IN periodickej tabuľky Vodík sa 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 je integrálnou súčasťou mnohé komplexné zlúčeniny, organogénne a biogénne prvky. Pozrime sa preto na jeho vlastnosti a charakteristiky podrobnejšie.
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. Bohužiaľ, vedcovo dodržiavanie teórie flogistónu (hypotetická „ultrajemná hmota“) mu zabránilo dospieť k správnym záverom.
Francúzsky chemik a prírodovedec A. Lavoisier spolu s inžinierom J. Meunierom a pomocou špeciálnych plynomerov v roku 1783 syntetizoval vodu a potom ju analyzoval rozkladom vodnej pary horúcim 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 jednoduchou látkou, a preto patrí medzi primárne chemické prvky. Nazval ho vodík (z gréckych slov hydor – voda + gennao – rodím), t. j. „rodiť vodu“.
Ruský názov „vodík“ navrhol v roku 1824 chemik M. Soloviev. 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 sa brala ako základná jednotka na porovnávanie atómových hmotností, pričom dostala hodnotu rovnajúcu sa 1.
Fyzikálne vlastnosti
Vodík je najľahšia látka, ktorú veda pozná (je 14,4-krát ľahšia 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 (iba hélium má nižšie teploty varu a topenia).
Kritická teplota vodíka je extrémne nízka (-240 °C). Z tohto dôvodu je jeho skvapalňovanie pomerne zložitý a nákladný proces. Kritický tlak látky je 12,8 kgf/cm² a kritická hustota je 0,0312 g/cm³. Vodík má spomedzi všetkých plynov najvyššiu tepelnú 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 rozpustný vo väčšine kovov (Ni, Pt, Pa a iné), najmä v paládiu (asi 850 objemov na objem Pd ) .
Posledná vlastnosť je spojená s jej schopnosťou difúzie a 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° = -253 °C) a tekutá (viskozita - 13,8 poise za rovnakých podmienok).
V mnohých zlúčeninách tento prvok vykazuje valenciu +1 (oxidačný stav), ako sodík a iné alkalické kovy. Zvyčajne sa považuje za analóg týchto kovov. Preto vedie skupinu I periodického systému. 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 (podobnosť fyzikálnych vlastností prvku „H“ a halogénov, schopnosť nahradiť ho halogénmi v organických zlúčeninách) je vodík zaradený do skupiny VII periodického systému.
Za normálnych podmienok má molekulárny vodík nízku aktivitu, pričom sa priamo kombinuje len s najaktívnejšími nekovmi (s fluórom a chlórom, s chlórom 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 dosť pomaly a pri t° >= 550 °C je nekontrolovateľná. Výbušné limity zmesi vodíka a kyslíka na objem sú 4 – 94 % H2 a zmesi vodíka a vzduchu 4 – 74 % H2 (zmes dvoch objemov H2 a jedného objemu O₂ sa nazýva detonačný plyn).
Tento prvok sa používa na redukciu väčšiny kovov, pretože odstraňuje kyslík z oxidov:
Fe304 + 4H2 = 3Fe + 4H20,
CuO + H2 = Cu + H2O atď.
Vodík tvorí halogenovodík s rôznymi halogénmi, 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:
ЗН₂ + N₂ = 2NN₃.
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.
Dôležité praktický význam majú interakcie medzi vodíkom a oxidom uhoľnatým. V tomto prípade v závislosti od tlaku, teploty a katalyzátora vznikajú rôzne organické zlúčeniny: HCHO, CH3OH atď. Nenasýtené uhľovodíky sa počas reakcie nasýtia, napr.
С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.
Vodík a jeho zlúčeniny zohrávajú v chémii výnimočnú úlohu. Určuje kyslé vlastnosti tzv. protické kyseliny, má tendenciu vytvárať vodíkové väzby s rôznymi prvkami, ktoré majú významný vplyv na vlastnosti mnohých anorganických a organických zlúčenín.
Výroba vodíka
Hlavnými druhmi surovín na priemyselnú výrobu tohto prvku sú plyny na rafináciu ropy, prírodné horľavé a koksárenské plyny. Získava sa aj z vody elektrolýzou (na miestach, kde je dostupná elektrická energia). Jedna z najdôležitejších metód výroby materiálu z zemný plyn Uvažuje sa o katalytickej interakcii uhľovodíkov, najmä metánu, s vodnou parou (tzv. konverzia). Napríklad:
CH4 + H20 = CO + ZN2.
Neúplná oxidácia uhľovodíkov kyslíkom:
CH4 + 1/202 = CO + 2H2.
Syntetizovaný oxid uhoľnatý (II) prechádza konverziou:
CO + H20 = CO2 + H2.
Vodík vyrobený zo zemného plynu je najlacnejší.
Používa sa na elektrolýzu vody D.C., ktorý prechádza cez roztok NaOH alebo KOH (nepoužívajú sa kyseliny, aby sa zabránilo korózii zariadenia). IN laboratórne podmienky materiál sa získava elektrolýzou vody alebo ako výsledok reakcie medzi kyselinou chlorovodíkovou a zinkom. Častejšie sa však používa hotový továrenský materiál vo valcoch.
Tento prvok je izolovaný od plynov z rafinácie ropy a koksárenského plynu odstránením všetkých ostatných zložiek plynnej zmesi, pretože pri hlbokom chladení ľahšie skvapalňujú.
Priemyselne sa tento materiál začal vyrábať koncom 18. storočia. Vtedy sa používal na plnenie balónov. V súčasnosti je vodík široko používaný v priemysle, najmä v chemickom priemysle, na výrobu amoniaku.
Masovými konzumentmi 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 pri rezaní/zváraní kovov. Najdôležitejšie prvky pre jadrovej energie sú jeho izotopy – trícium a deutérium.
Biologická úloha vodíka
Asi 10% hmotnosti živých organizmov (v priemere) pochádza z tohto prvku. Je súčasťou vody a najdôležitejších skupín prírodných zlúčenín, vrátane bielkovín, nukleových kyselín, lipidov a sacharidov. Na čo sa používa?
Tento materiál zohráva rozhodujúcu úlohu: pri udržiavaní priestorovej štruktúry proteínov (kvartérne), pri implementácii princípu komplementarity nukleových kyselín(t. j. pri implementácii a uchovávaní genetickej informácie), vo všeobecnosti pri „rozpoznaní“ na molekulárnej úrovni.
Vodíkový ión H+ sa zúčastňuje dôležitých dynamických reakcií/procesov v organizme. Vrátane: pri biologickej oxidácii, ktorá poskytuje živým bunkám energiu, pri biosyntetických reakciách, pri fotosyntéze v rastlinách, pri bakteriálnej fotosyntéze a fixácii dusíka, pri udržiavaní acidobázickej rovnováhy a homeostázy, pri procesoch membránového transportu. Spolu s uhlíkom a kyslíkom tvorí funkčný a štrukturálny základ životných javov.
Vodík je jednoduchá látka H2 (dihydrogén, diprotium, ľahký vodík).
Stručný vodíková charakteristika:
- Nekovové.
- Bezfarebný plyn, ťažko skvapalniteľný.
- Zle rozpustný vo vode.
- Lepšie sa rozpúšťa v organických rozpúšťadlách.
- Chemisorpcia kovmi: železo, nikel, platina, paládium.
- Silné redukčné činidlo.
- Interaguje (pri vysokých teplotách) s nekovmi, kovmi, oxidmi kovov.
- Najväčšiu redukčnú schopnosť má atómový vodík H0, získaný tepelným rozkladom H2.
- Izotopy vodíka:
- 1H - protium
- 2H - deutérium (D)
- 3H - trícium (T)
- Relatívna molekulová hmotnosť = 2,016
- Relatívna hustota tuhého vodíka (t=-260 °C) = 0,08667
- Relatívna hustota kvapalného vodíka (t=-253°C) = 0,07108
- Pretlak (č.s.) = 0,08988 g/l
- teplota topenia = -259,19 °C
- teplota varu = -252,87 °C
- Objemový koeficient rozpustnosti vodíka:
- (t = 0 °C) = 2,15;
- (t = 20 °C) = 1,82;
- (t = 60 °C) = 1,60;
1. Tepelný rozklad vodíka(t=2000-3500°C):
H2↔ 2H 0
2. Interakcia vodíka s nekovy:
- H2+F2 = 2HF (t=-250..+20°C)
- H 2 + Cl 2 = 2 HCl (pri spálení alebo vystavení svetlu pri izbovej teplote):
- Cl2 = 2C10
- Cl0+H2 = HCl+H0
- H0+Cl2 = HCl+Cl0
- H2+Br2 = 2HBr (t=350-500 °C, platinový katalyzátor)
- H2+I2 = 2HI (t=350-500 °C, platinový katalyzátor)
- H2+02 = 2H20:
- H2+02 = 20H0
- OH°+H2 = H20+H0
- H0+02 = OH0+00
- O°+H2 = OH°+H0
- H2+S = H2S (t=150..200 °C)
- 3H2+N2 = 2NH3 (t=500 °C, železný katalyzátor)
- 2H2+C(koks) = CH4 (t=600 °C, platinový katalyzátor)
- H2+2C(koks) = C2H2 (t=1500..2000°C)
- H2+2C(koks)+N2 = 2HCN (t viac ako 1800 °C)
3. Interakcia vodíka s komplexné látky:
- 4H2+(FeIIFe2III)04 = 3Fe+4H20 (t viac ako 570 °C)
- H2+Ag2S04 = 2Ag+H2S04 (t viac ako 200 °C)
- 4H2+2Na2S04 = Na2S + 4H20 (t = 550-600 °C, katalyzátor Fe203)
- 3H2+2BC13 = 2B+6HCl (t = 800-1200 °C)
- H2+2EuCl3 = 2EuCl2+2HCl (t = 270 °C)
- 4H2+C02 = CH4+2H20 (t = 200 °C, katalyzátor Cu02)
- H2+CaC2 = Ca+C2H2 (t nad 2200 °C)
- H2+BaH2 = Ba(H2)2 (t až 0 °C, roztok)
4. Účasť vodíka v redoxné reakcie:
- 2H0 (Zn, zried. HCl) + KN03 = KN02 + H20
- 8H0 (Al, konc. KOH)+KN03 = NH3+KOH+2H20
- 2H0 (Zn, zried. HCl) + EuCl3 = 2EuCl2 + 2HCl
- 2H0(Al)+NaOH(konc.)+Ag2S = 2Ag↓+H20+NaHS
- 2H0 (Zn, zried. H2S04) + C2N2 = 2HCN
Zlúčeniny vodíka
D 2 - dideutérium:
- Ťažký vodík.
- Bezfarebný plyn, ťažko skvapalniteľný.
- Dideutérium je obsiahnuté v prírodnom vodíku v množstve 0,012 až 0,016 % (hmotn.).
- V plynnej zmesi dideutéria a protium dochádza pri vysokých teplotách k výmene izotopov.
- Mierne rozpustný v bežnej a ťažkej vode.
- S obyčajnou vodou je výmena izotopov bezvýznamná.
- Chemické vlastnosti sú podobné ľahkému vodíku, ale dideutérium je menej reaktívne.
- Relatívna molekulová hmotnosť = 4,028
- Relatívna hustota tekutého dideutéria (t=-253°C) = 0,17
- teplota topenia = -254,5 °C
- teplota varu = -249,49 °C
T2 - ditrítium:
- Superťažký vodík.
- Bezfarebný rádioaktívny plyn.
- Polčas rozpadu 12,34 rokov.
- V prírode vzniká ditritium v dôsledku bombardovania jadier 14 N neutrónmi z kozmického žiarenia, v prírodných vodách sa našli stopy ditrícia.
- Ditrícium sa získava z jadrový reaktor bombardovanie lítia pomalými neutrónmi.
- Relatívna molekulová hmotnosť = 6,032
- teplota topenia = -252,52 °C
- teplota varu = -248,12 °C
HD - deutérium vodík:
- Bezfarebný plyn.
- Nerozpúšťa sa vo vode.
- Chemické vlastnosti podobné H2.
- Relatívna molekulová hmotnosť = 3,022
- Relatívna hustota tuhého vodíka deutéria (t=-257°C) = 0,146
- Pretlak (č.s.) = 0,135 g/l
- teplota topenia = -256,5 °C
- teplota varu = -251,02 °C
Oxidy vodíka
H20 - voda:
- Bezfarebná kvapalina.
- Podľa izotopového zloženia kyslíka sa voda skladá z H 2 16 O s nečistotami H 2 18 O a H 2 17 O
- Podľa izotopového zloženia vodíka sa voda skladá z 1 H 2 O s prímesou HDO.
- Kvapalná voda podlieha protolýze (H 3 O + a OH -):
- H 3 O + (oxóniový katión) je najviac silná kyselina vo vodnom roztoku;
- OH - (hydroxidový ión) je najsilnejšia zásada vo vodnom roztoku;
- Voda je najslabší konjugovaný protolyt.
- S mnohými látkami tvorí voda kryštalické hydráty.
- Voda je chemicky aktívna látka.
- Voda je univerzálne kvapalné rozpúšťadlo pre anorganické zlúčeniny.
- Relatívna molekulová hmotnosť vody = 18,02
- Relatívna hustota pevnej vody (ľadu) (t=0°C) = 0,917
- Relatívna hustota kvapalnej vody:
- (t=0 °C) = 0,999841
- (t=20 °C) = 0,998203
- (t=25 °C) = 0,997044
- (t=50 °C) = 0,97180
- (t=100 °C) = 0,95835
- hustota (n.s.) = 0,8652 g/l
- teplota topenia = 0 °C
- bod varu = 100°C
- Iónový produkt vody (25 °C) = 1,008-10-14
1. Tepelný rozklad vody:
2H20↔2H2+02 (nad 1000 °C)
D 2 O - oxid deutéria:
- Ťažká voda.
- Bezfarebná hygroskopická kvapalina.
- Viskozita je vyššia ako viskozita vody.
- Mieša sa s obyčajnou vodou v neobmedzenom množstve.
- Izotopová výmena produkuje poloťažkú vodu HDO.
- Sila rozpúšťadla je nižšia ako u bežnej vody.
- Chemické vlastnosti oxidu deutéria sú podobné chemickým vlastnostiam vody, ale všetky reakcie prebiehajú pomalšie.
- Ťažká voda je prítomná v prírodnej vode (pomer hmotnosti k obyčajnej vode 1:5500).
- Oxid deutéria sa získava opakovanou elektrolýzou prírodnej vody, pri ktorej sa ťažká voda hromadí vo zvyšku elektrolytu.
- Relatívna molekulová hmotnosť ťažkej vody = 20,03
- Relatívna hustota kvapalnej ťažkej vody (t=11,6°C) = 1,1071
- Relatívna hustota kvapalnej ťažkej vody (t=25°C) = 1,1042
- teplota topenia = 3,813 °C
- teplota varu = 101,43 °C
T20 - oxid trícium:
- Super ťažká voda.
- Bezfarebná kvapalina.
- Viskozita je vyššia a rozpúšťacia schopnosť je nižšia ako u obyčajnej a ťažkej vody.
- Mieša sa s obyčajnou a ťažkou vodou v neobmedzenom množstve.
- Izotopová výmena s obyčajnou a ťažkou vodou vedie k vzniku HTO, DTO.
- Chemické vlastnosti superťažkej vody sú podobné chemickým vlastnostiam vody, ale všetky reakcie prebiehajú ešte pomalšie ako v ťažkej vode.
- Stopy oxidu trícia sa nachádzajú v prírodnej vode a atmosfére.
- Superťažká voda sa získava prechodom trícia cez horúci oxid meďnatý CuO.
- Relatívna molekulová hmotnosť superťažkej vody = 22,03
- teplota topenia = 4,5 °C
Vodík objavil v druhej polovici 18. storočia anglický vedec v oblasti fyziky a chémie G. Cavendish. Podarilo sa mu látku izolovať v čistom stave, začal ju študovať a opísal jej vlastnosti.
Toto je príbeh o objave vodíka. Pri pokusoch výskumník určil, že ide o horľavý plyn, pri spaľovaní ktorého na vzduchu vzniká voda. To viedlo k stanoveniu kvalitatívneho zloženia vody.
Čo je vodík
Francúzsky chemik A. Lavoisier prvýkrát oznámil vodík ako jednoduchú látku v roku 1784, pretože zistil, že jeho molekula obsahuje atómy rovnakého typu.
Názov chemického prvku v latinčine znie ako hydrogenium (čítaj „hydrogenium“), čo znamená „vododarný“. Názov sa vzťahuje na spaľovaciu reakciu, pri ktorej vzniká voda.
Charakteristika vodíka
Označenie vodíka N. Mendelejev tomuto chemickému prvku priradil prvé atómové číslo, čím ho zaradil 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 2 a. e. Molárna hmotnosťčíselne sa mu rovná.
Predstavujú ho tri izotopy, ktoré majú špeciálny názov: najbežnejšie protium (H), ťažké deutérium (D), rádioaktívne trícium (T).
Je to prvý prvok, ktorý možno úplne rozdeliť na izotopy jednoduchým spôsobom. Je založená na veľkom rozdiele hmotnosti 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, chuti a zápachu. 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 využíva, keď je potrebné vyčistiť vodík od plynných nečistôt. Keď n. u. 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 s ešte viac vysoké tlaky, vodík sa stane kovom.
Toto je zaujímavé: existuje predpoklad, že na obrovských planétach Jupiter a Saturn sa vodík nachádza vo forme kovu. Predpokladá sa, že kovový pevný vodík je prítomný aj v zemskom jadre, v dôsledku ultravysokého tlaku vytváraného zemským plášťom.
Chemické vlastnosti
IN chemická reakcia s vodíkom reagujú s jednoduchými aj komplexné 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 výstupnej trubice plynu vo vzduchu, bude horieť rovnomerne, ale sotva zreteľne. Ak umiestnite výstupnú trubicu plynu do atmosféry 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.
Reakcia s Cl2 prebieha podobne 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 - 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 v termonukleárnej energii.
Vodík reaguje aj s látkami z kategórie komplexov. Napríklad s oxidom medi (II), vzorec CuO. Na uskutočnenie reakcie sa vodík medi vedie cez zahriaty práškový oxid meďnatý (II). Počas interakcie činidlo mení svoju farbu a stáva sa červenohnedým a kvapôčky vody sa usadzujú na studených stenách skúmavky.
Vodík sa počas reakcie oxiduje za vzniku vody a meď sa redukuje z oxidu na jednoduchú látku (Cu).
Aplikácie
Vodík má pre človeka veľký význam a používa sa v rôznych oblastiach:
- IN chemická výroba– to sú suroviny, v iných odvetviach – palivo. Petrochemické podniky a podniky na spracovanie ropy sa bez vodíka nezaobídu.
- V elektroenergetike táto jednoduchá látka pôsobí ako chladivo.
- V železnej a neželeznej metalurgii hrá vodík úlohu redukčného činidla.
- To pomáha vytvárať inertné prostredie pri balení produktov.
- Farmaceutický priemysel – využíva vodík ako činidlo pri výrobe peroxidu vodíka.
- Meteorologické balóny sú naplnené týmto svetelným plynom.
- Tento prvok je známy aj ako palivový reduktor pre raketové motory.
Vedci jednomyseľne predpovedajú, že vodíkové palivo bude viesť v energetickom sektore.
Príjem v priemysle
V priemysle sa vodík vyrába elektrolýzou, ktorá podlieha chloridom alebo hydroxidom alkalických kovov rozpusteným vo vode. Touto metódou je tiež možné získať vodík priamo z vody.
Na tieto účely sa využíva premena koksu alebo metánu vodnou parou. Rozkladom metánu pri zvýšených teplotách vzniká aj vodík. Využíva sa aj skvapalňovanie koksárenského plynu frakčnou metódou priemyselná výroba vodík.
Získané v laboratóriu
V laboratóriu sa na výrobu vodíka používa Kippov prístroj.
Činidlami sú kyselina chlorovodíková resp kyselina sírová a zinok. Reakciou vzniká vodík.
Hľadanie vodíka v prírode
Vodík je bežnejší ako ktorýkoľvek iný prvok vo vesmíre. Väčšina hviezd vrátane Slnka a ďalších kozmických telies tvorí vodík.
IN zemská kôra je to len 0,15 %. Je prítomný v mnohých mineráloch, vo všetkých organickej hmoty, ako aj vo vode, ktorá pokrýva 3/4 povrchu našej planéty.
V hornej atmosfére možno nájsť stopy vodíka čistej forme. Nachádza sa aj v množstve horľavých zemných plynov.
Plynný vodík je najmenej hustý a kvapalný vodík je najhustejšia látka na našej planéte. Pomocou vodíka môžete zmeniť farbu svojho hlasu, ak ho vdýchnete a pri výdychu hovoríte.
V centre diania tých najmocnejších vodíková bomba spočíva v štiepení najľahšieho atómu.
Vodík H je chemický prvok, jeden z najbežnejších v našom vesmíre. Hmotnosť vodíka ako prvku v zložení látok je 75% z celkového obsahu atómov iných typov. Je súčasťou najdôležitejšej a životne dôležitej zlúčeniny na planéte – vody. Charakteristickým rysom vodíka je tiež to, že je prvým prvkom v periodickom systéme chemických prvkov D.I.
Objavovanie a skúmanie
Prvá zmienka o vodíku v spisoch Paracelsa sa datuje do šestnásteho storočia. Ale jeho izoláciu od plynnej zmesi vzduchu a štúdium horľavých vlastností vykonal 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 ďalších fázach rozvoja vedy s ním spolupracovalo mnoho vedcov, najmä Lavoisier, ktorý ho nazval „pôrodníkom vody“.
Charakteristika podľa pozície v PSHE
Prvok, ktorý otvára periodickú tabuľku D.I. Mendelejeva, je vodík. Fyzické a chemické vlastnosti atómy vykazujú určitú dualitu, pretože vodík je súčasne klasifikovaný ako člen prvej skupiny, hlavnej podskupiny, ak sa správa ako kov a daruje v procese jeden 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 komplexných látok, v ktorých je obsiahnutá, a najjednoduchšej látky H2, sú primárne určené elektrónovou konfiguráciou vodíka. Častica má jeden elektrón so Z= (-1), ktorý rotuje na svojej dráhe okolo jadra obsahujúceho jeden protón s jednotkovou hmotnosťou a kladným nábojom (+1). Jeho elektronická konfigurácia sa zapisuje ako 1s 1, čo znamená prítomnosť jednej negatívnej častice v úplne prvom a jedinom s-orbitále pre vodík.
Keď je elektrón odstránený alebo odovzdaný a atóm tohto prvku má takú vlastnosť, že je príbuzný kovom, získa sa katión. V podstate je vodíkový ión kladná elementárna častica. Preto sa vodík zbavený elektrónu jednoducho nazýva protón.
Fyzikálne vlastnosti
Aby sme stručne opísali vodík, ide o bezfarebný, mierne rozpustný plyn s relatívnou atómovou hmotnosťou 2, 14,5-krát ľahšou ako vzduch, s teplotou skvapalňovania -252,8 stupňov Celzia.
Zo skúsenosti si ľahko overíte, že H 2 je najľahší. Na to stačí naplniť tri guľôčky rôznymi látkami - vodík, oxid uhličitý, obyčajný vzduch - a súčasne ich uvoľniť z ruky. Najrýchlejšie sa k zemi dostane ten naplnený CO 2, po ňom ten nafúknutý zmesou vzduchu klesne a ten s obsahom H 2 vystúpi k stropu.
Malá hmotnosť a veľkosť častíc vodíka odôvodňujú jeho schopnosť prenikať rôzne látky. Na príklade tej istej gule je ľahké to overiť po niekoľkých dňoch, keď sa vyfúkne, pretože plyn jednoducho prejde cez gumu. Vodík sa môže hromadiť aj v štruktúre niektorých kovov (paládium alebo platina) a pri zvýšení teploty sa z nej vyparí.
Vlastnosť nízkej rozpustnosti vodíka sa v laboratórnej praxi využíva na jeho izoláciu vytesnením vodíka (v tabuľke nižšie sú uvedené hlavné parametre) na určenie rozsahu jeho použitia a spôsobov výroby.
| Parameter atómu alebo molekuly jednoduchej látky | Význam |
| Atómová hmotnosť (molárna hmotnosť) | 1,008 g/mol |
| Elektronická konfigurácia | 1 s 1 |
| Kryštálová mriežka | Šesťhranné |
| Tepelná vodivosť | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Hustota pri n. u. | 0,08987 g/l |
| Bod 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. Príkladmi atómov s podobnou vlastnosťou sú kyslík, uhlík, chlór, bróm a iné, vrátane rádioaktívnych.
Fyzikálne vlastnosti vodíka 1H, najbežnejšieho zo zástupcov tejto skupiny, sa výrazne líšia od rovnakých charakteristík jeho náprotivkov. Líšia sa najmä vlastnosti látok, ktoré obsahujú. Existuje teda obyčajná a deuterovaná voda, ktorá vo svojom zložení obsahuje namiesto atómu vodíka jeden jediný protón deutérium 2H - jeho izotop s dvoma elementárne častice: kladný a nenabitý. Tento izotop je dvakrát ťažší ako obyčajný vodík, čo vysvetľuje dramatický rozdiel vo vlastnostiach zlúčenín, ktoré tvoria. V prírode sa deutérium nachádza 3200-krát menej často ako vodík. Tretím zástupcom je trícium 3H, ktoré má v jadre dva neutróny a jeden protón.
Spôsoby výroby a izolácie
Laboratórne a priemyselné metódy sú úplne odlišné. Plyn sa teda v malom množstve vyrába najmä reakciami s minerálnymi látkami, pri veľkovýrobe sa vo väčšej miere využíva organická syntéza.
V laboratóriu sa používajú tieto chemické interakcie:
Na priemyselné účely sa plyn vyrába týmito spôsobmi:
- Tepelný rozklad metánu v prítomnosti katalyzátora na jednoduché látky (hodnota takého indikátora ako teplota dosahuje 350 stupňov) - vodík H2 a uhlík C.
- Priechod parnej vody cez koks s teplotou 1000 stupňov Celzia za vzniku oxidu uhličitého CO 2 a H 2 (najbežnejší spôsob).
- Konverzia plynného metánu na niklovom katalyzátore pri teplotách dosahujúcich 800 stupňov.
- Vodík je vedľajším produktom elektrolýzy vodné roztoky chlorid draselný alebo sodný.
Chemické interakcie: všeobecné ustanovenia
Fyzikálne vlastnosti vodíka do značnej miery vysvetľujú jeho správanie v reakčných procesoch s určitou zlúčeninou. Valencia vodíka je 1, pretože sa nachádza v prvej skupine v periodickej tabuľke a stupeň oxidácie sa mení. Vo všetkých zlúčeninách okrem hydridov je vodík v d.o = (1+), v molekulách typu CN, CN 2, CN 3 - (1-).
Molekula vodíkového plynu, vytvorená vytvorením zovšeobecneného elektrónového páru, pozostáva z dvoch atómov a je energeticky pomerne stabilná, preto je za normálnych podmienok do istej miery inertná a pri zmene reaguje normálnych podmienkach. 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):
- Alkálie a kovy alkalických zemín + vodík = hydrid.
- Halogén + H2 = halogenovodík.
- Síra + vodík = sírovodík.
- Kyslík + H 2 = voda.
- Uhlík + vodík = metán.
- Dusík + H2 = amoniak.
Interakcia s komplexnými látkami:
- Výroba syntézneho plynu z oxidu uhoľnatého a vodíka.
- Redukcia kovov z ich oxidov pomocou H2.
- Nasýtenie nenasýtených alifatických uhľovodíkov vodíkom.
Vodíková väzba
Fyzikálne vlastnosti vodíka sú také, že mu umožňujú v kombinácii s elektronegatívnym prvkom vytvoriť špeciálny typ väzby s rovnakým atómom zo susedných molekúl, ktoré majú osamelé elektrónové páry (napríklad kyslík, dusík a fluór). Najjasnejším príkladom, v ktorom je lepšie zvážiť tento jav, je voda. Dá sa povedať, že je prešitý vodíkovými väzbami, ktoré sú slabšie ako kovalentné alebo 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 minerálnych zlúčeninách
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, vďaka čomu je disociácia vo vodných roztokoch viacstupňová. Každý nasledujúci protón je čoraz ťažšie odstrániť zo zvyškov kyseliny. Kvantitatívny obsah vodíka v médiu určuje jeho kyslosť.
Aplikácia v ľudských činnostiach
Fľaše s látkou, ako aj nádoby s inými skvapalnenými plynmi, ako je kyslík, majú špecifické vzhľad. Sú natreté tmavozelenou farbou so slovom „Hydrogen“ napísaným jasnou červenou farbou. Plyn sa čerpá do valca pod tlakom asi 150 atmosfér. Fyzikálne vlastnosti vodíka, najmä ľahkosť plynného skupenstva agregácie, sa využívajú na plnenie balónov, balónov atď. s ním zmiešaným s héliom.
Vodík, ktorého fyzikálne a chemické vlastnosti sa ľudia naučili využívať pred mnohými rokmi, sa v súčasnosti využíva v mnohých priemyselných odvetviach. Prevažná časť ide na výrobu amoniaku. Vodík sa zúčastňuje aj oxidov (hafnium, germánium, gálium, kremík, molybdén, volfrám, zirkónium a iné), pôsobiace v reakcii ako redukčné činidlo, kyselina kyanovodíková a chlorovodíková, ako aj umelé kvapalné palivo. Potravinársky priemysel ho používa na premenu rastlinných olejov na tuhé tuky.
Zisťovali sa chemické vlastnosti a využitie vodíka v rôznych procesoch hydrogenácie a hydrogenácie tukov, uhlia, uhľovodíkov, olejov a vykurovacieho oleja. Používa sa na výrobu drahokamy, žiarovky, kováčske a zvárané kovové výrobky pod vplyvom kyslíkovo-vodíkového plameňa.
V periodickej tabuľke má svoje špecifické postavenie, ktoré odráža vlastnosti, ktoré vykazuje a hovorí o ňom elektronická štruktúra. Medzi všetkými je však jeden špeciálny atóm, ktorý zaberá dve bunky naraz. Nachádza sa v dvoch skupinách prvkov, ktoré sú svojimi vlastnosťami úplne opačné. Toto je vodík. Takéto vlastnosti ho robia jedinečným.
Vodík nie je len prvok, ale aj jednoduchá látka komponent mnohé komplexné zlúčeniny, biogénny a organogénny prvok. Preto sa pozrime na jeho charakteristiky a vlastnosti podrobnejšie.
Vodík ako chemický prvok
Vodík je prvok skupiny 1 hlavná podskupina, ako aj siedma skupina hlavnej podskupiny v prvom malom období. Toto obdobie pozostáva iba z dvoch atómov: hélia a prvku, ktorý uvažujeme. Opíšme hlavné znaky polohy vodíka v periodickej tabuľke.
- Atómové číslo vodíka je 1, počet elektrónov je rovnaký, a teda aj počet protónov je rovnaký. Atómová hmotnosť - 1,00795. Existujú tri izotopy tohto prvku s hmotnostnými číslami 1, 2, 3. Vlastnosti každého z nich sú však veľmi odlišné, pretože zvýšenie hmotnosti aj o jeden pre vodík je okamžite dvojnásobné.
- Skutočnosť, že na svojom vonkajšom povrchu obsahuje iba jeden elektrón, mu umožňuje úspešne prejavovať oxidačné aj redukčné vlastnosti. Navyše po darovaní elektrónu zostáva voľný orbitál, ktorý sa podieľa na vzniku chemické väzby podľa mechanizmu donor-akceptor.
- Vodík je silné redukčné činidlo. Preto sa za jeho hlavné miesto považuje prvá skupina hlavnej podskupiny, kde najviac šéfuje aktívne kovy- alkalický.
- Avšak pri interakcii so silnými redukčnými činidlami, ako sú kovy, môže byť tiež oxidačným činidlom, ktoré prijíma elektrón. Tieto zlúčeniny sa nazývajú hydridy. Podľa tejto vlastnosti vedie podskupinu halogénov, s ktorými je podobný.
- Vďaka svojej veľmi malej atómovej hmotnosti je vodík považovaný za najľahší prvok. Navyše, jeho hustota je tiež veľmi nízka, takže je tiež meradlom ľahkosti.
Je teda zrejmé, že atóm vodíka je úplne jedinečný prvok, na rozdiel od všetkých ostatných prvkov. V dôsledku toho sú jeho vlastnosti tiež špeciálne a veľmi dôležité sú vytvorené jednoduché a zložité látky. Zvážme ich ďalej.
Jednoduchá látka
Ak hovoríme o tomto prvku ako o molekule, potom musíme povedať, že je dvojatómový. To znamená, že vodík (jednoduchá látka) je plyn. Jeho empirický vzorec bude napísaný ako H2 a jeho grafický vzorec bude napísaný prostredníctvom jediného vzťahu sigma H-H. Mechanizmus tvorby väzby medzi atómami je kovalentný nepolárny.
- Parné reformovanie metánu.
- Splyňovanie uhlia - proces zahŕňa ohrev uhlia na 1000 0 C, výsledkom čoho je vznik vodíka a uhlia s vysokým obsahom uhlíka.
- Elektrolýza. Táto metóda môže byť použitá len pre vodné roztoky rôznych solí, pretože taveniny nevedú k vypúšťaniu vody na katóde.
Laboratórne metódy výroby vodíka:
- Hydrolýza hydridov kovov.
- Vplyv zriedených kyselín na aktívne kovy a strednú aktivitu.
- Interakcia alkalických kovov a kovov alkalických zemín s vodou.
Aby ste zhromaždili vyrobený vodík, musíte držať skúmavku hore dnom. Tento plyn sa predsa nedá zbierať tak, ako napríklad oxid uhličitý. Toto je vodík, je oveľa ľahší ako vzduch. Rýchlo sa vyparuje a vo veľkom množstve pri zmiešaní so vzduchom exploduje. Preto by mala byť skúmavka prevrátená. Po jeho naplnení ho treba uzavrieť gumenou zátkou.
Ak chcete skontrolovať čistotu zozbieraného vodíka, mali by ste priniesť zapálenú zápalku na krk. Ak je klapanie tupé a tiché, znamená to, že plyn je čistý, s minimálnymi nečistotami vo vzduchu. Ak je hlasný a píska, je špinavý, s veľkým podielom cudzích zložiek.
Oblasti použitia
Pri spaľovaní vodíka sa uvoľňuje také veľké množstvo energie (tepla), že tento plyn je považovaný za najziskovejšie palivo. Navyše je šetrný k životnému prostrediu. Jeho uplatnenie v tejto oblasti je však zatiaľ obmedzené. Dôvodom sú nedomyslené a neriešené problémy syntézy čistého vodíka, ktorý by bol vhodný na použitie ako palivo v reaktoroch, motoroch a prenosných zariadeniach, ako aj v kotloch na vykurovanie domácností.
Koniec koncov, spôsoby výroby tohto plynu sú dosť drahé, takže najprv je potrebné vyvinúť špeciálnu metódu syntézy. Taký, ktorý vám umožní získať produkt vo veľkých objemoch a s minimálnymi nákladmi.
Existuje niekoľko hlavných oblastí, v ktorých sa plyn, ktorý uvažujeme, používa.
- Chemické syntézy. Hydrogenácia sa používa na výrobu mydiel, margarínov a plastov. Za účasti vodíka sa syntetizuje metanol a amoniak, ako aj ďalšie zlúčeniny.
- IN potravinársky priemysel- ako prísada E949.
- Letecký priemysel (raketová veda, výroba lietadiel).
- Elektroenergetika.
- Meteorológia.
- Ekologické palivo.
Je zrejmé, že vodík je rovnako dôležitý ako v prírode zastúpený. Ešte väčšiu úlohu zohrávajú rôzne zlúčeniny, ktoré tvorí.
Zlúčeniny vodíka
Ide o zložité látky obsahujúce atómy vodíka. Existuje niekoľko hlavných typov takýchto látok.
- Halogenidy vodíka. Všeobecný vzorec- HHal. Zvláštny význam medzi nimi je chlorovodík. Je to plyn, ktorý sa rozpúšťa vo vode za vzniku roztoku kyselina chlorovodíková. Táto kyselina je široko používaná takmer vo všetkých chemických syntézach. Navyše organické aj anorganické. Chlorovodík je zlúčenina s empirickým vzorcom HCL a je jednou z najväčších vyrobených u nás ročne. Halogenidy tiež zahŕňajú jodovodík, fluorovodík a bromovodík. Všetky tvoria zodpovedajúce kyseliny.
- Prchavé Takmer všetky z nich sú dosť jedovaté plyny. Napríklad sírovodík, metán, silán, fosfín a iné. Zároveň sú veľmi horľavé.
- Hydridy sú zlúčeniny s kovmi. Patria do triedy solí.
- Hydroxidy: zásady, kyseliny a amfotérne zlúčeniny. Nevyhnutne obsahujú atómy vodíka, jeden alebo viac. Príklad: NaOH, K 2, H 2 SO 4 a iné.
- Hydroxid vodíka. Táto zlúčenina je známejšia ako voda. Ďalším názvom je oxid vodíka. Empirický vzorec vyzerá takto - H2O.
- Peroxid vodíka. Je to silné oxidačné činidlo, ktorého vzorec je H202.
- Početné organické zlúčeniny: uhľovodíky, bielkoviny, tuky, lipidy, vitamíny, hormóny, éterické oleje a iné.
Je zrejmé, že rozmanitosť zlúčenín prvku, ktorý uvažujeme, je veľmi veľká. To opäť potvrdzuje jeho veľký význam pre prírodu a človeka, ako aj pre všetky živé bytosti.
- toto je najlepšie rozpúšťadlo
Ako bolo uvedené vyššie, bežný názov pre túto látku je voda. Pozostáva z dvoch atómov vodíka a jedného kyslíka, ktoré sú spojené kovalentnými polárnymi väzbami. Molekula vody je dipól, čo vysvetľuje mnohé z vlastností, ktoré vykazuje. Ide najmä o univerzálne rozpúšťadlo.
Vo vodnom prostredí sa deje takmer všetko chemické procesy. Vnútorné reakcie plastov a energetický metabolizmus v živých organizmoch sa vykonávajú aj pomocou oxidu vodíka.
Voda je právom považovaná za najdôležitejšiu látku na planéte. Je známe, že bez nej nemôže žiť žiadny živý organizmus. Na Zemi môže existovať v troch stavoch agregácie:
- kvapalina;
- plyn (para);
- pevné (ľad).
V závislosti od izotopu vodíka obsiahnutého v molekule sa rozlišujú tri typy vody.
- Svetlo alebo protium. Izotop s hmotnostným číslom 1. Vzorec - H 2 O. Toto je obvyklá forma, ktorú používajú všetky organizmy.
- Deutérium alebo ťažké, jeho vzorec je D 2 O. Obsahuje izotop 2 H.
- Super ťažké alebo trícium. Vzorec vyzerá ako T3O, izotop - 3H.
Zásoby čerstvej protium vody na planéte sú veľmi dôležité. V mnohých krajinách je ho už teraz nedostatok. Vyvíjajú sa spôsoby úpravy slanej vody na výrobu pitnej vody.
Peroxid vodíka je univerzálny liek
Táto zlúčenina, ako je uvedené vyššie, je vynikajúcim oxidačným činidlom. So silnými predstaviteľmi sa však vie správať aj ako reštaurátor. Okrem toho má výrazný baktericídny účinok.
Ďalším názvom tejto zlúčeniny je peroxid. V tejto forme sa používa v medicíne. 3% roztok kryštalického hydrátu predmetnej zlúčeniny je medicínsky liek, ktorý sa používa na liečbu malých rán za účelom ich dezinfekcie. Je však dokázané, že sa tým zvyšuje doba hojenia rany.
Peroxid vodíka sa tiež používa v raketovom palive, v priemysle na dezinfekciu a bielenie a ako penidlo na výrobu vhodných materiálov (napríklad peny). Okrem toho peroxid pomáha čistiť akvária, bieliť vlasy a bieliť zuby. Spôsobuje však poškodenie tkanív, preto ho odborníci na tieto účely neodporúčajú.