Физические свойства и характеристики водорода
При нормальных условиях водород представляет собой очень легкий (в 14,32 раза легче воздуха) бесцветный газ без запаха и вкуса. Плотность его при 0 °C и P=101325 Па равна 8,99·10-5 кг/л (0,09 г/л).
Молекулы водорода отличаются большой прочностью и малой поляризуемостью, незначительными размерами и малой массой, а следовательно и большой подвижностью. В молекуле водорода всего 2 электрона, следовательно, Ван-дер-ваальсовы силы между его молекулами очень слабы. Поэтому у водорода очень низкие температуры плавления (-259,1 °C) и кипения (-252,6 °C). В этом отношении он уступает только гелию. Градусы кипения и плавления отстоят друг от друга всего на 6,5 °C.
Таблица физических свойств и некоторых констант водорода:
| Атомный номер | 1 |
| Относительная атомная масса | 1,00794 ± 7 |
| Ковалентный радиус атома | 0,032 нм |
| Относительная атомная масса | 1,00794 ± 7 |
| Радиус иона H– | 0,136 нм |
| Потенциал ионизации | 13,5986 В |
| Сродство к электрону | 0,7542 эВ |
| Электроотрицательность (по Полингу) | 2,10 |
| Степени окисления | -1, 0, +1 |
| Стандартная энтальпия атомизации ΔH°298 | 218,13 кДж/моль |
| S°298 | 130,67 Дж/моль·К |
| Удельная теплоемкость Cp(298K) | 14208,0 Дж/кг·К |
| E° (2H+ + 2ê = H2) | 0,000 В |
| E° (H2 + 2ê = 2H–) | -2,25 В |
| T°пл | -258,99 -259,1 °C |
| T°кип | -252,6 -252,72 °C |
Жидкий водород – прозрачная бесцветная неэлектропроводная жидкость, поверхностное натяжение которой в 35 раз меньше, чем у воды. Если быстро испарять эту жидкость, то получится твердый водород в виде прозрачных кристаллов. Критическая точка характеризуется температурой -239 °C и давлением 12,969·105 Па (1296900 Па).
Твердый водород имеет малоплотную гексагональную решетку (плотность твердого водорода равна 0,08 г/см3, это самое легкое твердое вещество). Конденсированное состояние характеризуется малыми значениями энтальпий плавления (0,116 кДж/моль) и кипения (0,882 кДж/моль).
Поскольку молекулы водорода неполярны он очень незначительно растворяется в воде и еще хуже в органических растворителях. Растворимость водорода в воде:
При 0 °C в 1 объеме воды растворяется 0,0215 объемов водорода.
При 18 °C в 1 объеме воды растворяется 0,0185 объемов водорода.
Молекулы водорода – наиболее легкие, и при одной и той же температуре их скорость движения выше, чем молекул других газов. Поэтому водород является наименее вязким, наиболее теплопроводным и легко диффундирующим газом. С высокой диффузией водорода связана его способность растворяться в металлах. Особенно велика его способность к диффузии при повышенном давлении и высоких температурах. Поэтому работа с водородом в таких условиях сопряжена со значительными трудностями. Диффузия водорода в сталь при высоких температурах может вызвать водородную коррозию стали (см. применение водорода).
Небольшие количества водорода растворяются во всех расплавленных металлах особенно с дефектными d- и f-орбиталями. Например, 1 объем палладия растворяет до 900 объемов водорода. При этом гранецентрированная кубическая решетка металлического палладия сохраняется, но несколько изменяются параметры элементарной ячейки. Растворение водорода приводит к ликвидации парамагнетизма палладия, что свидетельствует о переходе электронов от атомов водорода на вакантные d-орбитали атомов палладия.
Температурная зависимость процесса растворения водорода в металлах определяется знаком теплового эффекта. Для многих металлов (Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Pt, Mo и др.) ΔH>0 и с ростом температуры растворимость увеличивается.
Экзотермически (ΔH<0) водород поглощают Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Th, U и редкоземельные элементы за счет образования металлидных фаз внедрения. В то же время есть металлы, в которых водород практически не растворяется. Это W, Au, Zn, Cd, Hg, In.
Если при растворении водорода кристаллохимическое строение металла не изменяется, в результате возникают твердые растворы внедрения. При растворении значительного количества водорода, как правило, кристаллохимическое строение металла-растворителя претерпевает изменения. Тогда образуются фазы внедрения. См. также гидриды.
При обычных температуре и давлении водород, состоящий из небольших, почти не взаимодействующих молекул, ведет себя практически как идеальный газ.
Кванто-механическим расчетом показано, что при очень высоком давлении водород должен переходить в металлическое состояние. В этих условиях должно происходить превращение молекулярного водорода в атомный и должна образовываться кристаллическая решетка, в узлах которой находятся протоны, а электроны становятся общими для всего кристалла. Такой кристалл должен обладать металлической проводимостью. Возможность такого перехода была доказана получением металлической формы водорода при давлении около 250 ГПа.
Металлический водород был получен в 1996 г. ударным сжатием жидкой пленки водорода толщиной 0,5 мм, помещенной между монокристаллами оксида алюминия при давлении 2 МБар. Его электрическая проводимость такая же, как у расплавов цезия и рубидия, т.е. металлический водород подобен щелочным металлам.