Ima svoj specifičan položaj u periodnom sustavu koji odražava svojstva koja pokazuje i govori o njegovoj elektronskoj strukturi. Međutim, među svima njima postoji jedan poseban atom koji zauzima dvije ćelije odjednom. Nalazi se u dvije skupine elemenata koji su potpuno suprotni po svojim svojstvima. Ovo je vodik. Takve karakteristike čine ga jedinstvenim.
Vodik nije samo element, već i jednostavna tvar, kao i sastavni dio mnogih složenih spojeva, biogeni i organogeni element. Stoga, razmotrimo njegove karakteristike i svojstva detaljnije.
Vodik kao kemijski element
Vodik je element prve skupine glavne podskupine, kao i sedme skupine glavne podskupine u prvoj maloj periodi. Ovo razdoblje sastoji se od samo dva atoma: helija i elementa koji razmatramo. Opišimo glavne značajke položaja vodika u periodnom sustavu.
- Atomski broj vodika je 1, broj elektrona je isti, a prema tome i broj protona je isti. Atomska masa - 1,00795. Postoje tri izotopa ovog elementa s masenim brojevima 1, 2, 3. Međutim, svojstva svakog od njih su vrlo različita, budući da je povećanje mase čak i za jedan za vodik odmah dvostruko.
- Činjenica da sadrži samo jedan elektron na svojoj vanjskoj površini omogućuje mu uspješno ispoljavanje i oksidacijskih i redukcijskih svojstava. Osim toga, nakon predaje elektrona ostaje slobodna orbitala, koja sudjeluje u stvaranju kemijskih veza prema donorsko-akceptorskom mehanizmu.
- Vodik je jako redukcijsko sredstvo. Stoga se njegovo glavno mjesto smatra prvom skupinom glavne podskupine, gdje predvodi najaktivnije metale - alkalije.
- Međutim, u interakciji s jakim redukcijskim agensima, kao što su metali, također može biti oksidacijsko sredstvo, prihvaćajući elektron. Ti se spojevi nazivaju hidridi. Po tom svojstvu predvodi podskupinu halogena s kojom je sličan.
- Zbog vrlo male atomske mase vodik se smatra najlakšim elementom. Osim toga, njegova gustoća također je vrlo niska, pa je i mjerilo za lakoću.
Dakle, očito je da je atom vodika potpuno jedinstven element, za razliku od svih drugih elemenata. Samim tim su i njegova svojstva posebna, a vrlo su važne nastale jednostavne i složene tvari. Razmotrimo ih dalje.
Jednostavna tvar
Ako o ovom elementu govorimo kao o molekuli, onda moramo reći da je dvoatomski. To jest, vodik (jednostavna tvar) je plin. Njegova empirijska formula bit će napisana kao H2, a njegova grafička formula bit će napisana kroz jedan sigma H-H odnos. Mehanizam stvaranja veze između atoma je kovalentni nepolarni.
- Parni reforming metana.
- Rasplinjavanje ugljena - proces uključuje zagrijavanje ugljena na 1000 0 C, što rezultira stvaranjem vodika i ugljena s visokim udjelom ugljika.
- Elektroliza. Ova metoda može se koristiti samo za vodene otopine razne soli, budući da taljenja ne dovode do ispuštanja vode na katodi.
Laboratorijske metode za proizvodnju vodika:
- Hidroliza metalnih hidrida.
- Djelovanje razrijeđenih kiselina na aktivne metale i aktivnost medija.
- Međudjelovanje alkalnih i zemnoalkalijskih metala s vodom.
Da biste prikupili proizvedeni vodik, morate držati epruvetu naopako. Uostalom, taj se plin ne može skupljati na isti način kao npr. ugljični dioksid. Ovo je vodik, puno je lakši od zraka. Brzo isparava, au velikim količinama eksplodira u miješanju sa zrakom. Stoga epruvetu treba preokrenuti. Nakon punjenja potrebno ju je zatvoriti gumenim čepom.
Za provjeru čistoće sakupljenog vodika treba prinijeti upaljenu šibicu grlu. Ako je pljesak tup i tih, to znači da je plin čist, s minimalnim nečistoćama zraka. Ako je glasan i zviždi, prljav je, s velikim udjelom stranih komponenti.
Područja upotrebe
Kad se vodik sagori, toliko se oslobađa veliki broj energije (topline), da se ovaj plin smatra najisplativijim gorivom. Štoviše, ekološki je prihvatljiv. Međutim, do danas je njegova primjena u ovom području ograničena. Razlog tome su nedovoljno osmišljeni i neriješeni problemi sintetiziranja čistog vodika, koji bi bio pogodan za korištenje kao gorivo u reaktorima, motorima i prijenosnim uređajima, kao i kotlovima za grijanje stambenih objekata.
Uostalom, metode za proizvodnju ovog plina su prilično skupe, pa je prvo potrebno razviti posebnu metodu sinteze. Onaj koji će vam omogućiti nabavu proizvoda u veliki volumen i uz minimalne troškove.
Postoji nekoliko glavnih područja u kojima se koristi plin koji razmatramo.
- Kemijske sinteze. Hidrogeniranje se koristi za proizvodnju sapuna, margarina i plastike. Uz sudjelovanje vodika sintetiziraju se metanol i amonijak, kao i drugi spojevi.
- U Industrija hrane- kao aditiv E949.
- Zrakoplovna industrija (raketna znanost, proizvodnja zrakoplova).
- Elektroprivreda.
- Meteorologija.
- Ekološki prihvatljivo gorivo.
Očito, vodik je važan onoliko koliko ga ima u izobilju u prirodi. Različiti spojevi koje tvori imaju još veću ulogu.
Vodikovi spojevi
To su složene tvari koje sadrže atome vodika. Postoji nekoliko glavnih vrsta takvih tvari.
- Vodikovi halogenidi. Opća formula- HHal. Od posebnog značaja među njima je klorovodik. To je plin koji se otapa u vodi i stvara otopinu klorovodične kiseline. Ova kiselina ima široku primjenu u gotovo svim kemijskim sintezama. Štoviše, i organski i anorganski. Klorovodik je spoj empirijske formule HCL i jedan je od najvećih proizvedenih u našoj zemlji godišnje. Halogenidi također uključuju jodid, fluorovodik i bromovodik. Svi oni tvore odgovarajuće kiseline.
- Hlapljivi Gotovo svi su prilično otrovni plinovi. Na primjer, vodikov sulfid, metan, silan, fosfin i drugi. Istovremeno su vrlo zapaljive.
- Hidridi su spojevi s metalima. Spadaju u klasu soli.
- Hidroksidi: baze, kiseline i amfoterni spojevi. Oni nužno sadrže atome vodika, jedan ili više. Primjer: NaOH, K 2, H 2 SO 4 i drugi.
- Vodikov hidroksid. Ovaj spoj je poznatiji kao voda. Drugi naziv je vodikov oksid. Empirijska formula izgleda ovako - H 2 O.
- Vodikov peroksid. Ovo je jako oksidacijsko sredstvo, čija je formula H 2 O 2.
- Brojni organski spojevi: ugljikovodici, proteini, masti, lipidi, vitamini, hormoni, esencijalna ulja i drugi.
Očito je da je raznolikost spojeva elementa koji razmatramo vrlo velika. Ovo još jednom potvrđuje visoka vrijednost za prirodu i ljude, kao i za sva živa bića.
- ovo je najbolje otapalo
Kao što je gore spomenuto, uobičajeni naziv za ovu tvar je voda. Sastoji se od dva atoma vodika i jednog atoma kisika, povezanih kovalentnim polarnim vezama. Molekula vode je dipol, što objašnjava mnoga svojstva koja pokazuje. Konkretno, to je univerzalno otapalo.
Točno u vodeni okoliš Događaju se gotovo svi kemijski procesi. Unutarnje reakcije plastike i energetski metabolizam u živim organizmima također se provode pomoću vodikovog oksida.
Voda se s pravom smatra najvažnijom tvari na planetu. Poznato je da nijedan živi organizam ne može živjeti bez njega. Na Zemlji može postojati u tri agregatna stanja:
- tekućina;
- plin (para);
- krutina (led).
Ovisno o izotopu vodika koji je uključen u molekulu, razlikuju se tri vrste vode.
- Svjetlost ili protij. Izotop masenog broja 1. Formula - H 2 O. Ovo je uobičajeni oblik koji koriste svi organizmi.
- Deuterij ili teški, njegova formula je D 2 O. Sadrži izotop 2 H.
- Super teški ili tricij. Formula izgleda kao T 3 O, izotop - 3 H.
Rezerve slatke protijske vode na planetu su vrlo važne. U mnogim zemljama već postoji njegova nestašica. Razvijaju se metode za obradu slane vode za proizvodnju vode za piće.
Vodikov peroksid je univerzalni lijek
Ovaj spoj, kao što je gore spomenuto, izvrsno je oksidacijsko sredstvo. No, uz jake predstavnike može se ponašati i kao obnovitelj. Osim toga, ima izražen baktericidni učinak.
Drugi naziv za ovaj spoj je peroksid. Upravo u tom obliku koristi se u medicini. 3% otopina kristalnog hidrata predmetnog spoja medicinski je lijek koji se koristi za liječenje manjih rana u svrhu dezinfekcije. Međutim, dokazano je da to produljuje vrijeme zacjeljivanja rane.
Vodikov peroksid se također koristi u raketnom gorivu, u industriji za dezinfekciju i izbjeljivanje, te kao pjenilo za proizvodnju odgovarajućih materijala (pjena, na primjer). Osim toga, peroksid pomaže u čišćenju akvarija, izbjeljivanju kose i izbjeljivanju zuba. Međutim, šteti tkivima, pa ga stručnjaci ne preporučuju u te svrhe.
Vodik je najlakši i najčešći kemijski element. Danas su svi čuli za nju, ali još nedavno je bila velika misterija i za najbolje znanstvenike. Slažem se, ovo je dovoljno da saznamo više o kemijskom elementu vodika.
Vodik: rasprostranjenost u prirodi
Kao što smo gore rekli, vodik je najčešći element. I ne samo na Zemlji, nego u cijelom Svemiru! Sunce je gotovo napola sastavljeno od ovog kemijskog elementa, a većina zvijezda temelji se na vodiku. U međuzvjezdanom prostoru, vodik je također najrasprostranjeniji element. Na Zemlji se vodik nalazi u obliku spojeva. Dio je nafte, plinova, čak i živih organizama. Svjetski ocean sadrži oko 11% vodika po masi. U atmosferi ga ima vrlo malo, samo oko 5 desettisućinki postotka.
Povijest otkrića vodika
Čak su i srednjovjekovni alkemičari nagađali o postojanju vodika. Tako je Paracelsus u svojim spisima istaknuo da kada djeluju kiselina i željezo, oslobađaju se mjehurići "zraka". Ali nije mogao razumjeti kakav je to "zrak". U to su vrijeme znanstvenici mislili da svaka zapaljiva tvar ima neku vrstu mistične vatrene komponente koja podržava gorenje. Ova pretpostavka nazvana je teorija "flogistona". Alkemičari su vjerovali, primjerice, da se drvo sastoji od pepela, koji ostaje nakon sagorijevanja, i flogistona, koji se oslobađa tijekom izgaranja.
Svojstva vodika prvi su proučavali engleski kemičari Henry Cavendish i Joseph Priestley u 18. stoljeću. Ali ni oni nisu u potpunosti razumjeli bit svog otkrića. Smatrali su da je lagani plin (vodik je 14 puta lakši od zraka) ništa više od mističnog flogistona.
I tek je Antoine Lavoisier dokazao da vodik nije flogiston, već pravi kemijski element. Tijekom svojih pokusa uspio je dobiti vodik iz vode, a zatim je dokazao da se voda ponovno proizvodi spaljivanjem vodika. Stoga je ovaj kemijski element dobio svoje ime - "rađajući vodu".
Kemijska svojstva vodika
Vodik je prvi kemijski element, koji se u periodnom sustavu označava simbolom H. Lagan je plin bez boje i mirisa. Čvrsti vodik je najviše svjetlo teško tvar, a tekućina je najlakša tekućina. Osim toga, tekući vodik ako dođe u dodir s kožom može izazvati ozbiljne ozebline. Atomi i molekule vodika su najmanji. Stoga se balon napuhan ovim plinom vrlo brzo ispuha - vodik prodire kroz gumu. Kada se vodik pomiješa s kisikom u zraku, nastaje vrlo eksplozivna smjesa. Zove se "eksplozivni plin".
Prilikom udisanja plina, frekvencija glasa postaje puno viša od normalne. Na primjer, muški grubi bas glas bit će sličan glasovima Chipa i Dalea. Međutim, takvi kemijski pokusi ne bi se trebali provoditi iz gore navedenog razloga. Vodik i kisik tvore eksplozivan plin, koji lako eksplodira pri izdisaju!
Primjene vodika
Unatoč zapaljivosti, vodik se široko koristi u mnogim industrijama. Uglavnom se koristi u proizvodnji amonijaka za mineralna gnojiva te u proizvodnji alkohola i plastike. Nekoć su se zračni brodovi punili vodikom i Baloni, ovaj lagani plin ih je podigao u zrak bez ikakvih poteškoća. Ali sada u zrakoplovstvu i svemirska tehnologija koristi se samo kao gorivo za svemirske rakete. Stvoreni su automobilski motori na vodik. Oni su ekološki najprihvatljiviji, jer se tijekom izgaranja oslobađa samo voda. Međutim, na ovaj trenutak vodikovi motori imaju brojne značajne nedostatke, ne odgovaram do kraja sigurnosnim zahtjevima, pa je njihova uporaba još uvijek posve beznačajna. U prehrambenoj industriji vodik se koristi u proizvodnji margarina, kao i za pakiranje hrane. Čak je i registriran kao aditivi za hranu E949. U energetskom sektoru vodik se koristi za hlađenje generatora i za proizvodnju električne energije u gorivim ćelijama vodik-kisik.
Vodik– prvi kemijski element periodnog sustava kemijski elementi DI. Mendeljejev. Kemijski element vodik nalazi se u prvoj skupini, glavnoj podskupini, prvoj periodi periodnog sustava.
Relativna atomska masa vodika = 1.
Vodik ima najjednostavniju atomsku strukturu, sastoji se od jednog elektrona koji se nalazi u perinuklearnom prostoru. Jezgra atoma vodika sastoji se od jednog protona.
Atom vodika, in kemijske reakcije može donirati ili dobiti elektron, tvoreći dvije vrste iona:
H0 + 1ē → H1− H0 – 1ē → H1+.
Vodik– najčešći element u svemiru. Čini oko 88,6% svih atoma (oko 11,3% su atomi helija, udio svih ostalih elemenata zajedno je oko 0,1%). Dakle, vodik je glavna komponenta zvijezda i međuzvjezdanog plina. U međuzvjezdanom prostoru ovaj element postoji u obliku pojedinačnih molekula, atoma i iona i može formirati molekularne oblake koji značajno variraju u veličini, gustoći i temperaturi.
Maseni udio vodika u zemljinoj kori je 1%. To je deveti najčešći element. Važnost vodika u kemijskim procesima koji se odvijaju na Zemlji gotovo je jednako velika kao i kisika. Za razliku od kisika, koji na Zemlji postoji i u vezanom i u slobodnom stanju, gotovo sav vodik na Zemlji je u obliku spojeva; Samo vrlo mala količina vodika u obliku jednostavne tvari sadržana je u atmosferi (0,00005% volumena za suhi zrak).
Vodik se nalazi u gotovo svim organska tvar a prisutan je u svim živim stanicama.
Fizikalna svojstva vodika
Jednostavna tvar koju tvori kemijski element vodik ima molekularna struktura. Njegov sastav odgovara formuli H2. Kao i kemijski element, jednostavna tvar se također naziva vodik.
Vodik– plin bez boje, mirisa i okusa, praktički netopljiv u vodi. Na sobnoj temperaturi i normalno atmosferski pritisak topljivost je 18,8 ml plina po 1 litri vode.
Vodik– najlakši plin, gustoća mu je 0,08987 g/l. Za usporedbu: gustoća zraka je 1,3 g/l.
Vodik se može otopiti u metalima, na primjer, do 850 volumena vodika može se otopiti u jednom volumenu paladija. Zbog svoje iznimno male veličine molekule, vodik je sposoban difuzirati kroz mnoge materijale
Kao i drugi plinovi, vodik niske temperature kondenzira u bezbojnu prozirnu tekućinu, to se događa na temperaturi - 252,8°C. Kad temperatura dosegne -259,2°C, vodik se kristalizira u obliku bijelih kristala, sličnih snijegu.
Za razliku od kisika, vodik nije karakteriziran alotropijom
Primjene vodika
Vodik se koristi u raznim industrijama. Za proizvodnju amonijaka koristi se mnogo vodika (NH3). Od amonijaka se dobivaju dušična gnojiva, sintetička vlakna i plastika te lijekovi.
U prehrambenoj industriji hidrogen se koristi u proizvodnji margarina koji sadrži čvrste masti. Da bi se dobili iz tekućih masti, kroz njih se propušta vodik.
Kada vodik gori u kisiku, temperatura plamena je oko 2500°C. Na ovoj temperaturi mogu se taliti i zavarivati vatrostalni metali. Dakle, vodik se koristi u zavarivanju.
Kao raketno gorivo koristi se mješavina tekućeg vodika i kisika.
Trenutačno su brojne zemlje započele istraživanja o zamjeni neobnovljivih izvora energije (nafta, plin, ugljen) vodikom. Kada vodik sagorijeva u kisiku, nastaje ekološki prihvatljiv proizvod - voda, a ne ugljični dioksid, koji uzrokuje efekt staklenika.
Znanstvenici predlažu da bi masovna proizvodnja automobila na vodikov pogon trebala započeti sredinom 21. stoljeća. Široko će se koristiti kućne gorivne ćelije, čiji se rad također temelji na oksidaciji vodika s kisikom.
Krajem 19. – početkom 20. st. U osvit ere aeronautike vodikom su se punili baloni, zračni brodovi i baloni, jer je mnogo lakši od zraka. Međutim, era zračnih brodova počela je brzo nestajati u prošlost nakon katastrofe koja se dogodila zračnom brodu Hindenburg. Cepelin 6. svibnja 1937., napunjen vodikom, zapalio se, što je rezultiralo smrću desetaka njegovih putnika.
Vodik je izuzetno eksplozivan u određenom omjeru s kisikom. Nepoštivanje sigurnosnih propisa dovelo je do paljenja i eksplozije zračnog broda.
- Vodik– prvi kemijski element periodnog sustava kemijskih elemenata D.I. Mendeljejev
- Vodik se nalazi u skupini I, glavnoj podskupini, period 1 periodnog sustava
- Valencija vodika u spojevima – I
- Vodik– plin bez boje, mirisa i okusa, praktički netopljiv u vodi
- Vodik- najlakši plin
- Tekući i čvrsti vodik nastaju pri niskim temperaturama
- Vodik se može otopiti u metalima
- Primjene vodika su različite
Vodik H je najčešći element u Svemiru (oko 75% mase), a na Zemlji je deveti po zastupljenosti. Najvažniji prirodni spoj vodika je voda.
Vodik zauzima prvo mjesto u periodnom sustavu (Z = 1). Ima najjednostavniju atomsku strukturu: jezgru atoma čini 1 proton, okružen elektronskim oblakom koji se sastoji od 1 elektrona.
U nekim uvjetima vodik pokazuje metalna svojstva (donira elektron), dok u drugim pokazuje nemetalna svojstva (prima elektron).
Izotopi vodika koji se nalaze u prirodi su: 1H - protij (jezgra se sastoji od jednog protona), 2H - deuterij (D - jezgra se sastoji od jednog protona i jednog neutrona), 3H - tricij (T - jezgra se sastoji od jednog protona i dva neutroni).
Jednostavna tvar vodik
Molekula vodika sastoji se od dva atoma povezana kovalentnom nepolarnom vezom.
Fizička svojstva. Vodik je plin bez boje, mirisa, okusa i neotrovan. Molekula vodika nije polarna. Stoga su sile međumolekularnog međudjelovanja u plinovitom vodiku male. To se očituje niskim vrelištem (-252,6 0C) i talištem (-259,2 0C).
Vodik je lakši od zraka, D (po zraku) = 0,069; slabo topljiv u vodi (2 volumena H2 otopi se u 100 volumena H2O). Stoga se vodik, kada se proizvodi u laboratoriju, može sakupiti metodama istiskivanja zraka ili vode.
Proizvodnja vodika
U laboratoriju:
1. Učinak razrijeđenih kiselina na metale:
Zn +2HCl → ZnCl2 +H2
2. Interakcija između alkalnih i metali s vodom:
Ca +2H2O → Ca(OH)2 +H2
3. Hidroliza hidrida: metalni hidridi se lako razgrađuju vodom da nastanu odgovarajuće lužine i vodik:
NaH +H 2 O → NaOH + H 2
CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2
4. Učinak lužina na cink ili aluminij ili silicij:
2Al +2NaOH +6H 2 O → 2Na +3H 2
Zn +2KOH +2H2O → K2 +H2
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2
5. Elektroliza vode. Za povećanje električna provodljivost vode, dodaje se elektrolit, na primjer NaOH, H 2 SO 4 ili Na 2 SO 4. Na katodi nastaju 2 volumena vodika, a na anodi 1 volumen kisika.
2H 2 O → 2H 2 +O 2
Industrijska proizvodnja vodika
1. Pretvorba metana s parom, Ni 800 °C (najjeftinije):
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Ukupno:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2
2. Vodena para kroz vrući koks na 1000 o C:
C + H 2 O → CO + H 2
CO +H 2 O → CO 2 + H 2
Nastali ugljični monoksid (IV) apsorbira voda i tako nastaje 50% industrijskog vodika.
3. Zagrijavanjem metana na 350°C u prisutnosti katalizatora željeza ili nikla:
CH 4 → C + 2H 2
4. Elektroliza vodenih otopina KCl ili NaCl kao nusprodukta:
2H 2 O + 2NaCl → Cl 2 + H 2 + 2NaOH
Kemijska svojstva vodika
- U spojevima je vodik uvijek jednovalentan. Karakterizira ga oksidacijsko stanje +1, ali u metalnim hidridima ono je jednako -1.
- Molekula vodika sastoji se od dva atoma. Pojava veze između njih objašnjava se stvaranjem generaliziranog para elektrona H:H ili H 2
- Zahvaljujući ovoj generalizaciji elektrona, molekula H 2 je energetski stabilnija od svojih pojedinačnih atoma. Za razbijanje 1 mola molekule vodika na atome potrebno je utrošiti 436 kJ energije: H 2 = 2H, ∆H° = 436 kJ/mol
- To objašnjava relativno nisku aktivnost molekularnog vodika pri običnim temperaturama.
- S mnogim nemetalima, vodik tvori plinovite spojeve kao što su RH 4, RH 3, RH 2, RH.
1) Gradi halogenide s halogenima:
H 2 + Cl 2 → 2HCl.
Istodobno eksplodira s fluorom, s klorom i bromom reagira samo pri osvjetljavanju ili zagrijavanju, a s jodom samo pri zagrijavanju.
2) s kisikom:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
s oslobađanjem topline. Na normalnim temperaturama reakcija se odvija sporo, iznad 550°C eksplodira. Mješavina 2 volumena H 2 i 1 volumena O 2 naziva se detonirajući plin.
3) Kada se zagrije, snažno reagira sa sumporom (mnogo teže sa selenom i telurijem):
H 2 + S → H 2 S (vodikov sulfid),
4) S dušikom uz stvaranje amonijaka samo na katalizatoru i na povišene temperature i pritiscima:
ZN 2 + N 2 → 2NH 3
5) S ugljikom na visokim temperaturama:
2H 2 + C → CH 4 (metan)
6) Gradi hidride s alkalijskim i zemnoalkalijskim metalima (vodik je oksidacijsko sredstvo):
H 2 + 2Li → 2LiH
u metalnim hidridima vodikov ion je negativno nabijen (oksidacijsko stanje -1), odnosno Na + H hidrid - građen slično Na + Cl kloridu -
Sa složenim tvarima:
7) S metalnim oksidima (koriste se za redukciju metala):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O
8) s ugljikovim monoksidom (II):
CO + 2H 2 → CH 3 OH
Sinteza - plin (mješavina vodika i ugljični monoksid) ima važnu praktičnu važnost, jer ovisno o temperaturi, tlaku i katalizatoru nastaju različiti organski spojevi, na primjer HCHO, CH 3 OH i drugi.
9) Nezasićeni ugljikovodici reagiraju s vodikom, postajući zasićeni:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2.
U periodnom sustavu vodik se nalazi u dvije skupine elemenata koji su potpuno suprotni po svojim svojstvima. Ova značajka učiniti ga potpuno jedinstvenim. Vodik nije samo element ili tvar, već je i sastavni dio mnogih složenih spojeva, organogen i biogen element. Stoga, pogledajmo njegova svojstva i karakteristike detaljnije.
Oslobađanje zapaljivog plina tijekom interakcije metala i kiselina uočeno je još u 16. stoljeću, odnosno u vrijeme formiranja kemije kao znanosti. Poznati engleski znanstvenik Henry Cavendish proučavao je tvar počevši od 1766. godine i dao joj naziv “zapaljivi zrak”. Kada je sagorijevao, ovaj plin je proizvodio vodu. Nažalost, znanstvenikovo pridržavanje teorije o flogistonu (hipotetskoj "ultrafinoj materiji") spriječilo ga je da dođe do pravih zaključaka.
Francuski kemičar i prirodoslovac A. Lavoisier, zajedno s inženjerom J. Meunierom i uz pomoć posebnih plinometara, sintetizirao je 1783. vodu, a potom je analizirao razgradnjom vodene pare vrućim željezom. Tako su znanstvenici uspjeli doći do pravih zaključaka. Otkrili su da je “zapaljivi zrak” ne samo dio vode, već se iz nje može dobiti.
Godine 1787. Lavoisier je predložio da je plin koji se proučava jednostavna tvar i, prema tome, jedan od primarnih kemijskih elemenata. Nazvao ga je hidrogen (od grčkih riječi hydor - voda + gennao - rađam), tj. "rađanje vode".
Ruski naziv "vodik" predložio je 1824. kemičar M. Solovjev. Određivanje sastava vode označilo je kraj "teorije flogistona". Na prijelazu iz 18. u 19. stoljeće ustanovljeno je da je atom vodika vrlo lagan (u usporedbi s atomima drugih elemenata) te je njegova masa uzeta kao glavna jedinica za usporedbu atomske mase, primajući vrijednost 1.
Fizička svojstva
Vodik je najlakši od svih poznato nauci tvari (lakši je od zraka 14,4 puta), gustoća mu je 0,0899 g/l (1 atm, 0 °C). Ovaj se materijal tali (skrućuje) i vrije (ukapljuje) na -259,1 °C odnosno -252,8 °C (samo helij ima niže temperature vrenja i taljenja).
Kritična temperatura vodika je izuzetno niska (-240 °C). Zbog toga je njegovo ukapljivanje prilično složen i skup proces. Kritični tlak tvari je 12,8 kgf/cm², a kritična gustoća 0,0312 g/cm³. Među svim plinovima, vodik ima najveću toplinsku vodljivost: pri 1 atm i 0 °C jednaka je 0,174 W/(mxK).
Specifični toplinski kapacitet tvari pri istim uvjetima je 14,208 kJ/(kgxK) ili 3,394 cal/(rx°C). Ovaj element je malo topiv u vodi (oko 0,0182 ml/g pri 1 atm i 20 °C), ali dobro topljiv u većini metala (Ni, Pt, Pa i drugi), posebno u paladiju (oko 850 volumena po volumenu Pd). .
Potonje svojstvo povezano je s njegovom sposobnošću difuzije, a difuzija kroz leguru ugljika (na primjer, čelik) može biti popraćena uništavanjem legure zbog interakcije vodika s ugljikom (taj se proces naziva dekarbonizacija). U tekućem stanju tvar je vrlo lagana (gustoća - 0,0708 g/cm³ pri t° = -253 °C) i tekuća (viskoznost - 13,8 poise pod istim uvjetima).
U mnogim spojevima, ovaj element pokazuje valenciju +1 (oksidacijsko stanje), poput natrija i drugih alkalnih metala. Obično se smatra analogom ovih metala. Prema tome, on je na čelu I. grupe periodnog sustava. U metalnim hidridima, vodikov ion pokazuje negativni naboj(stupnje oksidacije je -1), odnosno Na+H- ima strukturu sličnu Na+Cl- kloridu. U skladu s ovom i nekim drugim činjenicama (sličnost fizikalnih svojstava elementa “H” i halogena, sposobnost njegove zamjene halogenima u organskim spojevima), vodik se svrstava u VII skupinu periodnog sustava.
U normalnim uvjetima molekularni vodik ima nisku aktivnost, izravno se spaja samo s najaktivnijim od nemetala (s fluorom i klorom, s potonjim na svjetlu). Zauzvrat, kada se zagrijava, stupa u interakciju s mnogim kemijskim elementima.
Atomski vodik ima povećanu kemijsku aktivnost (u usporedbi s molekulskim vodikom). S kisikom stvara vodu prema formuli:
N₂ + ½O₂ = N2O,
oslobađajući 285,937 kJ/mol topline ili 68,3174 kcal/mol (25 °C, 1 atm). U normalnim temperaturnim uvjetima reakcija se odvija prilično sporo, a pri t° >= 550 °C je nekontrolirana. Granice eksplozivnosti mješavine vodika i kisika po volumenu su 4–94% H₂, a mješavine vodika i zraka 4–74% H₂ (smjesa dva volumena H₂ i jednog volumena O₂ naziva se detonirajući plin).
Ovaj se element koristi za redukciju većine metala, budući da uklanja kisik iz oksida:
Fe3O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H2O,
CuO + H₂ = Cu + H2O, itd.
Vodik tvori vodikove halogenide s različitim halogenima, na primjer:
H2 + Cl2 = 2HCl.
Međutim, kada reagira s fluorom, vodik eksplodira (to se također događa u mraku, na -252 ° C), s bromom i klorom reagira samo kada se zagrije ili osvijetli, a s jodom - samo kada se zagrije. U interakciji s dušikom nastaje amonijak, ali samo na katalizatoru, kada visoki krvni tlak i temperatura:
ZN₂ + N2 = 2NN3.
Kada se zagrijava, vodik aktivno reagira sa sumporom:
H₂ + S = H₂S (vodikov sulfid),
a mnogo teže s telurom ili selenom. Vodik reagira s čistim ugljikom bez katalizatora, ali na visokim temperaturama:
2H₂ + C (amorfni) = CH4 (metan).
Ova tvar izravno reagira s nekim od metala (alkalijski, zemnoalkalijski i drugi), tvoreći hidride, na primjer:
H₂ + 2Li = 2LiH.
Interakcije između vodika i ugljikovog monoksida (II) od velike su praktične važnosti. U tom slučaju, ovisno o tlaku, temperaturi i katalizatoru, nastaju različiti organski spojevi: HCHO, CH₃OH, itd. Nezasićeni ugljikovodici tijekom reakcije postaju zasićeni, na primjer:
S n N₂ n + N₂ = S n N₂ n ₊₂.
Vodik i njegovi spojevi imaju iznimnu ulogu u kemiji. Određuje kisela svojstva tzv. protinske kiseline, sklona stvaranju vodikovih veza s različitim elementima, što ima značajan učinak na svojstva mnogih anorganskih i organskih spojeva.
Proizvodnja vodika
Glavne vrste sirovina za industrijsku proizvodnju ovog elementa su plinovi rafiniranja nafte, prirodni zapaljivi plinovi i plinovi iz koksnih peći. Također se dobiva iz vode elektrolizom (na mjestima gdje je dostupna struja). Jedan od najvažnije metode Proizvodnja materijala iz prirodnog plina smatra se katalitičkom interakcijom ugljikovodika, uglavnom metana, s vodenom parom (tzv. pretvorba). Na primjer:
CH₄ + H2O = CO + ZN₂.
Nepotpuna oksidacija ugljikovodika s kisikom:
CH4 + ½O₂ = CO + 2H2.
Sintetizirani ugljikov monoksid (II) prolazi kroz konverziju:
CO + H₂O = CO₂ + H2.
Najjeftiniji je vodik proizveden iz prirodnog plina.
Za elektrolizu vode koristi se istosmjerna struja koja se propušta kroz otopinu NaOH ili KOH (kiseline se ne koriste kako bi se izbjegla korozija opreme). U laboratorijskim uvjetima materijal se dobiva elektrolizom vode ili kao rezultat reakcije između klorovodična kiselina i cinka. Međutim, češće se koristi gotov tvornički materijal u cilindrima.
Ovaj element je izoliran od plinova rafiniranja nafte i koksnog plina uklanjanjem svih ostalih komponenti plinske smjese, budući da se oni lakše ukapljuju tijekom dubokog hlađenja.
Ovaj se materijal počeo industrijski proizvoditi krajem 18. stoljeća. Zatim se koristio za punjenje baloni. Trenutno se vodik široko koristi u industriji, uglavnom u kemijskoj, za proizvodnju amonijaka.
Masovni potrošači tvari su proizvođači metilnih i drugih alkohola, sintetičkog benzina i mnogih drugih proizvoda. Dobivaju se sintezom iz ugljičnog monoksida (II) i vodika. Hidrogen se koristi za hidrogenaciju teških i krutih tekućih goriva, masti i sl., za sintezu HCl, hidrotretiranje naftnih derivata, kao i za rezanje/zavarivanje metala. Najvažniji elementi za nuklearnu energiju su njezini izotopi – tricij i deuterij.
Biološka uloga vodika
Oko 10% mase živih organizama (u prosjeku) dolazi od ovog elementa. Dio je vode i najvažnije grupe prirodni spojevi, uključujući proteine, nukleinske kiseline, lipide, ugljikohidrate. Čemu služi?
Ovaj materijal igra odlučujuću ulogu: u održavanju prostorna struktura bjelančevine (kvaterne), u provedbi načela komplementarnosti nukleinskih kiselina (tj. u implementaciji i pohranjivanju genetske informacije), općenito u “prepoznavanju” na molekularnoj razini.
Vodikov ion H+ sudjeluje u važnim dinamičkim reakcijama/procesima u tijelu. Uključujući: u biološku oksidaciju, koja živim stanicama daje energiju, u biosintetskim reakcijama, u fotosintezi u biljkama, u bakterijskoj fotosintezi i fiksaciji dušika, u održavanju acidobazna ravnoteža i homeostaze, u membranskim transportnim procesima. Zajedno s ugljikom i kisikom čini funkcionalnu i strukturnu osnovu životnih pojava.
