Ma swoją specyficzną pozycję w układzie okresowym, która odzwierciedla właściwości, jakie wykazuje i mówi o jego strukturze elektronowej. Jednak wśród nich wszystkich jest jeden specjalny atom, który zajmuje dwie komórki jednocześnie. Znajduje się w dwóch grupach pierwiastków, które są całkowicie przeciwne pod względem właściwości. To jest wodór. Takie cechy czynią go wyjątkowym.
Wodór to nie tylko pierwiastek, ale także prosta substancja, a także integralna część wielu złożonych związków, pierwiastek biogenny i organogenny. Dlatego rozważmy bardziej szczegółowo jego cechy i właściwości.
Wodór jako pierwiastek chemiczny
Wodór jest pierwiastkiem pierwszej grupy podgrupy głównej, a także siódmej grupy podgrupy głównej w pierwszym mniejszym okresie. Okres ten składa się tylko z dwóch atomów: helu i pierwiastka, który rozważamy. Opiszmy główne cechy pozycji wodoru w układzie okresowym.
- Liczba atomowa wodoru wynosi 1, liczba elektronów jest taka sama, a zatem liczba protonów jest taka sama. Masa atomowa - 1,00795. Istnieją trzy izotopy tego pierwiastka o liczbach masowych 1, 2, 3. Jednak właściwości każdego z nich są bardzo różne, ponieważ wzrost masy wodoru nawet o jeden jest natychmiast dwukrotnie większy.
- Fakt, że zawiera tylko jeden elektron na swojej zewnętrznej powierzchni, pozwala z powodzeniem wykazywać zarówno właściwości utleniające, jak i redukujące. Dodatkowo po oddaniu elektronu pozostaje on ze swobodnym orbitalem, który bierze udział w tworzeniu wiązań chemicznych zgodnie z mechanizmem donor-akceptor.
- Wodór jest silnym środkiem redukującym. Dlatego za jego główne miejsce uważa się pierwszą grupę głównej podgrupy, w której kieruje najbardziej aktywnymi metalami - alkaliami.
- Jednakże w przypadku interakcji z silnymi środkami redukującymi, takimi jak metale, może być również środkiem utleniającym, przyjmującym elektron. Związki te nazywane są wodorkami. Zgodnie z tą cechą stoi na czele podgrupy halogenów, z którymi jest podobny.
- Ze względu na bardzo małą masę atomową wodór jest uważany za najlżejszy pierwiastek. Ponadto jego gęstość jest również bardzo niska, więc jest to również punkt odniesienia dla lekkości.
Zatem oczywiste jest, że atom wodoru jest pierwiastkiem całkowicie unikalnym, w przeciwieństwie do wszystkich innych pierwiastków. W związku z tym jego właściwości są również wyjątkowe, a powstające substancje proste i złożone są bardzo ważne. Rozważmy je dalej.
Prosta substancja
Jeśli mówimy o tym elemencie jako o cząsteczce, to musimy powiedzieć, że jest on dwuatomowy. Oznacza to, że wodór (prosta substancja) jest gazem. Jego wzór empiryczny zostanie zapisany jako H2, a jego wzór graficzny zostanie zapisany za pomocą pojedynczej zależności sigma H-H. Mechanizm tworzenia wiązań między atomami jest kowalencyjny niepolarny.
- Reforming metanu parowego.
- Zgazowanie węgla - proces polega na podgrzaniu węgla do temperatury 1000 0 C, w wyniku czego powstaje wodór i węgiel wysokowęglowy.
- Elektroliza. Ta metoda można używać tylko do roztwory wodne różne sole, ponieważ stopienie nie powoduje wypływu wody na katodzie.
Laboratoryjne metody wytwarzania wodoru:
- Hydroliza wodorków metali.
- Wpływ rozcieńczonych kwasów na metale aktywne i średnią aktywność.
- Oddziaływanie metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych z wodą.
Aby zebrać powstały wodór, należy trzymać probówkę do góry nogami. Przecież tego gazu nie da się zebrać w taki sam sposób jak np. dwutlenek węgla. To wodór, jest znacznie lżejszy od powietrza. Szybko odparowuje, a w dużych ilościach po zmieszaniu z powietrzem eksploduje. Dlatego probówkę należy odwrócić. Po napełnieniu należy go zamknąć gumowym korkiem.
Aby sprawdzić czystość zebranego wodoru, należy przyłożyć do szyi zapaloną zapałkę. Jeśli klaskanie jest tępe i ciche, oznacza to, że gaz jest czysty i zawiera minimalne zanieczyszczenia powietrza. Jeśli jest głośny i gwiżdże, oznacza to, że jest brudny i zawiera dużą ilość obcych składników.
Obszary zastosowań
Podczas spalania wodoru uwalniana jest jego duża ilość duża liczba energię (ciepło), że gaz ten uznawany jest za najbardziej opłacalne paliwo. Co więcej, jest przyjazny dla środowiska. Jednakże, jak dotąd, jego zastosowanie w tym obszarze jest ograniczone. Wynika to z nieprzemyślanych i nierozwiązanych problemów syntezy czystego wodoru, który nadawałby się do wykorzystania jako paliwo w reaktorach, silnikach i urządzeniach przenośnych, a także w domowych kotłach grzewczych.
W końcu metody wytwarzania tego gazu są dość drogie, dlatego najpierw należy opracować specjalną metodę syntezy. Taki, który pozwoli Ci uzyskać produkt w duża objętość i przy minimalnych kosztach.
Istnieje kilka głównych obszarów, w których rozważany przez nas gaz jest wykorzystywany.
- Syntezy chemiczne. Uwodornienie stosuje się do produkcji mydeł, margaryn i tworzyw sztucznych. Przy udziale wodoru syntetyzuje się metanol i amoniak oraz inne związki.
- W Przemysł spożywczy- jako dodatek E949.
- Przemysł lotniczy (nauka o rakietach, produkcja samolotów).
- Przemysł elektroenergetyczny.
- Meteorologia.
- Paliwo przyjazne dla środowiska.
Oczywiście wodór jest równie ważny, jak występuje w przyrodzie w dużych ilościach. Różne związki, które tworzy, odgrywają jeszcze większą rolę.
Związki wodoru
Są to złożone substancje zawierające atomy wodoru. Istnieje kilka głównych rodzajów takich substancji.
- Halogenowodory. Ogólna formuła- HHal. Wśród nich szczególne znaczenie ma chlorowodór. Jest to gaz, który rozpuszcza się w wodzie tworząc roztwór kwasu solnego. Kwas ten jest szeroko stosowany w prawie wszystkich syntezach chemicznych. Co więcej, zarówno organiczne, jak i nieorganiczne. Chlorowodór jest związkiem o wzorze empirycznym HCL i jest jednym z największych produkowanych w naszym kraju rocznie. Halogenowodory obejmują także jodowodór, fluorowodór i bromowodór. Wszystkie tworzą odpowiednie kwasy.
- Lotne Prawie wszystkie z nich to dość trujące gazy. Na przykład siarkowodór, metan, silan, fosfina i inne. Jednocześnie są bardzo łatwopalne.
- Wodorki to związki z metalami. Należą do klasy soli.
- Wodorotlenki: zasady, kwasy i związki amfoteryczne. Koniecznie zawierają atomy wodoru, jeden lub więcej. Przykład: NaOH, K 2, H 2 SO 4 i inne.
- Wodorotlenek. Związek ten jest lepiej znany jako woda. Inna nazwa to tlenek wodoru. Wzór empiryczny wygląda następująco - H 2 O.
- Nadtlenek wodoru. Jest to silny środek utleniający, którego wzór to H 2 O 2.
- Liczny związki organiczne: węglowodory, białka, tłuszcze, lipidy, witaminy, hormony, olejki eteryczne i inni.
Jest oczywiste, że różnorodność związków rozważanego pierwiastka jest bardzo duża. To po raz kolejny to potwierdza wysoka wartość dla przyrody i ludzi, a także dla wszystkich istot żywych.
- to najlepszy rozpuszczalnik
Jak wspomniano powyżej, potoczną nazwą tej substancji jest woda. Składa się z dwóch atomów wodoru i jednego tlenu, połączonych kowalencyjnymi wiązaniami polarnymi. Cząsteczka wody jest dipolem, co wyjaśnia wiele jej właściwości. W szczególności jest to uniwersalny rozpuszczalnik.
Dokładnie o godz środowisko wodne Zachodzą prawie wszystkie procesy chemiczne. Reakcje wewnętrzne tworzyw sztucznych i metabolizm energetyczny w organizmach żywych przeprowadza się również przy użyciu tlenku wodoru.
Woda jest słusznie uważana za najważniejszą substancję na planecie. Wiadomo, że żaden żywy organizm nie może bez niego żyć. Na Ziemi może istnieć w trzech stanach skupienia:
- płyn;
- gaz (para);
- ciało stałe (lód).
W zależności od izotopu wodoru zawartego w cząsteczce wyróżnia się trzy rodzaje wody.
- Światło lub protium. Izotop o liczbie masowej 1. Wzór - H 2 O. Jest to zwykła forma używana przez wszystkie organizmy.
- Deuter lub ciężki, jego wzór to D 2 O. Zawiera izotop 2 H.
- Superciężki lub tryt. Wzór wygląda jak T 3 O, izotop - 3 H.
Zasoby świeżej wody protium na planecie są bardzo ważne. W wielu krajach już go brakuje. Opracowywane są metody uzdatniania słonej wody w celu uzyskania wody pitnej.
Nadtlenek wodoru jest uniwersalnym lekarstwem
Związek ten, jak wspomniano powyżej, jest doskonałym środkiem utleniającym. Jednak przy silnych przedstawicielach może również zachowywać się jak konserwator. Ponadto ma wyraźne działanie bakteriobójcze.
Inna nazwa tego związku to nadtlenek. W tej postaci jest stosowany w medycynie. 3% roztwór krystalicznego hydratu omawianego związku jest lekiem stosowanym w leczeniu małych ran w celu ich odkażania. Udowodniono jednak, że wydłuża to czas gojenia się rany.
Nadtlenek wodoru stosowany jest także w paliwie rakietowym, w przemyśle do dezynfekcji i wybielania oraz jako środek spieniający do produkcji odpowiednich materiałów (np. pianki). Dodatkowo nadtlenek pomaga w czyszczeniu akwariów, wybielaniu włosów i wybielaniu zębów. Wyrządza jednak szkody tkankom, dlatego nie jest zalecany przez specjalistów do tych celów.
Wodór jest najlżejszym i najpowszechniejszym pierwiastkiem chemicznym. Dziś wszyscy o tym słyszeli, ale jeszcze niedawno było to wielką tajemnicą nawet dla najlepszych naukowców. Zgadzam się, to wystarczy, aby dowiedzieć się więcej o pierwiastku chemicznym wodorze.
Wodór: dystrybucja w przyrodzie
Jak powiedzieliśmy powyżej, wodór jest najpowszechniejszym pierwiastkiem. I to nie tylko na Ziemi, ale w całym Wszechświecie! Słońce prawie w połowie składa się z tego pierwiastka chemicznego, a większość gwiazd opiera się na wodorze. W przestrzeni międzygwiazdowej wodór jest również pierwiastkiem najobficiej występującym. Na Ziemi wodór występuje w postaci związków. Jest częścią ropy, gazów, a nawet organizmów żywych. Ocean Światowy zawiera około 11% masowych wodoru. Jest go bardzo mało w atmosferze, tylko około 5 dziesięciotysięcznych procenta.
Historia odkrycia wodoru
Nawet średniowieczni alchemicy domyślali się istnienia wodoru. Dlatego Paracelsus w swoich pismach zwracał uwagę, że pod wpływem działania kwasu i żelaza uwalniają się pęcherzyki „powietrza”. Ale nie mógł zrozumieć, co to za „powietrze”. W tamtych czasach naukowcy myśleli, że każda substancja palna ma jakiś mistyczny ognisty składnik, który podtrzymuje spalanie. To przypuszczenie nazwano teorią „flogistonu”. Alchemicy wierzyli na przykład, że drewno składa się z popiołu, który pozostaje po spaleniu, i flogistonu, który powstaje podczas spalania.
Właściwości wodoru po raz pierwszy zbadali angielscy chemicy Henry Cavendish i Joseph Priestley w XVIII wieku. Ale oni też nie do końca rozumieli istotę swojego odkrycia. Myśleli, że gaz lekki (wodór jest 14 razy lżejszy od powietrza) to nic innego jak mistyczny flogiston.
I dopiero Antoine Lavoisier udowodnił, że wodór nie jest flogistonem, ale prawdziwym pierwiastkiem chemicznym. Podczas swoich eksperymentów udało mu się uzyskać wodór z wody, a następnie udowodnił, że woda powstaje w wyniku spalania wodoru. Dlatego ten pierwiastek chemiczny otrzymał swoją nazwę - „rodzić wodę”.
Właściwości chemiczne wodoru
Wodór to pierwszy pierwiastek chemiczny, oznaczony w układzie okresowym symbolem H. Jest to gaz lekki, bezwonny i bezbarwny. Najczęściej występuje stały wodór lekko twarde substancja, a ciecz jest najlżejszą cieczą. Ponadto ciekły wodór w przypadku kontaktu ze skórą może spowodować poważne odmrożenia. Atomy i cząsteczki wodoru są najmniejsze. Dlatego balon napompowany tym gazem bardzo szybko się opróżnia – wodór przenika przez gumę. Kiedy wodór miesza się z tlenem w powietrzu, powstaje bardzo wybuchowa mieszanina. Nazywa się to „gazem wybuchowym”.
Podczas wdychania gazu częstotliwość głosu staje się znacznie wyższa niż normalnie. Na przykład szorstki basowy głos mężczyzny będzie podobny do głosów Chipa i Dale'a. Jednakże z powodów podanych powyżej nie należy przeprowadzać takich eksperymentów chemicznych. Wodór i tlen tworzą wybuchowy gaz, który przy wydychaniu może łatwo eksplodować!
Zastosowania wodoru
Pomimo swojej łatwopalności wodór jest szeroko stosowany w wielu gałęziach przemysłu. Stosowany jest głównie do produkcji amoniaku do nawozów mineralnych oraz do produkcji alkoholi i tworzyw sztucznych. Dawno, dawno temu sterowce były napełniane wodorem i Balony, ten lekki gaz uniósł je w powietrze bez żadnych trudności. Ale teraz w lotnictwie i technologia kosmiczna służy wyłącznie jako paliwo do rakiet kosmicznych. Stworzono silniki samochodowe zasilane wodorem. Są najbardziej przyjazne dla środowiska, ponieważ podczas spalania wydziela się tylko woda. Jednak na ten moment silniki wodorowe mają szereg istotnych wad, nie odpowiadam na całego wymogi bezpieczeństwa, dlatego ich stosowanie jest w dalszym ciągu zupełnie znikome. W przemyśle spożywczym wodór wykorzystuje się do produkcji margaryny, a także do pakowania żywności. Jest nawet zarejestrowany jako dodatki do żywności E949. W energetyce wodór wykorzystuje się do chłodzenia generatorów oraz do wytwarzania energii elektrycznej w wodorowo-tlenowych ogniwach paliwowych.
Wodór– pierwszy pierwiastek chemiczny układu okresowego pierwiastki chemiczne DI. Mendelejew. Pierwiastek chemiczny wodór znajduje się w pierwszej grupie, głównej podgrupie, pierwszym okresie układu okresowego.
Względna masa atomowa wodoru = 1.
Wodór ma najprostszą budowę atomową, składa się z pojedynczego elektronu, który znajduje się w przestrzeni okołojądrowej. Jądro atomu wodoru składa się z jednego protonu.
Atom wodoru, w reakcje chemiczne może zarówno oddać, jak i zyskać elektron, tworząc dwa rodzaje jonów:
H0 + 1ē → H1− H0 – 1ē → H1+.
Wodór– najpowszechniejszy pierwiastek we Wszechświecie. Stanowi około 88,6% wszystkich atomów (około 11,3% to atomy helu, udział wszystkich pozostałych pierwiastków razem wziętych wynosi około 0,1%). Zatem wodór jest głównym składnikiem gwiazd i gazu międzygwiazdowego. W przestrzeni międzygwiazdowej pierwiastek ten występuje w postaci pojedynczych cząsteczek, atomów i jonów i może tworzyć obłoki molekularne różniące się znacznie rozmiarem, gęstością i temperaturą.
Udział masowy wodoru w skorupie ziemskiej wynosi 1%. Jest to dziewiąty najczęstszy element. Znaczenie wodoru w procesach chemicznych zachodzących na Ziemi jest niemal tak duże jak tlenu. W przeciwieństwie do tlenu, który występuje na Ziemi zarówno w stanie związanym, jak i wolnym, prawie cały wodór na Ziemi ma postać związków; W atmosferze zawarta jest jedynie bardzo mała ilość wodoru w postaci prostej substancji (0,00005% obj. w przypadku suchego powietrza).
Wodór występuje prawie we wszystkich materia organiczna i jest obecny we wszystkich żywych komórkach.
Właściwości fizyczne wodoru
Prosta substancja utworzona przez pierwiastek chemiczny, który ma wodór struktura molekularna. Jego skład odpowiada formule H2. Podobnie jak pierwiastek chemiczny, prosta substancja nazywana jest również wodorem.
Wodór– gaz bezbarwny, bezwonny i bez smaku, praktycznie nierozpuszczalny w wodzie. W temperaturze pokojowej i normalnej ciśnienie atmosferyczne rozpuszczalność wynosi 18,8 ml gazu na 1 litr wody.
Wodór– najlżejszy gaz, jego gęstość wynosi 0,08987 g/l. Dla porównania: gęstość powietrza wynosi 1,3 g/l.
Wodór może rozpuszczać się w metalach, na przykład w jednej objętości palladu można rozpuścić do 850 objętości wodoru. Ze względu na wyjątkowo mały rozmiar cząsteczek wodór może dyfuzować przez wiele materiałów
Podobnie jak inne gazy, wodór niskie temperatury skrapla się w bezbarwną przezroczystą ciecz, zachodzi to w temperaturze - 252,8°C. Gdy temperatura osiągnie -259,2°C, wodór krystalizuje w postaci białych kryształków przypominających śnieg.
W przeciwieństwie do tlenu, wodór nie charakteryzuje się alotropią
Zastosowania wodoru
Wodór wykorzystywany jest w różnych gałęziach przemysłu. Do produkcji amoniaku wykorzystuje się duże ilości wodoru (NH3). Z amoniaku otrzymuje się nawozy azotowe, włókna syntetyczne i tworzywa sztuczne oraz leki.
W przemyśle spożywczym wodór wykorzystuje się do produkcji margaryny zawierającej tłuszcze stałe. Aby je otrzymać z ciekłych tłuszczów, przepuszcza się przez nie wodór.
Kiedy wodór spala się w tlenie, temperatura płomienia wynosi ok 2500°C. W tej temperaturze metale ogniotrwałe można topić i spawać. Dlatego do spawania wykorzystuje się wodór.
Jako paliwo rakietowe wykorzystuje się mieszaninę ciekłego wodoru i tlenu.
Obecnie w wielu krajach rozpoczęto badania nad zastąpieniem nieodnawialnych źródeł energii (ropy, gazu, węgla) wodorem. Podczas spalania wodoru w tlenie powstaje produkt przyjazny dla środowiska - woda, a nie dwutlenek węgla, który powoduje efekt cieplarniany.
Naukowcy sugerują, że masowa produkcja samochodów napędzanych wodorem powinna rozpocząć się w połowie XXI wieku. Szerokie zastosowanie znajdą domowe ogniwa paliwowe, których działanie również opiera się na utlenianiu wodoru tlenem.
Na przełomie XIX i XX w. U zarania ery aeronautyki balony, sterowce i balony były napełniane wodorem, ponieważ jest on znacznie lżejszy od powietrza. Jednak era sterowców zaczęła szybko odchodzić w przeszłość po katastrofie, która przydarzyła się sterowcowi Hindenburga. 6 maja 1937 sterowiec, wypełniony wodorem, zapalił się, w wyniku czego kilkudziesięciu pasażerów zginęło.
Wodór jest niezwykle wybuchowy w określonej proporcji z tlenem. Niezastosowanie się do przepisów bezpieczeństwa doprowadziło do zapłonu i eksplozji sterowca.
- Wodór– pierwszy pierwiastek chemiczny układu okresowego pierwiastków chemicznych D.I. Mendelejew
- Wodór znajduje się w grupie I, podgrupie głównej, w pierwszym okresie układu okresowego
- Wartościowość wodoru w związkach – I
- Wodór– gaz bezbarwny, bezwonny i pozbawiony smaku, praktycznie nierozpuszczalny w wodzie
- Wodór- najlżejszy gaz
- Wodór ciekły i stały wytwarzany jest w niskich temperaturach
- Wodór może rozpuszczać się w metalach
- Zastosowania wodoru są różnorodne
Wodór H jest najpowszechniejszym pierwiastkiem we Wszechświecie (około 75% masy), a na Ziemi jest dziewiątym pod względem liczebności. Najważniejszym naturalnym związkiem wodoru jest woda.
Wodór zajmuje pierwsze miejsce w układzie okresowym (Z = 1). Ma najprostszą budowę atomową: jądro atomu składa się z 1 protonu, otoczonego chmurą elektronów składającą się z 1 elektronu.
W pewnych warunkach wodór wykazuje właściwości metaliczne (oddaje elektron), w innych zaś wykazuje właściwości niemetaliczne (przyjmuje elektron).
Izotopy wodoru występujące w przyrodzie to: 1H – prot (jądro składa się z jednego protonu), 2H – deuter (D – jądro składa się z jednego protonu i jednego neutronu), 3H – tryt (T – jądro składa się z jednego protonu i dwóch neutrony).
Prosta substancja wodór
Cząsteczka wodoru składa się z dwóch atomów połączonych kowalencyjnym wiązaniem niepolarnym.
Właściwości fizyczne. Wodór jest bezbarwnym, bezwonnym, pozbawionym smaku i nietoksycznym gazem. Cząsteczka wodoru nie jest polarna. Dlatego siły oddziaływania międzycząsteczkowego w gazowym wodorze są małe. Przejawia się to w niskich temperaturach wrzenia (-252,6 0C) i temperaturach topnienia (-259,2 0C).
Wodór jest lżejszy od powietrza, D (w powietrzu) = 0,069; słabo rozpuszczalny w wodzie (2 objętości H2 rozpuszczają się w 100 objętościach H2O). Dlatego wodór wytwarzany w laboratorium można zbierać metodami wypierania powietrza lub wody.
Produkcja wodoru
W laboratorium:
1. Wpływ rozcieńczonych kwasów na metale:
Zn +2HCl → ZnCl2 +H2
2. Interakcja między alkaliami i metale z wodą:
Ca +2H 2 O → Ca(OH) 2 +H 2
3. Hydroliza wodorków: wodorki metali łatwo rozkładają się pod wpływem wody, tworząc odpowiednią zasadę i wodór:
NaH +H 2 O → NaOH + H 2
CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2
4.Wpływ zasad na cynk, aluminium lub krzem:
2Al +2NaOH +6H 2O → 2Na +3H 2
Zn +2KOH +2H 2O → K 2 +H 2
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2
5. Elektroliza wody. Dla wzrostu przewodnictwo elektryczne wody, dodaje się do niej elektrolit, na przykład NaOH, H 2 SO 4 lub Na 2 SO 4. Na katodzie powstają 2 objętości wodoru, a na anodzie 1 objętość tlenu.
2H 2O → 2H 2 +O 2
Przemysłowa produkcja wodoru
1. Konwersja metanu parą wodną Ni 800°C (najtańsza):
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Razem:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2
2. Para wodna przez gorący koks w temperaturze 1000 o C:
C + H 2 O → CO + H 2
CO +H 2 O → CO 2 + H 2
Powstały tlenek węgla (IV) jest absorbowany przez wodę i w ten sposób powstaje 50% wodoru przemysłowego.
3. Ogrzewając metan do 350°C w obecności katalizatora żelazowego lub niklowego:
CH 4 → C + 2H 2
4. Elektroliza wodnych roztworów KCl lub NaCl jako produkt uboczny:
2H 2O + 2NaCl → Cl2 + H2 + 2NaOH
Właściwości chemiczne wodoru
- W związkach wodór jest zawsze jednowartościowy. Charakteryzuje się stopniem utlenienia +1, ale w wodorkach metali jest równy -1.
- Cząsteczka wodoru składa się z dwóch atomów. Pojawienie się połączenia między nimi tłumaczy się utworzeniem uogólnionej pary elektronów H:H lub H2
- Dzięki temu uogólnieniu elektronów cząsteczka H2 jest bardziej stabilna energetycznie niż jej pojedyncze atomy. Aby rozbić 1 mol cząsteczki wodoru na atomy, należy wydać 436 kJ energii: H 2 = 2H, ∆H° = 436 kJ/mol
- Wyjaśnia to stosunkowo niską aktywność wodoru cząsteczkowego w zwykłych temperaturach.
- W przypadku wielu niemetali wodór tworzy związki gazowe, takie jak RH 4, RH 3, RH 2, RH.
1) Tworzy halogenowodory z halogenami:
H2 + Cl2 → 2HCl.
Jednocześnie eksploduje fluorem, reaguje z chlorem i bromem dopiero po oświetleniu lub podgrzaniu, a z jodem dopiero po podgrzaniu.
2) Z tlenem:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
z wydzielaniem ciepła. W normalnych temperaturach reakcja przebiega powoli, powyżej 550°C wybucha. Mieszaninę 2 objętości H 2 i 1 objętości O 2 nazywa się gazem detonującym.
3) Po podgrzaniu reaguje energicznie z siarką (znacznie trudniej z selenem i tellurem):
H 2 + S → H 2 S (siarkowodór),
4) Z azotem z tworzeniem amoniaku tylko na katalizatorze iw podwyższonych temperaturach i ciśnienia:
ZN 2 + N 2 → 2NH 3
5) Z węglem w wysokich temperaturach:
2H 2 + C → CH 4 (metan)
6) Tworzy wodorki z metalami alkalicznymi i ziem alkalicznych (wodór jest utleniaczem):
H2 + 2Li → 2LiH
w wodorkach metali jon wodoru jest naładowany ujemnie (stopień utlenienia -1), czyli wodorek Na+H - zbudowany podobnie do chlorku Na+Cl -
Z substancjami złożonymi:
7) Z tlenkami metali (stosowanymi do redukcji metali):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O
8) z tlenkiem węgla (II):
CO + 2H 2 → CH 3OH
Synteza - gaz (mieszanina wodoru i tlenek węgla) ma istotne znaczenie praktyczne, ponieważ w zależności od temperatury, ciśnienia i katalizatora tworzą się różne związki organiczne, np. HCHO, CH3OH i inne.
9) Węglowodory nienasycone reagują z wodorem, stając się nasycone:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2.
W układzie okresowym wodór znajduje się w dwóch grupach pierwiastków, które mają zupełnie przeciwne właściwości. Ta cecha uczynić go całkowicie wyjątkowym. Wodór to nie tylko pierwiastek czy substancja, ale jest także integralną częścią wielu złożonych związków, pierwiastkiem organogennym i biogennym. Dlatego przyjrzyjmy się jego właściwościom i cechom bardziej szczegółowo.
Uwolnienie łatwopalnego gazu podczas interakcji metali i kwasów zaobserwowano już w XVI wieku, czyli w okresie kształtowania się chemii jako nauki. Słynny angielski naukowiec Henry Cavendish badał tę substancję od 1766 roku i nadał jej nazwę „palne powietrze”. Podczas spalania gazu tego wytwarzała się woda. Niestety, trzymanie się przez naukowca teorii flogistonu (hipotetycznej „materii ultradrobnej”) nie pozwoliło mu na wyciągnięcie właściwych wniosków.
Francuski chemik i przyrodnik A. Lavoisier wraz z inżynierem J. Meunierem i przy pomocy specjalnych gazometrów zsyntetyzowali wodę w 1783 roku, a następnie poddali ją analizie poprzez rozkład pary wodnej za pomocą gorącego żelaza. W ten sposób naukowcy byli w stanie dojść do właściwych wniosków. Odkryli, że „palne powietrze” nie tylko jest częścią wody, ale można je również z niej pozyskać.
W 1787 r. Lavoisier zasugerował, że badany gaz jest substancją prostą i dlatego jest jednym z głównych pierwiastków chemicznych. Nazwał to Hydrone (od greckich słów hydor – woda + gennao – rodzę), czyli „rodzić wodę”.
Rosyjską nazwę „wodór” zaproponował w 1824 r. chemik M. Sołowiew. Określenie składu wody oznaczało koniec „teorii flogistonu”. Na przełomie XVIII i XIX w. stwierdzono, że atom wodoru jest bardzo lekki (w porównaniu z atomami innych pierwiastków), a za główną jednostkę porównawczą przyjęto jego masę masy atomowe, otrzymując wartość 1.
Właściwości fizyczne
Wodór jest najlżejszy ze wszystkich znane nauce substancji (jest 14,4 razy lżejszy od powietrza), jego gęstość wynosi 0,0899 g/l (1 atm., 0°C). Materiał ten topi się (zestala) i wrze (upłynnia) odpowiednio w temperaturach -259,1°C i -252,8°C (tylko hel ma niższą temperaturę wrzenia i topnienia).
Temperatura krytyczna wodoru jest wyjątkowo niska (-240°C). Z tego powodu jego upłynnianie jest procesem dość złożonym i kosztownym. Ciśnienie krytyczne substancji wynosi 12,8 kgf/cm², a gęstość krytyczna wynosi 0,0312 g/cm³. Spośród wszystkich gazów wodór ma najwyższą przewodność cieplną: przy 1 atmosferze i 0 °C wynosi 0,174 W/(mxK).
Ciepło właściwe substancji w tych samych warunkach wynosi 14,208 kJ/(kgxK) lub 3,394 cal/(gh°C). Pierwiastek ten jest słabo rozpuszczalny w wodzie (około 0,0182 ml/g przy 1 atmosferze i 20°C), ale dobrze rozpuszczalny w większości metali (Ni, Pt, Pa i inne), zwłaszcza w palladzie (około 850 objętości na objętość Pd) .
Ta ostatnia właściwość wiąże się z jego zdolnością do dyfuzji, a dyfuzji przez stop węgla (na przykład stal) może towarzyszyć zniszczenie stopu w wyniku interakcji wodoru z węglem (proces ten nazywa się dekarbonizacją). W stanie ciekłym substancja jest bardzo lekka (gęstość - 0,0708 g/cm3 w t° = -253°C) i płynna (lepkość - 13,8 g/cm3 w tych samych warunkach).
W wielu związkach pierwiastek ten wykazuje wartościowość +1 (stan utlenienia), podobnie jak sód i inne metale alkaliczne. Zwykle uważany jest za analog tych metali. W związku z tym kieruje grupą I układu okresowego. W wodorkach metali występuje jon wodoru ładunek ujemny(stopień utlenienia -1), czyli Na+H- ma strukturę podobną do chlorku Na+Cl-. Zgodnie z tym i kilkoma innymi faktami (podobieństwo właściwości fizycznych pierwiastka „H” i halogenów, możliwość zastąpienia go halogenami w związkach organicznych), wodór zalicza się do VII grupy układu okresowego.
W normalne warunki wodór molekularny ma niską aktywność, łącząc się bezpośrednio tylko z najbardziej aktywnymi niemetalami (z fluorem i chlorem, ten ostatni w świetle). Z kolei po podgrzaniu oddziałuje z wieloma pierwiastkami chemicznymi.
Wodór atomowy ma zwiększoną aktywność chemiczną (w porównaniu z wodorem molekularnym). Z tlenem tworzy wodę według wzoru:
Н₂ + ½О₂ = Н₂О,
uwalniając 285,937 kJ/mol ciepła lub 68,3174 kcal/mol (25 ° C, 1 atm). W normalnych warunkach temperaturowych reakcja przebiega raczej powoli, a przy t° >= 550°C jest niekontrolowana. Granica wybuchowości objętościowej mieszaniny wodoru i tlenu wynosi 4–94% H₂, a mieszaniny wodoru i powietrza 4–74% H₂ (mieszanina dwóch objętości H₂ i jednej objętości O₂ nazywana jest gazem detonującym).
Pierwiastek ten służy do redukcji większości metali, ponieważ usuwa tlen z tlenków:
Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H₂O,
CuO + H₂ = Cu + H₂O itd.
Wodór tworzy halogenowodory z różnymi halogenami, na przykład:
H₂ + Cl₂ = 2HCl.
Jednak podczas reakcji z fluorem wybucha wodór (dzieje się to również w ciemności, w temperaturze -252 ° C), z bromem i chlorem reaguje tylko po podgrzaniu lub oświetleniu, a z jodem - tylko po podgrzaniu. Podczas interakcji z azotem powstaje amoniak, ale tylko na katalizatorze, kiedy wysokie ciśnienie krwi i temperatura:
ЗН₂ + N₂ = 2NN₃.
Po podgrzaniu wodór aktywnie reaguje z siarką:
H₂ + S = H₂S (siarkowodór),
i znacznie trudniejsze w przypadku telluru lub selenu. Wodór reaguje z czystym węglem bez katalizatora, ale w wysokich temperaturach:
2H₂ + C (bezpostaciowy) = CH₄ (metan).
Substancja ta reaguje bezpośrednio z niektórymi metalami (alkalicznymi, ziem alkalicznych i innymi), tworząc wodorki, na przykład:
H₂ + 2Li = 2LiH.
Oddziaływania wodoru i tlenku węgla (II) mają duże znaczenie praktyczne. W tym przypadku w zależności od ciśnienia, temperatury i katalizatora powstają różne związki organiczne: HCHO, CH₃OH itp. Węglowodory nienasycone w trakcie reakcji ulegają nasyceniu, np.:
С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.
Wodór i jego związki odgrywają w chemii wyjątkową rolę. Określa właściwości kwasowe tzw. kwasy protonowe, mają tendencję do tworzenia wiązań wodorowych z różnymi pierwiastkami, które mają istotny wpływ na właściwości wielu związków nieorganicznych i organicznych.
Produkcja wodoru
Głównymi rodzajami surowców do przemysłowej produkcji tego pierwiastka są gazy rafinacyjne, naturalne gazy palne i koksownicze. Uzyskuje się go także z wody poprzez elektrolizę (w miejscach, gdzie dostępna jest energia elektryczna). Jeden z najważniejsze metody Za produkcję materiału z gazu ziemnego uważa się katalityczną interakcję węglowodorów, głównie metanu, z parą wodną (tzw. konwersja). Na przykład:
CH₄ + H₂O = CO + ZN₂.
Niecałkowite utlenianie węglowodorów tlenem:
CH₄ + ½O₂ = CO + 2H₂.
Zsyntetyzowany tlenek węgla (II) ulega przemianie:
CO + H₂O = CO₂ + H₂.
Wodór produkowany z gazu ziemnego jest najtańszy.
Do elektrolizy wody wykorzystuje się prąd stały, który przepuszcza się przez roztwór NaOH lub KOH (nie stosuje się kwasów, aby uniknąć korozji sprzętu). W warunkach laboratoryjnych materiał otrzymuje się poprzez elektrolizę wody lub w wyniku reakcji pomiędzy kwas chlorowodorowy i cynk. Częściej jednak stosuje się gotowy materiał fabryczny w cylindrach.
Pierwiastek ten jest izolowany od gazów rafinacyjnych i gazu koksowniczego poprzez usunięcie wszystkich pozostałych składników mieszaniny gazów, ponieważ łatwiej ulegają one upłynnieniu podczas głębokiego chłodzenia.
Materiał ten zaczęto wytwarzać na skalę przemysłową pod koniec XVIII wieku. Następnie służył do napełniania balony. Obecnie wodór znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle, głównie chemicznym, do produkcji amoniaku.
Masowymi konsumentami tej substancji są producenci metylu i innych alkoholi, benzyny syntetycznej i wielu innych produktów. Otrzymuje się je w drodze syntezy z tlenku węgla (II) i wodoru. Wodór wykorzystuje się do uwodornienia ciężkich i stałych paliw ciekłych, tłuszczów itp., do syntezy HCl, hydrorafinacji produktów naftowych, a także do cięcia/spawania metali. Najważniejsze elementy dla energii jądrowej są jej izotopy – tryt i deuter.
Biologiczna rola wodoru
Z tego pierwiastka pochodzi średnio około 10% masy organizmów żywych. Jest częścią wody i najważniejsze grupy związki naturalne, w tym białka, kwasy nukleinowe, lipidy, węglowodany. Do czego jest to używane?
Materiał ten odgrywa decydującą rolę: w utrzymaniu strukturę przestrzenną białka (czwartorzędowe), w realizacji zasady komplementarności kwasów nukleinowych (tj. w realizacji i przechowywaniu informacji genetycznej), ogólnie w „rozpoznawaniu” na poziomie molekularnym.
Jon wodorowy H+ bierze udział w ważnych reakcjach/procesach dynamicznych zachodzących w organizmie. Między innymi: w utlenianiu biologicznym, które dostarcza energii żywym komórkom, w reakcjach biosyntezy, w fotosyntezie u roślin, w fotosyntezie bakteryjnej i wiązaniu azotu, w utrzymaniu Równowaga kwasowej zasady i homeostazę w procesach transportu przez błonę. Wraz z węglem i tlenem stanowi funkcjonalną i strukturalną podstawę zjawisk życiowych.
