IN periodni sistem Vodik se nahaja v dveh skupinah elementov, ki sta si po svojih lastnostih popolnoma nasprotna. Zaradi te lastnosti je popolnoma edinstven. Vodik ni le element ali snov, ampak je tudi sestavni del veliko kompleksnih spojin, organogenih in biogenih elementov. Zato si poglejmo njegove lastnosti in značilnosti podrobneje.
Sproščanje vnetljivega plina med interakcijo kovin in kislin so opazili že v 16. stoletju, torej med nastajanjem kemije kot znanosti. Slavni angleški znanstvenik Henry Cavendish je snov preučeval od leta 1766 in ji dal ime "gorljiv zrak". Pri zgorevanju je ta plin proizvedel vodo. Na žalost mu je znanstvenikova zavezanost teoriji o flogistonu (hipotetična »ultrafina snov«) preprečila, da bi prišel do pravih zaključkov.
Francoski kemik in naravoslovec A. Lavoisier je skupaj z inženirjem J. Meunierjem in s pomočjo posebnih plinometrov leta 1783 sintetiziral vodo in jo nato analiziral z razgradnjo vodne pare z vročim železom. Tako so znanstveniki lahko prišli do pravih zaključkov. Ugotovili so, da "gorljiv zrak" ni le del vode, ampak ga lahko iz nje tudi pridobimo.
Leta 1787 je Lavoisier predlagal, da je plin, ki ga proučujemo, preprosta snov in zato pripada primarni kemični elementi. Imenoval ga je hidrogen (iz grških besed hydor - voda + gennao - rojevam), to je "porajanje vode".
Rusko ime "vodik" je leta 1824 predlagal kemik M. Soloviev. Določanje sestave vode je pomenilo konec "flogistonske teorije". Na prelomu iz 18. v 19. stoletje je bilo ugotovljeno, da je atom vodika zelo lahek (v primerjavi z atomi drugih elementov) in je bila njegova masa vzeta kot osnovna enota za primerjavo atomskih mas, ki je dobila vrednost enako 1.
Fizikalne lastnosti
Vodik je najlažja znanost znana snov (je 14,4-krat lažja od zraka), njegova gostota je 0,0899 g/l (1 atm, 0 °C). Ta material se tali (strdi) oziroma vre (utekočini) pri -259,1 °C oziroma -252,8 °C (samo helij ima nižjo temperaturo vrelišča in tališča).
Kritična temperatura vodika je izjemno nizka (-240 °C). Zaradi tega je njegovo utekočinjenje precej zapleten in drag proces. Kritični tlak snovi je 12,8 kgf/cm², kritična gostota pa 0,0312 g/cm³. Med vsemi plini ima vodik največjo toplotno prevodnost: pri 1 atm in 0 °C je enaka 0,174 W/(mxK).
Specifična toplotna kapaciteta snovi pri enakih pogojih je 14,208 kJ/(kgxK) ali 3,394 cal/(gh°C). Ta element je rahlo topen v vodi (približno 0,0182 ml/g pri 1 atm in 20 °C), vendar je dobro topen v večini kovin (Ni, Pt, Pa in drugih), zlasti v paladiju (približno 850 volumnov na volumen Pd). .
Slednja lastnost je povezana z njegovo sposobnostjo difuzije, difuzijo skozi ogljikovo zlitino (na primer jeklo) pa lahko spremlja uničenje zlitine zaradi interakcije vodika z ogljikom (ta proces se imenuje dekarbonizacija). V tekočem stanju je snov zelo lahka (gostota - 0,0708 g/cm³ pri t° = -253 °C) in tekoča (viskoznost - 13,8 puise pri enakih pogojih).
V mnogih spojinah ima ta element valenco +1 (oksidacijsko stanje), tako kot natrij in druge alkalijske kovine. Običajno se šteje za analog teh kovin. V skladu s tem vodi skupino I periodnega sistema. V kovinskih hidridih ima vodikov ion negativen naboj (oksidacijsko stanje je -1), kar pomeni, da ima Na+H- podobno strukturo kot Na+Cl- klorid. V skladu s tem in nekaterimi drugimi dejstvi (podobnost fizikalnih lastnosti elementa "H" in halogenov, sposobnost njegove zamenjave s halogeni v organskih spojinah) uvrščamo vodik v VII. skupino periodnega sistema.
V normalnih pogojih ima molekularni vodik nizko aktivnost, neposredno se povezuje le z najbolj aktivnimi nekovinami (s fluorom in klorom, pri čemer je slednji na svetlobi). Pri segrevanju pa medsebojno deluje s številnimi kemičnimi elementi.
Atomski vodik ima povečano kemično aktivnost (v primerjavi z molekularnim). S kisikom tvori vodo po formuli:
Н₂ + ½О₂ = Н₂О,
pri čemer se sprosti 285,937 kJ/mol toplote ali 68,3174 kcal/mol (25 °C, 1 atm). Pri normalnih temperaturnih pogojih reakcija poteka precej počasi, pri t° >= 550 °C pa je neobvladljiva. Meje eksplozivnosti mešanice vodik + kisik po prostornini so 4–94 % H₂, mešanica vodik + zrak pa je 4–74 % H₂ (mešanica dveh volumnov H₂ in enega volumna O₂ se imenuje detonacijski plin).
Ta element se uporablja za redukcijo večine kovin, saj odstranjuje kisik iz oksidov:
Fe3O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H₂O,
CuO + H₂ = Cu + H₂O itd.
Vodik tvori vodikove halogenide z različnimi halogeni, na primer:
H₂ + Cl₂ = 2HCl.
Vendar pa pri reakciji s fluorom vodik eksplodira (to se zgodi tudi v temi, pri -252 ° C), z bromom in klorom reagira le pri segrevanju ali osvetlitvi, z jodom pa le pri segrevanju. Pri interakciji z dušikom nastane amoniak, vendar le na katalizatorju, pri povišanih tlakih in temperaturah:
ЗН₂ + N₂ = 2NN3.
Pri segrevanju vodik aktivno reagira z žveplom:
H₂ + S = H₂S (vodikov sulfid),
in veliko težje s telurijem ali selenom. Vodik reagira s čistim ogljikom brez katalizatorja, vendar pri visokih temperaturah:
2H₂ + C (amorfen) = CH4 (metan).
Ta snov reagira neposredno z nekaterimi kovinami (alkalijske, zemeljskoalkalijske in druge) in tvori hidride, na primer:
H₂ + 2Li = 2LiH.
Pomembno praktični pomen imajo interakcije med vodikom in ogljikovim (II) monoksidom. V tem primeru, odvisno od tlaka, temperature in katalizatorja, nastanejo različne organske spojine: HCHO, CH₃OH itd. Nenasičeni ogljikovodiki med reakcijo postanejo nasičeni, npr.
С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.
Vodik in njegove spojine imajo v kemiji izjemno vlogo. Določa kisle lastnosti ti. protične kisline, teži k tvorbi vodikovih vezi z različnimi elementi, ki pomembno vplivajo na lastnosti številnih anorganskih in organskih spojin.
Proizvodnja vodika
Glavne vrste surovin za industrijsko proizvodnjo tega elementa so plini iz rafiniranja nafte, naravni gorljivi in koksarni plini. Pridobivajo ga tudi iz vode z elektrolizo (kjer je na voljo elektrika). Ena najpomembnejših metod za proizvodnjo materiala iz zemeljski plin Upoštevana je katalitična interakcija ogljikovodikov, predvsem metana, z vodno paro (tako imenovana konverzija). Na primer:
CH₄ + H₂O = CO + ZN₂.
Nepopolna oksidacija ogljikovodikov s kisikom:
CH₄ + ½O₂ = CO + 2H₂.
Sintetizirani ogljikov monoksid (II) je podvržen pretvorbi:
CO + H₂O = CO₂ + H₂.
Najcenejši je vodik, proizveden iz zemeljskega plina.
Uporablja se za elektrolizo vode D.C., ki se spusti skozi raztopino NaOH ali KOH (kisline se ne uporabljajo, da preprečimo korozijo opreme). IN laboratorijske razmere material dobimo z elektrolizo vode ali kot rezultat reakcije med klorovodikovo kislino in cinkom. Vendar se pogosteje uporablja že pripravljen tovarniški material v jeklenkah.
Ta element je izoliran od plinov iz rafiniranja nafte in koksarniškega plina tako, da se odstranijo vse ostale sestavine mešanice plinov, saj se pri globokem ohlajanju lažje utekočinijo.
Ta material so začeli industrijsko proizvajati konec 18. stoletja. Takrat so ga uporabljali za polnjenje balonov. Trenutno se vodik pogosto uporablja v industriji, predvsem v kemični industriji, za proizvodnjo amoniaka.
Množični porabniki snovi so proizvajalci metilnega in drugih alkoholov, sintetičnega bencina in številnih drugih izdelkov. Pridobivajo jih s sintezo iz ogljikovega monoksida (II) in vodika. Vodik se uporablja za hidrogeniranje težkih in trdnih tekočih goriv, maščob itd., za sintezo HCl, hidrotretiranje naftnih derivatov, pa tudi pri rezanju/varjenju kovin. Najpomembnejši elementi za jedrska energija so njegovi izotopi - tritij in devterij.
Biološka vloga vodika
Približno 10% mase živih organizmov (povprečno) prihaja iz tega elementa. Je del vode in najpomembnejših skupin naravnih spojin, vključno z beljakovinami, nukleinskimi kislinami, lipidi in ogljikovimi hidrati. Za kaj se uporablja?
Ta material ima odločilno vlogo: pri ohranjanju prostorske strukture proteinov (kvaternar), pri izvajanju načela komplementarnosti. nukleinske kisline(tj. pri izvajanju in shranjevanju genetske informacije), nasploh pri »prepoznavanju« na molekularni ravni.
Vodikov ion H+ sodeluje pri pomembnih dinamičnih reakcijah/procesih v telesu. Vključno: pri biološki oksidaciji, ki živim celicam zagotavlja energijo, pri reakcijah biosinteze, pri fotosintezi v rastlinah, pri bakterijski fotosintezi in fiksaciji dušika, pri vzdrževanju kislinsko-bazičnega ravnovesja in homeostaze, pri membranskih transportnih procesih. Skupaj z ogljikom in kisikom tvori funkcionalno in strukturno osnovo življenjskih pojavov.
Vodik je enostavna snov H2 (dihidrogen, diprotij, lahki vodik).
Na kratko vodikova značilnost:
- Nekovinski.
- Brezbarven plin, ki ga je težko utekočiniti.
- Slabo topen v vodi.
- Bolje se topi v organskih topilih.
- Kemisorpcija s kovinami: železo, nikelj, platina, paladij.
- Močno redukcijsko sredstvo.
- Interagira (pri visokih temperaturah) z nekovinami, kovinami, kovinskimi oksidi.
- Atomski vodik H0, pridobljen s termično razgradnjo H2, ima največjo redukcijsko sposobnost.
- Vodikovi izotopi:
- 1 H - protij
- 2 H - devterij (D)
- 3 H - tritij (T)
- Relativna molekulska masa = 2,016
- Relativna gostota trdnega vodika (t=-260°C) = 0,08667
- Relativna gostota tekočega vodika (t=-253°C) = 0,07108
- Nadtlak (št.) = 0,08988 g/l
- temperatura tališča = -259,19°C
- vrelišče = -252,87°C
- Volumetrični koeficient topnosti vodika:
- (t=0°C) = 2,15;
- (t=20°C) = 1,82;
- (t=60°C) = 1,60;
1. Termična razgradnja vodika(t=2000-3500°C):
H 2 ↔ 2H 0
2. Interakcija vodika z nekovine:
- H 2 +F 2 = 2HF (t=-250..+20°C)
- H 2 +Cl 2 = 2HCl (pri sežigu ali izpostavljenosti svetlobi pri sobni temperaturi):
- Cl 2 = 2Cl 0
- Cl 0 + H 2 = HCl + H 0
- H 0 + Cl 2 = HCl + Cl 0
- H 2 +Br 2 = 2HBr (t=350-500°C, platinasti katalizator)
- H 2 +I 2 = 2HI (t=350-500°C, platinasti katalizator)
- H 2 +O 2 = 2H 2 O:
- H 2 + O 2 = 2OH 0
- OH 0 + H 2 = H 2 O + H 0
- H 0 + O 2 = OH 0 + O 0
- O 0 + H 2 = OH 0 + H 0
- H 2 +S = H 2 S (t=150..200°C)
- 3H 2 +N 2 = 2NH 3 (t=500°C, železov katalizator)
- 2H 2 +C(koks) = CH 4 (t=600°C, platinasti katalizator)
- H 2 +2C (koks) = C 2 H 2 (t=1500..2000°C)
- H 2 +2C(koks)+N 2 = 2HCN (t več kot 1800°C)
3. Interakcija vodika z kompleksne snovi:
- 4H 2 +(Fe II Fe 2 III)O 4 = 3Fe+4H 2 O (t več kot 570°C)
- H 2 +Ag 2 SO 4 = 2Ag+H 2 SO 4 (t več kot 200°C)
- 4H 2 +2Na 2 SO 4 = Na 2 S + 4H 2 O (t = 550-600°C, katalizator Fe 2 O 3)
- 3H 2 +2BCl 3 = 2B+6HCl (t = 800-1200°C)
- H 2 +2EuCl 3 = 2EuCl 2 +2HCl (t = 270°C)
- 4H 2 +CO 2 = CH 4 +2H 2 O (t = 200°C, CuO 2 katalizator)
- H 2 +CaC 2 = Ca+C 2 H 2 (t nad 2200°C)
- H 2 +BaH 2 = Ba(H 2) 2 (t do 0°C, raztopina)
4. Udeležba vodika pri redoks reakcije:
- 2H 0 (Zn, razb. HCl) + KNO 3 = KNO 2 + H 2 O
- 8H 0 (Al, konc. KOH)+KNO 3 = NH 3 +KOH+2H 2 O
- 2H 0 (Zn, razb. HCl) + EuCl 3 = 2EuCl 2 + 2HCl
- 2H 0 (Al)+NaOH(konc.)+Ag 2 S = 2Ag↓+H 2 O+NaHS
- 2H 0 (Zn, razt. H 2 SO 4) + C 2 N 2 = 2HCN
Vodikove spojine
D 2 - dideuterij:
- Težki vodik.
- Brezbarven plin, ki ga je težko utekočiniti.
- Didevterij je v naravnem vodiku 0,012-0,016 % (po masi).
- V plinski mešanici dideuterija in protija pride do izmenjave izotopov pri visokih temperaturah.
- Rahlo topen v navadni in težki vodi.
- Pri navadni vodi je izmenjava izotopov nepomembna.
- Kemijske lastnosti so podobne lahkemu vodiku, vendar je didevterij manj reaktiven.
- Relativna molekulska masa = 4,028
- Relativna gostota tekočega dideuterija (t=-253°C) = 0,17
- temperatura tališča = -254,5°C
- vrelišče = -249,49°C
T 2 - ditirij:
- Super težki vodik.
- Brezbarven radioaktivni plin.
- Razpolovna doba 12,34 let.
- V naravi ditirij nastane kot posledica obstreljevanja jeder 14 N z nevtroni iz kozmičnega sevanja; v naravnih vodah so našli sledove ditirija.
- Ditritij se pridobiva iz jedrski reaktor obstreljevanje litija s počasnimi nevtroni.
- Relativna molekulska masa = 6,032
- temperatura tališča = -252,52°C
- vrelišče = -248,12°C
HD - vodikov devterij:
- Brezbarvni plin.
- Ne topi se v vodi.
- Kemijske lastnosti, podobne H2.
- Relativna molekulska masa = 3,022
- Relativna gostota trdnega vodika devterija (t=-257 °C) = 0,146
- Nadtlak (št.) = 0,135 g/l
- temperatura tališča = -256,5°C
- vrelišče = -251,02°C
Vodikovi oksidi
H 2 O - voda:
- Brezbarvna tekočina.
- Glede na izotopsko sestavo kisika je voda sestavljena iz H 2 16 O z nečistočami H 2 18 O in H 2 17 O
- Glede na izotopsko sestavo vodika je voda sestavljena iz 1 H 2 O s primesjo HDO.
- Tekoča voda je podvržena protolizi (H 3 O + in OH -):
- H 3 O + (oksonijev kation) je največ močna kislina v vodni raztopini;
- OH - (hidroksidni ion) je najmočnejša baza v vodni raztopini;
- Voda je najšibkejši konjugirani protolit.
- Z mnogimi snovmi tvori voda kristalne hidrate.
- Voda je kemično aktivna snov.
- Voda je univerzalno tekoče topilo za anorganske spojine.
- Relativna molekulska masa vode = 18,02
- Relativna gostota trdne vode (ledu) (t=0°C) = 0,917
- Relativna gostota tekoče vode:
- (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
- gostota (n.s.) = 0,8652 g/l
- tališče = 0°C
- vrelišče = 100°C
- Ionski produkt vode (25°C) = 1,008·10 -14
1. Toplotna razgradnja vode:
2H 2 O ↔ 2H 2 +O 2 (nad 1000 °C)
D 2 O - devterijev oksid:
- Težka voda.
- Brezbarvna higroskopna tekočina.
- Viskoznost je večja od viskoznosti vode.
- Meša se z navadno vodo v neomejenih količinah.
- Izotopska izmenjava proizvaja poltežko vodo HDO.
- Moč topila je manjša kot pri navadni vodi.
- Kemijske lastnosti devterijevega oksida so podobne kemijskim lastnostim vode, vendar vse reakcije potekajo počasneje.
- Težka voda je prisotna v naravni vodi (masno razmerje do navadne vode 1:5500).
- Devterijev oksid pridobivajo s ponavljajočo se elektrolizo naravne vode, pri kateri se težka voda kopiči v ostanku elektrolita.
- Relativna molekulska masa težke vode = 20,03
- Relativna gostota tekoče težke vode (t=11,6°C) = 1,1071
- Relativna gostota tekoče težke vode (t=25°C) = 1,1042
- temperatura tališča = 3,813°C
- vrelišče = 101,43°C
T 2 O - tritijev oksid:
- Super težka voda.
- Brezbarvna tekočina.
- Viskoznost je višja in moč raztapljanja manjša kot pri navadni in težki vodi.
- Meša se z navadno in težko vodo v neomejenih količinah.
- Izotopska izmenjava z navadno in težko vodo povzroči nastanek HTO, DTO.
- Kemijske lastnosti super težke vode so podobne kemijskim lastnostim vode, le da vse reakcije potekajo še počasneje kot v težki vodi.
- Sledi tritijevega oksida najdemo v naravni vodi in ozračju.
- Supertežko vodo dobimo s prehodom tritija preko vročega bakrovega oksida CuO.
- Relativna molekulska masa super težke vode = 22,03
- tališče = 4,5°C
Vodik je v drugi polovici 18. stoletja odkril angleški znanstvenik s področja fizike in kemije G. Cavendish. Uspelo mu je izolirati snov v njenem čistem stanju, začel jo je preučevati in opisal njene lastnosti.
To je zgodba o odkritju vodika. Med poskusi je raziskovalec ugotovil, da gre za vnetljiv plin, pri zgorevanju katerega v zraku nastaja voda. To je vodilo do določitve kvalitativne sestave vode.
Kaj je vodik
Francoski kemik A. Lavoisier je leta 1784 prvič označil vodik kot preprosto snov, saj je ugotovil, da njegova molekula vsebuje istovrstne atome.
Ime kemičnega elementa v latinščini zveni kot hidrogenij (beri "hidrogenij"), kar pomeni "vododajalec". Ime se nanaša na reakcijo zgorevanja, ki proizvaja vodo.
Značilnosti vodika
Oznaka vodika N. Mendelejev je temu kemijskemu elementu dodelil prvo atomsko številko in ga uvrstil v glavno podskupino prve skupine in prvega obdobja ter pogojno v glavno podskupino sedme skupine.
Atomska teža (atomska masa) vodika je 1,00797. Molekulska masa H2 je 2 a. e. Molska masaštevilčno enaka temu.
Predstavljajo ga trije izotopi, ki imajo posebno ime: najpogostejši protij (H), težki devterij (D), radioaktivni tritij (T).
Je prvi element, ki ga je mogoče na preprost način popolnoma ločiti na izotope. Temelji na veliki razliki v masi izotopov. Postopek je bil prvič izveden leta 1933. To je razloženo z dejstvom, da je bil šele leta 1932 odkrit izotop z maso 2.
Fizikalne lastnosti
V normalnih pogojih je preprosta snov vodik v obliki dvoatomnih molekul plin, brez barve, okusa in vonja. Rahlo topen v vodi in drugih topilih.
Temperatura kristalizacije - 259,2 o C, vrelišče - 252,8 o C. Premer vodikovih molekul je tako majhen, da imajo sposobnost počasne difuzije skozi številne materiale (gumo, steklo, kovine). Ta lastnost se uporablja, ko je treba vodik očistiti iz plinastih nečistoč. Ko je n. u. vodik ima gostoto 0,09 kg/m3.
Ali je mogoče vodik pretvoriti v kovino po analogiji z elementi, ki se nahajajo v prvi skupini? Znanstveniki so ugotovili, da vodik pod pogoji, ko se tlak približa 2 milijonom atmosfer, začne absorbirati infrardeče žarke, kar kaže na polarizacijo molekul snovi. Morda še z več visoki pritiski, bo vodik postal kovina.
To je zanimivo: obstaja domneva, da se na velikanskih planetih, Jupitru in Saturnu, vodik nahaja v obliki kovine. Predpostavlja se, da je kovinski trdni vodik prisoten tudi v zemeljskem jedru zaradi ultravisokega tlaka, ki ga ustvarja zemeljski plašč.
Kemijske lastnosti
IN kemična reakcija z vodikom reagirajo z enostavnimi in kompleksne snovi. Toda nizko aktivnost vodika je treba povečati z ustvarjanjem ustreznih pogojev - zvišanjem temperature, uporabo katalizatorjev itd.
Pri segrevanju enostavne snovi, kot so kisik (O 2), klor (Cl 2), dušik (N 2), žveplo (S), reagirajo z vodikom.
Če prižgete čisti vodik na koncu izhodne cevi za plin v zraku, bo gorel enakomerno, a komaj opazno. Če postavite izhodno cev za plin v atmosfero čistega kisika, se bo gorenje nadaljevalo s tvorbo vodnih kapljic na stenah posode, kar je posledica reakcije:
Zgorevanje vode spremlja sproščanje velike količine toplote. Je eksotermna sestavljena reakcija, pri kateri vodik oksidira kisik, da nastane oksid H 2 O. Je tudi redoks reakcija, pri kateri vodik oksidira in kisik reducira.
Reakcija s Cl 2 poteka podobno kot tvorba vodikovega klorida.
Interakcija dušika z vodikom zahteva visoko temperaturo in visok tlak ter prisotnost katalizatorja. Rezultat je amoniak.
Kot posledica reakcije z žveplom nastane vodikov sulfid, katerega prepoznavanje olajša značilen vonj po gnilih jajcih.
Oksidacijsko stanje vodika v teh reakcijah je +1, v spodaj opisanih hidridih pa – 1.
Pri reakciji z nekaterimi kovinami nastanejo hidridi, na primer natrijev hidrid - NaH. Nekatere od teh kompleksnih spojin se uporabljajo kot gorivo za rakete, pa tudi v termonuklearni energiji.
Vodik reagira tudi s snovmi iz kategorije kompleksov. Na primer z bakrovim (II) oksidom, formula CuO. Za izvedbo reakcije se bakrov vodik spusti čez segret bakrov (II) oksid v prahu. Med interakcijo reagent spremeni barvo in postane rdeče-rjav, kapljice vode pa se usedejo na hladne stene epruvete.
Vodik med reakcijo oksidira, pri čemer nastane voda, baker pa se reducira iz oksida v preprosto snov (Cu).
Aplikacije
Vodik je za človeka zelo pomemben in se uporablja na različnih področjih:
- IN kemična proizvodnja– to so surovine, v drugih panogah – gorivo. Petrokemična podjetja in podjetja za rafiniranje nafte ne morejo brez vodika.
- V elektroenergetiki ta preprosta snov deluje kot hladilno sredstvo.
- V črni in barvni metalurgiji igra vodik vlogo reducenta.
- To pomaga ustvariti inertno okolje pri pakiranju izdelkov.
- Farmacevtska industrija - uporablja vodik kot reagent pri proizvodnji vodikovega peroksida.
- Vremenski baloni so napolnjeni s tem svetlobnim plinom.
- Ta element je znan tudi kot reduktor goriva za raketne motorje.
Znanstveniki soglasno napovedujejo, da bo vodikovo gorivo prevzelo vodilno vlogo v energetskem sektorju.
Prejem v industriji
V industriji se vodik proizvaja z elektrolizo, ki je izpostavljena kloridom ali hidroksidom alkalijskih kovin, raztopljenih v vodi. S to metodo je mogoče pridobiti vodik tudi neposredno iz vode.
Za te namene se uporablja pretvorba koksa ali metana z vodno paro. Pri razgradnji metana pri povišanih temperaturah nastaja tudi vodik. Uporablja se tudi za utekočinjanje koksarniškega plina po frakcijski metodi industrijske proizvodnje vodik.
Pridobljeno v laboratoriju
V laboratoriju se za pridobivanje vodika uporablja Kippov aparat.
Reagenti so klorovodikova kislina oz žveplova kislina in cink. Pri reakciji nastane vodik.
Iskanje vodika v naravi
Vodik je pogostejši kot kateri koli drug element v vesolju. Večina zvezd, vključno s Soncem in drugimi kozmična telesa tvori vodik.
IN zemeljska skorja je le 0,15 %. Prisoten je v številnih mineralih, vseh organske snovi, pa tudi v vodi, ki pokriva 3/4 površine našega planeta.
V zgornji atmosferi je mogoče najti sledi vodika čista oblika. Najdemo ga tudi v številnih vnetljivih naravnih plinih.
Plinasti vodik je najmanj gosta, tekoči vodik pa najgostejša snov na našem planetu. S pomočjo vodika lahko spremenite tember svojega glasu, če ga vdihnete in govorite ob izdihu.
V središču dogajanja najmočnejših vodikova bomba leži cepitev najlažjega atoma.
Vodik H je kemijski element, eden najpogostejših v našem vesolju. Masa vodika kot elementa v sestavi snovi je 75% celotne vsebnosti atomov drugih vrst. Je del najpomembnejše in vitalne spojine na planetu – vode. Posebna značilnost vodika je tudi, da je prvi element v periodnem sistemu kemičnih elementov D. I. Mendelejeva.
Odkrivanje in raziskovanje
Prva omemba vodika v spisih Paracelsusa sega v šestnajsto stoletje. Toda njegovo izolacijo iz plinske mešanice zraka in študijo vnetljivih lastnosti je že v sedemnajstem stoletju izvedel znanstvenik Lemery. Vodik je temeljito preučil angleški kemik, fizik in naravoslovec, ki je eksperimentalno dokazal, da je masa vodika najmanjša v primerjavi z drugimi plini. V kasnejših fazah razvoja znanosti so z njim delali številni znanstveniki, zlasti Lavoisier, ki ga je imenoval »roditelj vode«.
Značilnosti po položaju v PSHE
Element, ki odpira periodični sistem D.I. Mendelejeva, je vodik. Fizično in kemijske lastnosti atomi kažejo določeno dvojnost, saj je vodik hkrati razvrščen kot član prve skupine, glavne podskupine, če se obnaša kot kovina in v procesu odda en sam elektron kemična reakcija, in do sedmega - v primeru popolnega polnjenja valenčne lupine, to je sprejema negativnega delca, ki ga označuje kot podobnega halogenom.
Značilnosti elektronske zgradbe elementa
Lastnosti kompleksnih snovi, v katere je vključen, in najpreprostejše snovi H2 so v prvi vrsti določene z elektronsko konfiguracijo vodika. Delec ima en elektron z Z= (-1), ki se vrti v svoji orbiti okoli jedra, ki vsebuje en proton z enotsko maso in pozitivnim nabojem (+1). Njegovo elektronska konfiguracija je zapisan kot 1s 1, kar pomeni prisotnost enega negativnega delca v prvi in edini s-orbitali za vodik.
Ko se elektron odstrani ali opusti in ima atom tega elementa tako lastnost, da je soroden kovinam, dobimo kation. V bistvu je vodikov ion pozitiven elementarni delec. Zato vodik brez elektrona preprosto imenujemo proton.
Fizikalne lastnosti
Če na kratko opišemo vodik, je brezbarven, rahlo topen plin z relativno atomsko maso 2, 14,5-krat lažji od zraka, s temperaturo utekočinjenja -252,8 stopinj Celzija.
Iz izkušenj lahko preprosto preverite, da je H 2 najlažji. Če želite to narediti, je dovolj, da tri kroglice napolnite z različnimi snovmi - vodikom, ogljikovim dioksidom, navadnim zrakom - in jih hkrati izpustite iz roke. Tista, napolnjena s CO 2 , bo najhitreje dosegla tla, za njo se bo spustila tista, napolnjena z zračno mešanico, tista, ki vsebuje H 2 , pa se bo dvignila do stropa.
Majhna masa in velikost delcev vodika upravičujeta njegovo sposobnost prodiranja različne snovi. Na primeru iste žoge je to enostavno preveriti; po nekaj dneh se bo sama izpraznila, saj bo plin preprosto šel skozi gumo. Vodik se lahko kopiči tudi v strukturi nekaterih kovin (paladija ali platine) in iz nje izhlapi, ko se temperatura dvigne.
Lastnost nizke topnosti vodika se uporablja v laboratorijski praksi za njegovo izolacijo z izpodrivanjem vodika (spodnja tabela vsebuje glavne parametre) za določitev obsega njegove uporabe in načinov pridobivanja.
| Parameter atoma ali molekule preproste snovi | Pomen |
| Atomska masa (molska masa) | 1,008 g/mol |
| Elektronska konfiguracija | 1s 1 |
| Kristalna mreža | Šesterokotna |
| Toplotna prevodnost | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Gostota pri n. u. | 0,08987 g/l |
| Vrelišče | -252,76 °C |
| Specifična toplota zgorevanja | 120,9 10 6 J/kg |
| Tališče | -259,2 °C |
| Topnost v vodi | 18,8 ml/l |
Izotopska sestava
Tako kot mnogi drugi predstavniki periodičnega sistema kemičnih elementov ima vodik več naravnih izotopov, to je atomov z enakim številom protonov v jedru, vendar različnim številom nevtronov - delcev z ničelnim nabojem in enotsko maso. Primeri atomov s podobno lastnostjo so kisik, ogljik, klor, brom in drugi, vključno z radioaktivnimi.
Fizikalne lastnosti vodika 1H, najpogostejšega predstavnika te skupine, se bistveno razlikujejo od enakih lastnosti njegovih kolegov. Razlikujejo se zlasti lastnosti snovi, ki jih vsebujejo. Tako obstaja navadna in devterirana voda, ki v svoji sestavi namesto atoma vodika z enim samim protonom vsebuje devterij 2 H - njegov izotop z dvema elementarni delci: pozitiven in nenabit. Ta izotop je dvakrat težji od navadnega vodika, kar pojasnjuje dramatično razliko v lastnostih spojin, ki jih tvorijo. V naravi najdemo devterij 3200-krat manj pogosto kot vodik. Tretji predstavnik je tritij 3H, ki ima v jedru dva nevtrona in en proton.
Metode proizvodnje in izolacije
Laboratorijske in industrijske metode se precej razlikujejo. Tako se plin proizvaja v majhnih količinah predvsem z reakcijami, ki vključujejo mineralne snovi, medtem ko se pri proizvodnji velikega obsega v večji meri uporablja organska sinteza.
V laboratoriju se uporabljajo naslednje kemične interakcije:
Za industrijske namene se plin proizvaja z naslednjimi metodami:
- Termična razgradnja metana v prisotnosti katalizatorja na njegove sestavne preproste snovi (vrednost takšnega indikatorja, kot je temperatura, doseže 350 stopinj) - vodik H2 in ogljik C.
- Prehajanje vode s paro skozi koks pri 1000 stopinjah Celzija, da nastaneta ogljikov dioksid CO 2 in H 2 (najpogostejša metoda).
- Pretvorba plina metana na nikljevem katalizatorju pri temperaturah do 800 stopinj.
- Vodik je stranski produkt elektrolize vodne raztopine kalijevi ali natrijevi kloridi.
Kemijske interakcije: splošne določbe
Fizikalne lastnosti vodika v veliki meri pojasnjujejo njegovo obnašanje v reakcijskih procesih z določeno spojino. Valenca vodika je 1, saj se nahaja v prvi skupini v periodnem sistemu, stopnja oksidacije pa je različna. V vseh spojinah, razen v hidridih, je vodik v d.o. = (1+), v molekulah tipa CN, CN 2, CN 3 - (1-).
Molekula vodikovega plina, ki nastane z ustvarjanjem posplošenega elektronskega para, je sestavljena iz dveh atomov in je energijsko precej stabilna, zato je v normalnih pogojih nekoliko inertna in reagira ob spreminjanju normalne razmere. Glede na stopnjo oksidacije vodika v sestavi drugih snovi lahko deluje tako kot oksidant kot reducent.
Snovi, s katerimi vodik reagira in tvori
Elementarne interakcije za tvorbo kompleksnih snovi (pogosto pri povišanih temperaturah):
- Alkalijske in zemeljskoalkalijske kovine + vodik = hidrid.
- Halogen + H 2 = vodikov halid.
- Žveplo + vodik = vodikov sulfid.
- Kisik + H 2 = voda.
- Ogljik + vodik = metan.
- Dušik + H 2 = amoniak.
Medsebojno delovanje s kompleksnimi snovmi:
- Proizvodnja sinteznega plina iz ogljikovega monoksida in vodika.
- Redukcija kovin iz njihovih oksidov z uporabo H 2.
- Nasičenje nenasičenih alifatskih ogljikovodikov z vodikom.
Vodikova vez
Fizikalne lastnosti vodika so takšne, da mu omogočajo, da v kombinaciji z elektronegativnim elementom tvori posebno vrsto vezi z istim atomom iz sosednjih molekul, ki imajo enojne elektronske pare (na primer kisik, dušik in fluor). Najbolj jasen primer, v katerem je bolje upoštevati ta pojav, je voda. Lahko rečemo, da je spojen z vodikovimi vezmi, ki so šibkejše od kovalentnih ali ionskih, vendar zaradi dejstva, da jih je veliko, pomembno vplivajo na lastnosti snovi. V bistvu je vodikova vez elektrostatična interakcija, ki veže molekule vode v dimere in polimere, kar povzroči njeno visoko vrelišče.
Vodik v mineralnih spojinah
Vsi vsebujejo proton - kation atoma, kot je vodik. Snov, katere kislinski ostanek ima oksidacijsko stopnjo večjo od (-1), se imenuje polibazna spojina. Vsebuje več atomov vodika, zaradi česar je disociacija v vodnih raztopinah večstopenjska. Vsak naslednji proton postane vse težje odstraniti iz kislinskega ostanka. Količinska vsebnost vodika v mediju določa njegovo kislost.
Uporaba v človeških dejavnostih
Jeklenke s snovjo, pa tudi posode z drugimi utekočinjenimi plini, kot je kisik, imajo posebno videz. Pobarvane so temno zelene z besedo "vodik", napisano v svetlo rdeči barvi. Plin se črpa v jeklenko pod tlakom približno 150 atmosfer. Fizikalne lastnosti vodika, zlasti lahkotnost plinastega agregatnega stanja, se uporabljajo za polnjenje balonov, balonov ipd. z njim v mešanici s helijem.
Vodik, katerega fizikalne in kemijske lastnosti so se ljudje naučili uporabljati pred mnogimi leti, se trenutno uporablja v številnih panogah. Glavnina gre za proizvodnjo amoniaka. Vodik sodeluje tudi v (hafnij, germanij, galij, silicij, molibden, volfram, cirkonij in drugi) oksidi, ki delujejo v reakciji kot reducent, cianovodikova in klorovodikova kislina, pa tudi umetno tekoče gorivo. Živilska industrija ga uporablja za pretvorbo rastlinskih olj v trdne maščobe.
Določene so bile kemijske lastnosti in uporaba vodika v različnih procesih hidrogeniranja in hidrogeniranja maščob, premoga, ogljikovodikov, olj in kurilnega olja. Uporablja se za proizvodnjo dragulji, žarnice z žarilno nitko, kovanje in varjenje kovinskih izdelkov pod vplivom plamena kisika in vodika.
V periodnem sistemu ima svoj poseben položaj, ki odraža lastnosti, ki jih kaže, in govori o njem elektronska struktura. Vendar pa je med vsemi en poseben atom, ki zaseda dve celici hkrati. Nahaja se v dveh skupinah elementov, ki sta si po svojih lastnostih povsem nasprotna. To je vodik. Zaradi takšnih lastnosti je edinstven.
Vodik ni le element, ampak tudi preprosta snov, kot tudi komponentoštevilne kompleksne spojine, biogeni in organogeni element. Zato podrobneje razmislimo o njegovih značilnostih in lastnostih.
Vodik kot kemijski element
Vodik je element 1. skupine glavna podskupina, kot tudi sedma skupina glavne podskupine v prvem majhnem obdobju. To obdobje je sestavljeno iz samo dveh atomov: helija in elementa, ki ga obravnavamo. Opišimo glavne značilnosti položaja vodika v periodnem sistemu.
- Atomsko število vodika je 1, število elektronov je enako in s tem je enako število protonov. Atomska masa - 1,00795. Obstajajo trije izotopi tega elementa z masnimi števili 1, 2, 3. Vendar pa so lastnosti vsakega od njih zelo različne, saj je povečanje mase celo za eno za vodik takoj dvakratno.
- Dejstvo, da vsebuje samo en elektron na svoji zunanji površini, mu omogoča, da uspešno kaže tako oksidacijske kot redukcijske lastnosti. Poleg tega po oddaji elektrona ostane prosta orbitala, ki sodeluje pri nastanku kemične vezi po donorsko-akceptorskem mehanizmu.
- Vodik je močno redukcijsko sredstvo. Zato se za njegovo glavno mesto šteje prva skupina glavne podskupine, kamor največ vodi aktivne kovine- alkalno.
- Vendar pa je lahko pri interakciji z močnimi redukcijskimi sredstvi, kot so kovine, tudi oksidant, ki sprejme elektron. Te spojine imenujemo hidridi. Po tej lastnosti vodi podskupino halogenov, s katerimi je podoben.
- Zaradi zelo majhne atomske mase vodik velja za najlažji element. Poleg tega je tudi njegova gostota zelo nizka, zato je tudi merilo za lahkotnost.
Tako je očitno, da je atom vodika popolnoma edinstven element, za razliko od vseh drugih elementov. Posledično so posebne tudi njegove lastnosti, zelo pomembne pa so enostavne in kompleksne snovi, ki nastanejo. Razmislimo o njih naprej.
Preprosta snov
Če govorimo o tem elementu kot o molekuli, potem moramo reči, da je diatomska. To pomeni, da je vodik (preprosta snov) plin. Njegova empirična formula bo zapisana kot H2, njena grafična formula pa bo zapisana z enojno sigma H-H razmerjem. Mehanizem nastanka vezi med atomi je kovalentno nepolaren.
- Parni reforming metana.
- Uplinjanje premoga – postopek vključuje segrevanje premoga na 1000 0 C, pri čemer nastane vodik in visokoogljični premog.
- elektroliza. Ta metoda se lahko uporablja samo za vodne raztopine različnih soli, saj taline ne vodijo do izpusta vode na katodi.
Laboratorijske metode za pridobivanje vodika:
- Hidroliza kovinskih hidridov.
- Vpliv razredčenih kislin na aktivne kovine in aktivnost medija.
- Interakcija alkalijskih in zemeljskoalkalijskih kovin z vodo.
Če želite zbrati proizvedeni vodik, morate epruveto držati narobe. Navsezadnje tega plina ni mogoče zbirati na enak način kot na primer ogljikov dioksid. To je vodik, je veliko lažji od zraka. Hitro izhlapi, v velikih količinah pa ob mešanju z zrakom eksplodira. Zato je treba epruveto obrniti. Po polnjenju ga je treba zapreti z gumijastim zamaškom.
Če želite preveriti čistost zbranega vodika, morate k vratu prinesti prižgano vžigalico. Če je ploskanje medlo in tiho, je plin čist, z minimalnimi primesi zraka. Če je glasen in žvižga, je umazan, z velikim deležem tujih komponent.
Področja uporabe
Pri zgorevanju vodika se sprosti tako velika količina energije (toplote), da ta plin velja za najbolj donosno gorivo. Poleg tega je okolju prijazen. Vendar pa je do danes njegova uporaba na tem področju omejena. Razlog za to so nedomišljeni in nerešeni problemi sinteze čistega vodika, ki bi bil primeren za uporabo kot gorivo v reaktorjih, motorjih in prenosnih napravah ter kotlih za ogrevanje stanovanjskih prostorov.
Navsezadnje so metode za proizvodnjo tega plina precej drage, zato je najprej treba razviti posebno metodo sinteze. Takšno, ki vam bo omogočilo, da dobite izdelek v velikih količinah in z minimalnimi stroški.
Obstaja več glavnih področij, na katerih se uporablja plin, ki ga obravnavamo.
- Kemijske sinteze. Hidrogeniranje se uporablja za proizvodnjo mil, margarin in plastike. S sodelovanjem vodika se sintetizirajo metanol in amoniak ter druge spojine.
- IN živilska industrija- kot dodatek E949.
- Letalska industrija (raketna znanost, proizvodnja letal).
- Elektroenergetika.
- meteorologija.
- Okolju prijazno gorivo.
Očitno je vodik tako pomemben, kot ga je v naravi veliko. Še večjo vlogo imajo različne spojine, ki jih tvori.
Vodikove spojine
To so kompleksne snovi, ki vsebujejo vodikove atome. Obstaja več glavnih vrst takih snovi.
- Vodikovi halogenidi. Splošna formula- HHal. Poseben pomen med njimi je vodikov klorid. Je plin, ki se raztopi v vodi in tvori raztopino klorovodikova kislina. Ta kislina se pogosto uporablja v skoraj vseh kemičnih sintezah. Poleg tega tako organske kot anorganske. Vodikov klorid je spojina z empirično formulo HCL in je ena največjih letno proizvedenih pri nas. Vodikovi halogenidi vključujejo tudi vodikov jodid, vodikov fluorid in vodikov bromid. Vsi tvorijo ustrezne kisline.
- Hlapljivi Skoraj vsi so zelo strupeni plini. Na primer vodikov sulfid, metan, silan, fosfin in drugi. Hkrati so zelo vnetljivi.
- Hidridi so spojine s kovinami. Spadajo v razred soli.
- Hidroksidi: baze, kisline in amfoterne spojine. Vsebujejo nujno atome vodika, enega ali več. Primer: NaOH, K 2, H 2 SO 4 in drugi.
- Vodikov hidroksid. Ta spojina je bolj znana kot voda. Drugo ime je vodikov oksid. Empirična formula izgleda takole - H 2 O.
- Vodikov peroksid. To je močan oksidant, katerega formula je H 2 O 2.
- Številne organske spojine: ogljikovodiki, beljakovine, maščobe, lipidi, vitamini, hormoni, eterična olja in drugo.
Očitno je, da je raznolikost spojin elementa, ki ga obravnavamo, zelo velika. To še enkrat potrjuje njen velik pomen za naravo in človeka ter za vsa živa bitja.
- to je najboljše topilo
Kot je navedeno zgoraj, je splošno ime za to snov voda. Sestavljen je iz dveh atomov vodika in enega atoma kisika, povezanih s kovalentnimi polarnimi vezmi. Molekula vode je dipol, kar pojasnjuje številne lastnosti, ki jih kaže. Predvsem je univerzalno topilo.
Skoraj vse se dogaja v vodnem okolju kemični procesi. Notranje reakcije plastike in energetski metabolizem v živih organizmih izvajajo tudi z uporabo vodikovega oksida.
Voda upravičeno velja za najpomembnejšo snov na planetu. Znano je, da noben živ organizem ne more živeti brez njega. Na Zemlji lahko obstaja v treh agregatnih stanjih:
- tekočina;
- plin (para);
- trdna (led).
Glede na izotop vodika, ki je vključen v molekulo, ločimo tri vrste vode.
- Svetloba ali protij. Izotop z masnim številom 1. Formula - H 2 O. To je običajna oblika, ki jo uporabljajo vsi organizmi.
- Devterij ali težka, njegova formula je D 2 O. Vsebuje izotop 2 H.
- Super težka ali tritij. Formula izgleda kot T 3 O, izotop - 3 H.
Zaloge sveže protijske vode na planetu so zelo pomembne. V mnogih državah ga že zdaj primanjkuje. Razvijajo se metode za obdelavo slane vode za proizvodnjo pitne vode.
Vodikov peroksid je univerzalno zdravilo
Ta spojina, kot je navedeno zgoraj, je odličen oksidant. Pri močnih predstavnikih pa se lahko obnaša tudi kot restavrator. Poleg tega ima izrazit baktericidni učinek.
Drugo ime za to spojino je peroksid. V tej obliki se uporablja v medicini. 3 % raztopina kristalohidrata obravnavane spojine je medicinsko zdravilo, ki se uporablja za zdravljenje manjših ran z namenom njihovega razkuževanja. Dokazano pa je, da to podaljša čas celjenja rane.
Vodikov peroksid se uporablja tudi v raketnem gorivu, v industriji za dezinfekcijo in beljenje ter kot penilo za proizvodnjo ustreznih materialov (pene npr.). Poleg tega peroksid pomaga pri čiščenju akvarijev, beljenju las in beljenju zob. Vendar pa povzroča škodo tkivom, zato ga strokovnjaki ne priporočajo za te namene.