Vodik je u drugoj polovici 18. stoljeća otkrio engleski znanstvenik na području fizike i kemije G. Cavendish. Uspio je izolirati tvar u čistom stanju, počeo ju je proučavati i opisao njezina svojstva.

Takva je povijest otkrića vodika. Tijekom pokusa, istraživač je utvrdio da je to zapaljivi plin, čijim izgaranjem u zraku nastaje voda. To je dovelo do određivanja kvalitativnog sastava vode.

Što je vodik

Vodik, kao jednostavnu tvar, prvi je proglasio francuski kemičar A. Lavoisier 1784. godine, jer je utvrdio da njegova molekula sadrži atome iste vrste.

Naziv kemijskog elementa na latinskom zvuči kao hidrogenij (čitaj "hidrogenij"), što znači "rađanje vode". Naziv se odnosi na reakciju izgaranja koja proizvodi vodu.

Karakterizacija vodika

Oznaka vodika N. Mendeleev dodijelio je prvi serijski broj ovom kemijskom elementu, stavljajući ga u glavnu podskupinu prve skupine i prve periode i uvjetno u glavnu podskupinu sedme skupine.

Atomska težina (atomska masa) vodika je 1,00797. Molekulska težina H 2 je 2 a. e. Molarna masa mu je brojčano jednaka.

Predstavljaju ga tri izotopa s posebnim nazivom: najčešći protij (H), teški deuterij (D) i radioaktivni tricij (T).

To je prvi element koji se može potpuno rastaviti na izotope. na jednostavan način. Temelji se na velikoj razlici masa izotopa. Proces je prvi put proveden 1933. godine. To se objašnjava činjenicom da je tek 1932. godine otkriven izotop s masom 2.

Fizička svojstva

U normalnim uvjetima, jednostavna tvar vodik u obliku dvoatomnih molekula je plin, bez boje, koji nema okusa i mirisa. Slabo topljiv u vodi i drugim otapalima.

Temperatura kristalizacije - 259,2 o C, vrelište - 252,8 o C. Promjer molekula vodika toliko je malen da imaju sposobnost polagane difuzije kroz niz materijala (guma, staklo, metali). Ovo se svojstvo koristi kada je potrebno pročistiti vodik od plinovitih nečistoća. Na n. g. vodik ima gustoću 0,09 kg/m3.

Je li moguće pretvoriti vodik u metal po analogiji s elementima koji se nalaze u prvoj skupini? Znanstvenici su otkrili da vodik, u uvjetima kada se tlak približi 2 milijuna atmosfera, počinje apsorbirati infracrvene zrake, što ukazuje na polarizaciju molekula tvari. Možda će pri još višim tlakovima vodik postati metal.

Zanimljivo je: postoji pretpostavka da je na divovskim planetima, Jupiteru i Saturnu, vodik u obliku metala. Pretpostavlja se da je metalni čvrsti vodik također prisutan u sastavu zemljine jezgre, zbog ultravisokog tlaka koji stvara zemljin plašt.

Kemijska svojstva

NA kemijska interakcija s vodikom ulaze i jednostavne i složene tvari. Ali nisku aktivnost vodika potrebno je povećati stvaranjem odgovarajućih uvjeta - podizanjem temperature, korištenjem katalizatora itd.

Kada se zagrijavaju, jednostavne tvari kao što su kisik (O 2), klor (Cl 2), dušik (N 2), sumpor (S) reagiraju s vodikom.

Zapalite li čisti vodik na kraju plinske cijevi u zraku, gorjet će ravnomjerno, ali jedva primjetno. Ako se, međutim, izlazna cijev za plin postavi u atmosferu čistog kisika, tada će se izgaranje nastaviti uz stvaranje kapljica vode na stijenkama posude, kao rezultat reakcije:

Izgaranje vode prati oslobađanje velike količine topline. Ovo je egzotermna reakcija spoja u kojoj se vodik oksidira pomoću kisika u oksid H 2 O. To je također redoks reakcija u kojoj se vodik oksidira, a kisik reducira.

Slično, reakcija s Cl 2 odvija se uz stvaranje klorovodika.

Interakcija dušika s vodikom zahtijeva visoku temperaturu i visoki tlak, kao i prisutnost katalizatora. Rezultat je amonijak.

Kao rezultat reakcije sa sumporom nastaje vodikov sulfid, čije prepoznavanje olakšava karakterističan miris pokvarenih jaja.

Oksidacijsko stanje vodika u ovim reakcijama je +1, au dolje opisanim hidridima je 1.

Prilikom reakcije s nekim metalima nastaju hidridi, na primjer, natrijev hidrid - NaH. Neki od ovih složenih spojeva koriste se kao gorivo za rakete, kao i u fuziji.

Vodik također reagira s tvarima iz kategorije kompleksa. Na primjer, s bakrovim (II) oksidom, formula CuO. Za izvođenje reakcije, bakreni vodik prolazi preko zagrijanog praškastog bakrovog (II) oksida. Tijekom interakcije reagens mijenja boju i postaje crveno-smeđi, a kapljice vode talože se na hladnim stijenkama epruvete.

Tijekom reakcije vodik se oksidira u vodu, a bakar se reducira iz oksida u jednostavnu tvar (Cu).

Područja upotrebe

Vodik ima veliki značaj za ljude i nalazi primjenu u raznim područjima:

1. NA kemijska proizvodnja- ovo je sirovina, u drugim industrijama - gorivo. Nemojte bez vodika i poduzeća petrokemije i rafiniranja nafte.
2. U elektroprivredi ova jednostavna tvar djeluje kao rashladno sredstvo.
3. U crnoj i obojenoj metalurgiji vodik ima ulogu redukcijskog sredstva.
4. Uz tu pomoć stvara se inertno okruženje prilikom pakiranja proizvoda.
5. Farmaceutska industrija koristi vodik kao reagens u proizvodnji vodikovog peroksida.
6. Meteorološke sonde su napunjene ovim lakim plinom.
7. Ovaj element je također poznat kao redukcijsko sredstvo za gorivo za raketne motore.

Znanstvenici jednoglasno predviđaju da će vodikovo gorivo biti vodeće u energetskom sektoru.

Prijem u industriji

U industriji se vodik proizvodi elektrolizom, koja se podvrgava kloridima ili hidroksidima alkalijskih metala otopljenih u vodi. Također je moguće dobiti vodik na ovaj način izravno iz vode.

U tu svrhu koristi se pretvorba koksa ili metana vodenom parom. Razgradnjom metana na povišenoj temperaturi također nastaje vodik. Također se koristi za ukapljivanje koksnog plina frakcijskom metodom industrijska proizvodnja vodik.

Dobivanje u laboratoriju

U laboratoriju se za proizvodnju vodika koristi Kippov aparat.

Klorovodična ili sumporna kiselina i cink djeluju kao reagensi. Kao rezultat reakcije nastaje vodik.

Pronalaženje vodika u prirodi

Vodik je najčešći element u svemiru. Većina zvijezda, uključujući Sunce i druge svemirska tijelačini vodik.

NA Zemljina kora iznosi samo 0,15%. Ima ga u mnogim mineralima, u svim organskim tvarima, kao i u vodi koja prekriva 3/4 površine našeg planeta.

U gornjoj atmosferi mogu se pronaći tragovi čistog vodika. Također se nalazi u nizu zapaljivih prirodnih plinova.

Plinoviti vodik je najtanji, a tekući vodik najgušća tvar na našem planetu. Uz pomoć hidrogena možete promijeniti boju glasa, ako ga udišete, i govoriti dok izdišete.

U srcu akcije najmoćnijih hidrogenska bomba leži cijepanje najlakšeg atoma.

U periodnom sustavu vodik se nalazi u dvije skupine elemenata koji su apsolutno suprotni po svojim svojstvima. Ova značajka ga čini potpuno jedinstvenim. Vodik nije samo element ili tvar, već i sastavni dio mnogi složeni spojevi, organogeni i biogeni elementi. Stoga detaljnije razmatramo njegova svojstva i karakteristike.

Oslobađanje zapaljivog plina tijekom međudjelovanja metala i kiselina uočeno je već u 16. stoljeću, odnosno u vrijeme formiranja kemije kao znanosti. Poznati engleski znanstvenik Henry Cavendish proučavao je tvar počevši od 1766. godine i dao joj naziv "zapaljivi zrak". Kada je sagorijevao, ovaj plin je proizvodio vodu. Nažalost, znanstvenikova privrženost teoriji o flogistonu (hipotetskoj "hiperfinoj materiji") spriječila ga je da dođe do ispravni zaključci.

Francuski kemičar i prirodoslovac A. Lavoisier, zajedno s inženjerom J. Meunierom i uz pomoć posebnih plinometara, 1783. izvodi sintezu vode, a potom i njezinu analizu razgradnjom vodene pare užarenim željezom. Tako su znanstvenici uspjeli doći do pravih zaključaka. Utvrdili su da "zapaljivi zrak" nije samo dio vode, već se iz nje može dobiti.

Godine 1787. Lavoisier je sugerirao da je plin koji se proučava jednostavna tvar i, prema tome, jedan od primarnih kemijski elementi. Nazvao ga je hidrogen (od grčke riječi hydor - voda + gennao - rađam), odnosno "rađanje vode".

Ruski naziv "vodik" predložio je 1824. kemičar M. Solovjev. Određivanje sastava vode označilo je kraj "flogistonske teorije". Na prijelazu iz 18. u 19. stoljeće utvrđeno je da je atom vodika vrlo lagan (u usporedbi s atomima drugih elemenata) te je njegova masa uzeta kao glavna jedinica za usporedbu atomskih masa, dobivši vrijednost jednaku 1.

Fizička svojstva

Vodik je najlakši od svih tvari poznatih znanosti (14,4 puta je lakši od zraka), gustoća mu je 0,0899 g/l (1 atm, 0 °C). Ovaj se materijal tali (skrućuje) i vrije (ukapljuje), redom, na -259,1 °C odnosno -252,8 °C (samo helij ima niže t° vrenja i taljenja).

Kritična temperatura vodika je izuzetno niska (-240 °C). Zbog toga je njegovo ukapljivanje prilično kompliciran i skup proces. Kritični tlak tvari je 12,8 kgf / cm², a kritična gustoća je 0,0312 g / cm³. Među svim plinovima vodik ima najveća toplinska vodljivost: pri 1 atm i 0 ° C, jednak je 0,174 W / (mxK).

Specifični toplinski kapacitet tvari pod istim uvjetima je 14,208 kJ / (kgxK) ili 3,394 cal / (gh ° C). Ovaj element je slabo topljiv u vodi (oko 0,0182 ml / g pri 1 atm i 20 ° C), ali dobro - u većini metala (Ni, Pt, Pa i drugi), posebno u paladiju (oko 850 volumena po volumenu Pd ) .

Potonje svojstvo povezano je s njegovom sposobnošću difuzije, dok difuzija kroz leguru ugljika (na primjer, čelik) može biti popraćena uništavanjem legure zbog interakcije vodika s ugljikom (taj se proces naziva dekarbonizacija). U tekućem stanju tvar je vrlo lagana (gustoća - 0,0708 g / cm³ na t ° \u003d -253 ° C) i tekućina (viskoznost - 13,8 celzijusa pod istim uvjetima).

U mnogim spojevima ovaj element pokazuje valenciju +1 (oksidacijsko stanje), slično natriju i drugim alkalijskim metalima. Obično se smatra analogom ovih metala. Prema tome, on je na čelu I. grupe Mendelejeva sustava. U metalnim hidridima vodikov ion pokazuje negativan naboj (oksidacijsko stanje je -1), odnosno Na + H- ima strukturu sličnu Na + Cl- kloridu. U skladu s ovom i nekim drugim činjenicama (bliskost fizikalnih svojstava elementa "H" i halogena, sposobnost njegove zamjene halogenima u organskim spojevima), vodik je dodijeljen skupini VII Mendeljejeva sustava.

U normalnim uvjetima, molekularni vodik ima nisku aktivnost, izravno se spaja samo s najaktivnijim od nemetala (s fluorom i klorom, s potonjim - na svjetlu). Zauzvrat, kada se zagrijava, stupa u interakciju s mnogim kemijskim elementima.

Atomski vodik ima povećanu kemijsku aktivnost (u usporedbi s molekulskim). S kisikom stvara vodu prema formuli:

N₂ + ½O₂ = N2O,

oslobađajući 285,937 kJ/mol topline ili 68,3174 kcal/mol (25°C, 1 atm). U normalnim temperaturnim uvjetima, reakcija se odvija prilično sporo, a pri t ° >= 550 ° C, nekontrolirana je. Granice eksplozivnosti smjese vodik + kisik po volumenu su 4–94% H₂, a smjese vodik + zrak su 4–74% H₂ (smjesa dva volumena H₂ i jednog volumena O₂ naziva se eksplozivnim plinom).

Ovaj se element koristi za redukciju većine metala, budući da uzima kisik iz oksida:

Fe3O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4N2O,

CuO + H₂ = Cu + H2O itd.

S različitim halogenima, vodik tvori halogenovodike, na primjer:

H2 + Cl2 = 2HCl.

Međutim, kada reagira s fluorom, vodik eksplodira (to se također događa u mraku, na -252 ° C), reagira s bromom i klorom samo kada se zagrije ili osvijetli, a s jodom samo kada se zagrije. U interakciji s dušikom nastaje amonijak, ali samo na katalizatoru, pri povišenim tlakovima i temperaturama:

ZN₂ + N2 = 2NH3.

Kada se zagrijava, vodik aktivno reagira sa sumporom:

H₂ + S = H₂S (vodikov sulfid),

i mnogo teže – s telurom ili selenom. Vodik reagira s čistim ugljikom bez katalizatora, ali na visokim temperaturama:

2H₂ + C (amorfni) = CH4 (metan).

Ova tvar izravno reagira s nekim od metala (alkalijski, zemnoalkalijski i drugi), tvoreći hidride, na primjer:

N₂ + 2Li = 2LiH.

Od nemale praktične važnosti su interakcije vodika i ugljičnog monoksida (II). U tom slučaju, ovisno o tlaku, temperaturi i katalizatoru, nastaju različiti organski spojevi: HCHO, CH₃OH itd. Nezasićeni ugljikovodici tijekom reakcije prelaze u zasićene, npr.

S n N₂ n + N₂ = S n N₂ n ₊₂.

Vodik i njegovi spojevi imaju iznimnu ulogu u kemiji. To uvjetuje svojstva kiselina takozvani. protonske kiseline, nastoji stvoriti vodikovu vezu s različitim elementima, što ima značajan učinak na svojstva mnogih anorganskih i organski spojevi.

Dobivanje vodika

Glavne vrste sirovina za industrijska proizvodnja ovog elementa su plinovi rafiniranja nafte, prirodni zapaljivi i koksni plinovi. Također se dobiva iz vode elektrolizom (na mjestima s pristupačnom električnom energijom). Jedan od bitne metode Proizvodnja materijala iz prirodnog plina smatra se katalitičkom interakcijom ugljikovodika, uglavnom metana, s vodenom parom (tzv. pretvorba). Na primjer:

CH₄ + H2O = CO + ZH₂.

Nepotpuna oksidacija ugljikovodika s kisikom:

CH4 + ½O₂ \u003d CO + 2H2.

Sintetizirani ugljikov monoksid (II) prolazi kroz konverziju:

CO + H₂O = CO₂ + H2.

Najjeftiniji je vodik proizveden iz prirodnog plina.

Za elektrolizu vode koristi se istosmjerna struja koja se propušta kroz otopinu NaOH ili KOH (kiseline se ne koriste kako bi se izbjegla korozija opreme). U laboratorijskim uvjetima materijal se dobiva elektrolizom vode ili kao rezultat reakcije između klorovodična kiselina oh i cink. Međutim, češće se koristi gotov tvornički materijal u cilindrima.

Iz plinova rafiniranja nafte i koksnog plina ovaj se element izolira uklanjanjem svih ostalih komponenti plinska smjesa, jer se lakše ukapljuju kada se duboko ohlade.

Industrijski se ovaj materijal počeo dobivati ​​još u krajem XVIII stoljeća. Zatim je korišten za punjenje balona. Trenutno se vodik široko koristi u industriji, uglavnom u kemijskoj, za proizvodnju amonijaka.

Masovni potrošači tvari su proizvođači metilnih i drugih alkohola, sintetičkog benzina i mnogih drugih proizvoda. Dobivaju se sintezom iz ugljičnog monoksida (II) i vodika. Hidrogen se koristi za hidrogenaciju teških i krutih tekućih goriva, masti itd., za sintezu HCl, hidrotretiranje naftnih derivata, kao i za rezanje/zavarivanje metala. Bitni elementi za nuklearnu energiju su njezini izotopi – tricij i deuterij.

Biološka uloga vodika

Oko 10% mase živih organizama (u prosjeku) otpada na ovaj element. Dio je vode i najvažnijih skupina prirodnih spojeva, uključujući proteine, nukleinske kiseline, lipide, ugljikohidrate. Čemu služi?

Ova stvar svira odlučujuću ulogu: uz zadržavanje prostorne strukture proteina (kvaternar), u provedbi načela komplementarnosti nukleinske kiseline(tj. u implementaciji i pohranjivanju genetskih informacija), općenito, u "prepoznavanju" na molekularnoj razini.

Vodikov ion H+ sudjeluje u važnim dinamičkim reakcijama/procesima u tijelu. Uključujući: u biološka oksidacija, koji živim stanicama osigurava energiju, u reakcijama biosinteze, u fotosintezi u biljkama, u bakterijskoj fotosintezi i fiksaciji dušika, u održavanju acidobazne ravnoteže i homeostaze, u procesima membranskog transporta. Zajedno s ugljikom i kisikom čini funkcionalnu i strukturnu osnovu fenomena života.

Predavanje 29

Vodik. Voda

Plan predavanja:

Voda. Kemijska i fizikalna svojstva

Uloga vodika i vode u prirodi

Vodik kao kemijski element

Vodik je jedini element periodni sustav D. I. Mendeleev, čija je lokacija dvosmislena. Njegovo kemijski simbol u periodnom sustavu bilježi se dva puta: u obje skupine IA i VIIA. To se objašnjava činjenicom da vodik ima niz svojstava koja ga povezuju i s alkalijskim metalima i s halogenima (tablica 14).

Tablica 14

Usporedba svojstava vodika sa svojstvima alkalnih metala i halogena

Sličnost s alkalnim metalima	Sličnost s halogenima
Na vanjskoj energetskoj razini atomi vodika sadrže jedan elektron. Vodik spada u s-elemente	Da bi završili vanjsku i jedinu razinu, atomima vodika, kao i atomima halogena, nedostaje jedan elektron
Vodik pokazuje redukcijska svojstva. Kao rezultat oksidacije, vodik dobiva najčešće oksidacijsko stanje u svojim spojevima +1	Vodik, kao i halogeni, u spojevima s alkalijskim i zemnoalkalijskim metalima ima oksidacijsko stanje -1, što potvrđuje njegovu oksidirajuća svojstva.
Pretpostavlja se prisutnost čvrstog vodika s metalnom kristalnom rešetkom u svemiru.	Poput fluora i klora, vodik je plin u normalnim uvjetima. Njegove su molekule, kao i molekule halogena, dvoatomne i formirane su kovalentnom nepolarnom vezom.

U prirodi vodik postoji u obliku tri izotopa masenih brojeva 1, 2 i 3: protij 1 1 H, deuterij 2 1 D i tricij 3 1 T. Prva dva su stabilni izotopi, a treći je radioaktivan. U prirodnoj mješavini izotopa dominira protij. Kvantitativni omjeri između izotopa H: D: T su 1: 1,46 10 -5 : 4,00 10 -15 .

Spojevi izotopa vodika međusobno se razlikuju po svojstvima. Tako su, na primjer, točke ključanja i ledišta lake protijske vode (H 2 O) jednake - 100 o C i 0 o C, a deuterija (D 2 O) - 101,4 o C i 3,8 o C. Brzina reakcije uz sudjelovanje lake vode veća je od teške vode.

Vodik je najčešći element u Svemiru - čini oko 75% mase Svemira ili preko 90% svih njegovih atoma. Vodik je dio vode u njezinoj najvažnijoj geološkoj ljusci Zemlje – hidrosferi.

Vodik tvori, zajedno s ugljikom, sve organske tvari, odnosno dio je žive ljuske Zemlje - biosfere. U zemljinoj kori - litosferi - maseni sadržaj vodika je samo 0,88%, tj. zauzima 9. mjesto među svim elementima. Zračni omotač Zemlje - atmosfera sadrži manje od milijuntog dijela ukupnog volumena koji se može pripisati molekularnom vodiku. Nalazi se samo u gornjim slojevima atmosfere.

Dobivanje i korištenje vodika

Vodik je prvi dobio u 16. stoljeću srednjovjekovni liječnik i alkemičar Paracelsus, kada je željezna ploča uronjena u sumporne kiseline, a 1766. engleski kemičar Henry Cavendish dokazao je da se vodik ne dobiva samo interakcijom željeza sa sumpornom kiselinom, već i drugih metala s drugim kiselinama. Cavendish je također prvi put opisao svojstva vodika.

NA laboratorija dobivaju se vodikovi uvjeti:

1. Interakcija metala s kiselinom:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2. Međudjelovanje alkalnih i zemnoalkalijskih metala s vodom

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

NA industrija vodik se proizvodi na sljedeće načine:

1. Elektroliza vodenih otopina soli, kiselina i lužina. Najčešće korištena otopina soli je:

2NaCl + 2H2O →el. struja H 2 + Cl 2 + NaOH

2. Rekuperacija vodene pare užarenim koksom:

C + H 2 O → t CO + H 2

Dobivena smjesa ugljičnog monoksida i vodika naziva se vodeni plin (sintetski plin), i široko se koristi za sintezu raznih kemijskih proizvoda (amonijak, metanol, itd.). Za izdvajanje vodika iz vodenog plina ugljični monoksid zagrijavanjem s vodenom parom pretvara se u ugljični dioksid:

CO + H 2 → t CO 2 + H 2

3. Grijanje na metan u prisutnosti vodene pare i kisika. Ova metoda je trenutno glavna:

2CH 4 + O 2 + 2H 2 O → t 2CO 2 + 6H 2

Vodik se široko koristi za:

1. industrijska sinteza amonijaka i klorovodika;

2. dobivanje metanola i sintetičkog tekućeg goriva u sklopu sinteznog plina (2 volumena vodika i 1 volumen CO);

3. hidroobrada i hidrokreking frakcija nafte;

4. hidrogenizacija tekućih masti;

5. rezanje i zavarivanje metala;

6. dobivanje volframa, molibdena i renija iz njihovih oksida;

7. svemirski motori kao gorivo.

8. Termonuklearni reaktori koriste izotope vodika kao gorivo.

Tjelesni i Kemijska svojstva vodik

Vodik je plin bez boje, okusa i mirisa. Gustoća na n.o. 0,09 g/l (14 puta lakši od zraka). Vodik je slabo topljiv u vodi (samo 2 volumena plina na 100 volumena vode), ali ga dobro apsorbiraju d-metali - nikal, platina, paladij (u jednom volumenu paladija otopljeno je do 900 volumena vodika).

U kemijskim reakcijama vodik pokazuje i redukcijska i oksidacijska svojstva. Najčešće vodik djeluje kao redukcijsko sredstvo.

1. Interakcija s nemetalima. Vodik s nemetalima tvori hlapljive vodikovi spojevi(vidi predavanje 25).

S halogenima brzina reakcije i uvjeti protoka mijenjaju se od fluora do joda: vodik reagira s fluorom eksplozijom čak iu mraku, s klorom se reakcija odvija sasvim mirno uz malo izlaganja svjetlu, s bromom i jodom reakcije su reverzibilne i odvijaju se samo kada se zagriju:

H 2 + F 2 → 2HF

H 2 + Cl 2 → hν 2HCl

H 2 + I 2 → t 2HI

S kisikom a sumporni vodik reagira uz lagano zagrijavanje. Smjesa kisika i vodika u omjeru 1:2 naziva se eksplozivan plin:

H 2 + O 2 → t H 2 O

H 2 + S → t H 2 S

S dušikom, fosforom i ugljikom reakcija nastaje pri zagrijavanju visoki krvni tlak i u prisustvu katalizatora. Reakcije su reverzibilne:

3H 2 + N 2 → kat., p, t2NH 3

2H 2 + 3P → kat., p, t3PH 3

H 2 + C → kat., p, t CH 4

2. Interakcija sa složenim tvarima. Na visokim temperaturama vodik reducira metale iz njihovih oksida:

CuO + H 2 → t Cu + H 2 O

3. Na interakcija s alkalijskim i zemnoalkalijskim metalima vodik pokazuje oksidirajuća svojstva:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

4. Interakcija s organskim tvarima. Vodik aktivno komunicira s mnogim organskim tvarima, takve se reakcije nazivaju reakcijama hidrogenacije. Slične reakcije bit će detaljnije razmotrene u III dijelu zbornika "Organska kemija".

Najrasprostranjeniji element u svemiru je vodik. U materiji zvijezda ima oblik jezgre - protona - i materijal je za termonuklearne procese. Gotovo polovicu mase Sunca također čine molekule H 2 . Njegov sadržaj u zemljinoj kori doseže 0,15%, a atomi su prisutni u sastavu nafte, prirodnog plina i vode. Zajedno s kisikom, dušikom i ugljikom organogen je element koji je dio svih živih organizama na Zemlji. U našem ćemo članku proučiti fizikalna i kemijska svojstva vodika, odrediti glavna područja njegove primjene u industriji i njegovu važnost u prirodi.

Položaj u periodnom sustavu kemijskih elemenata Mendeljejeva

Prvi element koji otvara periodni sustav je vodik. Njegova atomska masa je 1,0079. Ima dva stabilna (protij i deuterij) i jedan radioaktivni izotop (tricij). Fizička svojstva određuju se prema mjestu nemetala u tablici kemijskih elemenata. U normalnim uvjetima, vodik (njegova formula je H 2) je plin koji je gotovo 15 puta lakši od zraka. Struktura atoma elementa je jedinstvena: sastoji se samo od jezgre i jednog elektrona. Molekula tvari je dvoatomna, čestice u njoj povezane su kovalentnom nepolarnom vezom. Njegov energetski intenzitet je prilično visok - 431 kJ. To objašnjava nisku kemijsku aktivnost spoja u normalnim uvjetima. Elektronska formula vodika je: H:H.

Tvar također ima niz svojstava koja nemaju analoge među ostalim nemetalima. Razmotrimo neke od njih.

Topljivost i toplinska vodljivost

Metali najbolje provode toplinu, ali vodik im se približava po toplinskoj vodljivosti. Objašnjenje fenomena leži u vrlo velikoj brzini toplinsko gibanje lake molekule tvari, pa se u atmosferi vodika zagrijani predmet hladi 6 puta brže nego u zraku. Spoj se može dobro otopiti u metalima, na primjer, gotovo 900 volumena vodika može apsorbirati jedan volumen paladija. Metali mogu stupiti u kemijske reakcije s H 2 u kojima se očituju oksidacijska svojstva vodika. U ovom slučaju nastaju hidridi:

2Na + H2 \u003d 2 NaH.

U ovoj reakciji, atomi elementa prihvaćaju elektrone od metalnih čestica, pretvarajući se u anione s jediničnim negativnim nabojem. Jednostavna tvar H 2 in ovaj slučaj je oksidacijsko sredstvo, što obično nije tipično za njega.

Vodik kao redukcijsko sredstvo

Ono što povezuje metale i vodik nije samo visoka toplinska vodljivost, već i sposobnost njihovih atoma da kemijski procesi doniraju vlastite elektrone, odnosno oksidiraju. Na primjer, bazični oksidi reagiraju s vodikom. Redoks reakcija završava oslobađanjem čistog metala i stvaranjem molekula vode:

CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O.

Interakcija tvari s kisikom tijekom zagrijavanja također dovodi do stvaranja molekula vode. Proces je egzoterman i praćen je oslobađanjem velike količine toplinske energije. Ako plinska smjesa H 2 i O 2 reagira u omjeru 2: 1, tada se zove jer eksplodira kada se zapali:

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O.

Voda je i igra važnu ulogu u formiranju Zemljine hidrosfere, klime i vremena. Omogućuje kruženje elemenata u prirodi, podržava sve životne procese organizama – stanovnika našeg planeta.

Međudjelovanje s nemetalima

Najvažnija kemijska svojstva vodika su njegove reakcije s nemetalnim elementima. U normalnim uvjetima, oni su prilično kemijski inertni, tako da tvar može reagirati samo s halogenima, na primjer, s fluorom ili klorom, koji su najaktivniji među svim nemetalima. Dakle, mješavina fluora i vodika eksplodira u mraku ili na hladnoći, a s klorom - pri zagrijavanju ili na svjetlu. Produkti reakcije bit će halogenidi, čije su vodene otopine poznate kao fluoridne i kloridne kiseline. C interagira na temperaturi od 450-500 stupnjeva, tlaku od 30-100 MPa iu prisutnosti katalizatora:

N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH3.

Razmotrena kemijska svojstva vodika od velike su važnosti za industriju. Na primjer, možete dobiti vrijedan kemijski proizvod - amonijak. Glavna je sirovina za proizvodnju nitratne kiseline i dušičnih gnojiva: uree, amonijevog nitrata.

organska tvar

Između ugljika i vodika dolazi do proizvodnje najjednostavnijeg ugljikovodika - metana:

C + 2H2 = CH4.

Tvar je najvažnija komponenta prirodne tvari i koristi se kao vrijedna vrsta goriva i sirovina za industriju organske sinteze.

U kemiji ugljikovih spojeva element je uključen u ogroman broj tvari: alkani, alkeni, ugljikohidrati, alkoholi itd. Poznate su mnoge reakcije organskih spojeva s molekulama H 2. Oni su zajednički poznati kao hidrogenacija ili hidrogenizacija. Dakle, aldehidi se mogu reducirati vodikom u alkohole, nezasićene ugljikovodike - u alkane. Na primjer, etilen se pretvara u etan:

C2H4 + H2 \u003d C2H6.

Od velike praktične važnosti su takva kemijska svojstva vodika kao što je, na primjer, hidrogenacija tekućih ulja: suncokreta, kukuruza i uljane repice. Dovodi do proizvodnje krute masti - masti, koja se koristi u proizvodnji glicerina, sapuna, stearina, tvrdog margarina. Za poboljšanje izgleda i okusa prehrambeni proizvod dodaju mu se mlijeko, životinjske masti, šećer, vitamini.

U našem smo članku proučavali svojstva vodika i otkrili njegovu ulogu u prirodi i ljudskom životu.

Vodik H je kemijski element, jedan od najčešćih u našem svemiru. Masa vodika kao elementa u sastavu tvari je 75% ukupnog sadržaja atoma druge vrste. Uvršten je u najvažniju i vitalnu vezu na planetu – vodu. Posebnost vodik je i činjenica da je prvi element u periodnom sustavu kemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva.

Otkriće i istraživanje

Prva spominjanja vodika u spisima Paracelsusa datiraju iz šesnaestog stoljeća. Ali njegovu izolaciju iz plinske mješavine zraka i proučavanje zapaljivih svojstava već je u sedamnaestom stoljeću napravio znanstvenik Lemery. Vodik je temeljito proučavao engleski kemičar, fizičar i prirodoslovac koji je eksperimentalno dokazao da je masa vodika najmanja u usporedbi s drugim plinovima. U kasnijim fazama razvoja znanosti s njim su radili mnogi znanstvenici, posebice Lavoisier koji ga je nazvao "rađanjem vode".

Karakteristika prema poziciji u PSCE

Element koji otvara periodni sustav D. I. Mendeljejeva je vodik. Fizikalna i kemijska svojstva atoma pokazuju neku dualnost, budući da se vodik istovremeno odnosi na prvu skupinu, glavnu podskupinu, ako se ponaša kao metal i odaje jedan elektron u procesu kemijska reakcija, a do sedme - u slučaju potpunog punjenja valentne ljuske, odnosno primanja negativne čestice, što ga karakterizira kao slično halogenima.

Značajke elektroničke strukture elementa

Svojstva složene tvari, u koji je uključen, i najjednostavnija tvar H 2 primarno su određeni elektronskom konfiguracijom vodika. Čestica ima jedan elektron sa Z= (-1), koji se okreće u svojoj orbiti oko jezgre, sadrži jedan proton s jediničnom masom i pozitivnim nabojem (+1). Njegova elektronička konfiguracija zapisana je kao 1s 1, što znači prisutnost jedne negativne čestice u prvoj i jedinoj s-orbitali za vodik.

Kada se elektron odvoji ili preda, a atom ovog elementa ima takvo svojstvo da je srodan metalima, dobiva se kation. U stvari, vodikov ion je pozitivna elementarna čestica. Stoga se vodik bez elektrona jednostavno naziva proton.

Fizička svojstva

Ukratko opisujući vodik, to je bezbojan, slabo topiv plin s srodnim atomska masa jednako 2, 14,5 puta lakši od zraka, s temperaturom ukapljivanja od -252,8 stupnjeva Celzijusa.

Iz iskustva se lako vidi da je H2 najlakši. Da biste to učinili, dovoljno je napuniti tri kuglice različitim tvarima - vodikom, ugljičnim dioksidom, običnim zrakom - i istovremeno ih pustiti iz ruke. Onaj koji je ispunjen CO 2 brže će od svih stići do tla, nakon čega će pasti napuhan smjesom zraka, a onaj koji sadrži H 2 dignut će se do stropa.

Mala masa i veličina čestica vodika opravdava njegovu sposobnost prodiranja razne tvari. Na primjeru iste lopte, to je lako provjeriti, za nekoliko dana će se sama ispuhati, jer će plin jednostavno proći kroz gumu. Također, vodik se može nakupljati u strukturi nekih metala (paladija ili platine), te ispariti iz nje kada temperatura poraste.

Svojstvo niske topljivosti vodika koristi se u laboratorijskoj praksi za njegovu izolaciju metodom istiskivanja vodika (donja tablica sadrži glavne parametre) određuju opseg njegove primjene i metode proizvodnje.

Parametar atoma ili molekule jednostavne tvari	Značenje
atomska masa ( molekulska masa)	1,008 g/mol
Elektronička konfiguracija	1s 1
Kristalna ćelija	Heksagonalni
Toplinska vodljivost	(300 K) 0,1815 W/(m K)
Gustoća na n. g.	0,08987 g/l
Temperatura vrenja	-252,76°C
Specifična toplina izgaranja	120,9 106 J/kg
Temperatura topljenja	-259,2°C
Topivost u vodi	18,8 ml/l

Izotopni sastav

Kao i mnogi drugi predstavnici periodnog sustava kemijskih elemenata, vodik ima nekoliko prirodnih izotopa, odnosno atoma s istim brojem protona u jezgri, ali različitim brojem neutrona - čestica s nultim nabojem i jediničnom masom. Primjeri atoma koji imaju slična svojstva su kisik, ugljik, klor, brom i drugi, uključujući radioaktivne.

Fizička svojstva vodika 1 H, najčešćeg predstavnika ove skupine, značajno se razlikuju od istih karakteristika njegovih kolega. Posebno se razlikuju karakteristike tvari u koje su uključene. Dakle, postoji obična i deuterirana voda koja u svom sastavu umjesto atoma vodika s jednim protonom sadrži deuterij 2 H - njegov izotop s dva elementarne čestice: pozitivan i nenabijen. Ovaj je izotop dvostruko teži od običnog vodika, što objašnjava temeljnu razliku u svojstvima spojeva koje čine. U prirodi je deuterij 3200 puta rjeđi od vodika. Treći predstavnik je tricij 3 H, u jezgri ima dva neutrona i jedan proton.

Metode dobivanja i izolacije

Laboratorijske i industrijske metode vrlo su različite. Dakle, u malim količinama, plin se dobiva uglavnom reakcijama u kojima sudjeluju minerali, a velika proizvodnja u većoj mjeri koristi organsku sintezu.

U laboratoriju se koriste sljedeće kemijske interakcije:

U industrijskim interesima plin se dobiva metodama kao što su:

1. Toplinska razgradnja metana u prisutnosti katalizatora na njegove sastojke jednostavne tvari(350 stupnjeva dostiže vrijednost takvog pokazatelja kao što je temperatura) - vodik H 2 i ugljik C.
2. Prolazak vodene pare kroz koks na 1000 stupnjeva Celzijusa da se formira ugljični dioksid CO 2 i H 2 (najčešća metoda).
3. Pretvorba plinovitog metana na nikalnom katalizatoru na temperaturi koja doseže 800 stupnjeva.
4. Vodik je nusprodukt u elektrolizi vodenih otopina kalijevih ili natrijevih klorida.

Kemijske interakcije: opće odredbe

Fizička svojstva vodika uvelike objašnjavaju njegovo ponašanje u reakcijskim procesima s jednim ili drugim spojem. Valencija vodika je 1, budući da se nalazi u prvoj skupini u periodnom sustavu, a stupanj oksidacije pokazuje drugačiji. U svim spojevima, osim u hidridima, vodik u s.o. = (1+), u molekulama kao što su XH, XH 2, XH 3 - (1-).

Molekula plinovitog vodika, nastala stvaranjem generaliziranog elektronskog para, sastoji se od dva atoma i energetski je prilično stabilna, zbog čega je u normalnim uvjetima donekle inertna i stupa u reakcije kada se normalni uvjeti promijene. Ovisno o stupnju oksidacije vodika u sastavu drugih tvari, može djelovati i kao oksidacijsko i redukcijsko sredstvo.

Tvari s kojima vodik reagira i nastaje

Interakcije elemenata za stvaranje složenih tvari (često na povišenim temperaturama):

1. Alkalna i zemnoalkalijski metal+ vodik = hidrid.
2. Halogen + H 2 = halogenovodik.
3. Sumpor + vodik = sumporovodik.
4. Kisik + H 2 = voda.
5. Ugljik + vodik = metan.
6. Dušik + H 2 = amonijak.

Interakcija sa složenim tvarima:

1. Dobivanje sinteznog plina iz ugljičnog monoksida i vodika.
2. Regeneracija metala iz njihovih oksida s H 2 .
3. Zasićenost nezasićenih alifatskih ugljikovodika vodikom.

vodikova veza

Fizička svojstva vodika su takva da, kada se kombinira s elektronegativnim elementom, omogućuje stvaranje posebne vrste veze s istim atomom iz susjednih molekula koje imaju nepodijeljene elektronske parove (na primjer, kisik, dušik i fluor). Najjasniji primjer na kojem je bolje razmotriti takav fenomen je voda. Može se reći da je prošivena vodikovim vezama, koje su slabije od kovalentnih ili ionskih, ali zbog činjenice da ih ima mnogo, značajno utječu na svojstva tvari. U osnovi, vodikova veza je elektrostatska interakcija koja veže molekule vode u dimere i polimere, što dovodi do njezine visoke točke vrenja.

Vodik u sastavu mineralnih spojeva

Svi sadrže proton - kation atoma kao što je vodik. Tvar čiji kiselinski ostatak ima oksidacijsko stanje veće od (-1) naziva se polibazičnim spojem. Sadrži nekoliko atoma vodika, što čini disocijaciju na vodene otopine višestupanjski. Svaki sljedeći proton se sve teže odvaja od ostatka kiseline. Prema kvantitativnom sadržaju vodika u mediju određuje se njegova kiselost.

Primjena u ljudskim djelatnostima

Cilindri s nekom tvari, kao i spremnici s drugim ukapljenim plinovima, poput kisika, imaju specifičan izgled. Obojeni su tamnozelenom bojom sa jarko crvenim natpisom "Hydrogen". Plin se upumpava u cilindar pod tlakom od oko 150 atmosfera. Fizička svojstva vodika, posebno lakoća plinovitog agregatno stanje, služi za punjenje balona, ​​balona i sl. pomiješanih s helijem.

Vodik, čija su fizikalna i kemijska svojstva ljudi naučili koristiti prije mnogo godina, trenutno se koristi u mnogim industrijama. Najveći dio odlazi na proizvodnju amonijaka. Vodik također sudjeluje (hafnij, germanij, galij, silicij, molibden, volfram, cirkonij i drugi) od oksida, djelujući u reakciji kao redukcijski agens, cijanovodične i klorovodične kiseline, kao i umjetno tekuće gorivo. industrija hrane koristi ga za pretvaranje biljnih ulja u čvrste masti.

Utvrdili smo kemijska svojstva i upotrebu vodika u različitim procesima hidrogenacije i hidrogenacije masti, ugljena, ugljikovodika, ulja i loživog ulja. Njime proizvode drago kamenje, žarulje sa žarnom niti, obavljaju kovanje i zavarivanje metalnih proizvoda pod utjecajem plamena kisika i vodika.