Vandenilį XVIII amžiaus antroje pusėje atrado anglų mokslininkas fizikos ir chemijos srityje G. Cavendishas. Jis sugebėjo išskirti gryną medžiagą, pradėjo ją tyrinėti ir apibūdino jos savybes.

Tokia yra vandenilio atradimo istorija. Eksperimentų metu mokslininkas nustatė, kad tai yra degios dujos, kurioms degant ore gaunamas vanduo. Tai leido nustatyti kokybinę vandens sudėtį.

Kas yra vandenilis

Vandenilį, kaip paprastą medžiagą, 1784 m. pirmą kartą paskelbė prancūzų chemikas A. Lavoisier, nes jis nustatė, kad jo molekulėje yra to paties tipo atomų.

Cheminio elemento pavadinimas lotyniškai skamba kaip hydrogenium (skaitykite „hydrogenium“), o tai reiškia „vandens gimdymas“. Pavadinimas nurodo degimo reakciją, kurios metu susidaro vanduo.

Vandenilio apibūdinimas

Vandenilio žymėjimas N. Mendelejevas šiam cheminiam elementui suteikė pirmąjį eilės numerį, įtraukdamas jį į pagrindinį pirmosios grupės pogrupį ir pirmąjį periodą bei sąlyginai į septintos grupės pagrindinį pogrupį.

Vandenilio atominė masė (atominė masė) yra 1,00797. H 2 molekulinė masė yra 2 a. e. Molinė masė skaičiais lygi jai.

Jį atstovauja trys izotopai, turintys specialų pavadinimą: labiausiai paplitęs protis (H), sunkusis deuteris (D) ir radioaktyvusis tritis (T).

Tai pirmasis elementas, kurį galima visiškai atskirti į izotopus. paprastu būdu. Jis pagrįstas dideliu izotopų masės skirtumu. Šis procesas pirmą kartą buvo atliktas 1933 m. Tai paaiškinama tuo, kad tik 1932 metais buvo aptiktas 2 masės izotopas.

Fizinės savybės

Įprastomis sąlygomis paprasta medžiaga vandenilis dviatomių molekulių pavidalu yra bespalvės dujos, neturinčios skonio ir kvapo. Šiek tiek tirpsta vandenyje ir kituose tirpikliuose.

Kristalizacijos temperatūra - 259,2 o C, virimo temperatūra - 252,8 o C. Vandenilio molekulių skersmuo yra toks mažas, kad jos gali lėtai sklisti per daugybę medžiagų (gumos, stiklo, metalų). Ši savybė naudojama, kai reikia išvalyti vandenilį nuo dujinių priemaišų. Prie n. y. vandenilio tankis yra 0,09 kg/m3.

Ar galima vandenilį paversti metalu pagal analogiją su elementais, esančiais pirmoje grupėje? Mokslininkai nustatė, kad vandenilis, esant sąlygoms, kai slėgis artėja prie 2 milijonų atmosferų, pradeda sugerti infraraudonuosius spindulius, o tai rodo medžiagos molekulių poliarizaciją. Galbūt esant dar didesniam slėgiui, vandenilis taps metalu.

Tai yra įdomu: Yra prielaida, kad milžiniškose planetose Jupiteris ir Saturnas vandenilis yra metalo pavidalu. Daroma prielaida, kad metalinio kieto vandenilio yra ir žemės šerdies sudėtyje dėl žemės mantijos sukuriamo itin didelio slėgio.

Cheminės savybės

AT cheminė sąveika tiek paprastos, tiek sudėtingos medžiagos patenka su vandeniliu. Bet mažą vandenilio aktyvumą reikia didinti sukuriant atitinkamas sąlygas – keliant temperatūrą, naudojant katalizatorius ir pan.

Kaitinant, su vandeniliu reaguoja paprastos medžiagos, tokios kaip deguonis (O 2), chloras (Cl 2), azotas (N 2), siera (S).

Jei padegsite gryną vandenilį dujų vamzdžio gale ore, jis degs tolygiai, bet vos pastebimai. Tačiau jei dujų išleidimo vamzdis dedamas į gryno deguonies atmosferą, degimas tęsis ir ant indo sienelių susidarys vandens lašai dėl reakcijos:

Vandens degimą lydi didelis šilumos kiekis. Tai egzoterminė junginio reakcija, kurios metu vandenilis oksiduojamas deguonimi ir susidaro oksidas H 2 O. Tai taip pat redokso reakcija, kurios metu oksiduojamas vandenilis ir redukuojamas deguonis.

Panašiai reakcija su Cl2 vyksta susidarant vandenilio chloridui.

Azoto sąveika su vandeniliu reikalauja aukštos temperatūros ir aukšto slėgio, taip pat katalizatoriaus buvimo. Rezultatas yra amoniakas.

Dėl reakcijos su siera susidaro vandenilio sulfidas, kurio atpažinimas palengvina būdingą supuvusių kiaušinių kvapą.

Vandenilio oksidacijos būsena šiose reakcijose yra +1, o toliau aprašytuose hidriduose - 1.

Reaguojant su kai kuriais metalais susidaro hidridai, pavyzdžiui, natrio hidridas - NaH. Kai kurie iš šių sudėtingų junginių naudojami kaip raketų kuras, taip pat kaip branduolių sintezės energija.

Vandenilis taip pat reaguoja su sudėtingos kategorijos medžiagomis. Pavyzdžiui, su vario (II) oksidu, formulė CuO. Reakcijai atlikti vario vandenilis perleidžiamas per įkaitintą vario (II) oksido miltelius. Sąveikos metu reagentas keičia spalvą ir tampa raudonai rudas, o vandens lašeliai nusėda ant šaltų mėgintuvėlio sienelių.

Reakcijos metu vandenilis oksiduojamas ir susidaro vanduo, o varis iš oksido redukuojamas į paprastą medžiagą (Cu).

Naudojimo sritys

Vandenilis turi didelę reikšmęžmonėms ir randamas pritaikymas įvairiose srityse:

1. AT chemijos gamyba– tai žaliava, kitose pramonės šakose – kuras. Neapsieikite be vandenilio ir naftos chemijos bei naftos perdirbimo įmonių.
2. Elektros energijos pramonėje ši paprasta medžiaga veikia kaip aušinimo priemonė.
3. Juodųjų ir spalvotųjų metalų metalurgijoje vandenilis atlieka reduktorius.
4. Taip pakuojant gaminius sukuriama inertiška aplinka.
5. Farmacijos pramonė vandenilį naudoja kaip reagentą vandenilio peroksido gamyboje.
6. Šiomis šviesiomis dujomis pripildyti meteorologiniai zondai.
7. Šis elementas taip pat žinomas kaip degalų mažinimo agentas raketų varikliams.

Mokslininkai vieningai prognozuoja, kad vandenilinis kuras bus energetikos sektoriaus lyderis.

Priėmimas pramonėje

Pramonėje vandenilis gaunamas elektrolizės būdu, kuris yra veikiamas vandenyje ištirpusių šarminių metalų chloridų arba hidroksidų. Vandenilį tokiu būdu galima gauti ir tiesiai iš vandens.

Šiuo tikslu naudojamas kokso arba metano pavertimas garais. Skildamas metanas aukštesnėje temperatūroje, taip pat susidaro vandenilis. Taip pat naudojamas kokso krosnies dujų suskystinimas frakciniu metodu pramoninės gamybos vandenilis.

Gaunama laboratorijoje

Laboratorijoje vandeniliui gaminti naudojamas Kipp aparatas.

Vandenilio chlorido arba sieros rūgštis ir cinkas veikia kaip reagentai. Dėl reakcijos susidaro vandenilis.

Vandenilio radimas gamtoje

Vandenilis yra labiausiai paplitęs elementas visatoje. Didžioji dalis žvaigždžių, įskaitant Saulę ir kt kosminiai kūnai sudaro vandenilį.

AT Žemės pluta tai tik 0,15 proc. Jo yra daugelyje mineralų, visose organinėse medžiagose, taip pat vandenyje, kuris dengia 3/4 mūsų planetos paviršiaus.

Viršutiniuose atmosferos sluoksniuose galima rasti gryno vandenilio pėdsakų. Jis taip pat randamas daugelyje degiųjų gamtinių dujų.

Dujinis vandenilis yra ploniausias, o skystas vandenilis yra tankiausia medžiaga mūsų planetoje. Vandenilio pagalba galite pakeisti balso tembrą, jei jį įkvepiate, ir kalbėkite iškvėpdami.

Galingiausiųjų veiksmų centre vandenilio bomba slypi lengviausio atomo skilimas.

Periodinėje sistemoje vandenilis yra dviejose elementų grupėse, kurios savo savybėmis yra visiškai priešingos. Dėl šios savybės jis yra visiškai unikalus. Vandenilis yra ne tik elementas ar medžiaga, bet ir a neatskiriama dalis daug sudėtingų junginių, organogeninių ir biogeninių elementų. Todėl mes išsamiau apsvarstysime jo savybes ir charakteristikas.

Degiųjų dujų išsiskyrimas metalų ir rūgščių sąveikos metu buvo pastebėtas dar XVI amžiuje, tai yra, formuojantis chemijai kaip mokslui. Žymus anglų mokslininkas Henry Cavendish tyrinėjo šią medžiagą nuo 1766 m. ir suteikė jai pavadinimą „degus oras“. Degdamos šios dujos gamino vandenį. Deja, mokslininko laikymasis flogistono (hipotetinės „hipersmulkiosios medžiagos“) teorijos sutrukdė jam pasiekti. teisingos išvados.

Prancūzų chemikas ir gamtininkas A. Lavoisier kartu su inžinieriumi J. Meunier ir specialių gasometrų pagalba 1783 metais atliko vandens sintezę, o vėliau ir jo analizę skaidydamas vandens garus raudonai įkaitusia geležimi. Taigi mokslininkai galėjo padaryti tinkamas išvadas. Jie išsiaiškino, kad „degus oras“ yra ne tik vandens dalis, bet ir jo galima gauti.

1787 m. Lavoisier pasiūlė, kad tiriamos dujos yra paprasta medžiaga ir todėl yra viena iš pagrindinių cheminiai elementai. Jis pavadino tai vandeniliu (iš Graikiški žodžiai hydor - vanduo + gennao - aš pagimdžiu), tai yra "gimdydamas vandenį".

Rusišką pavadinimą „vandenilis“ 1824 metais pasiūlė chemikas M. Solovjovas. Vandens sudėties nustatymas pažymėjo „flogistono teorijos“ pabaigą. XVIII-XIX amžių sandūroje buvo nustatyta, kad vandenilio atomas yra labai lengvas (palyginti su kitų elementų atomais), o jo masė buvo paimta kaip pagrindinis vienetas, lyginant atomų mases, gaunant reikšmę, lygią 1.

Fizinės savybės

Vandenilis yra lengviausia iš visų mokslui žinomų medžiagų (jis 14,4 karto lengvesnis už orą), jo tankis 0,0899 g/l (1 atm, 0 °C). Ši medžiaga tirpsta (kieta) ir verda (suskystėja) atitinkamai -259,1 ° C ir -252,8 ° C temperatūroje (tik helio virimo ir lydymosi t ° yra žemesnė).

Kritinė vandenilio temperatūra yra itin žema (-240 °C). Dėl šios priežasties jo suskystinimas yra gana sudėtingas ir brangus procesas. Kritinis medžiagos slėgis yra 12,8 kgf / cm², o kritinis tankis yra 0,0312 g / cm³. Tarp visų dujų yra vandenilis didžiausias šilumos laidumas: esant 1 atm ir 0 ° C, jis yra lygus 0,174 W / (mxK).

Medžiagos savitoji šiluminė talpa tomis pačiomis sąlygomis yra 14,208 kJ / (kgxK) arba 3,394 cal / (gh ° C). Šis elementas šiek tiek tirpsta vandenyje (apie 0,0182 ml / g esant 1 atm ir 20 ° C), bet gerai - daugumoje metalų (Ni, Pt, Pa ir kt.), ypač paladyje (apie 850 tūrių Pd tūryje). .

Pastaroji savybė siejama su jos gebėjimu difuzuoti, o difuziją per anglies lydinį (pavyzdžiui, plieną) lydi lydinio sunaikinimas dėl vandenilio sąveikos su anglimi (šis procesas vadinamas dekarbonizacija). Skystoje būsenoje medžiaga yra labai lengva (tankis - 0,0708 g / cm³ esant t ° \u003d -253 ° C) ir skysta (klampumas - 13,8 laipsnių tomis pačiomis sąlygomis).

Daugelyje junginių šio elemento valentingumas (oksidacijos būsena) yra +1, panašus į natrio ir kitų šarminių metalų. Paprastai jis laikomas šių metalų analogu. Atitinkamai jis vadovauja Mendelejevo sistemos I grupei. Metalo hidriduose vandenilio jonas turi neigiamą krūvį (oksidacijos būsena yra -1), tai yra, Na + H- struktūra panaši į Na + Cl-chlorido. Remiantis šiuo ir kai kuriais kitais faktais (elemento "H" ir halogenų fizinių savybių artumas, galimybė jį pakeisti halogenais organiniuose junginiuose), vandenilis priskiriamas Mendelejevo sistemos VII grupei.

Normaliomis sąlygomis molekulinis vandenilis turi mažą aktyvumą, tiesiogiai jungiasi tik su aktyviausiais nemetalais (su fluoru ir chloru, su pastaruoju - šviesoje). Savo ruožtu, kaitinamas, jis sąveikauja su daugeliu cheminių elementų.

Atominis vandenilis turi didesnį cheminį aktyvumą (palyginti su molekuliniu vandeniliu). Su deguonimi jis sudaro vandenį pagal formulę:

Н₂ + ½О₂ = Н₂О,

išskiriant 285,937 kJ/mol šilumos arba 68,3174 kcal/mol (25°C, 1 atm). Normaliomis temperatūros sąlygomis reakcija vyksta gana lėtai, o esant t° >= 550 °С, ji nekontroliuojama. Vandenilio ir deguonies mišinio sprogumo ribos pagal tūrį yra 4–94 % H₂, o vandenilio ir oro mišiniuose – 4–74 % H₂ (dviejų tūrių H₂ ir vieno tūrio O2 mišinys vadinamas sprogiosiomis dujomis).

Šis elementas naudojamas redukuoti daugumą metalų, nes jis paima deguonį iš oksidų:

Fe3O4 + 4H₂ = 3Fe + 4Н₂О,

CuO + H₂ = Cu + H2O ir kt.

Su skirtingais halogenais vandenilis sudaro vandenilio halogenidus, pavyzdžiui:

H2 + Cl2 = 2HCl.

Tačiau reaguojant su fluoru vandenilis sprogsta (taip nutinka ir tamsoje, esant -252 °C), su bromu ir chloru reaguoja tik kaitinamas ar apšviestas, o su jodu tik kaitinamas. Sąveikaujant su azotu, susidaro amoniakas, bet tik ant katalizatoriaus, esant aukštam slėgiui ir temperatūrai:

ZN2 + N2 = 2NH3.

Kaitinamas, vandenilis aktyviai reaguoja su siera:

H₂ + S = H2S (vandenilio sulfidas),

ir daug sunkiau – su telūru ar selenu. Vandenilis reaguoja su gryna anglimi be katalizatoriaus, bet esant aukštai temperatūrai:

2H₂ + C (amorfinis) = CH₂ (metanas).

Ši medžiaga tiesiogiai reaguoja su kai kuriais metalais (šarmais, šarminėmis žemėmis ir kitais), sudarydama hidridus, pavyzdžiui:

Н₂ + 2Li = 2LiH.

Nemenką praktinę reikšmę turi vandenilio ir anglies monoksido (II) sąveika. Tokiu atveju, priklausomai nuo slėgio, temperatūros ir katalizatoriaus, susidaro įvairūs organiniai junginiai: HCHO, CH₃OH ir kt. Nesotieji angliavandeniliai reakcijos metu virsta sočiaisiais, pvz.:

С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.

Vandenilis ir jo junginiai atlieka išskirtinį vaidmenį chemijoje. Tai sąlygoja rūgščių savybių vadinamasis. protinės rūgštys, linkusios sudaryti vandenilinį ryšį su skirtingais elementais, o tai daro didelę įtaką daugelio neorganinių ir organiniai junginiai.

Vandenilio gavimas

Pagrindinės žaliavų rūšys, skirtos pramoninės gamybosšio elemento yra naftos perdirbimo dujos, natūralios degiosios ir kokso krosnių dujos. Jis taip pat gaunamas iš vandens elektrolizės būdu (vietose, kuriose elektros energija yra prieinama). Vienas iš esminiai metodai Medžiagos gamyba iš gamtinių dujų laikoma katalizine angliavandenilių, daugiausia metano, sąveika su vandens garais (vadinamoji konversija). Pavyzdžiui:

CH₄ + H₂O = CO + ZH₂.

Neužbaigta angliavandenilių oksidacija deguonimi:

CH₄ + ½O2 \u003d CO + 2H₂.

Susintetintas anglies monoksidas (II) virsta:

CO + H₂O = CO₂ + H₂.

Iš gamtinių dujų pagamintas vandenilis yra pigiausias.

Vandens elektrolizei naudojama nuolatinė srovė, kuri praleidžiama per NaOH arba KOH tirpalą (rūgštys nenaudojamos, kad būtų išvengta įrangos korozijos). Laboratorinėmis sąlygomis medžiaga gaunama elektrolizės būdu vandenį arba kaip reakcijos tarp vandenilio chlorido rūgštis oi ir cinkas. Tačiau dažniau naudojama paruošta gamyklinė medžiaga cilindruose.

Iš naftos perdirbimo ir koksavimo krosnių dujų šis elementas yra izoliuojamas pašalinus visus kitus komponentus dujų mišinys, nes giliai atvėsę jie lengviau skystėja.

Pramoniniu būdu ši medžiaga vėl buvo pradėta gauti pabaigos XVIII amžiaus. Tada jis buvo naudojamas balionams užpildyti. Šiuo metu vandenilis plačiai naudojamas pramonėje, daugiausia chemijos pramonėje, amoniako gamybai.

Masiniai medžiagos vartotojai yra metilo ir kitų alkoholių, sintetinio benzino ir daugelio kitų produktų gamintojai. Jie gaunami sintezės būdu iš anglies monoksido (II) ir vandenilio. Vandenilis naudojamas sunkiojo ir kietojo skystojo kuro, riebalų ir kt. hidrinimo, HCl sintezei, naftos produktų hidrinimo, taip pat metalų pjovimo / suvirinimo metu. Esminiai elementai branduolinei energijai yra jos izotopai – tritis ir deuteris.

Biologinis vandenilio vaidmuo

Apie 10% gyvų organizmų masės (vidutiniškai) tenka šiam elementui. Tai dalis vandens ir svarbiausių natūralių junginių grupių, įskaitant baltymus, nukleino rūgštis, lipidus, angliavandenius. Kam jis tarnauja?

Ši medžiaga groja lemiamas vaidmuo: išlaikant erdvinę baltymų struktūrą (ketvirtinę), įgyvendinant komplementarumo principą nukleino rūgštys(t. y. genetinės informacijos įgyvendinime ir saugojimuose), apskritai „atpažinimas“ molekuliniu lygmeniu.

Vandenilio jonas H+ dalyvauja svarbiose organizme vykstančiose dinaminėse reakcijose/procesuose. Įskaitant: in biologinė oksidacija, kuris aprūpina gyvas ląsteles energija, biosintezės reakcijose, fotosintezėje augaluose, bakterijų fotosintezėje ir azoto fiksavime, palaikant rūgščių-šarmų pusiausvyrą ir homeostazę, membranų transportavimo procesuose. Kartu su anglimi ir deguonimi jis sudaro funkcinį ir struktūrinį gyvybės reiškinių pagrindą.

29 paskaita

Vandenilis. Vanduo

Paskaitos planas:

Vanduo. Cheminės ir fizinės savybės

Vandenilio ir vandenilio vaidmuo gamtoje

Vandenilis kaip cheminis elementas

Vandenilis yra vienintelis elementas periodinė sistema D. I. Mendelejevas, kurio vieta yra dviprasmiška. Jo cheminis simbolis periodinėje lentelėje įrašomas du kartus: tiek IA, tiek VIIA grupėse. Tai paaiškinama tuo, kad vandenilis turi daug savybių, kurios jungia jį tiek su šarminiais metalais, tiek su halogenais (14 lentelė).

14 lentelė

Vandenilio savybių palyginimas su šarminių metalų ir halogenų savybėmis

Panašumas į šarminius metalus	Panašumas į halogenus
Išoriniame energijos lygyje vandenilio atomai turi vieną elektroną. Vandenilis priklauso s elementams	Norint užbaigti išorinį ir vienintelį lygį, vandenilio atomams, kaip ir halogeno atomams, trūksta vieno elektrono
Vandenilis pasižymi redukuojančiomis savybėmis. Dėl oksidacijos vandenilis įgauna labiausiai paplitusią oksidacijos būseną jo junginiuose +1	Vandenilio, kaip ir halogenų, junginių su šarminiais ir šarminiais žemės metalais oksidacijos būsena yra -1, o tai patvirtina jo oksidacinės savybės.
Manoma, kad erdvėje yra kieto vandenilio su metaline kristaline gardele.	Kaip ir fluoras ir chloras, vandenilis normaliomis sąlygomis yra dujos. Jo molekulės, kaip ir halogenų molekulės, yra dviatomės ir susidaro kovalentiniu nepoliniu ryšiu.

Gamtoje vandenilis egzistuoja trijų izotopų, kurių masės skaičiai yra 1, 2 ir 3, pavidalu: protis 1 1 H, deuteris 2 1 D ir tritis 3 1 T. Pirmieji du yra stabilūs izotopai, o trečiasis – radioaktyvūs. Natūraliame izotopų mišinyje vyrauja protis. Kiekybiniai santykiai tarp izotopų H:D:T yra 1:1,46 10 -5: 4,00 10 -15 .

Vandenilio izotopų junginiai skiriasi vienas nuo kito savybėmis. Taigi, pavyzdžiui, šviesaus protiumo vandens (H 2 O) virimo ir užšalimo taškai yra atitinkamai -100 o C ir 0 o C, o deuterio (D 2 O) - 101,4 o C ir 3,8 o C. Reakcija norma su lengvojo vandens dalyvavimu yra didesnė nei sunkiojo vandens.

Vandenilis yra labiausiai paplitęs elementas Visatoje – jis sudaro apie 75% Visatos masės arba daugiau nei 90% visų jos atomų. Vandenilis yra vandens dalis svarbiausiame geologiniame Žemės apvalkale – hidrosferoje.

Vandenilis kartu su anglimi sudaro visas organines medžiagas, tai yra, yra gyvojo Žemės apvalkalo – biosferos – dalis. Žemės plutoje – litosferoje – vandenilio masė yra tik 0,88%, t.y., jis užima 9 vietą tarp visų elementų. Žemės oro apvalkalas – atmosferoje yra mažiau nei milijonoji viso molekulinio vandenilio tūrio. Jis randamas tik viršutiniuose atmosferos sluoksniuose.

Vandenilio gavimas ir naudojimas

Pirmą kartą vandenilį XVI amžiuje gavo viduramžių gydytojas ir alchemikas Paracelsas, kai į vandenį buvo panardinta geležinė plokštė. sieros rūgšties, o 1766 metais anglų chemikas Henry Cavendish įrodė, kad vandenilis gaunamas ne tik geležies sąveikai su sieros rūgštimi, bet ir kitiems metalams su kitomis rūgštimis. Cavendish taip pat pirmą kartą aprašė vandenilio savybes.

AT laboratorija gaunamos vandenilio sąlygos:

1. Metalų sąveika su rūgštimi:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H2

2. Šarminių ir šarminių žemių metalų sąveika su vandeniu

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

AT industrija vandenilis gaminamas šiais būdais:

1. Druskų, rūgščių ir šarmų vandeninių tirpalų elektrolizė. Dažniausiai naudojamas druskos tirpalas:

2NaCl + 2H 2O →el. srovė H 2 + Cl 2 + NaOH

2. Vandens garų regeneravimas įkaitusiu koksu:

C + H 2 O → t CO + H 2

Gautas anglies monoksido ir vandenilio mišinys vadinamas vandens dujos (sintezės dujos), ir plačiai naudojamas įvairių cheminių produktų (amoniako, metanolio ir kt.) sintezei. Išgauti vandenilį iš vandens dujų smalkės kaitinant vandens garais virsta anglies dioksidu:

CO + H 2 → t CO 2 + H 2

3. Metano šildymas esant vandens garams ir deguoniui. Šis metodas šiuo metu yra pagrindinis:

2CH 4 + O 2 + 2H 2 O → t 2CO 2 + 6H 2

Vandenilis plačiai naudojamas:

1. pramoninė amoniako ir vandenilio chlorido sintezė;

2. metanolio ir sintetinio skystojo kuro, kaip sintezės dujų dalies, gavimas (2 tūriai vandenilio ir 1 tūris CO);

3. naftos frakcijų hidrinimas ir hidrokrekingas;

4. skystų riebalų hidrinimas;

5. metalų pjovimas ir suvirinimas;

6. volframo, molibdeno ir renio gavimas iš jų oksidų;

7. kosminiai varikliai kaip kuras.

8. Termobranduoliniuose reaktoriuose kaip kuras naudojami vandenilio izotopai.

Fizinės ir Cheminės savybės vandenilis

Vandenilis yra bespalvės, beskonės ir bekvapės dujos. Tankis esant n.o. 0,09 g/l (14 kartų lengvesnis už orą). Vandenilis blogai tirpsta vandenyje (100 tūrių vandens yra tik 2 tūriai dujų), tačiau jį gerai sugeria d-metalai – nikelis, platina, paladis (viename tūryje paladžio ištirpsta iki 900 tūrių vandenilio).

Cheminėse reakcijose vandenilis turi ir redukuojančių, ir oksiduojančių savybių. Dažniausiai vandenilis veikia kaip reduktorius.

1. Sąveika su nemetalais. Vandenilis su nemetalais susidaro lakus vandenilio junginiai(žr. 25 paskaitą).

Su halogenais reakcijos greitis ir tekėjimo sąlygos keičiasi iš fluoro į jodą: vandenilis su fluoru reaguoja sprogiai net tamsoje, su chloru reakcija vyksta gana ramiai, esant mažai šviesos, su bromu ir jodu reakcijos grįžtamos ir vyksta tik kaitinant:

H 2 + F 2 → 2HF

H 2 + Cl 2 → hν 2HCl

H 2 + I 2 → t 2HI

Su deguonimi o sieros vandenilis reaguoja šiek tiek kaitindamas. Deguonies ir vandenilio mišinys santykiu 1:2 vadinamas sprogstamųjų dujų:

H 2 + O 2 → t H 2 O

H 2 + S → t H 2 S

Su azotu, fosforu ir anglimi reakcija vyksta kaitinant aukštas kraujo spaudimas ir esant katalizatoriui. Reakcijos yra grįžtamos:

3H2 + N2 → kat., p, t2NH3

2H 2 + 3P → kat., p, t3PH 3

H 2 + C → kat., p, t CH 4

2. Sąveika su sudėtingomis medžiagomis. Aukštoje temperatūroje vandenilis redukuoja metalus iš jų oksidų:

CuO + H 2 → t Cu + H 2 O

3. At sąveika su šarminiais ir žemės šarminiais metalais vandenilis pasižymi oksidacinėmis savybėmis:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

4. Sąveika su organinėmis medžiagomis. Vandenilis aktyviai sąveikauja su daugeliu organinių medžiagų, tokios reakcijos vadinamos hidrinimo reakcijomis. Panašios reakcijos plačiau bus aptartos III rinkinio „Organinė chemija“ dalyje.

Labiausiai paplitęs elementas visatoje yra vandenilis. Kalbant apie žvaigždes, ji turi branduolių – protonų – formą ir yra termobranduolinių procesų medžiaga. Beveik pusę Saulės masės taip pat sudaro H 2 molekulės. Jo kiekis žemės plutoje siekia 0,15%, o atomų yra naftos, gamtinių dujų ir vandens sudėtyje. Kartu su deguonimi, azotu ir anglimi tai yra organogeninis elementas, kuris yra visų gyvų organizmų Žemėje dalis. Savo straipsnyje išnagrinėsime vandenilio fizines ir chemines savybes, nustatysime pagrindines jo panaudojimo pramonėje sritis ir svarbą gamtoje.

Padėtis periodinėje Mendelejevo cheminių elementų sistemoje

Pirmasis elementas, atveriantis periodinę lentelę, yra vandenilis. Jo atominė masė yra 1,0079. Jame yra du stabilūs (protiumas ir deuteris) ir vienas radioaktyvus izotopas (tritis). Fizinės savybės nustatomi pagal nemetalo vietą cheminių elementų lentelėje. Įprastomis sąlygomis vandenilis (jo formulė yra H 2) yra dujos, kurios yra beveik 15 kartų lengvesnės už orą. Elemento atomo struktūra yra unikali: jis susideda tik iš branduolio ir vieno elektrono. Medžiagos molekulė yra dviatomė, joje esančios dalelės yra sujungtos kovalentiniu nepoliniu ryšiu. Jo energijos intensyvumas gana didelis – 431 kJ. Tai paaiškina mažą cheminį junginio aktyvumą normaliomis sąlygomis. Elektroninė vandenilio formulė yra: H:H.

Medžiaga taip pat turi daugybę savybių, kurios neturi analogų tarp kitų nemetalų. Panagrinėkime kai kuriuos iš jų.

Tirpumas ir šilumos laidumas

Metalai geriausiai praleidžia šilumą, tačiau vandenilis jiems priartėja pagal šilumos laidumą. Reiškinio paaiškinimas yra labai didelis greitis terminis judėjimas lengvos medžiagos molekulės, todėl vandenilio atmosferoje įkaitęs objektas atvėsta 6 kartus greičiau nei ore. Junginys gali gerai ištirpti metaluose, pavyzdžiui, vienas tūris paladžio gali sugerti beveik 900 tūrių vandenilio. Metalai gali pradėti chemines reakcijas su H 2, kuriose pasireiškia vandenilio oksidacinės savybės. Tokiu atveju susidaro hidridai:

2Na + H2 \u003d 2 NaH.

Šioje reakcijoje elemento atomai priima elektronus iš metalo dalelių, virsdami anijonais su vienetiniu neigiamu krūviu. Paprasta medžiaga H 2 in Ši byla yra oksidatorius, kuris dažniausiai jam nėra būdingas.

Vandenilis kaip reduktorius

Metalus ir vandenilį vienija ne tik didelis šilumos laidumas, bet ir jų atomų gebėjimas cheminiai procesai dovanoja savo elektronus, tai yra oksiduojasi. Pavyzdžiui, baziniai oksidai reaguoja su vandeniliu. Redokso reakcija baigiasi gryno metalo išsiskyrimu ir vandens molekulių susidarymu:

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

Medžiagos sąveika su deguonimi kaitinant taip pat lemia vandens molekulių susidarymą. Procesas yra egzoterminis ir jį lydi didelis šiluminės energijos kiekis. Jei H 2 ir O 2 dujų mišinys reaguoja santykiu 2: 1, tada jis vadinamas, nes užsidegęs sprogsta:

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

Vanduo yra ir atlieka svarbų vaidmenį formuojant Žemės hidrosferą, klimatą ir orus. Ji užtikrina elementų cirkuliaciją gamtoje, palaiko visus organizmų – mūsų planetos gyventojų – gyvybės procesus.

Sąveika su nemetalais

Svarbiausios vandenilio cheminės savybės yra jo reakcijos su nemetaliniais elementais. Normaliomis sąlygomis jie yra gana chemiškai inertiški, todėl medžiaga gali reaguoti tik su halogenais, pavyzdžiui, su fluoru ar chloru, kurie yra patys aktyviausi tarp visų nemetalų. Taigi, fluoro ir vandenilio mišinys sprogsta tamsoje arba šaltyje, o su chloru – kaitinamas ar šviesoje. Reakcijos produktai bus vandenilio halogenidai, kurių vandeniniai tirpalai žinomi kaip fluoro ir chlorido rūgštys. C sąveikauja esant 450–500 laipsnių temperatūrai, 30–100 MPa slėgiui ir esant katalizatoriui:

N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH3.

Svarstomos vandenilio cheminės savybės yra labai svarbios pramonei. Pavyzdžiui, galite gauti vertingą cheminį produktą – amoniaką. Tai pagrindinė žaliava nitratinių rūgščių ir azoto trąšų gamybai: karbamidui, amonio salietrai.

organinės medžiagos

Tarp anglies ir vandenilio susidaro paprasčiausias angliavandenilis - metanas:

C + 2H2 = CH4.

Medžiaga yra svarbiausias natūralios medžiagos komponentas ir naudojamas kaip vertingas kuras ir žaliava organinės sintezės pramonėje.

Anglies junginių chemijoje elementas yra įtrauktas į daugybę medžiagų: alkanų, alkenų, angliavandenių, alkoholių ir kt. Yra žinoma daug organinių junginių reakcijų su H 2 molekulėmis. Jie bendrai žinomi kaip hidrinimas arba hidrinimas. Taigi aldehidai gali būti redukuojami vandeniliu iki alkoholių, nesočiųjų angliavandenilių - į alkanus. Pavyzdžiui, etilenas paverčiamas etanu:

C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6.

Didelę praktinę reikšmę turi tokios cheminės vandenilio savybės, kaip, pavyzdžiui, skystų aliejų hidrinimas: saulėgrąžų, kukurūzų, rapsų. Dėl to susidaro kietieji riebalai – taukai, kurie naudojami glicerino, muilo, stearino, kietojo margarino gamyboje. Norėdami pagerinti išvaizdą ir skonį maisto produktasį jį dedama pieno, gyvulinių riebalų, cukraus, vitaminų.

Savo straipsnyje mes ištyrėme vandenilio savybes ir išsiaiškinome jo vaidmenį gamtoje ir žmogaus gyvenime.

Vandenilis H yra cheminis elementas, vienas labiausiai paplitusių mūsų Visatoje. Vandenilio, kaip elemento medžiagų sudėtyje, masė sudaro 75% viso kito tipo atomų kiekio. Jis įtrauktas į svarbiausią ir gyvybiškai svarbų ryšį planetoje – vandenį. Išskirtinis bruožas vandenilis yra ir tai, kad jis yra pirmasis elementas periodinėje D. I. Mendelejevo cheminių elementų sistemoje.

Atradimas ir tyrinėjimas

Pirmosios nuorodos į vandenilį Paracelso raštuose datuojamos XVI a. Tačiau jo izoliaciją nuo oro dujų mišinio ir degių savybių tyrimą jau XVII amžiuje atliko mokslininkas Lemery. Vandenilį nuodugniai ištyrė anglų chemikas, fizikas ir gamtininkas, kuris eksperimentiškai įrodė, kad vandenilio masė yra mažiausia, palyginti su kitomis dujomis. Vėlesniuose mokslo vystymosi etapuose su juo dirbo daug mokslininkų, ypač Lavoisier, kuris jį pavadino „vandens gimdymu“.

Būdinga pagal pareigas PSCE

Elementas, atidarantis periodinę D. I. Mendelejevo lentelę, yra vandenilis. Atomo fizinės ir cheminės savybės rodo tam tikrą dvilypumą, nes vandenilis tuo pačiu metu priskiriamas pirmajai grupei, pagrindiniam pogrupiui, jei jis elgiasi kaip metalas ir proceso metu atiduoda vieną elektroną. cheminė reakcija, o į septintą - visiškai užpildžius valentinį apvalkalą, tai yra, gavus neigiamą dalelę, kuri apibūdina ją kaip panašią į halogenus.

Elemento elektroninės struktūros ypatybės

Savybės sudėtingos medžiagos, kurioje jis yra, ir paprasčiausią medžiagą H 2 pirmiausia lemia elektroninė vandenilio konfigūracija. Dalelė turi vieną elektroną, kurio Z= (-1), kuris sukasi savo orbita aplink branduolį, kuriame yra vienas protonas, kurio masė vienetinė ir teigiamas krūvis (+1). Jo elektroninė konfigūracija parašyta kaip 1s 1, o tai reiškia vienos neigiamos dalelės buvimą pačioje pirmoje ir vienintelėje vandenilio s orbitoje.

Kai elektronas atsiskiria arba atiduodamas, o šio elemento atomas turi tokią savybę, kad yra susijęs su metalais, gaunamas katijonas. Tiesą sakant, vandenilio jonas yra teigiama elementarioji dalelė. Todėl vandenilis, kuriame nėra elektrono, tiesiog vadinamas protonu.

Fizinės savybės

Trumpai apibūdinant vandenilį, tai bespalvės, mažai tirpios dujos su giminaičiais atominė masė lygus 2, 14,5 karto lengvesnis už orą, suskystinimo temperatūra –252,8 laipsnio Celsijaus.

Iš patirties galima lengvai pastebėti, kad H2 yra lengviausias. Norėdami tai padaryti, pakanka užpildyti tris kamuoliukus įvairiomis medžiagomis - vandeniliu, anglies dioksidu, paprastu oru - ir vienu metu paleisti juos iš rankos. Tas, kuris užpildytas CO 2, greičiau nei bet kas pasieks žemę, po to kris pripūstas oro mišinio, o turintis H 2 pakils iki lubų.

Maža vandenilio dalelių masė ir dydis pateisina jo gebėjimą prasiskverbti įvairių medžiagų. To paties rutulio pavyzdyje tai nesunku patikrinti, po poros dienų jis pats išsikraus, nes dujos tiesiog praeis per gumą. Taip pat vandenilis gali kauptis kai kurių metalų (paladžio ar platinos) struktūroje, o kylant temperatūrai iš jo išgaruoti.

Mažo vandenilio tirpumo savybė naudojama laboratorinėje praktikoje, norint jį išskirti vandenilio išstūmimo metodu (toliau pateiktoje lentelėje pateikiami pagrindiniai parametrai) nustato jo taikymo sritį ir gamybos būdus.

Paprastos medžiagos atomo ar molekulės parametras	Reikšmė
atominė masė ( molinė masė)	1,008 g/mol
Elektroninė konfigūracija	1s 1
Kristalinė ląstelė	Šešiakampis
Šilumos laidumas	(300 K) 0,1815 W/(m K)
Tankis ties n. y.	0,08987 g/l
Virimo temperatūra	-252,76°C
Savitoji degimo šiluma	120,9 10 6 J/kg
Lydymosi temperatūra	-259,2°C
Tirpumas vandenyje	18,8 ml/l

Izotopinė sudėtis

Kaip ir daugelis kitų periodinės cheminių elementų sistemos atstovų, vandenilis turi keletą natūralių izotopų, tai yra atomų, kurių branduolyje yra toks pat protonų skaičius, bet skirtingas neutronų skaičius – dalelės, kurių įkrovimas nulinis ir masė vienetas. Panašių savybių turinčių atomų pavyzdžiai yra deguonis, anglis, chloras, bromas ir kiti, įskaitant radioaktyvius.

Fizinės vandenilio 1 H savybės, labiausiai paplitusios iš šios grupės atstovų, labai skiriasi nuo tų pačių analogų savybių. Visų pirma skiriasi medžiagų, į kurias jos įtrauktos, savybės. Taigi, yra paprastas ir deuteruotas vanduo, kurio sudėtyje vietoj vandenilio atomo su vienu protonu yra deuterio 2 H - jo izotopas su dviem elementariosios dalelės: teigiamas ir neįkrautas. Šis izotopas yra dvigubai sunkesnis už paprastą vandenilį, o tai paaiškina esminį jų sudarytų junginių savybių skirtumą. Gamtoje deuteris yra 3200 kartų retesnis nei vandenilis. Trečiasis atstovas yra tritis 3 H, jo branduolyje yra du neutronai ir vienas protonas.

Gavimo ir išskyrimo būdai

Laboratoriniai ir pramoniniai metodai labai skiriasi. Taigi nedideliais kiekiais dujos daugiausia gaunamos per reakcijas, kuriose dalyvauja mineralai, o didelio masto gamyboje labiau naudojama organinė sintezė.

Laboratorijoje naudojamos šios cheminės sąveikos:

Pramonės tikslais dujos gaunamos tokiais būdais kaip:

1. Terminis metano skilimas, esant katalizatoriui, iki jo sudedamųjų dalių paprastos medžiagos(350 laipsnių pasiekia tokio rodiklio reikšmę kaip temperatūra) - vandenilis H 2 ir anglis C.
2. Praleidžiant garų vandenį per koksą 1000 laipsnių Celsijaus temperatūroje, kad susidarytų anglies dvideginis CO 2 ir H 2 (labiausiai paplitęs metodas).
3. Dujinio metano pavertimas nikelio katalizatoriumi, kai temperatūra siekia 800 laipsnių.
4. Vandenilis yra kalio arba natrio chloridų vandeninių tirpalų elektrolizės šalutinis produktas.

Cheminė sąveika: bendrosios nuostatos

Vandenilio fizinės savybės daugiausia paaiškina jo elgesį reakcijos procesuose su vienu ar kitu junginiu. Vandenilio valentingumas yra 1, nes periodinėje lentelėje jis yra pirmoje grupėje, o oksidacijos laipsnis rodo kitą. Visuose junginiuose, išskyrus hidridus, vandenilis s.o. = (1+), tokiose molekulėse kaip XH, XH2, XH3 - (1-).

Vandenilio dujų molekulė, susidariusi sukūrus apibendrintą elektronų porą, susideda iš dviejų atomų ir yra gana stabili energetiškai, todėl normaliomis sąlygomis ji yra šiek tiek inertiška ir, pasikeitus normalioms sąlygoms, patenka į reakcijas. Priklausomai nuo vandenilio oksidacijos laipsnio kitų medžiagų sudėtyje, jis gali veikti ir kaip oksidatorius, ir kaip reduktorius.

Medžiagos, su kuriomis reaguoja ir susidaro vandenilis

Elementų sąveika formuojant sudėtingas medžiagas (dažnai aukštesnėje temperatūroje):

1. Šarminis ir šarminių žemių metalas+ vandenilis = hidridas.
2. Halogenas + H 2 = vandenilio halogenidas.
3. Siera + vandenilis = vandenilio sulfidas.
4. Deguonis + H 2 = vanduo.
5. Anglis + vandenilis = metanas.
6. Azotas + H 2 = amoniakas.

Sąveika su sudėtingomis medžiagomis:

1. Sintezės dujų gavimas iš anglies monoksido ir vandenilio.
2. Metalų atgavimas iš jų oksidų naudojant H 2 .
3. Nesočiųjų alifatinių angliavandenilių prisotinimas vandeniliu.

vandenilinė jungtis

Vandenilio fizinės savybės yra tokios, kad, kai jis yra sujungtas su elektronegatyviu elementu, jis leidžia sudaryti specialų ryšį su tuo pačiu atomu iš kaimyninių molekulių, turinčių nepasidalijusias elektronų poras (pavyzdžiui, deguonies, azoto ir fluoro). Aiškiausias pavyzdys, kuriuo remiantis geriau apsvarstyti tokį reiškinį, yra vanduo. Galima sakyti, kad jis susiūtas vandeniliniais ryšiais, kurie yra silpnesni nei kovalentiniai ar joniniai, tačiau dėl to, kad jų yra daug, jie daro didelę įtaką medžiagos savybėms. Iš esmės vandenilio jungtis yra elektrostatinė sąveika, kuri sujungia vandens molekules į dimerus ir polimerus, todėl kyla aukšta virimo temperatūra.

Vandenilis mineralinių junginių sudėtyje

Visuose yra protonas – atomo, pavyzdžiui, vandenilio, katijonas. Medžiaga, kurios rūgšties liekanos oksidacijos laipsnis yra didesnis nei (-1), vadinama daugiabaziu junginiu. Jame yra keli vandenilio atomai, kurie disociuojasi į vandeniniai tirpalai daugiapakopis. Kiekvienas paskesnis protonas vis sunkiau atsiskiria nuo likusios rūgšties. Pagal kiekybinį vandenilių kiekį terpėje nustatomas jos rūgštingumas.

Taikymas žmogaus veikloje

Balionai su medžiaga, taip pat indai su kitomis suskystintomis dujomis, pavyzdžiui, deguonimi, turi specifinę išvaizdą. Jie nudažyti tamsiai žaliai su ryškiai raudonu užrašu „Hydrogen“. Dujos į balioną pumpuojamos esant maždaug 150 atmosferų slėgiui. Vandenilio fizinės savybės, ypač lengvumas dujiniam agregacijos būsena, naudojamas užpildyti balionus, balionus ir pan., sumaišytus su heliu.

Vandenilis, kurio fizines ir chemines savybes žmonės išmoko naudoti prieš daugelį metų, šiuo metu naudojamas daugelyje pramonės šakų. Didžioji jo dalis skiriama amoniako gamybai. Vandenilis taip pat dalyvauja (hafnis, germanis, galis, silicis, molibdenas, volframas, cirkonis ir kt.) iš oksidų, veikdamas reakcijoje kaip reduktorius, vandenilio cianido ir druskos rūgštys, taip pat dirbtinis skystasis kuras. maisto pramone jį naudoja augaliniams aliejams paversti kietais riebalais.

Nustatėme vandenilio chemines savybes ir panaudojimą įvairiuose riebalų, anglių, angliavandenilių, alyvų ir mazuto hidrinimo ir hidrinimo procesuose. Su juo jie gamina brangakmenių, kaitinamąsias lempas, atlieka metalo gaminių kalimą ir virinimą, veikiant deguonies-vandenilio liepsnai.