расстоянии. Этим объясняется насыщение ковалентной связи. Молекула водорода может состоять только из двух атомов. Третий атом водорода не может образовать связь с молекулой потому, что его спин непременно будет параллельным одному из спинов электронов в составе молекулы. Параллельность спинов приводит к отталкиванию между ядрами на любом расстоянии.

Необходимо отметить, что на больших расстояниях между атомами они притягиваются в любых состояниях благодаря Ван-дер-Ваальсовому взаимодействию, которое, однако, намного слабее ковалентной связи. Ван-дер-Ваальсово взаимодействие не учитывается в приведенной теории, поскольку требует рассмотрения возбуждённых состояний высших, чем 1s-орбиталь.

Движение ядер в молекуле водорода

Гамильтониан, описывающий относительное движение двух ядер в молекуле водорода имеет вид

,

где  — приведённая масса двух ядер,  — энергия синглетного электронного состояния, зависящая от расстояния между ядрами (определена в предыдущем разделе),  — оператор углового момента, описывающий вращение молекулы.

Вращение

Оператор углового момента коммутирует с гамильтонианом, поэтому собственные функции гамильтониана можно выбрать общими с собственными функциями оператора углового момента, то есть сферические гармоники:

.

Вклад вращения в энергию молекулы равен

.

Этот вклад мал, потому, что массы ядер намного больше, чем массы электронов. Он зависит от расстояния между ядрами R. При колебаниях ядер это расстояние меняется, поэтому вращательное движение, строго говоря, невозможно отделить от колебательного. Однако при малых l и при малых энергиях колебательного движения можно считать, что R равняется определённому среднему значению.

Вращательные уровни вырождены относительно магнитного квантового числа m_l. Кратность вырождения 2l+1.

Колебания атомов

Вблизи минимума функцию можно разложить в ряд Тейлора, ограничившись только квадратичным членом.

,

где

Таким образом, задача об энергетических состояниях колебания ядер сводится к задаче квантового гармонического осциллятора. Следовательно, для низших колебательных и вращательных уровней энергия молекулы водорода равна

,

где  — колебательное квантовое число.

Низшая энергия колебания отвечает нулевым колебаниям.

При больших значениях квантовых чисел n и l колебательное и вращательное движение разделить невозможно.

Таким образом, энергию молекулы при малых квантовых числах можно записать в виде трёх слагаемых — электронного, колебательного и вращательного:

Малым параметром задачи является отношение массы электрона к массе протона. Электронное слагаемое не зависит от этого отношения, колебательное пропорционально , вращательное пропорционально . Поэтому

.

Следовательно, электронный уровень расщепляется на несколько колебательных, каждый из которых, в свою очередь, расщепляется на вращательные. Поскольку энергии вращательных уровней близки, то в оптических спектрах они сливаются в полосы — образуется полосатый спектр, который наблюдается для молекулы HD. Для симметричной молекулы H₂ переходы между орбитальными и колебательными уровнями запрещены правилами отбора, поэтому молекулярный протий не поглощает в инфракрасной области.

Пара- и ортоводород

Схематическое изображене спиновых изомеров водорода

Ядра атомов водорода, входящие в состав молекулы, являются протонами — фермионами со спином 1/2. По правилам сложения спинов ядерный спин молекулы может быть 0 или 1. Молекулы водорода с суммарным ядерным спином 0 называют параводородом, а молекулы с суммарным ядерным спином 1 и тремя возможными проекциями (−1, 0, 1) называют ортоводородом. В состоянии термодинамического равновесия при комнатной температуре отношение между ортоводородом и параводородом составляет 3:1. Однако при низких температурах в состоянии термодинамического равновесия молекулы параводорода доминируют благодаря разным вращательным свойствам: параводород является симметричным ротатором, ортоводород — несимметричным ротатором. Переход ортоводорода в параводород — медленный процесс, и состояние термодинамического равновесия при низких температурах устанавливается долго.

Характеристики молекулы водорода

Межъядерные расстояния и энергии диссоциации молекул водорода, его изотопов и молекулярного иона водорода^[3]

Молекула	Межъядерное расстояние,Å	Энергия диссоциации, Эв
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
H2+	1,06	2,648

Константы реакции диссоциации молекулярного водорода (K_p) и степень превращения (α) в зависимости от абсолютной температуры^[4]:

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

См. также

Примечания

1. ↑ Бор Н. Избранные научные труды (статьи 1909-1925 г.г). — М.: Наука, 1973. — Т. 1. — С. 133. — 584 с.
2. ↑ ^{1 2} Химический энциклопедический словарь / гл. редактор И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1983. — С. 646. — 792 с.
3. ↑ Справочник химика. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.-Л.: ГНТИ Химической литературы, 1962. — Т. 1. — С. 338. — 1072 с.
4. ↑ Справочник химика. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.-Л.: ГНТИ Химической литературы, 1964. — Т. 3. — С. 24. — 1008 с.

Литература

• Білий М. У. Атомна фізика. — Київ: Вища школа, 1973.  (укр.)
• Федорченко А. М. Теоретична фізика. Квантова механіка, термодинаміка і статистична фізика. Т.2. — Київ: Вища школа, 1993.
• Юхновський І. Р. Основи квантової механіки. — Київ: Либідь, 2002.
• Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Теоретическая физика. т. ІІІ. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. — М.: Наука, 1974.

Как узнали, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного кислорода? Как вообще узнают атомный состав веществ?

Ну, сами химические элементы использовались с древнейших времён — люди занимались металлургией, керамикой, изготовлением красок и прочими подобными делами задолго до того, как хотя бы приблизились к пониманию строения вещества.

Сама идея молекул и атомов была предложена философами Древней Греции — Демокрит и кто-то ещё (сходу не вспомню) пришли к мысли, что любое вещество подобно речи — как речь состоит из слов, а слова состоят из букв, так и вещество состоит из молекул, а те состоят из атомов.

Потом прошло больше двух тысяч лет алхимии и самых разнообразных экспериментов. И в итоге только во времена, близкие к Ломоносову, эта идея снова обрела популярность.

Основой для развития химии стало изучение процесса горения — почему вещество горит, как меняется его структура? Существовали разные версии — что в каждом веществе содержатся атомы «флогистона», которые и обеспечивают горючесть, что «огонь» является одним из элементов, и подобные.

Как раз на этом этапе и узнали состав воды — химики смогли получить водород, а при его сжигании образовывалась вода. Именно с открытием таких газов как кислород и водород (и заодно — устранением «огня» как элемента), и появилась близкая к реальности теория строения вещества. Химики Дальтон и Авогадро предположили связь межу числом молекул газа и давлением. Благодаря этому стало возможным измерить массу атомов в газе, а благодаря этому — массу молекул в оксидах. Именно поэтому, кстати, у кислорода наиболее округлённая масса — 16. Просто потому что именно относительно него делались все практические измерения.

Как это делалось практически? Если взять два литра водорода, литр кислорода, то получим два литра водяного пара. В таком случае формула могла бы выглядеть как 2h3 + O2 = 2h3O (молекулы водорода и кислорода — двухатомные) или как 2Н + О2 = 2НО (молекула водорода одноатомная, кислорода — двухатомная). Из других реакций (например, H + Сl) выяснили, что молекула водорода двухатомная — значит, первое уравнение верно.

Ну а дальше осталось просто делом техники измерить массы известных соединений. Чуть позже Менделеев смог упорядочить все эти данные в таблицу, которой мы и пользуемся.

Наука: Наука и техника: Lenta.ru

Группа ученых из Германии, Греции, Нидерландов, США и Франции получила снимки атома водорода. На этих изображениях, полученных при помощи фотоионизационного микроскопа, видно распределение электронной плотности, которое полностью совпадает с результатами теоретических расчетов. Работа международной группы представлена на страницах Physical Review Letters.

Суть фотоионизационного метода заключается в последовательной ионизации атомов водорода, то есть в отрывании от них электрона за счет электромагнитного облучения. Отделившиеся электроны направляются на чувствительную матрицу через положительно заряженное кольцо, причем положение электрона в момент столкновения с матрицей отражает положение электрона в момент ионизации атома. Заряженное кольцо, отклоняющее электроны в сторону, играет роль линзы и с его помощью изображение увеличивается в миллионы раз.

Этот метод, описанный в 2004 году, уже применялся для получения «фотографий» отдельных молекул, однако физики пошли дальше и использовали фотоионизационный микроскоп для исследования атомов водорода. Так как попадание одного электрона дает всего одну точку, исследователи накопили около 20 тысяч отдельных электронов от разных атомов и составили усредненное изображение электронных оболочек.

В соответствии с законами квантовой механики, электрон в атоме не имеет какого-то определенного положения сам по себе. Лишь при взаимодействии атома с внешней средой электрон с той или иной вероятностью проявляется в некоторой окрестности ядра атома: область, в которой вероятность обнаружения электрона максимальна, называется электронной оболочкой. На новых изображениях видны различия между атомами разных энергетических состояний; ученые смогли наглядно продемонстрировать форму предсказанных квантовой механикой электронных оболочек.

При помощи других приборов, сканирующих туннельных микроскопов, отдельные атомы можно не только увидеть, но и переместить в нужное место. Эта техника около месяца назад позволила инженерам компании IBM нарисовать мультфильм, каждый кадр которого сложен из атомов: подобные художественные эксперименты не имеют какого-то практического эффекта, но демонстрируют принципиальную возможность манипуляций с атомами. В прикладных целях используется уже не поатомная сборка, а химические процессы с самоорганизацией наноструктур или самоограничением роста одноатомных слоев на подложке.

диаметр, формула расчета, строение. Чему равна масса молекулы водорода?

В периодической таблице Менделеева под номером 1 расположен самый часто встречающийся элемент во Вселенной — водород. Его распространение, в процентном соотношении, приближается к 75%. Самое низкое его содержание отмечено в слоях атмосферы – 0,0001%. В коре Земли содержится 1% газа по массе. Наибольшее его количество отмечается в воде: 12%. На нашей планете это третий по распространению химический элемент.

Описание элемента

Молекула водорода, формула которого Н-Н или Н2, наделена физическими и химическими свойствами.

Водород является газом, который не наделен ни цветом, ни запахом. Расположение водорода в таблице на 1 месте обусловлено тем, что в различных условиях этот элемент может проявлять себя как металл или как газ. На его внешней орбитали расположен 1 электрон, который водород может отдавать (металлические свойства) или же принимать еще один (качества газа).

Диаметр водородной молекулы равняется 27 нм.

Диаметр атома водорода равен 1А, радиус – 0, 41 А.

Свойства

К физическим относятся следующие:

1. Температура кипения – 256^оС.
2. Температура плавления -259,2^оС.
3. Масса по воздуху (D) — 0,069.
4. Водород плохо растворим в воде.

Химические свойства таковы:

1. Неполярная связь между частицами молекулы обладает энергией в 436 кДж/моль.
2. Температура тепловой диссоциации равна 2000^оС.
3. Реагирует с:

• галогенами;
• кислородом;
• серой;
• азотом;
• оксидом азота;
• активными металлами.

В условиях природы, водород встречается как в естественном виде, так и в форме изотопов: протий, дейтерий и тритий.

Строение молекулы

Молекула элемента имеет простое строение. Состав молекулы водорода представлен двумя атомами, которые, сближаясь, образуют ковалентную неполярную связь, а также одну электронную пару. Строение одного атома представляет: 1 положительно заряженное ядро, вокруг которого передвигается 1 отрицательно заряженный электрон. Этот электрон располагается на 1s орбитали.

Н — 1е = Н+ этот ион водорода является положительным.

Это выражение указывает на то, что водород обладает схожими параметрами с элементами 1 группы в периодической системе, которые являются щелочными металлами (литий, натрий, калий), отдающими свой единственный электрон на внешней орбитали.

Н + 1е = Н– ион водорода отрицательный.

Это уравнение показывает, что водород является родственным с аналогичными элементами из 7-й группы, которые являются газом и способны принимать недостающие электроны на свой внешний электронный уровень. К таким газам относятся: фтор, хлор, бром и т. д.

Состав молекулы водорода графически представлена далее.

Расстояние между водородными атомами r=0,74 А, в то время, как сумма орбитальных радиусов составляет 1,06 А. Это влияет на глубину перекрывания электронных облаков и на прочную, устойчивую водородную связь.

Атом водорода является самым элементарным атомом в природе. Размер атомного протона равен 10,5 А, а диаметр одного атома равен 0,1 нм.

Молекулы изотопов имеют особое строение. Атомное ядро протия состоит из одного лишь протона. Обозначается изотоп: 1Н.

Ядерное строение выглядит как комплекс из протона и нейтрона (2Н).

3Н — тритий — в своем атомном строении наделен ядром с 1 протоном и двумя нейтронами.

Масса

В науке существуют формулы, вычисляющие, чему равна масса молекулы водорода. По отношению к элементу, определяют молекулярную и атомную массы.

Молярная масса молекулы водорода вычисляется по общей формуле:

M = m / n, где m — это масса вещества, n — его количество.

Масса атома равна 1,008 а.е.м. Следовательно, относительная масса молекулы будет также равна 1,008. Поскольку молекула водорода состоит из двух атомов, то относительный атомный вес равен 2,016 а. е. м. Масса молекулы водорода выражается в граммах на моль (г/моль).

Значение в природе

Наиболее значимым в природе веществом, которое образует водород в комплексе с кислородом, является вода. Вода – источник жизни, поэтому водород – это жизненно необходимый элемент.

Из 100% всех химических элементов, которые составляют организменную среду, 1/10 часть, или 10%, приходится на водород. Помимо воды, он способен поддерживать четвертичную белковую структуру, что является возможным, благодаря водородной связи.

Принцип комплементарности нуклеиновых кислот также происходит с действием водородной молекулы. В растительной клетке Н принимает участие в процессе фотосинтеза, биосинтеза, в переносе энергии по мембранным каналам.

Применение

В химической промышленности водород достаточно широко применим. Его добавляют при изготовлении пластмассовых изделий, в мыловарении, а также при аммиачном и ментоловом производстве.

Пищевая промышленность: при выработке продуктов питания, водород добавляют в качестве пищевой добавки Е949. Такой компонент можно увидеть на упаковке маргарина, растительных масел. Добавка Е949 разрешена пищевой промышленностью РФ.

Водород некогда был задействован и в промышленности воздухоплавания, поскольку вещество легче воздуха. Так, в 30-е годы прошлого века этим вида газа наполняли воздушные шары и дирижабли. Несмотря на его дешевизну и удобство использования, водород вскоре прекратили использовать в качестве наполнителя, поскольку участились случаи взрывов летательных аппаратов.

В наши дни газ применяют, как топливо, используемое в космической промышленности. Однако рассматриваются методы применения его для работы двигателей легковых и грузовых автомобилей, поскольку элемент при сгорании не выделяет в атмосферу вредных примесей, а, значит, является экологически чистым.

Неотъемлемым компонентом изотопы водорода выступают в составе многих медикаментозных средств. Дейтерий применяют в фармакологических исследованиях, для определения поведения и воздействия лекарственного препарата в организме. Тритий используется в радиодиагностике, как элемент, определяющий биохимические реакции метаболизма ферментов. Водород входит в состав перекиси, которая является дезинфицирующим средством.

Водород, посаженный на иглу

В германском исследовательском центре Юлих создан микроскоп, который впервые позволил увидеть слабые водородные связи между молекулами. Эти связи отвечают за свойства воды, строение белковых молекул и форму двойной спирали ДНК.

В «Журнале Американского химического общества» опубликованы иллюстрации, на которых видны осажденные на металлическую подложку органические молекулы, а между ними в строго определенных местах просматриваются светлые полоски. Именно здесь должны проходить водородные межмолекулярные связи. Хотя о водородных связях говорится даже в школьном курсе химии, увидеть их никому еще не удавалось, а их природа до сих пор остается не вполне ясной. Рассказывает руководитель группы в исследовательском центре Юлих Руслан Темиров:

– Это не совсем химические связи, а наоборот слабые межмолекулярные взаимодействия. За счет водородных связей вода, например, жидкая, а большинство биологических молекул имеют такую форму, какую имеют. Связи возникают между специальными химическими группами в молекулах – одна групп них, например, оканчивается кислородом, а другая водородом. И вот считается, что эти водородные связи имеют некий смешанный характер. На мой взгляд, до конца их физика даже и не вполне понятна. Нам удалось пронаблюдать некий сигнал, то есть, по сути, мы получаем некие изображения. И мы увидели, что в местах, где, в общем-то, теоретики предсказывают наличие этих водородных связей, мы наблюдаем некую картинку. До сих пор мы не можем сказать точно, какой механизм приводит к возможности отображения этих связей, но они там есть.

Это просто метод для фундаментальных исследований. Он помогает нам увидеть некоторые объекты, которых мы раньше не видели, а только предполагали, что они существуют

Химическая связь вообще понятие довольно условное. Увидеть ее – это примерно как сфотографировать линию взгляда, которым обмениваются два человека в толпе. Сделать это удалось благодаря устройству, которое авторы называют сканирующим водородным микроскопом. Новый научный прибор является усовершенствованием изобретенного еще лет тридцать назад сканирующего туннельного микроскопа.

– Туннельный микроскоп был изобретен где-то в середине 1980-х годов. Эта техника позволила нам наблюдать единичные атомы и молекулы. Нужно взять очень острую металлическую иглу и поднести ее очень близко к поверхности. Если расстояние между иглой и металлом будем меньше одного нанометра (миллионной доли миллиметра), то за счет так называемого эффекта квантового туннелирования электроны смогут перепрыгивать из иглы в металл или наоборот. Измеряя так называемый туннельный ток, мы тогда можем очень четко мерить, топографию поверхности.

Разрешающая способность классического туннельного микроскопа ограничена качеством его иглы, которой он, как слепой палочкой, ощупывает изучаемую поверхность.

– Конечно, иглу невозможно контролировать, потому что все качество определяется буквально двумя-тремя атомами, которые находятся на самом конце. Пока нет методов, чтобы контролируемо создавать иглы с заданной атомной геометрией. Ограничение микроскопа состоит в том, что он чувствителен к плотности электронных состояний только лишь в достаточно узком интервале энергий. Обычно в этом интервале находятся электроны, которые очень слабо связаны со своими атомными ядрами и которые, в общем-то, как покрывало накрывают атомно-молекулярную структуру и скрывают от нас ее точные детали.

Чтобы проникнуть сквозь это покрывало внешних электронов, исследователи как бы заострили иглу, добившись того, чтобы на самом ее кончике постоянно находилась крошечная молекула водорода.

– В нашем эксперименте мы сажали на иглу молекулы водорода или дейтерия. И оказалось, что эти водород и дейтерий очень сильно изменяют чувствительность самого микроскопа. То есть, микроскоп теперь становится чувствительным к очень короткодействующим силам между вот этой молекулой водорода, сидящей на игле и поверхностью, включая и те электроны, которые сидят очень близко к атомным ядрам и, в том числе, к тем электронам, которые образуют химические связи между атомами.

Но каким способом удается заставить одну единственную молекулу водорода надежно закрепиться на кончике сканирующей иглы?

– Вся прелесть метода в том, что он очень прост. Для этого не нужно брать какой-то специальный инструмент и помещать на иглу эту маленькую молекулу, которую, в общем-то, никаким инструментом не переместишь. Микроскоп постоянно находится при температуре от 5 до 10 кельвинов, то есть, это температура, близкая к температуре жидкого гелия. Этот микроскоп, находится, естественно в сверхвысоком вакууме. В то время, когда мы делаем эксперименты, мы просто открываем вентиль с водородом. Игла является для водорода некой потенциальной ямой, самый ее кончик – это как раз и есть дно этой потенциальной ямы. Соответственно, одна из молекул обязательно в эту яму упадет. И когда мы сканируем, эта молекула, сидит в этой яме и следует за иглой. Все получается, в общем-то, само собой.

Мы до конца даже не понимаем, каким образом течет ток через одну молекулу, и поэтому каждая возможность увидеть чуть-чуть больше помогает приобрести более углубленные фундаментальные познания об этих объектах

Интересно отметить, что сами авторы работы не до конца понимают, почему их метод работает, и каким образом достигается визуализация водородных связей между молекулами. Над объяснением этого эффекта еще идет работа.

– Не буду делать из этого секрета – весь этот метод использования водорода в некотором смысле был достаточно неожиданным. То есть, я не могу сказать, что мы запланировали и решили, что если мы посадим водород на иглу, то произойдет все именно так. Просто однажды мы увидели некоторые странные эффекты в нашем низкотемпературном туннельном микроскопе, ну и потом решили докопаться до причин. Ушло на это порядка, наверно, полутора лет, пока мы поняли и научились воспроизводить условия, которые однажды случайно каким-то образом получились. Но почему молекула водорода, сидящая на поверхности иглы, становится чувствительной к водородным связям на том объекте, который мы исследуем, пока не совсем понятно

По сравнению с молекулой водорода атом гелия еще в несколько раз меньше – это вообще самый маленький из всех атомов. Не пытались ли вы «заострить» иглу атомом гелия?

– Мы об этом, естественно, сразу стали думать, но, чтобы повторить тот же эксперимент с гелием, нам нужны гораздо более низкие температуры. То есть, надо идти уже к температурам в 1-2 кельвина, а может и к субкельвиновским температурам. Для этого нужна совершенно другая техника, которая гораздо сложнее и дороже. Те микроскопы, на которых мы работаем сейчас, работающие при температуре 5-10 кельвинов, их достаточно уже много во всем мире – наверное, сотни. Микроскопов, которые работают при субкельвиновских температурах, их пока единицы. И каждый из этих микроскопов должен делаться руками исследователей, на это уходят годы. Сейчас мы как раз работаем над созданием такого микроскопа, но это займет как минимум еще год-два.

Что можно сказать о практическом применении сканирующего водородного микроскопа, в каких областях он может быть использован?

В электронике сейчас исследуются идеи по использованию одиночных молекул в роли электронных приборов. То есть, на основе одиночных молекул нам хочется строить транзисторы, а потом, на их основе, микропроцессоры. Но дело в том, что мы до конца даже не понимаем, каким образом течет ток через одну молекулу, и поэтому каждая возможность увидеть чуть-чуть больше помогает приобрести более углубленные фундаментальные познания об этих объектах. Конечно, говорить сейчас о каких-то индустриальных приложениях очень рано. Это просто метод для фундаментальных исследований. Он помогает нам увидеть некоторые объекты, которых мы раньше не видели, а только предполагали, что они существуют. Когда человек начинает что-то видеть, он гораздо быстрее начинает осознавать это и переводить в плоскость своей интуиции. Это, скорее всего, приведет к новым идеям, может быть даже направлениям, хотя и не сразу, видимо, ведущим к каким-то применениям.

Как Вселенная создавала элементы?

Вселенная, которую мы знаем сегодня, почти полностью состоит из загадочной темной материи и еще более загадочной темной энергии. Обычного же вещества в ней совсем немного. В основном, это водород и гелий — самые легкие элементы периодической таблицы Менделеева. Именно эти вещества образовались после Большого взрыва, и именно из них состоит большинство звезд и межзвездного газа. Здесь на Земле это не так очевидно, поскольку нас окружают самые разные элементы таблицы, а некоторые ученые продолжают искать новые сочетания атомов на ускорителях. Но всё, что мы видим на Земле, и из чего состоим сами — лишь малая часть необъятной Вселенной. Как так вышло? Рассказывает профессор РАН Александр Лутовинов.

Лутовинов Александр Анатольевич – заместитель директора по научной работе Института космических исследований Российской академии наук, профессор РАН.

— Согласно современным представлениям, в том числе модели Большого взрыва, первых химических элементов было совсем немного. Известно, что это был водород и гелий.

— И чуть-чуть лития.

— Почему именно эти элементы?

— В изначальной модели Большого взрыва (кстати, предложенной нашим соотечественником Г. Гамовым) предполагалось, что большинство известных элементов возникло в первые минуты после Большого взрыва. Но вскоре стало понятно, что это не совсем так – из-за отсутствия в природе стабильных элементов с массами 5 и 8 произвести в имеющихся на тот момент условиях более тяжелые элементы практически невозможно. Таким образом, согласно принятой на сегодняшний день модели, в первые минуты после рождения Вселенной появились лишь водород, гелий и немного лития.

— А как развивались события дальше?

— Ранняя Вселенная была очень горячей. Она состояла из полностью ионизированного вещества, т.е. отдельных барионов и свободных электронов, которое находилось в состоянии теплового равновесия с излучением. Фотоны постоянно излучались, поглощались, снова переизлучались. Так продолжалось примерно 380 тысяч лет, пока Вселенная не охладилась настолько, что электроны начали соединяться с протонами или альфа-частицами, тем самым сформировав первые атомы. Тогда на водород приходилось около 92% всех атомов Вселенной, а остальные восемь процентов практически полностью приходились на образовавшийся в первые минуты гелий с малыми примесями лития.

— Тогда откуда появились остальные элементы?

— Другие элементы появились в звездах. Фактически, звезды – это самые мощные фабрики по производству химических элементов во Вселенной.

— Но если первых элементов фактически было всего два, откуда взяться элементам в этих звездах?

— А вот это действительно интересно, и связано с вопросом о происхождении первых звезд. Представьте себе однородную Вселенную, состоящую из водорода и гелия. Здесь каким-то образом должны были образоваться первичные сгустки вещества, которые стали бы зачатками первых плотных объектов, то есть первых звезд. Это достаточно сложный процесс, поскольку газ в такой системе был очень горячий, и его так просто не сожмешь, чтобы создать звезду. Для этого, в первую очередь, необходимо каким-то образом понизить температуру вещества. Это может достаточно эффективно осуществляться с помощью пыли или многоатомных молекул тяжелых элементов, как это происходит в современной Вселенной. Однако на ранних стадиях ни того, ни другого не было. Согласно современным теориям эффективное охлаждение первичной материи осуществлялось молекулярным водородом.

«ЗВЕЗДЫ – ЭТО САМЫЕ МОЩНЫЕ ФАБРИКИ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВО ВСЕЛЕННОЙ»

Второй проблемой является создание первичных неоднородностей гравитационного поля, где могло бы начать формироваться протозвездные облака и сами звезды. И вот здесь на помощь приходит темная материя. У нее есть замечательное свойство – она напрямую не взаимодействует с электромагнитным излучением, однако оказывает гравитационное воздействие на барионное вещество. Если представить, что в этой темной материи образовываются области с повышенным гравитационным потенциалом, можно сказать гравитационные ямки, то охлаждаемое вещество начнет постепенно туда стекаться, образуя место формирования гравитационно-связанных объектов – первых звезд и галактик.

По разным оценкам, первые звезды сформировались примерно через 300-400 миллионов лет после Большого взрыва, хотя некоторые исследователи считают, что это могло произойти гораздо раньше – уже через 30-70 миллионов. Это очень важный вопрос, от правильного ответа на который может зависеть дальнейшее построение модели развития Вселенной.

Первые звёзды должны были быть очень большими, по некоторым оценкам их массы могли достигать 300 или даже 500 масс Солнца (для сравнения, большинство современных звезд являются маломассивными объектами с массами сравнимыми или меньше солнечной). В ядре такой звезды из-за огромных давлений и температур создавались оптимальные условия для реакций термоядерного синтеза и образования новых элементов.

Вообще, массивные звезды живут недолго. К примеру, характерное время эволюции звезд типа нашего Солнца составляет примерно 10 миллиардов лет. А первые звезды, по некоторым оценкам, жили всего лишь  несколько миллионов лет. Они были чрезвычайно яркими, светили в миллионы раз ярче Солнца, очень быстро прогорали и взрывались сверхновыми. Возможно, некоторые из них оставили после себя первые черные дыры.

Название изображения

И здесь есть один важный момент – если звезда заканчивает свою жизнь вспышкой сверхновой, то наблюдается гамма-всплеск. Самый далекий всплеск был зарегистрирован в 2009 году. Оказалось, что вспыхнула звезда в момент, когда Вселенной было около 630 миллионов лет. Мы надеемся, что в дальнейшем обнаружим и более далекие всплески и увидим конец жизни первых звезд.

— Как ученые поняли, что элементы на Земле звездного происхождения?

— А они не могут быть иного происхождения. Сейчас достаточно хорошо разработана теория возникновения Солнечной системы. Считается, что она образовалась из части газопылевого облака, центральные области которого сколлапсировали, образовав Солнце. Внешние части образовали протопланетный диск, в котором образовались локальные центры гравитационного притяжения и планеты.

Откуда взялось это газопылевое облако? Скорее всего, из вещества другой звезды, предположительно массивной, которая когда-то давным-давно взорвалась, выбросив в космическое пространство большое количество химических элементов, образовавшихся в течение ее жизни. И, соответственно, оттуда же и взялись все элементы, которые мы встречаем на Земле. Впоследствии, Земля и дальше обогащалась элементами, поскольку из космоса постоянно прилетали астероиды, кометы и сталкивались с ней.

— А какое количество элементов может выделяться при взрыве звезды?

—  Это зависит от множества факторов, но прежде всего от массы звезды. Как уже говорилось выше, если она не очень большая, примерно как наше Солнце, то живет достаточно долго. Миллиарды лет в ней идут термоядерные реакции, основой которых является так называемый pp-цикл (протон-протонный цикл). При протон-протонном цикле сталкиваются протоны, образуя водород, который, сгорая, образует гелий. Когда водород прогорает, начинает гореть гелий. Из гелия в дальнейшем получается углерод.

Всё это – процессы сложных термоядерных реакций, которые идут при температурах 10-15 млн. градусов в случае протон-протонного цикла и существенно более высоких значениях (примерно 100-150 млн. градусов) для горения гелия. Кстати, если сталкиваются два ядра гелия – образуется бериллий ⁸Ве. Но дело в том, что он неустойчив, и время его жизни составляет примерно 10^-16 секунды, поэтому он быстро распадается. Но при достаточно высокой плотности и температуре существует вероятность, что за это время с ядром бериллия столкнется еще одно ядро гелия. И эта реакция – ключевая. Образуется углерод – основа жизни.

Далее углерод может захватить еще один гелий, и получится кислород. Также может образоваться азот и, возможно, неон. Но на этом этапе, как правило, процесс заканчивается, поскольку энергии звезды, температуры и давления в ее недрах уже не хватает, чтобы инициировать дальнейшие термоядерные реакции. Из такой звезды со временем образуется белый карлик – звездочка размером с Землю, но с примерно солнечной массой. Этот белый карлик будет состоять, в основном, из углерода, с примесью кислорода и некоторых других элементов. Образно говоря, белые карлики — это  самые большие алмазы во Вселенной.

Если же звезда очень большая, например, 20-30 масс Солнца, то давления и температуры внутри нее существенно выше. Соответственно, реакции продолжаются уже в рамках углеродно-азотного цикла (так называемый CNO-цикл). В недрах массивных звезд уже возможно образование и магния, и серы, и кремния, и так вплоть до железа. Эти реакции достаточно сложные. Температуры, при которых эти реакции проходят, огромны – миллиарды градусов. К концу своего существования такая звезда похожа на «луковицу», в разных слоях которой продолжаются реакции горения. Во внешних слоях горят остатки водорода, затем «слой» гелия, дальше – углерод, кислород, кремний, а в центре – железное ядро. Такое слоевое горение поддерживает жизнь звезды на конечной стадии ее эволюции.

«ЗНАТЬ ОТВЕТЫ НА ВСЕ ВОПРОСЫ, НАВЕРНОЕ, ЗАМАНЧИВО, НО НЕИНТЕРЕСНО. ПОЛУЧАЕТСЯ, ЧТО НЕКУДА ДАЛЬШЕ ДВИГАТЬСЯ. ПОЭТОМУ, КАК МНЕ КАЖЕТСЯ, ВСЕГДА ДОЛЖНО ОСТАВАТЬСЯ ЧТО-ТО НЕПОЗНАННОЕ, КАКОЕ-ТО НОВОЕ ЗНАНИЕ, К КОТОРОМУ ЧЕЛОВЕК ДОЛЖЕН СТРЕМИТЬСЯ. ТОЛЬКО ТАК ОН БУДЕТ РАЗВИВАТЬСЯ» 

В какой-то момент центральное ядро уже не может удерживаться от дальнейшего коллапса. Все вещество словно падает внутрь, а затем взрывается и под действием ударных волн разлетается во все стороны во время вспышки сверхновой, разбрасывая химические элементы по Вселенной. Многие из них являются радиоактивными и при дальнейшем распаде излучают рентгеновские и гамма-кванты. Эти кванты излучаются преимущественно в виде линий, которые могут регистрироваться современными космическими обсерваториями, и интенсивность которых позволяет оценить количество того или иного элемента. Например, наблюдая с помощью обсерватории ИНТЕГРАЛ остаток вспышки сверхновой SN1987A в Большом Магеллановом Облаке, мы зарегистрировали излучение в линиях, соответствующих распаду радиоактивного титана-44, и оценили количество этого элемента, родившегося во время этой вспышки.

Важно отметить, что на последних стадиях перед вспышкой сверхновой может происходить процесс нейтронизации, когда железо сталкивается с гамма-квантом и распадается на несколько атомов гелия и нейтроны. Образуется среда, сильно обогащенная нейтронами, где могут проходить процессы так называемого быстрого нейтронного захвата и образовываться элементы тяжелее железа, которые не могут быть синтезированы в термоядерных реакциях. Но и это еще не все.

— А что дальше?

— Долгое время считалось, что именно вспышки сверхновых ответственны за производство элементов тяжелее железа. Однако оказалось, что наблюдаемого темпа вспышек сверхновых недостаточно для того, чтобы объяснить то обилие тяжелых элементов, которое мы видим в космосе. Научное сообщество столкнулось с дилеммой, пока не возникла «красивая» идея, отвечающая на этот вопрос.

Известно, что после исчерпания запасов топлива и вспышки сверхновой массивная звезда может превратиться в нейтронную звезду. Представьте себе объект с массой примерно равной или немного больше массы Солнца, который сжат до радиуса 10 километров (немногим больше, чем Третье транспортное кольцо Москвы). Внутри этого объекта плотность оказывается настолько велика, что электроны просто вжимаются в протоны, фактически формируя гигантское нейтронное ядро, в самом центре которого плотность может в разы превышать ядерную. Если рядом находилась другая звезда, которая впоследствии тоже превратилась в нейтронную звезду, то может образоваться система из двух нейтронных звезд, вращающихся друг вокруг друга. В соответствие с предсказаниями общей теории относительности в этом случае должны испускаться гравитационные волны.

Потеря общей энергии такой системы вследствие излучения гравитационных волн будет приводить к тому, что нейтронные звезды будут сближаться. При сближении они будут всё больше терять энергию, пока однажды не столкнутся, что приведет к гигантскому взрыву, сопровождающемуся гравитационно-волновыми колебаниями пространства и вспышкой гамма-излучения, во время которого будут создаваться новые тяжелые элементы. Кстати, именно такое событие было зарегистрировано 17 августа 2017 года гравитационно-волновыми детекторами LIGO/Virgo и обсерваториями Fermi и ИНТЕГРАЛ. Пока это единственный случай прямой регистрации слияния нейтронных звезд, однако наблюдения уже дали огромное количество новой информации о процессах рождения новых элементов в космосе. Сегодня большинство теоретиков и экспериментаторов склоняются к тому, что значительная часть тяжелых элементов – золото, уран, плутоний – образовалась именно во время слияния нейтронных звезд. Но это только начало большого исследовательского пути.

Название изображения

— То есть белых пятен еще много?

— Конечно!

— А на какие вопросы нужно ответить в первую очередь?

— Астрофизика, космология – очень богатые науки. Здесь много неизведанного, непонятного, множество разных объектов для исследований. Сейчас есть несколько ключевых задач, на решение которых или на понимание физики которых направлены большие усилия. Одно из них – темная материя. Из чего она состоит, что это такое? Есть несколько теорий, но наблюдений, подтверждающих какую-то из них, пока нет. Еще более непонятная субстанция – темная энергия, из которой, по современным данным, состоит около 70% Вселенной. Считается, что именно она ответственна за ее ускоренное расширение.

Для меня как ученого, изучающего нейтронные звезды, крайне интересно узнать – из чего они все-таки состоят. Чтобы ограничить возможные сценарии, необходимо постараться наиболее точно измерить массу и радиус этих звезд. И, на самом деле, это очень непростая задача, которую несколько групп в мире, в том числе и наша, пытаются решить. Зная массу и радиус звезды, можно получить ограничения на уравнение состояния, которое как раз связано с составом звезды. Есть разные теории, которые предсказывают в центре звезды кварковое ядро, в котором нейтроны разваливаются на составляющие их кварки, гиперонное ядро из барионов, каонное ядро из двухкварковых частиц с одним странным кварком и т.д. Таким образом, понимание того, какова природа нейтронных звезд, из чего они состоят – это, на мой взгляд, одни из важнейших вопросов. Ответы на них стали бы огромным шагом в понимании устройства Вселенной.

— Как химики взаимодействуют с астрофизиками?

Вопросы происхождения элементов в космосе недавно обсуждались на очень представительном международном астрофизическом симпозиуме, который проходил в рамках Менделеевского съезда в сентябре в Санкт-Петербурге. Это был первый опыт участия астрофизиков в столь масштабном мероприятии, проводимом нашими коллегами-химиками, и, по многочисленным отзывам, он оказался очень позитивным. В частности, один из пленарных докладов на съезде представила президент Международного Астрономического союза, профессор Эвина ван Дисхук. Доклад произвел на всех (а это несколько тысяч человек!) очень большое впечатление, в нем ярко и очень интересно было рассказано о том, как химические элементы или даже молекулы рождаются в космосе.  

Сам астрофизический симпозиум был также чрезвычайно интересным. На съезд приехали специалисты и по первичным звездам, и по нуклеосинтезу, и те, кто изучает вспышки сверхновых и слияния нейтронных звезд. Много дискуссий было посвящено звездам в центре галактики, вопросам повышенного содержания металлов в таких объектах.

— Человечество когда-нибудь приблизится к абсолютному знанию о Вселенной?

— Знать ответы на все вопросы, наверное, заманчиво, но неинтересно. Получается, что некуда дальше двигаться. Поэтому, как мне кажется, всегда должно оставаться что-то непознанное, какое-то новое знание, к которому человек должен стремиться. Только так он будет развиваться.

Название видео

 

Молекула — серная кислота — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Молекула — серная кислота

Cтраница 1

Молекулы серной кислоты h3SO4 диссоциируют в воде на положительные Н и отрицательные SO4 ионы.  [1]

Молекула серной кислоты образована двумя атомами водорода, одним атомом серы и четырьмя атомами кислорода.  [2]

Молекула серной кислоты состоит из двух атомов водорода Н, одного атома серы S и четырех атомов кислорода О.  [3]

Молекула серной кислоты состоит из двух атомов водорода, одного атома серы и четырех атомов кислорода.  [4]

Молекулы серной кислоты h3SO4 диссоциируют в воде на положительные Н и отрицательные SO; ионы.  [5]

Одна молекула серной кислоты идет на окисление меди и образование диоксида серы, а вторая — на образование соли.  [6]

Сколько молекул серной кислоты теоретически могло бы прореагировать с одной молекулой я.  [7]

Сколько молекул серной кислоты образуется в реакции.  [8]

В молекуле серной кислоты все шесть внешних электронов атома серы принимают участие в образовании химической связи с атомами кислорода.  [9]

Например, молекула серной кислоты h3SO4 состоит из двух атомов водорода, одного атома серы и четырех атомов кислорода.  [10]

Необходимое количество молекул серной кислоты определяют в последнюю очередь по кислотным остаткам SO, в правой части уравнения — в данном случае три. Следует помнить, что во всех случаях коэффициенты для молекул веществ, обусловливающих характер среды ( кислота, щелочь, вода), подбирают в последнюю очередь.  [11]

Необходимое количество молекул серной кислоты ( кислая среда) определяется в последнюю очередь по кислотным остаткам в правой части уравнения. В данном случае в правой части уравнения три кислотных остатка серной кислоты, следовательно, необходимо взять три молекулы h3SO4 в левой части уравнения. Во всех случаях коэффициенты веществ, обусловливающих характер среды ( кислота, щелочь или вода), подбираются в последнюю очередь.  [12]

Необходимое количество молекул серной кислоты ( кислая среда) определяется в последнюю очередь по кислотным остаткам в правой части уравнения. В данном случае в правой части уравнения три кислотных остатка серной кислоты, следовательно, необходимо взять три молекулы H SC в левой части уравнения. Во всех случаях коэффициенты веществ, обусловливающих характер среды ( кислота, щелочь или вода), подбираются в последнюю очередь.  [13]

В состав молекулы серной кислоты входят два атома водорода, один атом серы и четыре атома кислорода.  [14]

Страницы:      1    2    3    4

Атом водорода — обзор

9.2 Роль водорода во время декогезии границы раздела

Сегрегация атома водорода на границе раздела, как и для многих растворенных веществ, может привести к уменьшению его энергии когезии. Этот механизм основан на накоплении атомарного водорода на кристаллических плоскостях и / или границах раздела, таких как границы зерен, межфазные границы и границы раздела между включениями / выделениями и матрицей. Уменьшение сил межатомного сцепления вызвано модификацией электронного окружения соседних атомов металла, их положения и форм их колебаний.С термодинамической точки зрения, в идеально разбавленной системе механизм основан на уменьшении поверхностной энергии в зависимости от степени покрытия поверхности водородом [GRI 21, GIB 28, PET 52, CAH 79, HIR 80, KIR 07, КИР 15]. Это уменьшение поверхностной энергии было оценено в статических условиях атомного масштаба во многих системах благодаря эволюции вычислительных мощностей. Не вдаваясь в подробности, мы выделим исследования, проведенные на α-железе, γ-железе, α ‘мартенсите, никеле, алюминии и вольфраме в отношении кристаллических плоскостей [JOH 10, JIA 04, ALV 15, GEN 18], на железо цементитная система, системы карбид железа и границы зерен [MIR 17, MAT 11, SHE 14, TIM 17, DIN 17, GEN 18].Во всех рассмотренных ситуациях уменьшение энергии когезии относительно невелико, что приводит к рассмотрению других процессов, таких как образование дефектов, фазовое превращение или динамическое перераспределение энергии. Однако этот подход лежит в основе механизма декогезии (декогезия, усиленная водородом, HEDE), введенного Троиано и впоследствии развитого Ориани и Линчем [TRO 66, ORI 70, LYN 79, LYN 07]. Совсем недавно подходы DFT (теории функционала плотности), связанные с когезионными моделями, проявили интерес к предсказанию роли водорода в распространении трещин.Для некоторых примеров см. [JAR 01, RIM 10, CHA 12, BEN 13, MOR 14, ALV 15]. Однако эти модели сталкиваются с проблемами масштабного перехода и повторяющимся вопросом о размере критического дефекта. С экспериментальной точки зрения, как показали некоторые исследования, все еще сложно доказать механизм HEDE без вмешательства в дефект. В частности, сообщалось о том, что сегрегация водорода способствует хрупкому межкристаллитному разрыву в присутствии или отсутствии осадка, не способствуя механизму декогезии [BEC 09, BEN 11, OUD 14].Кроме того, как показали измерения однородного испускания дислокаций путем наноиндентирования при катодной поляризации, поверхностная активность водорода способствует гомогенному зарождению поверхностных дефектов [GAS 14a]. Вопрос о том, действует ли такой же тип механизма на вершине трещины, все еще обсуждается [СОН 10, СОН 13]. В этих условиях влияние водорода на критическую скорость высвобождения упругой энергии за счет уменьшения поверхностной энергии действует либо вместе, либо в конкуренции с эффектами на пластичность вершины трещины [GER 91].

Атомы водорода — обзор

Нейтроны

Ядро атома с атомным номером Z должно содержать ровно Z протонов, чтобы уравновесить заряд атомных электронов Z . Но на основе определения химической массы мы знаем, например, что масса атома кислорода ( Z = 8) в 16 раз больше массы атома водорода. Таким образом, 8 протонов в ядре кислорода дают только половину массы этого ядра.Что дает вторая половина? Ответ на загадку дал в 1932 году английский физик Джеймс Чедвик (1891–1974), который обнаружил, что ядра содержат, помимо протонов, незаряженные частицы с массой, примерно равной массе протона. Эти нейтральные частицы называются нейтронами.

С открытием нейтрона Чедвиком факты, касающиеся атомных масс, наконец, встали на свои места. Например, ядро ​​кислорода действительно содержит ровно Z = 8 протонов, а оставшуюся массу составляют 8 нейтронов.А ядро ​​гелия содержит Z = 2 протона и 2 нейтрона, что дает атомную массу, в 4 раза превышающую массу водорода. Все ядра (кроме водорода) содержат нейтроны, а также протоны.

Общее количество частиц в ядре (протонов и нейтронов) называется массовым числом ядра и обозначается буквой A . Число нейтронов в ядре N = A — Z .

Изотопы

Каждое ядро ​​данного элемента должно содержать одинаковое количество ( Z ) протонов, но эти ядра могут содержать разное количество нейтронов.У большинства атомов водорода есть ядра, которые состоят из одного протона, но небольшая часть (около 0,015 процента) атомов водорода, которые встречаются в природе, имеют один нейтрон в дополнение к протону в своих ядрах. Этот «тяжелый водород» называется дейтерий и иногда ему присваивается собственный химический символ (D). Третья форма атомов водорода имеет ядра, содержащие , два, нейтронов; водород с A = 3 называется тритием (T), радиоактивным веществом. Серии ядер с одинаковым значением Z , но разными значениями A называются изотопами (рис.20-3).

РИСУНОК 20-3. Три изотопа водорода. Природный водород состоит в основном из изотопа с α = 1 и обозначен как ¹ H. Более тяжелые изотопы, дейтерий ( ² H или ² D) и тритий ( ³ H или ³ T), содержат один нейтрон и два нейтрона, соответственно, в дополнение к одному протону. Эти схематические изображения ядер на самом деле нереалистичны.

Изотопы данного элемента различаются с помощью надстрочного индекса символа элемента для обозначения массового числа.Например, изотопы кислорода, обнаруженные в Природе, следующие:

¹⁶ O: 8 протонов ( Z = 8), 8 нейтронов ( N = 8), A = 16

¹⁷ O: 8 протонов ( Z = 8), 9 нейтронов ( N = 9), A = 17

¹⁸ O: 8 протонов ( Z = 8), 10 нейтронов ( N = 10), A = 18

(Старая практика помещает номер A справа, а не слева от символа: O ¹⁶ , O ¹⁷ , O ¹⁸ .)

Изотопы некоторых легких элементов перечислены в таблице 20-1.

ТАБЛИЦА 20-1. ИЗОТОПЫ НЕКОТОРЫХ ЛЕГКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

1 9040 1 9014 9014 9014 901 901 901 901 901 901 901 901 901 9014 H2 900

ЭЛЕМЕНТ	Z	N	A	СИМВОЛ	ЗАМЕТКИ a
Стабильный (99,985%)
1	1	2	2 H или 2 D (дейтерий)	Стабильный (0.015%)
1	2	3	3 H или 3 T (тритий)	β Радиоактивный
Гелий	2	3	He	Стабильный (0,00015%)
	2	2	4	4 He	Стабильный (99,99985%)
	2	4	β Радиоактивный
Литий	3	3	6	6 Li	Стабильный (7.52%)
	3	4	7	7 Li	Стабильный (92,48%)
	3	5	8	8 Li	8 Li 901
Бериллий	4	3	7	7 Be	Радиоактивный
	4	4	8	8 Be			9	9 Be	Стабильный (100%)
	4	6	10	10 Be	β Радиоактивный
	4 901 901 901 9040 9014 Бор 5 901 10	10 B	Стабильный (18.7%)
5	6	11	11 B	Стабильный (81,3%)
5	7	12	12	B 901 Радиоактивный
Кислород	8	8	16	16 O	Стабильный (99,76%)
	8	9	17	17 62 O 901 901 901
	8	10	18	18 O	Стабильный (0.20%)
	8	11	19	19 O	β Радиоактивный

Единица атомной массы

Массы ядер измеряются по шкале, в которой атом наиболее распространенного изотопа углерода ( ¹² C: 6 протонов и 6 нейтронов) составляет ровно 12. Таким образом, мы говорим, что масса ¹² C равна 12 единым атомным единицам массы или 12 u. В метрических единицах:

(20-1) 1 u = 1.6606 × 10−27 кг

Протон и нейтрон имеют массу примерно по одной атомной единице массы:

(20-2) масса протона = mp = 1,0073 масса нейтрона = mn = 1,0087 u}

Масса Ядро приблизительно (но не точно) равно массам составляющих его протонов и нейтронов. Таким образом, масса ¹⁸ O составляет приблизительно 18 u, а масса ²³⁵ U составляет приблизительно 235 u.

Ядерные изменения

Радиоактивность — это ядерное явление , которое никоим образом не зависит от химических или физических изменений, которым может подвергнуться атом .Скорость и скорость, с которой α частиц испускаются из радия, одинаковы независимо от того, находится ли радий в форме чистого металла или в химическом соединении. На радиоактивность не влияют температура, давление или химическая форма (за исключением очень небольшой степени в особых обстоятельствах).

Когда частица α , частица β или луч γ испускаются радиоактивным веществом, она выходит из ядра материала .Но поскольку электронная структура атома зависит от количества электрического заряда в ядре, при изменении заряда ядра должно произойти соответствующее изменение числа атомных электронов. Например, ядро ​​радия ( Z = 88, A = 226) имеет 88 протонов и 138 нейтронов. Когда ²²⁶ Ra испускает частицу α ( ⁴ He), два протона и два нейтрона уносятся (рис. 20-4). Следовательно, в остаточном ядре 86 протонов и 136 нейтронов.Продуктом распада радия α (дочерний элемент ) является другой элемент: радон ( Z = 86). Электронная структура атома изменяется после распада, чтобы приспособиться к новому заряду ядра, высвобождая два из его 88 электронов. Эти два электрона или их эквивалент в конечном итоге присоединяются к испускаемой частице α и образуют нейтральный атом ⁴ He. Таким образом, исходный нейтральный атом радия распадается и образуются два нейтральных атома, один радона и один гелий.

РИСУНОК 20-4. Три типа процесса радиоактивного распада. Альфа- и бета-распад — это события ядерного распада, в которых исходное ядро ​​превращается в другой вид. Гамма-излучение обычно следует за распадом α и β , когда протоны и нейтроны дочернего ядра перестраиваются; при испускании γ лучей процесс распада не происходит. (Возбужденное ядро, существовавшее до испускания? -Луча, обозначено звездочкой *.)

Путь, пройденный одиночной ядерной частицей, можно записать с помощью специальной фотопленки (называемой ядерной эмульсией). На этой микрофотографии показаны следы, оставленные несколькими α-частицами, испускаемыми одним радиоактивным родительским ядром и его радиоактивными дочерними ядрами. В этом процессе ядро ​​тория испускает α-частицу, оставляя радиоактивное дочернее ядро; это ядро ​​испускает другую α-частицу, снова оставляя радиоактивное ядро; и так далее. Длина самого длинного трека на этом снимке составляет примерно 3 × 10 ⁻⁵ м, или 0.03 мм.

Лаборатория физики Уиллса

В процессе распада β из ядра вылетает электрон. (Но этот электрон не существует заранее в ядре; электрон образуется в процессе распада β в момент распада.) Удаление отрицательного заряда из ядра означает, что (положительный) заряд ядра увеличивается на на одну единицу (то есть по + e ). Таким образом, ядро ​​с атомным номером Z , которое подвергается распаду β , становится ядром с атомным номером Z + 1.Но ни протон, ни нейтрон не испускаются в процессе радиоактивности β , и поэтому массовое число A дочернего ядра совпадает с массовым числом родительского ядра. Когда радиоактивный ¹⁴ C (6 протонов, 8 нейтронов) испускает частицу β , новое ядро ​​содержит 7 протонов и 7 нейтронов, то есть образуется ¹⁴ N (рис. 20-4).

Распад α ²²⁶ Ra и распад β ¹⁴ C можно представить следующими схематическими ядерными «уравнениями»:

88226Ra → α-распад 88222Rn + 24He 614C → β-распад 714N + −10e

где нижний индекс обозначает заряд, переносимый ядром или частицей.Обратите внимание, что у электрона A = 0.

Процесс распада β на самом деле включает не только испускание электрона, но также испускание нейтральной частицы, называемой нейтрино , v. Нейтрино не имеет массы и электрического заряда, но обладает энергией и импульсом. , и движется со скоростью света. Кроме того, нейтрино слабо взаимодействует с веществом и поэтому является самой неуловимой частицей. Тем не менее, нейтрино может быть обнаружено и изучено в лаборатории и является важным элементом теории распада β .Таким образом, распад ¹⁴ C правильно выражается как

614C → 714N + −10e + v

(Вольфганг Паули постулировал существование нейтрино в 1930 году, чтобы сохранить принципы сохранения энергии и импульса в β Прямые экспериментальные доказательства существования нейтрино не были получены до 1953 года, когда Клайд Коуэн и Фредерик Райнс наконец обнаружили эту «призрачную частицу». без изменений.Однако, если нейтрон удаляется из ядра (посредством ядерной реакции) и становится свободным нейтроном , он не может существовать постоянно. Фактически, свободный нейтрон претерпевает точно такой же тип распада β , что и радиоактивное ядро, такое как ¹⁴ C:

01n → 11H + −10e + v

В самом деле, мы можем рассматривать радиоактивный распад β как процесс, в котором один ядерный нейтрон превращается в протон (с сопутствующим испусканием электрона и нейтрино).Это именно тот процесс, с помощью которого ¹⁴ C преобразуется в ¹⁴ N (см. Рис. 20-4).

Некоторые искусственно созданные ядра, такие как ¹¹ C, ¹⁵ O и ²² Na, имеют избыток положительного заряда, поэтому они не могут подвергнуться обычному распаду β (который увеличивает заряд ядра на одну единицу). ). Такие ядра распадаются, испуская позитрон , частицу, которая такая же, как обычный электрон, за исключением того, что она несет положительный заряд .(Позитрон, e ⁺ , является античастицей электрона, e ^— .) Таким образом, распад ¹⁵ O представлен как

815O → 715N + 10e ++ v

Эмиссия нейтрино также сопровождает распад позитрона (или β ⁺ ). Позитроны не встречаются в нашем обычном мире; они должны быть произведены искусственно, иначе они появляются как продукты распада радиоизотопов, произведенных в лаборатории.

Период полураспада

Атом радиоактивного углерода ( ¹⁴ C) может подвергнуться распаду β и стать атомом азота ( ¹⁴ N).Но что происходит с образцом ¹⁴ C, состоящим из большого количества атомов, с течением времени? Образец не становится внезапно ¹⁴ N. Также количество ¹⁴ C не уменьшается равномерно до нуля через некоторый период времени. Вместо этого процесс радиоактивного распада подчиняется другому закону. Каждому радиоактивному виду соответствует характерное время, которое называется периодом полураспада и обозначается символом τ _1/2 . Период полураспада имеет следующее значение.Предположим, что мы начинаем с выборки из ¹⁴ C, состоящей из N ₀ атомов. Через время τ _1/2 (которое для ¹⁴ C составляет 5730 лет) половина атомов углерода ¹⁴ C распадется, и образец будет состоять из 12 атомов NO из ¹⁴ C и равных количество атомов азота ¹⁴ N (рис. 20-5).

РИСУНОК 20-5. Закон радиоактивного распада для случая распада ¹⁴ C → ¹⁴ N. После каждого интервала времени τ _1/2 число выживших атомов ¹⁴ C равно половине числа, существовавшего в начале этого интервала.

Что происходит за время от τ _1/2 до 2τ _1/2 ? Мы можем применить те же рассуждения, что и раньше. Мы начинаем с 12 атомов NO ¹⁴ C в момент времени τ _1/2 , поэтому после интервала в один период полураспада (то есть во время 2τ _1/2 ) половина образца с которое мы начали, распадется. Следовательно, в момент времени 2τ _1/2 , у нас останется только 12 атомов NO ¹⁴ C, и будет 34 атома NO ¹⁴ N.Точно так же в момент времени 3τ _1/2 у нас будет 12 атомов азота ¹⁴ C. В каждый интервал времени τ _1/2 количество ¹⁴ C будет уменьшаться наполовину.

На рис. 20-6 показано, как образец радия ( ²²⁶ Ra) уменьшается со временем. Период полураспада радия составляет примерно 1600 лет. Следовательно, если мы начнем с 1 грамма ²²⁶ Ra, через 1600 лет останется 12 грамм радия, через 3200 лет (то есть дополнительный период полураспада) останется 14 грамм, через 4800 лет останется 18 грамм, и скоро.

РИСУНОК 20-6. Кривая радиоактивного распада для ²²⁶ Ra. Период полураспада τ _{1/ 2} = 1600 лет.

Диапазон известных периодов полураспада для распадов α и β простирается от небольшой доли секунды до многих миллиардов лет. Некоторые типичные значения перечислены в Таблице 20-2. Мы обсудим некоторые из многих применений радиоактивности в следующей главе.

ТАБЛИЦА 20-2. НЕКОТОРЫЕ РАДИОАКТИВНЫЕ ПОЛОВИНЫ

Полигон 214 Po)

	ТИП РАСПАДА
ЯДРО		ПОЛОВИНА
23240 9014 9014 Thorium41 × 10 10 y
Радий ( 226 Ra)	α	1602 y
Плутоний (238 Pu)	α	87,4 y
α	1,64 × 10 −4 с
Калий ( 40 K)	β	1,28 × 10 9 y
Углерод ( l4 C )	β	5730 y
Кобальт ( 60 Co)	β	5.26 y
Нейтрон ( 0 n)	β	760 s
Криптон ( 93 Kr)	β	1,29 s

Водород

Освежение основных понятий химии

Прежде чем приступить к основам водорода, давайте вспомним разницу между элементом, атомом, молекулой и соединением. Элемент — это субстанция, которую мы не можем далее разложить на другие субстанции.И это наименьшее количество элемента называется атомом. Но тогда что такое атом? Атом — это базовая единица элемента, определяющая его структуру. Атом состоит из ядра и орбиты / с. Протоны и нейтроны живут в ядрышке, а электроны движутся по орбитам.

Простая форма водорода с электроном на орбите и протоном в ядре.

С другой стороны, молекула состоит из двух или более атомов и химически связанных, таких как H ₂ , O ₂ , H ₂ O, C ₁₇ H ₂₀ N ₄ NaO ₉ P и т. Д.Соединение — это вещество, состоящее из двух или более различных типов химически объединенных элементов в фиксированной пропорции. Помните, что не все молекулы — это соединения, но все соединения — это молекулы. H ₂ O — это и молекула, и соединение.

Что такое водород?

901 Ядерное магнитное поле 9014 901

Некоторые ключевые свойства нормального водорода
Атомарный водород
Атомный номер	1
Атомный вес	1.008
Сродство к электрону	0,7542 электрон-вольт
Электроотрицательность (Полинг)	2,1
Ионизационный потенциал	13,595 электронвольт 40140
Ядерный квадрупольный момент	0
Ядерный спин	1/2
Молекулярный водород
Точка кипения	−252.77 градусов Цельсия
Точка плавления	−259,20 градуса Цельсия
Расстояние между связями	0,7416 ангстрема
Критическая плотность	0,0310 грамм 14401	0,0310 грамм на куб.
Критическая температура	−240,0 градусов Цельсия
Плотность жидкости	0,07099 (−252,78 градусов)
Плотность твердого вещества	0.08671 грамм на кубический сантиметр
Энергия диссоциации (25 градусов C)	104,19 килокалорий на моль
Теплота сгорания воды (г)	−57,796 килокалорий на моль
20	Теплота плавления	28 калорий на моль
Теплота испарения	216 калорий на моль
Потенциал ионизации	15,427 электрон-вольт
Источник: бюллетень общества h3 901, Encyclopedia Literature40, Royal Chem.

Водород, обозначенный символом «H», представляет собой бесцветный, без запаха, вкуса и легковоспламеняющийся газ.Это самая легкая и простая форма элемента во Вселенной. Это настолько просто, что это единственный элемент в периодической таблице, в котором нет нейтрона. Атомарный водород занимает первое место в периодической таблице элементов.

Атом в атомарном водороде имеет в своем ядре один протон с положительным электрическим зарядом и один электрон на одной орбите с отрицательным электрическим зарядом. Водород редко существует в простейшей форме, поскольку его неспаренный электрон пытается соединиться с другим электроном.Чаще встречается водород в его молекулярной форме. Молекулярный водород (h3) — это форма газообразного водорода, возникающая при соединении двух атомов водорода. Следовательно, в своей молекулярной форме водород состоит из двух протонов и двух электронов и составляет самую маленькую молекулу. Это в 50 000 раз меньше толщины волоса. Будучи самым маленьким, он может войти куда угодно. Водород не может храниться в пластиковых материалах, так как он слишком легко проходит через пластиковые стены. Поэтому для хранения требуется специальная металлическая тара.

Ключевые вехи в истории водорода

1671: Англо-ирландский ученый Роберт Бойл впервые получил водородный газ, экспериментируя с железом и кислотами.

1766: Британский физик Генри Кавендиш впервые выделил водород как отдельный элемент. Во время своего эксперимента он выделил газообразный водород, вступив в реакцию металлического цинка с соляной кислотой.

1783: Французский физик Жак Александр Сезар Шарль запустил первый полет водородного шара.

1783: Французский химик Антуан Лавуазье назвал газовый гидроген, который происходит от греческих слов «гидро» и «гены», что означает «вода» и «рожденный из».

1838: Немецко-швейцарский химик Кристиан Фридрих Шёнбейн изобрел топливный элемент, который позволил производить энергию из водорода и кислорода.

1842: Британский физик сэр Уильям Гроув разработал первый топливный элемент, который производил электрическую энергию путем объединения водорода и кислорода.Его называют отцом топливного элемента.

1898: Шотландский ученый сэр Джеймс Дьюар превратил водород в жидкую форму, охладив его до -252,87 ° C.

1921: Работы немецкого физико-химика Карла Фридриха Бонхёффера и австрийского химика Пауля Хартека показали два типа молекул: орто-водород и параводород.

Водород — самый распространенный элемент в мире?

Нет. Во Вселенной (не на нашей планете Земля) водород является наиболее распространенным элементом и составляет 75% от его доли, за ним следует гелий, который составляет 24%.Вместе эти два элемента составляют 99% Вселенной. Однако, пожалуйста, не путайте эти цифры с нашей планетой Земля.

Действительно, водород существует в изобилии в виде соединения, такого как вода, часть живых организмов, углеродные соединения и атмосфера. Однако это не самый распространенный элемент в мире. Химический состав нашей Земли немного отличается от такового во Вселенной.

Химический состав земной коры состоит из кислорода, ведущего элемента с 46.10% по весу, затем следуют кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний. Кора — это только внешнее тело Земли, которое составляет от 5 до 10 км. Однако о ядре и мантии известно очень мало, хотя количество водорода считается незначительным. Земная атмосфера почти на 99% состоит из азота и кислорода, поэтому очень мало водорода можно найти в виде газа или пара. Единственная часть, где мы можем найти много водорода, — это вода, хотя она все еще соединена с кислородом в качестве соединения.Вода покрывает 71% поверхности Земли, тогда как на океаны приходится около 96,5% всей воды на Земле. В океанской воде водород составляет около 10,8% от общей массы.

9014

Наиболее распространенные элементы в земной коре
Элемент	Содержание,% по массе
Кислород	46,10%
8.22%	Титан	0,57%
Прочее	0,34%
Источник: бюллетень h3, Лаборатория Джефферсона, Обзор литературы

Исследователи работают над технологией распила с использованием морского электролита. энергия ветра.Проведение процесса электролиза в морской среде сложно и сталкивается с многочисленными проблемами. Если такая технология будет успешной, это может стать значительным прорывом для водородной промышленности. Водород, полученный из воды с использованием возобновляемых источников энергии, называется зеленым водородом. Но слово зеленый относится не к цвету газа, а к классификации, поскольку мы уже знаем, что водород бесцветен. Узнайте больше о различных типах водорода и о том, как они классифицируются.

---

Вам нужна информация, связанная с водородом? Бюллетень h3 может помочь вам в исследовании водорода.Не стесняйтесь обращаться к нам по телефону [email protected] или по телефону: +44 (0) 208 123 7812.

Мы — независимые и очень доступные специалисты, готовые поддержать вас.

В чем разница между H, h3, H +, H- и OH-?

Различие между этими различными формами водорода может сбить с толку тех из нас, кто завалил химию в средней школе. Вот попытка прояснения.

H = атомарный водород
Атомарный водород занимает первое место в Периодической таблице элементов.Он состоит из одного протона и одного неспаренного электрона, что означает, что это свободный радикал.
Однако атом водорода редко существует сам по себе, потому что его неспаренный электрон нетерпеливо стремится соединиться с другим электроном.

Молекулярная форма водорода встречается чаще.

H ₂ = Молекулярный водород

H ₂ — это газ, который образуется, когда два атома водорода соединяются вместе и превращаются в молекулу водорода. h3 также называют молекулярным водородом.Он состоит из двух протонов и двух электронов. Следовательно, это наиболее распространенная форма водорода, потому что она стабильна с нейтральным зарядом. h3 не является свободным радикалом. Это антиоксидант в «богатой водородом» воде.

h3 — самая маленькая молекула во Вселенной. Это означает, что он может попасть туда, куда не может… в том числе в ваши митохондрии, которые являются электростанциями ваших клеток. Газообразный водород нельзя хранить в пластике, потому что он будет проходить сквозь стенки контейнера.

H ⁺ = Протон

Когда атом водорода теряет электрон, остается только протон.Он становится положительно заряженным ионом водорода, известным как H ⁺ . Это форма водорода, которая производит фермент АТФ, который питает наши клетки и митохондрии.

Ион водорода H ⁺ является основой шкалы pH.

H: ^— = гидрид

Гидрид — это атом водорода, у которого есть дополнительный электрон. Это означает, что это отрицательно заряженный ион или или анион . Вот почему ион гидрида (H-) имеет знак минус, отличающий его от обычного атома водорода (H).Две точки после H означают, что у этого иона два электрона вместо одного. Дополнительный электрон означает, что H- не является свободным радикалом, однако он нестабилен, потому что эта форма водорода является очень сильным основанием (чрезвычайно щелочным), которое реагирует с водой с образованием гидроксида (OH ^— и молекулярного водорода (H _2). ).

H: ^— + H ₂ O -> H ₂ O + OH ^—

Гидрид (H: ^— ) также реагирует с металлами с образованием химических соединений, которые являются восстановителями.

OH ^— = гидроксид-ион

Гидроксид (OH–) также известен как гидроксильный ион. Когда вода диссоциирует или распадается на составные части, она образует OH ^— (ионы гидроксида) и H ₃ O ⁺ (ионы гидроксония).
2H ₂ O ⇆ OH ^— и H ₃ O ⁺

Эта реакция обратима.Ион гидроксида также реагирует с ионом гидроксония (h4O +), образуя две молекулы воды.

Ион гидроксида (OH ^—) является основанием (щелочным). Ион гидроксида не является свободным радикалом или антиоксидантом. Растворенный газообразный молекулярный водород (h3) является антиоксидантом в «богатой водородом» воде.

Гидроксид (OH ^— ) иногда путают с гидроксильным радикалом (OH ^• ). Точка в правом верхнем углу от OH указывает на неспаренный электрон, что означает, что гидроксил является свободным радикалом, фактически одним из самых реактивных кислородных радикалов.Гидроксид и Hydroxl — два совершенно разных вида. Важно не путать их.

H ₃ O ⁺ = ион гидроксония

Молекула воды (H ₂ 0) плюс ион водорода (H ⁺ ) становится ионом гидроксония (H ₃ O ⁺ ). Ион H ⁺ — одиночный протон с мощным зарядом. Он не существует сам по себе в водном растворе, потому что он немедленно притягивается неподеленными электронами в атоме кислорода H ₂ O.Результатом является Hydronium (H ₃ O ⁺ ). Этот процесс обратимый. Две молекулы воды могут диссоциировать с образованием гидроксония и гидроксида.
2H ₂ O ⇆ OH ^— и H ₃ O ⁺
Эксперименты показывают, что протон (H ⁺ ) очень разнороден. Он переходит от одного партнера H ₂ O к другому много раз в секунду, создавая новый ион H ₃ O ⁺ по мере своего движения.

pH = потенциал водорода

pH обозначает потенциал водорода и фактически является мерой концентрации ионов водорода (H +) в растворе. Вода распадается (диссоциирует) на протоны (H ⁺ ) и гидроксиды (OH ^— ). Эта реакция обратима.

H ₂ O ⇆ H ⁺ и OH ^—
2H ₂ O ⇆ OH ^{— 2 — 2 +}

pH указывает, является ли вода кислой, нейтральной или щелочной.Больше H ⁺ = более кислый. Меньше H ⁺ = больше щелочи.

Поскольку H + немедленно связывается с H ₂ O с образованием H ₃ O ⁺ (Hydronium), pH также можно назвать измерением концентрации H ₃ O ⁺ в растворе.

Шкала pH логарифмическая. Увеличение на 1 по шкале pH приводит к уменьшению концентрации ионов гидроксония в 10 раз, а увеличение на 3 по шкале pH приводит к уменьшению концентрации ионов гидроксония в 1000 раз.

Эта запись была опубликована в воскресенье, 27 декабря 2015 г., в 19:24 и подана в соответствии с Руководством по очистке воды. Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через канал RSS 2.0. И комментарии и запросы в настоящий момент закрыты.

1.8: Взаимодействие между атомами гелия и молекулами водорода

Теперь давайте взглянем на пару реальных систем.Мы начнем с рассмотрения взаимодействий между простейшими атомами водорода (H) и гелием (He) и простейшей молекулой, молекулярным водородом (H ₂ ). Типичный атом водорода состоит из одного протона и одного электрона, хотя некоторые из них содержат один или два нейтрона и образуют «изотопы», известные как дейтерий и тритий соответственно. Молекула водорода — это совершенно другое химическое соединение: она содержит два атома водорода, но ее свойства и поведение совершенно разные. Атомы гелия имеют 2 протона и 2 нейтрона в своих ядрах и 2 электрона в своих электронных облаках.Мы рассмотрим более сложные атомы и молекулы после того, как обсудим атомную структуру более подробно в следующей главе. Одним из преимуществ сосредоточения внимания на молекулярном водороде и гелии является то, что это также позволяет нам ввести, сравнить и кратко рассмотреть как ван-дер-ваальсовы взаимодействия (из-за IMF), так и ковалентные связи; мы сделаем гораздо больше, учитывая позже.

Когда два атома гелия сближаются, вступают в действие LDF и возникает притягивающее взаимодействие. В случае He падение потенциальной энергии из-за взаимодействия довольно мало, то есть стабилизация из-за взаимодействия, и не требуется много энергии, чтобы разбить два атома.Эта энергия передается за счет столкновений с другими атомами He. Фактически, при атмосферном давлении гелий никогда не бывает твердым телом, а жидкий гелий кипит при температуре ~ 4 К (-268,93 ° С), всего на несколько градусов выше абсолютного нуля или 0 К (-273,15 ° С). ³¹ Это означает, что при всех температурах выше ~ 4 K в атомах системы достаточно кинетической энергии, чтобы нарушить взаимодействие между атомами He. Слабость этих взаимодействий означает, что при более высоких температурах, выше 4 К, атомы гелия не «слипаются».Гелий представляет собой газ при температуре выше 4 К.

Теперь сравним поведение гелия с поведением водорода (H). Когда два атома водорода сближаются, они образуют гораздо более стабильное взаимодействие, примерно в 1000 раз более сильное, чем лондоновские силы дисперсии He – He. При взаимодействии H – H атомы удерживаются вместе притяжением каждого ядра к обоим электронам. Сила притяжения намного сильнее, и по мере приближения атомов это приводит к большему падению потенциальной энергии и к минимуму для двух взаимодействующих атомов водорода, который намного глубже, чем для He – He.Из-за кардинально другой стабильности система H – H получила новое название; он известен как молекулярный водород или H ₂ , а взаимодействие между атомами H известно как ковалентная связь. Чтобы разделить молекулу водорода на два атома водорода, то есть разорвать ковалентную связь, мы должны подвести энергию. ³² Эта энергия может принимать несколько форм: например, энергия, доставляемая столкновениями молекул с окружающими молекулами или поглощением света, приводит к разрыву связи.

Каждый H может образовывать только одну ковалентную связь, приводящую к образованию молекул H – H, которые часто также записывают как молекулы H ₂ . Эти молекулы H – H сами притягиваются друг к другу через LDF. Мы можем сравнить энергию, связанную с ковалентной связью H – H и IMF H ₂ — H ₂ . Чтобы разорвать ковалентную связь H – H, необходимо нагреть систему примерно до 5000 K. С другой стороны, чтобы разорвать межмолекулярные силы между отдельными молекулами H ₂ , температура системы должна подняться только до ~ 20 K; выше этой температуры H ₂ — газ.При этой температуре IMFs между отдельными молекулами H ₂ недостаточно сильны, чтобы противостоять кинетической энергии сталкивающихся молекул. Теперь вы можете спросить себя, почему H ₂ кипит при более высокой температуре, чем He? Хороший вопрос! Оказывается, сила ЛДФ зависит от нескольких факторов, включая форму молекулы, площадь поверхности и количество электронов. Например, чем больше площади поверхности, разделяемые между взаимодействующими атомами или молекулами, тем сильнее возникают LDF и тем сильнее результирующее взаимодействие.Другой фактор — способность электронного облака становиться заряженным, свойство, известное как поляризуемость. Вы можете думать о поляризуемости как о гибкости электронного облака. Грубо говоря, чем дальше от ядра находятся электроны, тем более поляризуемым (гибким) становится электронное облако. Мы вернемся к этой и связанным с ней темам позже. Как мы увидим, более крупные молекулы с более сложной геометрией, такие как биологические макромолекулы (белки и нуклеиновые кислоты), могут взаимодействовать через большую площадь поверхности и поляризуемые области, что приводит к соответственно более сильным взаимодействиям.

В этот момент вы, вероятно (или должны) задать себе несколько серьезных вопросов, например, почему атомы гелия не образуют ковалентных связей друг с другом? Почему атом водорода образует только одну ковалентную связь? Что происходит, когда взаимодействуют другие виды атомов? Чтобы понять ответы на эти вопросы, нам нужно рассмотреть, чем структура атомов различается между различными элементами, что является предметом следующей главы.

Вопросы к ответам

1. Можете ли вы нарисовать картину (примерно с 20 атомами гелия, представленными в виде кружков) того, как бы выглядел твердый гелий, если бы вы могли его увидеть?
2. Чем это будет отличаться от представлений о жидком гелии или газообразном гелии?
3. Теперь сделайте аналогичный рисунок h3.Помогает ли это объяснить более высокую температуру плавления \ (H_2 \)?

Вопросы для размышления

1. 1. Чем отличаются свойства твердых тел, жидкостей и газов?

Список литературы

³¹ По словам Роберта Парсона, «При давлении в 1 атмосферу гелий не плавится при ЛЮБОЙ температуре — он остается жидким до абсолютного нуля. (Если вы хотите быть разборчивым, это жидкость до самых низких температур, которые когда-либо были достигнуты, которые на порядок меньше 1 К (http: // en.wikipedia.org/wiki/Dilution_refrigerator), и наши лучшие теории предсказывают, что он останется жидкостью независимо от того, насколько низка температура.) Чтобы получить твердый гелий, вам нужно увеличить давление до 25 атмосфер или выше. Это одно из самых драматических последствий нулевой энергии: межмолекулярные силы в He настолько слабы, что он плавится под действием своей нулевой энергии. (Это приводит к особому следствию, что гелий при нуле Кельвина является жидкостью с нулевой энтропией.)

³² Фактически это известно как энергия связи — энергия, необходимая для разрыва связи, — которая в случае H ₂ составляет 432 кДж / моль.

Какой тип связи соединяет два атома водорода?

Связь, соединяющая два атома водорода в молекуле газообразного водорода, является классической ковалентной связью. Связь легко анализировать, потому что атомы водорода имеют только по одному протону и по одному электрону. Электроны находятся в одноэлектронной оболочке атома водорода, в которой есть место для двух электронов.

Поскольку атомы водорода идентичны, ни один из них не может отобрать электрон у другого, чтобы сформировать свою электронную оболочку и образовать ионную связь.В результате два атома водорода разделяют два электрона ковалентной связью. Электроны проводят большую часть своего времени между положительно заряженными ядрами водорода, привлекая их обоих к отрицательному заряду двух электронов.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Молекулы газообразного водорода состоят из двух атомов водорода, связанных ковалентной связью. Атомы водорода также образуют ковалентные связи в других соединениях, например, в воде с атомом кислорода и в углеводородах с атомами углерода.В случае воды ковалентно связанные атомы водорода могут образовывать дополнительные межмолекулярные водородные связи, которые более слабые, чем ковалентные молекулярные связи. Эти связи придают воде некоторые ее физические характеристики.

Ковалентные связи в воде

Атомы водорода в молекуле воды H ₂ O образуют ковалентную связь того же типа, что и в газообразном водороде, но с атомом кислорода. У атома кислорода шесть электронов во внешней электронной оболочке, в которой есть место для восьми электронов.Чтобы заполнить свою оболочку, атом кислорода делит два электрона двух атомов водорода ковалентной связью.

Помимо ковалентной связи, молекула воды образует дополнительные межмолекулярные связи с другими молекулами воды. Молекула воды представляет собой полярный диполь, что означает, что один конец молекулы, кислородный конец, заряжен отрицательно, а другой конец с двумя атомами водорода имеет положительный заряд. Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы притягивает один из положительно заряженных атомов водорода другой молекулы, образуя диполь-дипольную водородную связь.Эта связь слабее ковалентной молекулярной связи, но она удерживает молекулы воды вместе. Эти межмолекулярные силы придают воде специфические характеристики, такие как высокое поверхностное натяжение и относительно высокую температуру кипения для веса молекулы.

Ковалентные связи углерода и водорода

Углерод имеет четыре электрона во внешней электронной оболочке, в которой есть место для восьми электронов. В результате в одной конфигурации углерод разделяет четыре электрона с четырьмя атомами водорода, чтобы заполнить свою оболочку ковалентной связью.Полученное соединение представляет собой CH ₄ , метан.

В то время как метан с его четырьмя ковалентными связями является стабильным соединением, углерод может вступать в другие конфигурации связей с водородом и другими атомами углерода. Конфигурация с четырьмя внешними электронами позволяет углероду создавать молекулы, которые составляют основу многих сложных соединений. Все такие связи являются ковалентными связями, но они придают углероду большую гибкость в его связующем поведении.

Ковалентные связи в углеродных цепях

Когда атомы углерода образуют ковалентные связи с менее чем четырьмя атомами водорода, дополнительные связывающие электроны остаются во внешней оболочке атома углерода.Например, два атома углерода, которые образуют ковалентные связи с тремя атомами водорода, могут образовывать ковалентную связь друг с другом, разделяя свои единственные оставшиеся связывающие электроны. Это соединение — этан, C ₂ H ₆ .

Точно так же два атома углерода могут связываться с двумя атомами водорода каждый и образовывать двойную ковалентную связь друг с другом, разделяя между собой четыре оставшихся электрона. Это соединение — этилен, C ₂ H ₄ . В ацетилене, C ₂ H ₂ , два атома углерода образуют тройную ковалентную связь и одинарную связь с каждым из двух атомов водорода.В этих случаях задействованы только два атома углерода, но два атома углерода могут легко поддерживать только одинарные связи друг с другом, а остальные использовать для связи с дополнительными атомами углерода.

Пропан, C ₃ H ₈ , имеет цепочку из трех атомов углерода с одинарными ковалентными связями между ними. Два концевых атома углерода имеют одинарную связь со средним атомом углерода и три ковалентные связи с тремя атомами водорода каждая. Средний атом углерода имеет связи с двумя другими атомами углерода и двумя атомами водорода.Такая цепь может быть намного длиннее и является основой для многих сложных органических углеродных соединений, встречающихся в природе, и все они основаны на одной и той же ковалентной связи, которая соединяет два атома водорода.

2.12: Объединение атомов в молекулы и соединения

Примерно единственными существующими атомами являются атомы благородных газов, группы элементов, включая гелий, неон, аргон и радон, расположенных в крайнем правом углу таблицы Менделеева. Даже простой атом водорода в элементарном состоянии соединен с другим атомом водорода.Два или более незаряженных атома, связанных вместе, называются молекулой . Как показано на рисунке \ (\ PageIndex {1} \), молекула водорода состоит из 2 атомов водорода, как обозначено химической формулой элементарного водорода H ₂ . Эта формула утверждает, что молекула элементарного водорода состоит из 2 атомов водорода, обозначенных индексом 2. Атомы соединены химической связью. Как объяснялось в главе 3, атом водорода состоит из очень маленького положительно заряженного ядра, окруженного гораздо большим облаком отрицательного заряда от одного быстро движущегося электрона.Но атомы водорода более «довольствуются» 2 электронами. Таким образом, два атома водорода имеют общие два электрона, образующие химическую связь в молекуле водорода. Связь, состоящая из общих электронов, представляет собой ковалентную связь .

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \). Молекула H ₂

Химические соединения

Только что обсужденный пример был тем, в котором атомы одного и того же элемента, водорода, соединяются вместе, образуя молекулу. Большинство молекул состоят из атомов разных элементов, соединенных вместе.Примером такой молекулы является молекула воды , химическая формула H ₂ O. Эта формула означает тот факт, что молекула воды состоит из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода , O, где Отсутствие нижнего индекса после O указывает на наличие 1 атома кислорода. Молекула воды показана на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Каждый из атомов водорода связан с атомом кислорода в молекуле воды двумя общими электронами ковалентной связью.Материал, такой как вода, в котором два или более элемента связаны вместе, называется химическим соединением . Именно из-за огромного количества комбинаций двух или более атомов различных элементов можно образовать 20 миллионов или более химических соединений менее чем из 100 элементов.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \). Атомы водорода и кислорода соединяются химическими связями, образуя молекулу воды, химическая формула H ₂ O

Ионные связи

Только что обсуждались две разные молекулы, в которых атомы соединены вместе ковалентными связями связями , состоящими из общих электронов.Другой способ соединения атомов — передача электронов от одного атома к другому. Один нейтральный атом имеет количество электронов, окружающих его ядро, такое же, как количество протонов в ядре атома. Но если атом теряет один или несколько отрицательно заряженных электронов, он получает суммарный положительный электрический заряд , и атом становится положительно заряженным катионом . Атом, который приобрел один или несколько отрицательно заряженных электронов, достигает суммарного отрицательного заряда и называется анионом .Катионы и анионы притягиваются вместе в ионном соединении из-за их противоположных электрических зарядов. Противоположно заряженные ионы соединены ионными связями в кристаллической решетке .

На рисунке \ (\ PageIndex {3} \) показано наиболее известное ионное соединение, хлорид натрия, NaCl (обычная поваренная соль). Химическая формула NaCl подразумевает, что на каждый Cl приходится 1 Na. В данном случае они состоят из катионов Na ⁺ и анионов Cl ^— .Для ионных соединений, таких как NaCl, первая часть названия — это просто металл, образующий катион, в данном случае натрий. Вторая часть имени основана на анионе, но имеет окончание ide . Таким образом, ионное соединение, образованное из натрия и хлора, — это хлорид натрия иди .