Vodík objavil v druhej polovici 18. storočia anglický vedec v oblasti fyziky a chémie G. Cavendish. Podarilo sa mu izolovať látku v čistom stave, začal ju študovať a opísal jej vlastnosti.

Taká je história objavu vodíka. Počas experimentov výskumník zistil, že ide o horľavý plyn, ktorého spaľovaním na vzduchu vzniká voda. To viedlo k stanoveniu kvalitatívneho zloženia vody.

Čo je vodík

Vodík ako jednoduchú látku prvýkrát vyhlásil francúzsky chemik A. Lavoisier v roku 1784, keďže zistil, že jeho molekula obsahuje atómy rovnakého typu.

Názov chemického prvku v latinčine znie ako hydrogenium (čítaj „hydrogenium“), čo znamená „zrodenie vody“. Názov sa vzťahuje na spaľovaciu reakciu, pri ktorej vzniká voda.

Charakterizácia vodíka

Označenie vodíka N. Mendelejev priradil prvé sériové číslo tomuto chemickému prvku, zaradil ho do hlavnej podskupiny prvej skupiny a prvej periódy a podmienečne do hlavnej podskupiny siedmej skupiny.

Atómová hmotnosť (atómová hmotnosť) vodíka je 1,00797. Molekulová hmotnosť H2 je 2a. e) Molárna hmotnosť sa jej číselne rovná.

Predstavujú ho tri izotopy so špeciálnym názvom: najbežnejšie protium (H), ťažké deutérium (D) a rádioaktívne trícium (T).

Je to prvý prvok, ktorý možno úplne rozdeliť na izotopy. jednoduchým spôsobom. Je založená na veľkom hmotnostnom rozdiele izotopov. Tento proces sa prvýkrát uskutočnil v roku 1933. Vysvetľuje to skutočnosť, že až v roku 1932 bol objavený izotop s hmotnosťou 2.

Fyzikálne vlastnosti

Za normálnych podmienok je jednoduchá látka vodík vo forme dvojatómových molekúl plyn, bez farby, ktorý nemá chuť ani vôňu. Mierne rozpustný vo vode a iných rozpúšťadlách.

Teplota kryštalizácie - 259,2 o C, bod varu - 252,8 o C. Priemer molekúl vodíka je taký malý, že majú schopnosť pomaly difundovať cez množstvo materiálov (guma, sklo, kovy). Táto vlastnosť sa používa, keď je potrebné vyčistiť vodík od plynných nečistôt. Na n. r. vodík má hustotu 0,09 kg/m3.

Je možné premeniť vodík na kov analogicky s prvkami nachádzajúcich sa v prvej skupine? Vedci zistili, že vodík v podmienkach, keď sa tlak blíži k 2 miliónom atmosfér, začne absorbovať infračervené lúče, čo naznačuje polarizáciu molekúl látky. Možno pri ešte vyšších tlakoch sa vodík stane kovom.

Je to zaujímavé: existuje predpoklad, že na obrovských planétach Jupiter a Saturn je vodík vo forme kovu. Predpokladá sa, že kovový pevný vodík je prítomný aj v zložení zemského jadra, a to v dôsledku ultravysokého tlaku vytváraného zemským plášťom.

Chemické vlastnosti

AT chemická interakcia s vodíkom vstupujú jednoduché aj zložité látky. Nízku aktivitu vodíka je ale potrebné zvýšiť vytvorením vhodných podmienok – zvýšením teploty, použitím katalyzátorov atď.

Pri zahrievaní jednoduché látky ako kyslík (O 2), chlór (Cl 2), dusík (N 2), síra (S) reagujú s vodíkom.

Ak zapálite čistý vodík na konci plynovej trubice vo vzduchu, bude horieť rovnomerne, ale sotva postrehnuteľne. Ak je však výstupná trubica plynu umiestnená v atmosfére čistého kyslíka, spaľovanie bude pokračovať s tvorbou kvapiek vody na stenách nádoby v dôsledku reakcie:

Spaľovanie vody je sprevádzané uvoľňovaním veľkého množstva tepla. Ide o exotermickú zlúčeninu, pri ktorej sa vodík oxiduje kyslíkom za vzniku oxidu H 2 O. Je to tiež redoxná reakcia, pri ktorej sa oxiduje vodík a redukuje sa kyslík.

Podobne prebieha reakcia s Cl2 za vzniku chlorovodíka.

Interakcia dusíka s vodíkom vyžaduje vysokú teplotu a vysoký tlak, ako aj prítomnosť katalyzátora. Výsledkom je amoniak.

V dôsledku reakcie so sírou vzniká sírovodík, ktorého rozpoznanie uľahčuje charakteristický zápach zhnitých vajec.

Oxidačný stav vodíka v týchto reakciách je +1 a v hydridoch opísaných nižšie je 1.

Pri reakcii s niektorými kovmi vznikajú hydridy, napríklad hydrid sodný - NaH. Niektoré z týchto komplexných zlúčenín sa používajú ako palivo pre rakety, ako aj pri fúznej energii.

Vodík reaguje aj s látkami z kategórie komplexov. Napríklad s oxidom meďnatým má vzorec CuO. Na uskutočnenie reakcie sa vodík medi vedie cez zahriaty práškový oxid meďnatý (II). V priebehu interakcie činidlo mení svoju farbu a stáva sa červenohnedým a kvapôčky vody sa usadzujú na studených stenách skúmavky.

Počas reakcie sa vodík oxiduje za vzniku vody a meď sa redukuje z oxidu na jednoduchú látku (Cu).

Oblasti použitia

Vodík má veľký význam pre ľudí a nachádza uplatnenie v rôznych oblastiach:

1. AT chemická výroba- to je surovina, v iných odvetviach - palivo. Nezaobídete sa bez vodíka a podnikov petrochémie a rafinácie ropy.
2. V elektroenergetike táto jednoduchá látka pôsobí ako chladivo.
3. V železnej a neželeznej metalurgii hrá vodík úlohu redukčného činidla.
4. S touto pomocou sa pri balení produktov vytvára inertné prostredie.
5. Farmaceutický priemysel používa vodík ako činidlo pri výrobe peroxidu vodíka.
6. Meteorologické sondy sú naplnené týmto svetelným plynom.
7. Tento prvok je tiež známy ako činidlo na redukciu paliva pre raketové motory.

Vedci jednomyseľne predpovedajú, že vodíkové palivo bude lídrom v energetickom sektore.

Príjem v priemysle

V priemysle sa vodík vyrába elektrolýzou, ktorá podlieha chloridom alebo hydroxidom alkalických kovov rozpusteným vo vode. Vodík je možné získať aj týmto spôsobom priamo z vody.

Na tento účel sa využíva premena koksu alebo metánu s parou. Rozkladom metánu pri zvýšenej teplote vzniká aj vodík. Využíva sa aj skvapalňovanie koksárenského plynu frakčnou metódou priemyselná produkcia vodík.

Získanie v laboratóriu

V laboratóriu sa na výrobu vodíka používa Kippov prístroj.

Kyselina chlorovodíková alebo sírová a zinok pôsobia ako činidlá. V dôsledku reakcie sa tvorí vodík.

Hľadanie vodíka v prírode

Vodík je najbežnejším prvkom vo vesmíre. Väčšina hviezd vrátane Slnka a ďalších vesmírne telesá tvorí vodík.

AT zemská kôra je to len 0,15 %. Je prítomný v mnohých mineráloch, vo všetkých organických látkach, ako aj vo vode, ktorá pokrýva 3/4 povrchu našej planéty.

V hornej atmosfére možno nájsť stopy čistého vodíka. Nachádza sa aj v množstve horľavých zemných plynov.

Plynný vodík je najtenší a kvapalný vodík je najhustejšia látka na našej planéte. Pomocou vodíka môžete zmeniť farbu hlasu, ak ho vdýchnete, a hovoriť pri výdychu.

V centre diania tých najmocnejších vodíková bomba spočíva v štiepení najľahšieho atómu.

V periodickom systéme sa vodík nachádza v dvoch skupinách prvkov, ktoré sú svojimi vlastnosťami absolútne opačné. Táto funkcia ho robí úplne jedinečným. Vodík nie je len prvok alebo látka, ale aj a neoddeliteľnou súčasťou mnohé komplexné zlúčeniny, organogénne a biogénne prvky. Preto podrobnejšie zvážime jeho vlastnosti a vlastnosti.

Uvoľňovanie horľavého plynu pri interakcii kovov a kyselín bolo pozorované už v 16. storočí, teda pri formovaní chémie ako vedy. Slávny anglický vedec Henry Cavendish študoval látku od roku 1766 a dal jej názov „horľavý vzduch“. Pri horení tento plyn produkoval vodu. Žiaľ, vedcovo priľnutie k teórii flogistónu (hypotetická „hyperjemná hmota“) mu zabránilo prísť do správne závery.

Francúzsky chemik a prírodovedec A. Lavoisier spolu s inžinierom J. Meunierom a pomocou špeciálnych plynomerov v roku 1783 uskutočnili syntézu vody a následne jej rozbor rozkladom vodnej pary rozžeraveným železom. Vedci tak mohli dospieť k správnym záverom. Zistili, že „horľavý vzduch“ nie je len súčasťou vody, ale dá sa z nej aj získať.

V roku 1787 Lavoisier navrhol, že skúmaný plyn je jednoduchá látka, a preto je jednou z hlavných chemické prvky. Nazval ho vodík (od Grécke slová hydor – voda + gennao – rodím), teda „rodiť do vody“.

Ruský názov "vodík" navrhol v roku 1824 chemik M. Solovyov. Stanovenie zloženia vody znamenalo koniec „flogistónovej teórie“. Na prelome 18. a 19. storočia sa zistilo, že atóm vodíka je veľmi ľahký (v porovnaní s atómami iných prvkov) a jeho hmotnosť bola braná ako hlavná jednotka na porovnávanie atómových hmotností, čím sa získala hodnota rovnajúca sa 1.

Fyzikálne vlastnosti

Vodík je najľahší zo všetkých látok, ktoré veda pozná (je 14,4-krát ľahší ako vzduch), jeho hustota je 0,0899 g/l (1 atm, 0 °C). Tento materiál sa topí (tuhne) a vrie (skvapalňuje) pri -259,1 °C a -252,8 °C (len hélium má nižšiu teplotu varu a teplotu topenia).

Kritická teplota vodíka je extrémne nízka (-240 °C). Z tohto dôvodu je jeho skvapalňovanie pomerne komplikovaný a nákladný proces. Kritický tlak látky je 12,8 kgf / cm² a kritická hustota je 0,0312 g / cm³. Medzi všetkými plynmi má vodík najvyššia tepelná vodivosť: pri 1 atm a 0 °C sa rovná 0,174 W / (mxK).

Špecifická tepelná kapacita látky za rovnakých podmienok je 14,208 kJ / (kgxK) alebo 3,394 cal / (gh ° C). Tento prvok je mierne rozpustný vo vode (asi 0,0182 ml / g pri 1 atm a 20 ° C), ale dobre - vo väčšine kovov (Ni, Pt, Pa a ďalšie), najmä v paládiu (asi 850 objemov na objem Pd ) .

Posledná uvedená vlastnosť je spojená s jej schopnosťou difúzie, zatiaľ čo difúzia cez uhlíkovú zliatinu (napríklad oceľ) môže byť sprevádzaná deštrukciou zliatiny v dôsledku interakcie vodíka s uhlíkom (tento proces sa nazýva dekarbonizácia). V kvapalnom stave je látka veľmi ľahká (hustota - 0,0708 g / cm³ pri t ° \u003d -253 ° C) a tekutá (viskozita - 13,8 ° C za rovnakých podmienok).

V mnohých zlúčeninách tento prvok vykazuje valenciu +1 (oxidačný stav), podobne ako sodík a iné alkalické kovy. Zvyčajne sa považuje za analóg týchto kovov. Preto vedie skupinu I systému Mendelejev. V hydridoch kovov má vodíkový ión negatívny náboj (oxidačný stav je -1), to znamená, že Na + H- má štruktúru podobnú chloridu Na + Cl-. V súlade s týmto a niektorými ďalšími skutočnosťami (blízkosť fyzikálnych vlastností prvku "H" a halogénov, schopnosť nahradiť ho halogénmi v organických zlúčeninách) je vodík zaradený do skupiny VII Mendelejevovho systému.

Za normálnych podmienok má molekulárny vodík nízku aktivitu a priamo sa kombinuje iba s najaktívnejšími nekovmi (s fluórom a chlórom, s druhým - na svetle). Pri zahrievaní zasa interaguje s mnohými chemickými prvkami.

Atómový vodík má zvýšenú chemickú aktivitu (v porovnaní s molekulárnym vodíkom). S kyslíkom tvorí vodu podľa vzorca:

Н₂ + ½О₂ = Н₂О,

uvoľňuje 285,937 kJ/mol tepla alebo 68,3174 kcal/mol (25°C, 1 atm). Za normálnych teplotných podmienok reakcia prebieha pomerne pomaly a pri t ° >= 550 ° С je nekontrolovaná. Výbušné limity zmesi vodíka + kyslíka sú 4 – 94 % H2 a zmesí vodíka + vzduchu 4 – 74 % H2 (zmes dvoch objemov H2 a jedného objemu O2 sa nazýva výbušný plyn).

Tento prvok sa používa na redukciu väčšiny kovov, pretože berie kyslík z oxidov:

Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H₂О,

CuO + H2 = Cu + H2O atď.

S rôznymi halogénmi tvorí vodík halogenovodík, napríklad:

H2 + Cl2 = 2 HCl.

Pri reakcii s fluórom však vodík exploduje (to sa stáva aj v tme, pri -252 ° C), s brómom a chlórom reaguje iba pri zahrievaní alebo osvetlení a s jódom iba pri zahrievaní. Pri interakcii s dusíkom sa tvorí amoniak, ale iba na katalyzátore, pri zvýšených tlakoch a teplotách:

ZN2 + N2 = 2NH3.

Pri zahrievaní vodík aktívne reaguje so sírou:

H2 + S = H2S (sírovodík),

a oveľa ťažšie - s telúrom alebo selénom. Vodík reaguje s čistým uhlíkom bez katalyzátora, ale pri vysokých teplotách:

2H2 + C (amorfný) = CH4 (metán).

Táto látka priamo reaguje s niektorými kovmi (alkálie, alkalické zeminy a iné), pričom vytvára hydridy, napr.

H₂ + 2Li = 2LiH.

Nemalý praktický význam majú interakcie vodíka a oxidu uhoľnatého (II). V tomto prípade v závislosti od tlaku, teploty a katalyzátora vznikajú rôzne organické zlúčeniny: HCHO, CH3OH atď. Nenasýtené uhľovodíky sa počas reakcie menia na nasýtené, napr.

С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.

Vodík a jeho zlúčeniny zohrávajú v chémii výnimočnú úlohu. Podmieňuje kyslé vlastnosti tzv. protické kyseliny, má tendenciu vytvárať vodíkovú väzbu s rôznymi prvkami, čo má významný vplyv na vlastnosti mnohých anorganických a Organické zlúčeniny.

Získavanie vodíka

Hlavné druhy surovín pre priemyselná produkcia tohto prvku sú plyny z rafinácie ropy, prírodné horľavé a koksárenské plyny. Získava sa aj z vody elektrolýzou (na miestach s cenovo dostupnou elektrinou). Jeden z zásadné metódy Za výrobu materiálu zo zemného plynu sa považuje katalytická interakcia uhľovodíkov, najmä metánu, s vodnou parou (tzv. konverzia). Napríklad:

CH4 + H20 = CO + ZH2.

Neúplná oxidácia uhľovodíkov kyslíkom:

CH4 + ½02 \u003d CO + 2H2.

Syntetizovaný oxid uhoľnatý (II) prechádza konverziou:

CO + H20 = CO2 + H2.

Vodík vyrobený zo zemného plynu je najlacnejší.

Na elektrolýzu vody sa používa jednosmerný prúd, ktorý prechádza cez roztok NaOH alebo KOH (nepoužívajú sa kyseliny, aby nedochádzalo ku korózii zariadenia). V laboratórnych podmienkach sa materiál získava elektrolýzou vody alebo v dôsledku reakcie medzi nimi kyselina chlorovodíková ach zinok. Častejšie sa však používa hotový továrenský materiál vo valcoch.

Od plynov z rafinácie ropy a koksárenského plynu sa tento prvok izoluje odstránením všetkých ostatných komponentov zmes plynov, pretože pri hlbokom ochladení ľahšie skvapalnia.

Priemyselne sa tento materiál začal získavať späť v r koniec XVIII storočí. Potom sa používal na plnenie balónov. V súčasnosti je vodík široko používaný v priemysle, hlavne v chemickom priemysle, na výrobu amoniaku.

Masovými spotrebiteľmi látky sú výrobcovia metylových a iných alkoholov, syntetického benzínu a mnohých ďalších produktov. Získavajú sa syntézou z oxidu uhoľnatého (II) a vodíka. Vodík sa používa na hydrogenáciu ťažkých a tuhých kvapalných palív, tukov a pod., na syntézu HCl, hydrorafináciu ropných produktov, ako aj na rezanie / zváranie kovov. Podstatné prvky pre jadrovú energiu sú jej izotopy - trícium a deutérium.

Biologická úloha vodíka

Asi 10% hmotnosti živých organizmov (v priemere) pripadá na tento prvok. Je súčasťou vody a najdôležitejších skupín prírodných zlúčenín, vrátane bielkovín, nukleových kyselín, lipidov, sacharidov. Na čo slúži?

Táto látka hrá rozhodujúcu úlohu: pri zachovaní priestorovej štruktúry bielkovín (kvartérne), pri realizácii princípu komplementarity nukleových kyselín(t. j. pri implementácii a ukladaní genetickej informácie), vo všeobecnosti pri „rozpoznaní“ na molekulárnej úrovni.

Vodíkový ión H+ sa zúčastňuje dôležitých dynamických reakcií/procesov v organizme. Vrátane: v biologická oxidácia, ktorý poskytuje živým bunkám energiu, pri biosyntéznych reakciách, pri fotosyntéze v rastlinách, pri bakteriálnej fotosyntéze a fixácii dusíka, pri udržiavaní acidobázickej rovnováhy a homeostázy, pri membránových transportných procesoch. Spolu s uhlíkom a kyslíkom tvorí funkčný a štrukturálny základ javov života.

Prednáška 29

Vodík. Voda

Plán prednášok:

Voda. Chemické a fyzikálne vlastnosti

Úloha vodíka a vody v prírode

Vodík ako chemický prvok

Vodík je jediný prvok periodický systém D. I. Mendelejev, ktorého umiestnenie je nejednoznačné. Jeho chemický symbol v periodickej tabuľke sa zaznamenáva dvakrát: v skupinách IA aj VIIA. Vysvetľuje to skutočnosť, že vodík má množstvo vlastností, ktoré ho spájajú s alkalickými kovmi aj halogénmi (tabuľka 14).

Tabuľka 14

Porovnanie vlastností vodíka s vlastnosťami alkalických kovov a halogénov

Podobnosť s alkalickými kovmi	Podobnosť s halogénmi
Na vonkajšej energetickej úrovni obsahujú atómy vodíka jeden elektrón. Vodík patrí medzi s-prvky	Na dokončenie vonkajšej a jedinej úrovne atómom vodíka, podobne ako atómom halogénu, chýba jeden elektrón
Vodík má redukčné vlastnosti. V dôsledku oxidácie získava vodík vo svojich zlúčeninách najbežnejší oxidačný stav +1	Vodík, podobne ako halogény, v zlúčeninách s alkalickými kovmi a kovmi alkalických zemín má oxidačný stav -1, čo potvrdzuje jeho oxidačné vlastnosti.
Predpokladá sa prítomnosť tuhého vodíka s kovovou kryštálovou mriežkou v priestore.	Rovnako ako fluór a chlór je vodík za normálnych podmienok plyn. Jeho molekuly, podobne ako molekuly halogénov, sú dvojatómové a sú tvorené kovalentnou nepolárnou väzbou

V prírode existuje vodík vo forme troch izotopov s hmotnostnými číslami 1, 2 a 3: protium 1 1 H, deutérium 2 1 D a trícium 3 1 T. Prvé dva sú stabilné izotopy a tretí je rádioaktívny. V prírodnej zmesi izotopov dominuje protium. Kvantitatívne pomery medzi izotopmi H:D:T sú 1:1,46 10-5 : 4,00 10-15.

Zlúčeniny izotopov vodíka sa navzájom líšia vlastnosťami. Napríklad body varu a mrazu ľahkej protiumovej vody (H2O) sa rovnajú -100 °C a 0 °C a deutéria (D20) -101,4 °C a 3,8 °C. Rýchlosť reakcie za účasti ľahkej vody je vyššia ako ťažkej vody.

Vodík je najrozšírenejším prvkom vo vesmíre a predstavuje približne 75 % hmotnosti vesmíru alebo viac ako 90 % všetkých jeho atómov. Vodík je súčasťou vody v jej najdôležitejšom geologickom obale Zeme – hydrosfére.

Vodík tvorí spolu s uhlíkom všetky organické látky, to znamená, že je súčasťou živej škrupiny Zeme – biosféry. V zemskej kôre - litosfére - je hmotnostný obsah vodíka iba 0,88%, to znamená, že zaberá 9. miesto medzi všetkými prvkami. Vzduchový obal Zeme – atmosféra obsahuje menej ako milióntinu celkového objemu pripadajúceho na molekulárny vodík. Nachádza sa iba vo vyšších vrstvách atmosféry.

Získavanie a používanie vodíka

Vodík prvýkrát získal v 16. storočí stredoveký lekár a alchymista Paracelsus, keď bola železná platňa ponorená do kyselina sírová a v roku 1766 anglický chemik Henry Cavendish dokázal, že vodík sa získava nielen interakciou železa s kyselinou sírovou, ale aj iných kovov s inými kyselinami. Cavendish tiež prvýkrát opísal vlastnosti vodíka.

AT laboratórium vodíkové podmienky sa získajú:

1. Interakcia kovov s kyselinou:

Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2

2. Interakcia alkalických kovov a kovov alkalických zemín s vodou

2Na + 2H20 -> 2NaOH + H2

Ca + 2H20 -> Ca (OH)2 + H2

AT priemyslu vodík sa vyrába nasledujúcimi spôsobmi:

1. Elektrolýza vodných roztokov solí, kyselín a zásad. Najčastejšie používaným soľným roztokom je:

2NaCl + 2H20 ->el. prúd H2 + Cl2 + NaOH

2. Rekuperácia vodnej pary rozžeraveným koksom:

C + H20 -> tCO + H2

Výsledná zmes oxidu uhoľnatého a vodíka sa nazýva vodný plyn (syntetický plyn), a je široko používaný na syntézu rôznych chemických produktov (amoniak, metanol atď.). Na extrakciu vodíka z vodného plynu oxid uhoľnatý pri zahrievaní vodnou parou sa mení na oxid uhličitý:

CO + H2 -> tC02 + H2

3. Vykurovanie metánom v prítomnosti vodnej pary a kyslíka. Táto metóda je v súčasnosti hlavná:

2CH4+02 + 2H20 → t2CO2 + 6H2

Vodík sa široko používa na:

1. priemyselná syntéza amoniaku a chlorovodíka;

2. získanie metanolu a syntetického kvapalného paliva ako súčasti syntézneho plynu (2 objemy vodíka a 1 objem CO);

3. hydrorafinácia a hydrokrakovanie ropných frakcií;

4. hydrogenácia tekutých tukov;

5. rezanie a zváranie kovov;

6. získavanie volfrámu, molybdénu a rénia z ich oxidov;

7. vesmírne motory ako palivo.

8. Termonukleárne reaktory využívajú ako palivo izotopy vodíka.

Fyzické a Chemické vlastnosti vodík

Vodík je bezfarebný plyn bez chuti a zápachu. Hustota pri n.o. 0,09 g/l (14-krát ľahší ako vzduch). Vodík je slabo rozpustný vo vode (iba 2 objemy plynu na 100 objemov vody), ale dobre ho absorbujú d-kovy - nikel, platina, paládium (v jednom objeme paládia je rozpustených až 900 objemov vodíka).

Pri chemických reakciách vodík vykazuje redukčné aj oxidačné vlastnosti. Najčastejšie vodík pôsobí ako redukčné činidlo.

1. Interakcia s nekovmi. Vodík s nekovmi tvorí prchavé látky zlúčeniny vodíka(pozri prednášku 25).

S halogénmi rýchlosť reakcie a prietokové podmienky sa menia z fluóru na jód: vodík reaguje s fluórom výbuchom aj v tme, s chlórom prebieha reakcia celkom pokojne pri malom osvetlení, s brómom a jódom sú reakcie vratné a prebiehajú len pri zahriatí:

H2 + F2 -> 2HF

H2 + Cl2 -> hv2HCl

H2 + I2 → t2HI

S kyslíkom a sírový vodík reaguje s miernym zahriatím. Nazýva sa zmes kyslíka a vodíka v pomere 1:2 výbušný plyn:

H2+02 ->tH20

H2 + S → t H2S

S dusíkom, fosforom a uhlíkom reakcia nastáva pri zahrievaní vysoký krvný tlak a v prítomnosti katalyzátora. Reakcie sú reverzibilné:

3H2 + N2 -> kat., p, t2NH3

2H2 + 3P -> kat., p, t3PH 3

H2 + C → kat., p, t CH 4

2. Interakcia s komplexnými látkami. Pri vysokých teplotách vodík redukuje kovy z ich oxidov:

CuO + H2 -> tCu + H20

3. O interakcia s alkalickými kovmi a kovmi alkalických zemín vodík má oxidačné vlastnosti:

2Na + H2 -> 2NaH

Ca + H2 -> CaH2

4. Interakcia s organickými látkami. Vodík aktívne interaguje s mnohými organickými látkami, takéto reakcie sa nazývajú hydrogenačné reakcie. Podobné reakcie budú podrobnejšie zvážené v časti III zbierky "Organická chémia".

Najrozšírenejším prvkom vo vesmíre je vodík. V hmote hviezd má podobu jadier – protónov – a je materiálom pre termonukleárne procesy. Takmer polovicu hmotnosti Slnka tvoria aj molekuly H 2 . Jeho obsah v zemskej kôre dosahuje 0,15% a atómy sú prítomné v zložení ropy, zemného plynu a vody. Spolu s kyslíkom, dusíkom a uhlíkom ide o organogénny prvok, ktorý je súčasťou všetkých živých organizmov na Zemi. V našom článku budeme študovať fyzikálne a chemické vlastnosti vodíka, určíme hlavné oblasti jeho použitia v priemysle a jeho význam v prírode.

Pozícia v periodickom systéme chemických prvkov Mendelejeva

Prvým prvkom, ktorý otvára periodickú tabuľku, je vodík. Jeho atómová hmotnosť je 1,0079. Má dva stabilné (protium a deutérium) a jeden rádioaktívny izotop (trícium). Fyzikálne vlastnosti sú určené miestom nekovu v tabuľke chemických prvkov. Za normálnych podmienok je vodík (jeho vzorec je H 2) plyn, ktorý je takmer 15-krát ľahší ako vzduch. Štruktúra atómu prvku je jedinečná: pozostáva iba z jadra a jedného elektrónu. Molekula látky je dvojatómová, častice v nej sú spojené pomocou kovalentnej nepolárnej väzby. Jeho energetická náročnosť je pomerne vysoká – 431 kJ. To vysvetľuje nízku chemickú aktivitu zlúčeniny za normálnych podmienok. Elektronický vzorec vodíka je: H:H.

Látka má tiež množstvo vlastností, ktoré medzi inými nekovmi nemajú obdobu. Uvažujme o niektorých z nich.

Rozpustnosť a tepelná vodivosť

Kovy vedú teplo najlepšie, ale vodík sa im približuje z hľadiska tepelnej vodivosti. Vysvetlenie tohto javu spočíva vo veľmi vysokej rýchlosti tepelný pohyb svetelné molekuly látky, preto sa vo vodíkovej atmosfére ohrievaný predmet ochladzuje 6-krát rýchlejšie ako vo vzduchu. Zlúčenina sa môže dobre rozpúšťať v kovoch, napríklad takmer 900 objemov vodíka môže byť absorbovaných jedným objemom paládia. Kovy môžu vstúpiť do chemických reakcií s H 2, v ktorých sa prejavujú oxidačné vlastnosti vodíka. V tomto prípade sa tvoria hydridy:

2Na + H2 \u003d 2 NaH.

Pri tejto reakcii atómy prvku prijímajú elektróny z kovových častíc a menia sa na anióny s jednotkovým záporným nábojom. Jednoduchá látka H 2 in tento prípad je oxidačné činidlo, ktoré preň zvyčajne nie je typické.

Vodík ako redukčné činidlo

To, čo spája kovy a vodík, je nielen vysoká tepelná vodivosť, ale aj schopnosť ich atómov chemické procesy darovať vlastné elektróny, teda oxidovať. Napríklad zásadité oxidy reagujú s vodíkom. Redoxná reakcia končí uvoľnením čistého kovu a tvorbou molekúl vody:

CuO + H2 \u003d Cu + H20.

Interakcia látky s kyslíkom počas zahrievania vedie aj k tvorbe molekúl vody. Proces je exotermický a je sprevádzaný uvoľňovaním veľkého množstva tepelnej energie. Ak plynná zmes H2 a O2 reaguje v pomere 2: 1, potom sa nazýva, pretože pri zapálení exploduje:

2H2+02 \u003d 2H20.

Voda je a hrá dôležitú úlohu pri formovaní zemskej hydrosféry, klímy a počasia. Zabezpečuje obeh prvkov v prírode, podporuje všetky životné procesy organizmov – obyvateľov našej planéty.

Interakcia s nekovmi

Najdôležitejšie chemické vlastnosti vodíka sú jeho reakcie s nekovovými prvkami. Za normálnych podmienok sú dosť chemicky inertné, takže látka môže reagovať len s halogénmi, napríklad s fluórom alebo chlórom, ktoré sú spomedzi všetkých nekovov najaktívnejšie. Takže zmes fluóru a vodíka exploduje v tme alebo v chlade a s chlórom - pri zahrievaní alebo na svetle. Reakčnými produktmi budú halogenovodíky, ktorých vodné roztoky sú známe ako fluoridové a chloridové kyseliny. C interaguje pri teplote 450-500 stupňov, tlaku 30-100 MPa a v prítomnosti katalyzátora:

N2 + 3H2⇔p, t, kat⇔2NH3.

Uvažované chemické vlastnosti vodíka majú veľký význam pre priemysel. Môžete napríklad získať cenný chemický produkt - amoniak. Je hlavnou surovinou na výrobu dusičnanových kyslých a dusíkatých hnojív: močovina, dusičnan amónny.

organickej hmoty

Medzi uhlíkom a vodíkom dochádza k produkcii najjednoduchšieho uhľovodíka - metánu:

C + 2H2 = CH4.

Látka je najdôležitejšou zložkou prírodnej látky a používa sa ako cenný druh paliva a suroviny pre priemysel organickej syntézy.

V chémii zlúčenín uhlíka je prvok obsiahnutý v obrovskom množstve látok: alkány, alkény, uhľohydráty, alkoholy atď. Je známych veľa reakcií organických zlúčenín s molekulami H2. Súhrnne sú známe ako hydrogenácia alebo hydrogenácia. Aldehydy sa teda môžu redukovať vodíkom na alkoholy, nenasýtené uhľovodíky - na alkány. Napríklad etylén sa premieňa na etán:

C2H4 + H2 \u003d C2H6.

Veľký praktický význam majú také chemické vlastnosti vodíka, ako je napríklad hydrogenácia kvapalných olejov: slnečnice, kukurice a repky. Vedie k produkcii tuhého tuku – bravčovej masti, ktorá sa používa pri výrobe glycerínu, mydla, stearínu, tvrdých odrôd margarínu. Na zlepšenie vzhľadu a chuti potravinársky výrobok pridáva sa do nej mlieko, živočíšne tuky, cukor, vitamíny.

V našom článku sme študovali vlastnosti vodíka a zistili jeho úlohu v prírode a ľudskom živote.

Vodík H je chemický prvok, jeden z najbežnejších v našom vesmíre. Hmotnosť vodíka ako prvku v zložení látok je 75% z celkového obsahu atómov iného typu. Je súčasťou najdôležitejšieho a životne dôležitého spojenia na planéte - vody. Výrazná vlastnosť vodíka je aj fakt, že je prvým prvkom v periodickej sústave chemických prvkov D. I. Mendelejeva.

Objavovanie a skúmanie

Prvé zmienky o vodíku v spisoch Paracelsa pochádzajú zo šestnásteho storočia. Ale jeho izoláciu od plynnej zmesi vzduchu a štúdium horľavých vlastností urobil už v sedemnástom storočí vedec Lemery. Vodík dôkladne študoval anglický chemik, fyzik a prírodovedec, ktorý experimentálne dokázal, že hmotnosť vodíka je najmenšia v porovnaní s inými plynmi. V nasledujúcich fázach rozvoja vedy s ním pracovalo veľa vedcov, najmä Lavoisier, ktorý ho nazval „zrodením vody“.

Charakteristické podľa pozície v PSCE

Prvok, ktorý otvára periodickú tabuľku D. I. Mendelejeva, je vodík. Fyzikálne a chemické vlastnosti atómu vykazujú určitý druh duality, pretože vodík sa súčasne vzťahuje na prvú skupinu, hlavnú podskupinu, ak sa chová ako kov a v procese uvoľňuje jediný elektrón. chemická reakcia, a po siedme - v prípade úplného naplnenia valenčnej škrupiny, to znamená prijatie negatívnej častice, ktorá ju charakterizuje ako podobnú halogénom.

Vlastnosti elektronickej štruktúry prvku

Vlastnosti komplexné látky, v ktorej je obsiahnutý, a najjednoduchšia látka H 2 sú primárne určené elektrónovou konfiguráciou vodíka. Častica má jeden elektrón so Z= (-1), ktorý rotuje na svojej dráhe okolo jadra, obsahuje jeden protón s jednotkovou hmotnosťou a kladným nábojom (+1). Jeho elektronická konfigurácia je zapísaná ako 1s 1, čo znamená prítomnosť jednej negatívnej častice v úplne prvom a jedinom s-orbitále pre vodík.

Keď sa elektrón odpojí alebo odovzdá a atóm tohto prvku má takú vlastnosť, že je príbuzný s kovmi, získa sa katión. V skutočnosti je vodíkový ión kladná elementárna častica. Preto sa vodík bez elektrónu jednoducho nazýva protón.

Fyzikálne vlastnosti

Stručne popisujúci vodík, je to bezfarebný, mierne rozpustný plyn s príbuzným atómová hmotnosť rovný 2, 14,5-krát ľahší ako vzduch, s teplotou skvapalňovania -252,8 stupňov Celzia.

Zo skúsenosti je ľahko vidieť, že H2 je najľahší. Na to stačí naplniť tri guľôčky rôznymi látkami - vodík, oxid uhličitý, obyčajný vzduch - a súčasne ich uvoľniť z ruky. Ten naplnený CO 2 sa dostane na zem rýchlejšie ako ktokoľvek iný, potom zostúpi nafúknutý zmesou vzduchu a ten s obsahom H 2 vystúpi k stropu.

Malá hmotnosť a veľkosť častíc vodíka odôvodňujú jeho schopnosť preniknúť rôzne látky. Na príklade tej istej gule sa to dá ľahko overiť, za pár dní sa sama vyfúkne, pretože plyn jednoducho prejde cez gumu. Vodík sa tiež môže hromadiť v štruktúre niektorých kovov (paládium alebo platina) a vyparovať sa z neho, keď teplota stúpa.

Vlastnosť nízkej rozpustnosti vodíka sa v laboratórnej praxi využíva na jeho izoláciu metódou vytesňovania vodíka (v tabuľke nižšie sú uvedené hlavné parametre) určujúce rozsah jeho použitia a spôsoby výroby.

Parameter atómu alebo molekuly jednoduchej látky	Význam
atómová hmotnosť ( molárna hmota)	1,008 g/mol
Elektronická konfigurácia	1 s 1
Kryštálová bunka	Šesťhranné
Tepelná vodivosť	(300 K) 0,1815 W/(m K)
Hustota pri n. r.	0,08987 g/l
Teplota varu	-252,76 °C
Špecifické spalné teplo	120,9 10 6 J/kg
Teplota topenia	-259,2 °C
Rozpustnosť vo vode	18,8 ml/l

Izotopové zloženie

Rovnako ako mnohí iní predstavitelia periodickej sústavy chemických prvkov, aj vodík má niekoľko prirodzených izotopov, teda atómov s rovnakým počtom protónov v jadre, ale iným počtom neutrónov – častíc s nulovým nábojom a jednotkovou hmotnosťou. Príklady atómov, ktoré majú podobnú vlastnosť, sú kyslík, uhlík, chlór, bróm a iné, vrátane rádioaktívnych.

Fyzikálne vlastnosti vodíka 1H, najbežnejšieho predstaviteľa tejto skupiny, sa výrazne líšia od rovnakých charakteristík jeho náprotivkov. Líšia sa najmä vlastnosti látok, v ktorých sú zahrnuté. Existuje teda obyčajná a deuterovaná voda, ktorá vo svojom zložení obsahuje namiesto atómu vodíka s jedným protónom deutérium 2H - jeho izotop s dvoma elementárne častice: kladný a nenabitý. Tento izotop je dvakrát ťažší ako obyčajný vodík, čo vysvetľuje zásadný rozdiel vo vlastnostiach zlúčenín, ktoré tvoria. V prírode je deutérium 3200-krát vzácnejšie ako vodík. Tretím zástupcom je trícium 3 H, v jadre má dva neutróny a jeden protón.

Spôsoby získavania a izolácie

Laboratórne a priemyselné metódy sú veľmi odlišné. Takže v malých množstvách sa plyn získava najmä reakciami, na ktorých sa podieľajú minerály, a pri veľkovýrobe sa vo väčšej miere využíva organická syntéza.

V laboratóriu sa používajú tieto chemické interakcie:

V priemyselnom záujme sa plyn získava takými metódami, ako sú:

1. Tepelný rozklad metánu v prítomnosti katalyzátora na jeho zložky jednoduché látky(350 stupňov dosahuje hodnotu takého ukazovateľa, ako je teplota) - vodík H2 a uhlík C.
2. Prechod parnej vody cez koks s teplotou 1000 stupňov Celzia, aby sa vytvorila oxid uhličitý CO 2 a H 2 (najbežnejšia metóda).
3. Premena plynného metánu na niklovom katalyzátore pri teplote dosahujúcej 800 stupňov.
4. Vodík je vedľajším produktom pri elektrolýze vodných roztokov chloridov draselných alebo sodných.

Chemické interakcie: všeobecné ustanovenia

Fyzikálne vlastnosti vodíka do značnej miery vysvetľujú jeho správanie v reakčných procesoch s jednou alebo druhou zlúčeninou. Valencia vodíka je 1, pretože sa nachádza v prvej skupine v periodickej tabuľke a stupeň oxidácie ukazuje iný. Vo všetkých zlúčeninách, okrem hydridov, vodík v s.o. = (1+), v molekulách ako XH, XH2, XH3 - (1-).

Molekula vodíkového plynu, vytvorená vytvorením zovšeobecneného elektrónového páru, pozostáva z dvoch atómov a je energeticky celkom stabilná, preto je za normálnych podmienok do istej miery inertná a pri zmene normálnych podmienok vstupuje do reakcií. V závislosti od stupňa oxidácie vodíka v zložení iných látok môže pôsobiť ako oxidačné činidlo aj ako redukčné činidlo.

Látky, s ktorými vodík reaguje a tvorí sa

Elementárne interakcie za vzniku komplexných látok (často pri zvýšených teplotách):

1. Alkalické a kov alkalických zemín+ vodík = hydrid.
2. Halogén + H2 = halogenovodík.
3. Síra + vodík = sírovodík.
4. Kyslík + H 2 = voda.
5. Uhlík + vodík = metán.
6. Dusík + H2 = amoniak.

Interakcia s komplexnými látkami:

1. Získanie syntézneho plynu z oxidu uhoľnatého a vodíka.
2. Získavanie kovov z ich oxidov pomocou H 2 .
3. Nasýtenie nenasýtených alifatických uhľovodíkov vodíkom.

vodíková väzba

Fyzikálne vlastnosti vodíka sú také, že v kombinácii s elektronegatívnym prvkom mu umožňuje vytvoriť špeciálny typ väzby s rovnakým atómom zo susedných molekúl, ktoré majú nezdieľané elektrónové páry (napríklad kyslík, dusík a fluór). Najjasnejším príkladom, na ktorom je lepšie zvážiť takýto jav, je voda. Dá sa povedať, že je prešitý vodíkovými väzbami, ktoré sú slabšie ako kovalentné či iónové, no vzhľadom na to, že ich je veľa, majú výrazný vplyv na vlastnosti látky. Vodíková väzba je v podstate elektrostatická interakcia, ktorá viaže molekuly vody na diméry a polyméry, čo vedie k jej vysokému bodu varu.

Vodík v zložení minerálnych zlúčenín

Všetky obsahujú protón – katión atómu, akým je vodík. Látka, ktorej kyslý zvyšok má oxidačný stav väčší ako (-1), sa nazýva viacsýtna zlúčenina. Obsahuje niekoľko atómov vodíka, čo spôsobuje disociáciu na vodné roztoky viacstupňový. Každý nasledujúci protón sa od zvyšku kyseliny oddeľuje čoraz ťažšie. Podľa kvantitatívneho obsahu vodíkov v médiu sa určuje jeho kyslosť.

Aplikácia v ľudských činnostiach

Fľaše s látkou, ako aj nádoby s inými skvapalnenými plynmi, ako je kyslík, majú špecifický vzhľad. Sú natreté tmavozelenou farbou s jasne červeným nápisom „Hydrogen“. Plyn sa čerpá do valca pod tlakom asi 150 atmosfér. Fyzikálne vlastnosti vodíka, najmä ľahkosť plynného stav agregácie, používané na plnenie balónov, balónov atď. zmiešaných s héliom.

Vodík, ktorého fyzikálne a chemické vlastnosti sa ľudia naučili využívať pred mnohými rokmi, sa v súčasnosti využíva v mnohých priemyselných odvetviach. Väčšina ide na výrobu amoniaku. Z oxidov sa zúčastňuje aj vodík (hafnium, germánium, gálium, kremík, molybdén, volfrám, zirkónium a iné), pôsobiaci v reakcii ako redukčné činidlo, kyselina kyanovodíková a chlorovodíková, ako aj umelé kvapalné palivo. potravinársky priemysel používa na premenu rastlinných olejov na tuhé tuky.

Zisťovali sme chemické vlastnosti a využitie vodíka v rôznych procesoch hydrogenácie a hydrogenácie tukov, uhlia, uhľovodíkov, olejov a vykurovacieho oleja. S ním vyrábajú drahokamy, žiarovky, vykonávajú kovanie a zváranie kovových výrobkov pod vplyvom plameňa kyslíka a vodíka.