Vodik H je kemični element, eden najpogostejših v našem vesolju. Masa vodika kot elementa v sestavi snovi je 75% celotne vsebnosti atomov druge vrste. Vključen je v najpomembnejšo in vitalno povezavo na planetu - vodo. Posebnost vodika je tudi v tem, da je prvi element v periodnem sistemu kemičnih elementov D. I. Mendelejeva.
Odkritje in raziskovanje
Prve omembe vodika v Paracelsusovih spisih segajo v šestnajsto stoletje. Toda njegovo izolacijo od plinske mešanice zraka in študij gorljivih lastnosti je že v sedemnajstem stoletju naredil znanstvenik Lemery. Vodik je temeljito preučeval angleški kemik, fizik in naravoslovec Henry Cavendish, ki je eksperimentalno dokazal, da je masa vodika najmanjša v primerjavi z drugimi plini. V poznejših fazah razvoja znanosti so z njim sodelovali številni znanstveniki, zlasti Lavoisier, ki ga je imenoval "roditi vodo."
Značilnost glede na položaj v PSHE
Element, ki se odpreperiodni sistem D. I. Mendelejeva, je vodik. Fizikalne in kemijske lastnosti atoma kažejo nekaj dvojnosti, saj je vodik hkrati pripisan prvi skupini, glavni podskupini, če se obnaša kot kovina in v procesu kemične reakcije odda en sam elektron, in v sedmi - v primeru popolnega polnjenja valenčne lupine, to je sprejemnega negativnega delca, ki ga označuje kot podobnega halogenom.
Lastnosti elektronske strukture elementa
Lastnosti vodikovega atoma, kompleksnih snovi, katerih del je, in najpreprostejše snovi H2 določa predvsem elektronska konfiguracija vodika. Delec ima en elektron z Z=(-1), ki se vrti po svoji orbiti okoli jedra in vsebuje en proton z enoto mase in pozitivnim nabojem (+1). Njegova elektronska konfiguracija je zapisana kot 1s1, kar pomeni prisotnost enega negativnega delca v prvi in edini s-orbitali za vodik.
Ko se elektron loči ali odda in ima atom tega elementa takšno lastnost, da je povezan s kovinami, dobimo kation. Pravzaprav je vodikov ion pozitiven elementarni delec. Zato se vodik brez elektrona preprosto imenuje proton.
Fizične lastnosti
Če na kratko opišemo fizikalne lastnosti vodika, potem je to brezbarven, rahlo topen plin z relativno atomsko maso, ki je 2,14,5-krat lažja od zraka, s temperaturoutekočinjenje -252,8 stopinj Celzija.
Iz izkušenj lahko zlahka vidite, da je H2 najlažji. Če želite to narediti, je dovolj, da napolnite tri kroglice z različnimi snovmi - vodikom, ogljikovim dioksidom, navadnim zrakom - in jih hkrati spustite iz roke. Tisti, napolnjen s CO2, bo dosegel tla hitreje kot kdorkoli drug, po njem se bo napihnjena zračna mešanica spustila, tista, ki vsebuje H2 se bo dvignil do stropa.
Majhna masa in velikost vodikovih delcev upravičujeta njegovo sposobnost prodiranja skozi različne snovi. Na primeru iste kroglice je to enostavno preveriti, v nekaj dneh se bo sama izpraznila, saj bo plin preprosto prešel skozi gumo. Tudi vodik se lahko kopiči v strukturi nekaterih kovin (paladij ali platina) in izhlapi iz njega, ko se temperatura dvigne.
Lastnost nizke topnosti vodika se v laboratorijski praksi uporablja za njegovo izolacijo z metodo izpodrivanja vode. Fizikalne lastnosti vodika (spodnja tabela vsebuje glavne parametre) določajo obseg njegove uporabe in metode proizvodnje.
| Parameter atoma ali molekule preproste snovi | pomen |
| Atomska masa (molarna masa) | 1,008 g/mol |
| elektronska konfiguracija | 1s1 |
| kristalna mreža | Šesterokotni |
| Toplotna prevodnost | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Gostota pri n. l. | 0, 08987 g/l |
| Vrelišče | -252, 76 °C |
| Specifična kalorična vrednost | 120, 9 106 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 tudi vodik več naravnih izotopov, to je atomov z enakim številom protonov v jedru, vendar različnim številom nevtronov - delcev z ničelnim nabojem in enoto maso. Primeri atomov, ki imajo to lastnost, so kisik, ogljik, klor, brom in drugi, vključno z radioaktivnimi.
Fizikalne lastnosti vodika 1H, ki je najpogostejši predstavnik te skupine, se bistveno razlikujejo od enakih lastnosti njegovih sorodnikov. Zlasti se razlikujejo značilnosti snovi, v katere so vključeni. Torej obstaja navadna in devterirana voda, ki v svoji sestavi namesto vodikovega atoma z enim protonom vsebuje devterij 2H - njegov izotop z dvema elementarnima delcema: pozitivnim in nenabitim. Ta izotop je dvakrat težji od navadnega vodika, kar pojasnjuje temeljno razliko v lastnostih spojin, ki jih sestavljajo. V naravi je devterij 3200-krat redkejši od vodika. Tretji predstavnik je tritij 3Н, v jedru ima dva nevtrona in en proton.
Načini pridobivanja in izbire
Laboratorijske in industrijske metode za proizvodnjo vodika se zelo razlikujejo. Da, v majhnih količinahplin nastaja predvsem z reakcijami, ki vključujejo minerale, medtem ko se v obsežni proizvodnji v večji meri uporablja organska sinteza.
Naslednje kemične interakcije se uporabljajo v laboratoriju:
- Reakcija alkalijskih in zemeljskoalkalijskih kovin z vodo, da nastane alkalija in želeni plin.
- Elektroliza vodne raztopine elektrolita, H2↑ se sprosti na anodi, kisik pa se sprosti na katodi.
- Razgradnja hidridov alkalijskih kovin z vodo, produkti so alkalni in s tem plin H2↑.
- Reakcija razredčenih kislin s kovinami, da tvorijo soli in H2↑.
- Delovanje alkalij na silicij, aluminij in cink prav tako spodbuja sproščanje vodika vzporedno s tvorbo kompleksnih soli.
V industrijskih interesih se plin pridobiva z metodami, kot so:
- Termična razgradnja metana v prisotnosti katalizatorja na njegove sestavne preproste snovi (350 stopinj doseže vrednost takega indikatorja, kot je temperatura) - vodik H2↑ in ogljik C.
- Prehajanje hlape vode skozi koks pri 1000 stopinjah Celzija, da nastane ogljikov dioksid CO2 in H2↑ (najpogostejša metoda)
- Pretvorba plinastega metana na nikljevem katalizatorju pri temperaturah, ki dosežejo 800 stopinj.
- Vodik je stranski produkt elektrolize vodnih raztopin kalijevih ali natrijevih kloridov.
Kemičnainterakcije: splošne informacije
Fizikalne lastnosti vodika v veliki meri pojasnjujejo njegovo obnašanje v reakcijskih procesih z eno ali drugo spojino. Valenca vodika je 1, saj se nahaja v prvi skupini periodnega sistema, stopnja oksidacije pa kaže drugačno. V vseh spojinah, razen v hidridih, vodik v s.o.=(1+), v molekulah, kot so ХН, ХН2, ХН3 – (1 -).
Molekula vodikovega plina, ki nastane z ustvarjanjem posplošenega elektronskega para, je sestavljena iz dveh atomov in je energetsko precej stabilna, zato je v normalnih pogojih nekoliko inertna in preide v reakcije, ko se normalni pogoji spremenijo. Glede na stopnjo oksidacije vodika v sestavi drugih snovi lahko deluje tako kot oksidant kot redukcijsko sredstvo.
Snovi, s katerimi reagira in tvori vodik
Elementarne interakcije za tvorbo kompleksnih snovi (pogosto pri povišanih temperaturah):
- Alkalna in zemeljskoalkalijska kovina + vodik=hidrid.
- Halogen + H2=vodikov halogenid.
- Žveplo + vodik=vodikov sulfid.
- Kisik + H2=voda.
- Ogljik + vodik=metan.
- dušik + H2=amoniak.
Interakcija s kompleksnimi snovmi:
- Proizvodnja sinteznega plina iz ogljikovega monoksida in vodika.
- Obnova kovin iz njihovih oksidov z uporabo H2.
- Nasičenost nenasičenih alifatov z vodikomogljikovodiki.
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 nedeljene elektronske pare (npr. kisik, dušik in fluor). Najjasnejši primer, na katerem je bolje upoštevati takšen pojav, je voda. Lahko rečemo, da je šivan z vodikovimi vezmi, ki so šibkejše od kovalentnih ali ionskih, a 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
Sestava vseh anorganskih kislin vključuje proton - kation atoma, kot je vodik. Snov, katere kislinski ostanek ima oksidacijsko stanje večje od (-1), se imenuje polibazična spojina. Vsebuje več atomov vodika, zaradi česar je disociacija v vodnih raztopinah večstopenjska. Vsak naslednji proton se vse težje odcepi od preostale kisline. S količinsko vsebnostjo vodika v mediju določimo njegovo kislost.
Vodik vsebuje tudi hidroksilne skupine baz. V njih je vodik povezan z atomom kisika, zato je oksidacijsko stanje tega alkalnega ostanka vedno enako (-1). Vsebnost hidroksilov v mediju določa njegovo bazičnost.
Uporaba v človeških dejavnostih
Jeklenke s snovjo, pa tudi posode z drugimi utekočinjenimi plini, kot je kisik, imajo poseben videz. Pobarvani so v temno zeleno s svetlo rdečim napisom "Hydrogen". Plin se črpa v jeklenko pod tlakom približno 150 atmosfer. Fizikalne lastnosti vodika, zlasti lahkotnost plinastega agregacijskega stanja, se uporabljajo za polnjenje v mešanici s helijevimi baloni, baloni itd.
Vodik, katerega fizikalne in kemijske lastnosti so se ljudje naučili uporabljati pred mnogimi leti, se trenutno uporablja v številnih panogah. Večinoma gre za proizvodnjo amoniaka. Vodik sodeluje tudi pri proizvodnji kovin (hafnija, germanija, galija, silicija, molibdena, volframa, cirkonija in drugih) iz oksidov, ki v reakciji deluje kot redukcijsko sredstvo, cianovodikove in klorovodikove kisline, metilnega alkohola in umetne tekočine. gorivo. Živilska industrija ga uporablja za pretvarjanje rastlinskih olj v trdne maščobe.
Določili kemijske lastnosti in uporabo vodika v različnih procesih hidrogeniranja in hidrogeniranja maščob, premoga, ogljikovodikov, olj in kurilnega olja. S pomočjo nje se proizvajajo dragi kamni, žarnice, kovinski izdelki se kovajo in varijo pod vplivom kisikovo-vodikovega plamena.
