Vodik- prvi kemijski element periodnog sustava kemijski elementi DI. Mendeljejev. Kemijski element vodik nalazi se u prvoj skupini, glavnoj podskupini, prvoj periodi periodnog sustava.

Relativni atomska masa vodik = 1.

Vodik ima najjednostavniju strukturu atoma, sastoji se od jednog elektrona, koji se nalazi u nuklearnom prostoru. Jezgra atoma vodika sastoji se od jednog protona.

Atom vodika, u kemijskim reakcijama, može donirati i dodati elektron, tvoreći dvije vrste iona:

H0 + 1ē → H1− H0 – 1ē → H1+.

Vodik je najzastupljeniji 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 glavni komponenta zvijezde i međuzvjezdani plin. U međuzvjezdanom prostoru ovaj element postoji u obliku pojedinačnih molekula, atoma i iona i može tvoriti molekularne oblake koji se jako razlikuju po 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; u atmosferi se nalazi samo vrlo mala količina vodika u obliku jednostavne tvari (0,00005% volumena za suhi zrak).

Vodik je prisutan u gotovo svim organska tvar a prisutan je u svim živim stanicama.

Fizikalna svojstva vodika

Jednostavna tvar koju tvori kemijski element vodik ima molekularnu strukturu. Njegov sastav odgovara formuli H2. Poput kemijskog elementa, jednostavna tvar se također naziva vodik.

Vodik To je 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, njegova gustoća 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 molekularne veličine, vodik može difundirati kroz mnoge materijale.

Kao i drugi plinovi, vodik niske temperature kondenzira do bezbojnog bistra tekućina, 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 ne pokazuje alotropiju.

Primjena vodika

Vodik se koristi u razne industrije industrija. Puno vodika ide u proizvodnju amonijaka (NH3). Od amonijaka se dobivaju dušična gnojiva, sintetička vlakna i plastika te lijekovi.

U prehrambenoj industriji hidrogen se koristi u proizvodnji margarina koji sadrži tvrde 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 se vodik spaljuje u kisiku, nastaje ekološki prihvatljiv proizvod - voda, a ne ugljični dioksid izazivajući efekt staklenika.

Znanstvenici sugeriraju da bi sredinom XXI stoljeća trebalo započeti masovna proizvodnja automobili na vodik. Gorive ćelije za kućanstvo, čiji se rad također temelji na oksidaciji vodika s kisikom, naći će široku primjenu.

Krajem 19. i početkom 20. st. u osvit ere aeronautike, ispunjen vodikom Baloni, zračne brodove i balone, jer je puno 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 određenim omjerima 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, periodi 1 periodnog sustava
• Valencija vodika u spojevima - I
• Vodik Plin bez boje, mirisa i okusa, praktički netopljiv u vodi
• Vodik- najlakši plin
• Tekući i kruti vodik nastaje pri niskim temperaturama
• Vodik se može otopiti u metalima
• Primjene vodika su različite

Vodik - poseban element, zauzimajući dvije ćelije odjednom u periodnom sustavu Mendeljejeva. Nalazi se u dvije skupine elemenata suprotnih svojstava, a to ga svojstvo čini jedinstvenim. Vodik je jednostavna tvar i sastavni dio mnogih složenih spojeva, organogen i biogen element. Vrijedi se detaljno upoznati s njegovim glavnim značajkama i svojstvima.

Vodik u Mendeljejevljevom periodnom sustavu

Glavne značajke vodika navedene su u:

• redni broj elementa je 1 (ima isti broj protona i elektrona);
• atomska masa je 1,00795;
• vodik ima tri izotopa od kojih svaki ima posebna svojstva;
• zbog sadržaja samo jednog elektrona, vodik može ispoljavati redukcijske i oksidirajuća svojstva, a nakon predaje elektrona vodik ima slobodnu orbitalu, koja sudjeluje u stvaranju kemijskih veza prema donorsko-akceptorskom mehanizmu;
• vodik je lagani element niske gustoće;
• vodik je jako redukcijsko sredstvo, otvara skupinu alkalijskih metala u prvoj skupini glavne podskupine;
• kada vodik reagira s metalima i drugim jakim redukcijskim agensima, on prihvaća njihov elektron i postaje oksidacijsko sredstvo. Takvi spojevi nazivaju se hidridi. Prema navedenom svojstvu, vodik uvjetno pripada skupini halogena (u tablici je dat iznad fluora u zagradi), s kojima ima sličnosti.

Vodik kao jednostavna tvar

Vodik je plin čija se molekula sastoji od dva. Ovu tvar otkrio je 1766. godine britanski znanstvenik Henry Cavendish. Dokazao je da je vodik plin koji eksplodira u interakciji s kisikom. Nakon proučavanja vodika, kemičari su otkrili da je ova tvar najlakša od svih poznatih čovjeku.

Drugi znanstvenik, Lavoisier, dao je elementu ime "hydrogenium", što na latinskom znači "rađanje vode". Godine 1781. Henry Cavendish dokazao je da je voda kombinacija kisika i vodika. Drugim riječima, voda je produkt reakcije vodika i kisika. Zapaljiva svojstva vodika bila su poznata čak i drevnim znanstvenicima: odgovarajuće zapise ostavio je Paracelsus, koji je živio u 16. stoljeću.

Molekularni vodik prirodni je plinoviti spoj uobičajen u prirodi, koji se sastoji od dva atoma i kada se goruća krhotina pojavi. Molekula vodika može se raspasti na atome koji se pretvaraju u jezgre helija, budući da mogu sudjelovati u nuklearnim reakcijama. Takvi se procesi redovito događaju u svemiru i na Suncu.

Vodik i njegova fizikalna svojstva

Vodik ima sljedeće fizičke parametre:

• vrije na -252,76 °C;
• tali se na -259,14 °C; *unutar navedenih temperaturnih granica vodik je tekućina bez mirisa i boje;
• vodik je slabo topljiv u vodi;
• vodik teoretski može prijeći u metalno stanje kada se osigura posebni uvjeti(niske temperature i visoki tlak);
• čisti vodik je eksplozivna i zapaljiva tvar;
• vodik može difundirati kroz debljinu metala, stoga se dobro otapa u njima;
• vodik je 14,5 puta lakši od zraka;
• na visokotlačni mogu se dobiti snježni kristali čvrstog vodika.

Kemijska svojstva vodika

Laboratorijske metode:

• interakcija razrijeđenih kiselina s aktivnim metalima i metalima srednje aktivnosti;
• hidroliza metalnih hidrida;
• reakcija s vodom alkalijskih i zemnoalkalijskih metala.

Vodikovi spojevi:

Vodikovi halogenidi; hlapljivi vodikovi spojevi nemetala; hidridi; hidroksidi; vodikov hidroksid (voda); vodikov peroksid; organski spojevi (proteini, masti, ugljikohidrati, vitamini, lipidi, esencijalna ulja, hormoni). Kliknite da biste vidjeli sigurne eksperimente o proučavanju svojstava bjelančevina, masti i ugljikohidrata.

Da biste prikupili dobiveni vodik, morate držati epruvetu okrenutu naopako. Vodik se ne može skupljati kao ugljični dioksid, jer je mnogo lakši od zraka. Vodik brzo isparava, a pomiješan sa zrakom (ili u velikoj nakupini) eksplodira. Stoga je potrebno preokrenuti cijev. Odmah nakon punjenja tuba se zatvara gumenim čepom.

Za provjeru čistoće vodika potrebno je upaljenu šibicu prinijeti grlu epruvete. Ako se pojavi gluhi i tihi prasak, plin je čist, a nečistoće zraka minimalne. Ako je pukanje glasno i zvižduće, plin u epruveti je prljav, sadrži veliki udio strane komponente.

Pažnja! Ne pokušavajte sami ponoviti ove eksperimente!

Tekućina

Vodik(lat. Hidrogenij; označen simbolom H) je prvi element periodnog sustava elemenata. Široko rasprostranjen u prirodi. Kation (i jezgra) najčešćeg izotopa vodika 1 H je proton. Svojstva jezgre 1H omogućuju široku primjenu NMR spektroskopije u analizi organskih tvari.

Tri izotopa vodika imaju svoja imena: 1H - protij (H), 2H - deuterij (D) i 3H - tricij (radioaktivni) (T).

Jednostavna tvar vodik - H 2 - je lagani bezbojni plin. U smjesi sa zrakom ili kisikom zapaljiv je i eksplozivan. Netoksičan. Topljiv u etanolu i nizu metala: željezo, nikal, paladij, platina.

Priča

Oslobađanje zapaljivog plina tijekom međudjelovanja kiselina i metala uočeno je u 16. i XVII stoljeća u praskozorje formiranja kemije kao znanosti. Mihail Vasiljevič Lomonosov također je izravno ukazivao na njegovu izolaciju, ali već definitivno shvaćajući da se ne radi o flogistonu. Engleski fizičar i kemičar Henry Cavendish proučavao je ovaj plin 1766. godine i nazvao ga "zapaljivi zrak". Kada je sagorijevao, "zapaljivi zrak" proizvodio je vodu, ali Cavendishovo pridržavanje teorije o flogistonu spriječilo ga je da donese ispravne zaključke. Francuski kemičar Antoine Lavoisier, zajedno s inženjerom J. Meunierom, pomoću posebnih gasometara, 1783. godine izvodi sintezu vode, a potom i njezinu analizu, razlažući vodenu paru užarenim željezom. Tako je utvrdio da je "zapaljivi zrak" dio vode i da se iz nje može dobiti.

porijeklo imena

Lavoisier je vodiku dao ime hydrogène, što znači "vodonosni". Ruski naziv "vodik" predložio je kemičar M. F. Solovyov 1824. godine - po analogiji sa Slomonosovljevim "kisikom".

Prevalencija

Vodik je najrasprostranjeniji element u svemiru. Čini oko 92% svih atoma (8% su atomi helija, udio svih ostalih elemenata zajedno manji je od 0,1%). Dakle, vodik je glavna komponenta zvijezda i međuzvjezdanog plina. U uvjetima zvjezdanih temperatura (npr. površinska temperatura Sunca je ~ 6000 °C) vodik postoji u obliku plazme; u međuzvjezdanom prostoru ovaj element postoji u obliku pojedinačnih molekula, atoma i iona i može tvore molekularne oblake koji se značajno razlikuju po veličini, gustoći i temperaturi.

Zemljina kora i živi organizmi

Maseni udio vodika u zemljinoj kori je 1% - ovo je deseti najčešći element. Međutim, njegova uloga u prirodi nije određena masom, već brojem atoma, čiji je udio među ostalim elementima 17% (drugo mjesto nakon kisika, čiji je udio atoma ~ 52%). Stoga je važnost vodika u kemijskim procesima koji se odvijaju na Zemlji gotovo 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 nalazi se u atmosferi (0,00005% po volumenu).

Vodik je sastavni dio gotovo svih organskih tvari i prisutan je u svim živim stanicama. U živim stanicama, po broju atoma, vodik čini gotovo 50%.

Priznanica

Industrijske metode dobivanja jednostavne tvari ovise o obliku u kojem se odgovarajući element nalazi u prirodi, odnosno što može biti sirovina za njegovu proizvodnju. Dakle, dobiva se kisik, dostupan u slobodnom stanju na fizički način- oslobađanje od tekućeg zraka. Vodik je, s druge strane, gotovo sav u obliku spojeva, stoga, da bi se dobio, kemijske metode. Posebno se mogu koristiti reakcije razgradnje. Jedan od načina dobivanja vodika je reakcija razgradnje vode električnom strujom.

Glavna industrijska metoda za proizvodnju vodika je reakcija metana, koji je dio prirodnog plina, s vodom. Provodi se na visoka temperatura(lako je provjeriti da kada metan prolazi čak i kroz kipuću vodu, ne dolazi do reakcije):

CH 4 + 2H 2 O \u003d CO 2 + 4H 2 −165 kJ

U laboratoriju se za dobivanje jednostavnih tvari ne koriste nužno prirodne sirovine, već se biraju one polazne tvari iz kojih je lakše izolirati potrebnu tvar. Primjerice, u laboratoriju se kisik ne dobiva iz zraka. Isto vrijedi i za proizvodnju vodika. Jedan od laboratorijske metode dobivanje vodika, koji se ponekad koristi u industriji, je razgradnja vode električnom strujom.

Vodik se obično proizvodi u laboratoriju reakcijom cinka s klorovodičnom kiselinom.

U industriji

1. Elektroliza vodene otopine soli:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2. Prolazak vodene pare preko vrućeg koksa na temperaturi od oko 1000 °C:

H2O+C? H2 + CO

3.Iz prirodnog plina.

Steam konverzija:

CH4 + H20? CO + 3H 2 (1000 °C)

Katalitička oksidacija s kisikom:

2CH4 + O2? 2CO + 4H2

4. Krekiranje i reforming ugljikovodika u procesu prerade nafte.

U laboratoriju

1.Djelovanje razrijeđenih kiselina na metale. Za izvođenje takve reakcije najčešće se koriste cink i razrijeđena klorovodična kiselina:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Interakcija kalcija s vodom:

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

3.Hidroliza hidrida:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Djelovanje lužina na cink ili aluminij:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2

Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.Uz pomoć elektrolize. Tijekom elektrolize vodenih otopina lužina ili kiselina na katodi se oslobađa vodik, npr.

2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O

Fizička svojstva

Vodik može postojati u dva oblika (modifikacije) - u obliku orto- i para-vodika. U molekuli ortovodika o-H 2 (tt. −259,10 °C, t.k. −252,56 °C) nuklearni spinovi usmjereni su na isti način (paralelno), dok paravodik str-H 2 (tt. −259,32 ° C, t.k. −252,89 ° C) - jedan nasuprot drugome (antiparalelan). Ravnotežna smjesa o-H2 i str-H 2 pri određenoj temperaturi naziva se ravnotežni vodik e-H2.

Modifikacije vodika mogu se odvojiti adsorpcijom na aktivnom ugljenu pri temperaturi tekućeg dušika. Na vrlo niskim temperaturama, ravnoteža između ortovodika i paravodika gotovo je u potpunosti pomaknuta prema potonjem. Na 80 K, omjer slike je približno 1:1. Desorbirani paravodik zagrijavanjem se pretvara u ortovodik do stvaranja ravnotežne smjese na sobnoj temperaturi (orto-para: 75:25). Bez katalizatora, transformacija se odvija sporo (u uvjetima međuzvjezdanog medija - s karakterističnim vremenima do kozmoloških), što omogućuje proučavanje svojstava pojedinih modifikacija.

Vodik je najlakši plin, 14,5 puta lakši od zraka. Očito, što je manja masa molekula, veća je njihova brzina pri istoj temperaturi. Kao najlakše, molekule vodika kreću se brže od molekula bilo kojeg drugog plina i tako mogu brže prenositi toplinu s jednog tijela na drugo. Slijedi da vodik ima najveću toplinsku vodljivost među plinovitim tvarima. Njegova toplinska vodljivost je oko sedam puta veća od toplinske vodljivosti zraka.

Molekula vodika je dvoatomna - H 2. Pod normalnim uvjetima, to je plin bez boje, mirisa i okusa. Gustoća 0,08987 g/l (n.o.), vrelište −252,76 °C, specifična toplina izgaranja 120,9×10 6 J/kg, slabo topljiv u vodi — 18,8 ml/l. Vodik je visoko topljiv u mnogim metalima (Ni, Pt, Pd, itd.), posebno u paladiju (850 volumena po 1 volumenu Pd). S topljivošću vodika u metalima povezana je njegova sposobnost difuzije kroz njih; difuzija kroz leguru koja sadrži ugljik (na primjer, čelik) ponekad je praćena razaranjem legure zbog interakcije vodika s ugljikom (tzv. dekarbonizacija). Praktički netopljiv u srebru.

tekući vodik postoji u vrlo uskom temperaturnom području od −252,76 do −259,2 °C. To je bezbojna tekućina, vrlo lagana (gustoća na -253 °C 0,0708 g / cm 3) i tekućina (viskoznost na -253 °C 13,8 celzijusa). Kritični parametri vodika su vrlo niski: temperatura -240,2 °C i tlak 12,8 atm. To objašnjava poteškoće u ukapljivanju vodika. U tekuće stanje ravnotežni vodik sastoji se od 99,79% para-H 2 , 0,21% orto-H 2 .

Čvrsti vodik, talište −259,2 °C, gustoća 0,0807 g/cm3 (pri −262 °C) — masa poput snijega, heksagonalni kristali, prostorna skupina P6/mmc, parametri ćelije a=3,75 c=6,12. Pri visokom tlaku vodik postaje metalan.

izotopi

Vodik se nalazi u tri izotopi koji imaju pojedinačne nazive: 1 H - protij (H), 2 H - deuterij (D), 3 H - tricij (radioaktivan) (T).

Procij i deuterij su stabilni izotopi s masenim brojevima 1 i 2. Njihov sadržaj u prirodi je 99,9885 ± 0,0070%, odnosno 0,0115 ± 0,0070%. Ovaj omjer može malo varirati ovisno o izvoru i metodi proizvodnje vodika.

Izotop vodika 3 H (tricij) je nestabilan. Njegov poluživot je 12,32 godine. Tricij se u prirodi nalazi u vrlo malim količinama.

Literatura također nudi podatke o vodikovim izotopima s masenim brojevima 4-7 i poluživotima 10-22-10-23 s.

Prirodni vodik sastoji se od molekula H 2 i HD (deuterovodika) u omjeru 3200:1. Sadržaj čistog deuterijevog vodika D 2 je još manji. Omjer koncentracije HD i D 2 je približno 6400:1.

Od svih izotopa kemijskih elemenata, fizičkih i Kemijska svojstva izotopi vodika se međusobno najjače razlikuju. To je zbog najveće relativne promjene u masama atoma.

	Temperatura topljenje, K	Temperatura ključanje, K	Utrostručiti točka, K / kPa	kritično točka, K / kPa	Gustoća tekućina / plin, kg/m³

Deuterij i tricij također imaju orto i para modifikacije: str-D2, o-D2, str-T2, o-T 2 . Heteroizotopni vodik (HD, HT, DT) nema orto i para modifikacije.

Kemijska svojstva

Frakcija disociranih molekula vodika

Molekule vodika H 2 su prilično jake, a da bi vodik reagirao, mora se potrošiti puno energije:

H2 \u003d 2H - 432 kJ

Stoga, pri uobičajenim temperaturama, vodik reagira samo s vrlo aktivnim metalima, poput kalcija, tvoreći kalcijev hidrid:

Ca + H 2 \u003d CaH 2

i s jedinim nemetalom - fluorom, tvoreći fluorovodik:

Vodik reagira s većinom metala i nemetala na povišenim temperaturama ili pod drugim utjecajima, kao što je svjetlo:

O 2 + 2H 2 \u003d 2H 2 O

Može "oduzeti" kisik nekim oksidima, na primjer:

CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O

Napisana jednadžba odražava redukcijska svojstva vodika.

N 2 + 3H 2 → 2NH 3

S halogenima stvara halogenide:

F 2 + H 2 → 2HF, reakcija se odvija eksplozijom u mraku i na bilo kojoj temperaturi,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, reakcija se odvija eksplozijom, samo na svjetlu.

Kod jakog zagrijavanja dolazi u interakciju s čađom:

C + 2H 2 → CH 4

Interakcija s alkalijskim i zemnoalkalijskim metalima

U interakciji s aktivnim metalima vodik stvara hidride:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H 2 → MgH 2

hidridi- fiziološka otopina, čvrste tvari, lako hidroliziran:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Interakcija s metalnim oksidima (obično d-elementima)

Oksidi se reduciraju u metale:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Hidrogenacija organskih spojeva

Molekularni vodik naširoko se koristi u organska sinteza oporavak organski spojevi. Ti se procesi nazivaju reakcije hidrogenacije. Ove se reakcije provode u prisutnosti katalizatora povišeni tlak i temperaturu. Katalizator može biti ili homogen (npr. Wilkinsonov katalizator) ili heterogen (npr. Raneyev nikal, paladij na ugljiku).

Tako, posebice, tijekom katalitičke hidrogenacije nezasićenih spojeva, kao što su alkeni i alkini, nastaju zasićeni spojevi, alkani.

Geokemija vodika

Slobodni vodik H 2 je relativno rijedak u kopnenim plinovima, ali u obliku vode ima izuzetno važnu ulogu u geokemijskim procesima.

Vodik može biti prisutan u mineralima u obliku amonijevog iona, hidroksilnog iona i kristalne vode.

U atmosferi se kontinuirano proizvodi vodik kao rezultat razgradnje vode sunčevim zračenjem. S malom masom, molekule vodika imaju visoku stopu difuzijskog gibanja (blizu je drugoj kozmičkoj brzini) i, ulazeći u gornje slojeve atmosfere, mogu odletjeti u svemir.

Značajke cirkulacije

Vodik pomiješan sa zrakom stvara eksplozivnu smjesu – tzv. eksplozivni plin. Ovaj plin je najeksplozivniji kada je volumni omjer vodika i kisika 2:1, odnosno vodika i zraka približno 2:5, budući da zrak sadrži približno 21% kisika. Vodik također predstavlja opasnost od požara. Tekući vodik može uzrokovati ozbiljne ozebline ako dođe u dodir s kožom.

Eksplozivne koncentracije vodika s kisikom javljaju se od 4% do 96% volumena. Kada se pomiješa sa zrakom od 4% do 75(74)% po volumenu.

Ekonomija

Cijena vodika za velike veleprodajne isporuke kreće se od 2-5 USD po kg.

Primjena

Za zavarivanje atomskim vodikom koristi se atomski vodik.

Kemijska industrija

• U proizvodnji amonijaka, metanola, sapuna i plastike
• U proizvodnji margarina iz tekućih biljnih ulja
• Registriran kao dodatak hrani E949(pakiranje plina)

industrija hrane

Zrakoplovna industrija

Vodik je vrlo lagan i uvijek se diže u zrak. Nekada su se zračni brodovi i baloni punili vodikom. Ali u 30-ima. 20. stoljeće bilo je nekoliko katastrofa, tijekom kojih su zračni brodovi eksplodirali i izgorjeli. Danas se zračni brodovi pune helijem, unatoč znatno većoj cijeni.

Gorivo

Vodik se koristi kao raketno gorivo.

U tijeku su istraživanja korištenja vodika kao goriva za automobile i kamione. Motori na vodik ne zagađuju okoliš a emitiraju samo vodenu paru.

Gorivne ćelije vodik-kisik koriste vodik za izravnu pretvorbu energije kemijska reakcija u električnu.

"Tekući vodik"("LW") je tekuće agregatno stanje vodika, niske specifične težine od 0,07 g/cm³ i kriogenih svojstava s točkom smrzavanja od 14,01 K (−259,14 °C) i točkom vrelišta od 20,28 K (−252,87 °C). To je bezbojna tekućina bez mirisa koja je, kada se pomiješa sa zrakom, klasificirana kao eksplozivna s rasponom zapaljivosti od 4-75%. Omjer spina izomera u tekućem vodiku je: 99,79% - paravodik; 0,21% - ortovodik. Koeficijent rastezanja vodika pri promjeni agregatno stanje plinoviti je 848:1 na 20°C.

Kao i kod svakog drugog plina, ukapljivanje vodika smanjuje njegov volumen. Nakon ukapljivanja, "ZHV" se skladišti u toplinski izoliranim spremnicima pod pritiskom. Tekući vodik tekući vodik, LH2, LH 2) široko se koristi u industriji, kao oblik skladištenja plina, te u svemirskoj industriji, kao raketno gorivo.

Priča

Prvu dokumentiranu upotrebu umjetnog hlađenja 1756. godine dao je engleski znanstvenik William Cullen, Gaspard Monge prvi je dobio tekuće stanje sumporovog oksida 1784., Michael Faraday prvi je dobio ukapljeni amonijak, američki izumitelj Oliver Evans bio je prvi koji je razvio rashladni kompresor 1805., Jacob Perkins prvi je patentirao rashladni stroj 1834., a John Gorey prvi je u SAD-u patentirao klima uređaj 1851. Werner Siemens predložio je koncept regenerativnog hlađenja 1857., Carl Linde patentirao je opremu za proizvodnju tekućeg zraka koristeći kaskadni "Joule-Thomsonov učinak ekspanzije" i regenerativno hlađenje 1876. Godine 1885. poljski fizičar i kemičar Zygmund Wroblewski objavio je kritična temperatura vodik 33 K, kritični tlak 13,3 atm. i vrelište na 23 K. Vodik je prvi ukapljio James Dewar 1898. koristeći regenerativno hlađenje i njegov izum, Dewarovu posudu. Prvu sintezu stabilnog izomera tekućeg vodika, paravodika, izveli su Paul Harteck i Karl Bonhoeffer 1929. godine.

Spinski izomeri vodika

Vodik na sobnoj temperaturi sastoji se uglavnom od spinskog izomera, ortovodika. Nakon proizvodnje, tekući vodik je u metastabilnom stanju i mora se pretvoriti u svoj paravodikov oblik kako bi se izbjegla eksplozivna egzotermna reakcija koja se događa kada se mijenja na niskim temperaturama. Pretvorba u paravodikovu fazu obično se provodi pomoću katalizatora kao što su željezni oksid, kromov oksid, Aktivni ugljik platiniranim azbestom, metalima rijetkih zemalja ili upotrebom aditiva urana ili nikla.

Korištenje

Tekući vodik mogao bi se koristiti kao oblik skladištenja goriva za motore unutarnje izgaranje I gorive ćelije. Razne podmornice (projekti "212A" i "214", Njemačka) i koncepti transporta vodika stvoreni su korištenjem ovog agregatnog oblika vodika (vidi na primjer "DeepC" ili "BMW H2R"). Zbog blizine dizajna, kreatori opreme na "ZHV" mogu koristiti ili samo modificirati sustave koji koriste ukapljeni prirodni plin ("LNG"). Međutim, zbog niže volumetrijske gustoće energije, izgaranje zahtijeva veći volumen vodika od prirodnog plina. Ako se tekući vodik koristi umjesto "CNG-a" u klipnim motorima, obično je potreban glomazniji sustav goriva. Kod izravnog ubrizgavanja, povećani gubici u usisnom traktu smanjuju punjenje cilindara.

Tekući vodik također se koristi za hlađenje neutrona u eksperimentima raspršenja neutrona. Mase neutrona i jezgre vodika gotovo su jednake, pa je izmjena energije pri elastičnom sudaru najučinkovitija.

Prednosti

Prednost korištenja vodika je "nulta emisija" njegove primjene. Produkt njegove interakcije sa zrakom je voda.

Prepreke

Jedna litra "ZHV" teži samo 0,07 kg. To jest, njegova specifična težina je 70,99 g/L na 20 K. Tekući vodik zahtijeva kriogenu tehnologiju skladištenja kao što su posebni toplinski izolirani spremnici i zahtijeva posebno rukovanje, što je uobičajeno za sve kriogene materijale. U tom je pogledu blizak tekućem kisiku, ali zahtijeva više pažnje zbog opasnosti od požara. Čak iu izoliranim spremnicima, teško ga je držati na niskoj temperaturi koja je potrebna da ostane tekući (obično isparava brzinom od 1% dnevno). Pri rukovanju s njim također morate slijediti uobičajene mjere opreza pri radu s vodikom - dovoljno je hladan da ukapljuje zrak, što je eksplozivno.

Raketno gorivo

Tekući vodik je uobičajena komponenta raketnih goriva, koja se koristi za ubrzavanje mlaza lansirnih vozila i svemirskih letjelica. U većini tekućina raketni motori pogonjen vodikom, prvo se koristi za regenerativno hlađenje mlaznice i drugih dijelova motora prije nego što se pomiješa s oksidansom i spali kako bi proizveo potisak. Moderni motori na H 2 /O 2 koji se koriste troše smjesu goriva bogatu vodikom, što rezultira nešto neizgorenog vodika u ispušnim plinovima. Osim povećanja specifičnog impulsa motora smanjenjem molekularne težine, to također smanjuje eroziju mlaznice i komore za izgaranje.

Takve prepreke za korištenje "ZHV" u drugim područjima, kao što su kriogena priroda i niska gustoća, također su odvraćanje od uporabe u ovom slučaju. Za 2009. godinu postoji samo jedna raketa-nosač (LV "Delta-4"), koja je u potpunosti raketa na vodik. U osnovi, "ZHV" se koristi ili na gornjim stupnjevima raketa, ili na blokovima, koji obavljaju značajan dio posla lansiranja korisnog tereta u svemir u vakuumu. Kao jedna od mjera za povećanje gustoće ove vrste goriva, postoje prijedlozi za korištenje muljnog vodika, odnosno polusmrznutog oblika "ZHV".

DEFINICIJA

Vodik je prvi element u periodnom sustavu. Oznaka - H od latinskog "hydrogenium". Smješten u prvom razdoblju, skupina IA. Odnosi se na nemetale. Nuklearni naboj je 1.

Vodik je jedan od najzastupljenijih kemijskih elemenata - njegov udio je oko 1% mase sve tri ljuske zemljine kore (atmosfere, hidrosfere i litosfere), što preračunato u atomske postotke daje brojku od 17,0.

Glavna količina ovog elementa je u vezano stanje. Dakle, voda sadrži oko 11 mas. %, glina - oko 1,5 %, itd. U obliku spojeva s ugljikom, vodik ulazi u sastav nafte, zapaljivih prirodnih plinova i svih organizama.

Vodik je plin bez boje i mirisa (dijagram strukture atoma prikazan je na sl. 1). Njegovo talište i vrelište su vrlo niske (-259 o C, odnosno -253 o C). Na temperaturi (-240 o C) i pod tlakom vodik se može ukapljivati, a brzim isparavanjem nastale tekućine prelazi u kruto stanje (prozirni kristali). Malo je topiv u vodi - 2:100 po volumenu. Vodik karakterizira topljivost u nekim metalima, na primjer, u željezu.

Riža. 1. Građa atoma vodika.

Atomska i molekularna težina vodika

DEFINICIJA

Relativna atomska masa element je omjer mase atoma danog elementa i 1/12 mase atoma ugljika.

Relativna atomska masa je bezdimenzijska i označava se s A r (indeks "r" je početno slovo engleska riječ relative, što u prijevodu znači "rođak"). Relativna atomska masa atomskog vodika je 1,008 amu.

Mase molekula, kao i mase atoma, izražavaju se jedinicama atomske mase.

DEFINICIJA

Molekularna težina tvar se naziva masa molekule, izražena u jedinicama atomske mase. Relativna molekularna težina tvari nazivaju omjer mase molekule dane tvari prema 1/12 mase atoma ugljika, čija je masa 12 a.m.u.

Poznato je da je molekula vodika dvoatomna - H 2 . Relativna molekulska težina molekule vodika bit će jednaka:

M r (H 2) \u003d 1,008 × 2 \u003d 2,016.

Izotopi vodika

Vodik ima tri izotopa: protij 1 H, deuterij 2 H ili D i tricij 3 H ili T. Maseni brojevi su im 1, 2 i 3. Procij i deuterij su stabilni, tricij je radioaktivan (vrijeme poluraspada 12,5 godina). U prirodnim spojevima deuterij i protij su prosječno sadržani u omjeru 1:6800 (prema broju atoma). Tricij se u prirodi nalazi u zanemarivim količinama.

Jezgra atoma vodika 1 H sadrži jedan proton. Jezgre deuterija i tricija uključuju, osim protona, jedan i dva neutrona.

Vodikovi ioni

Atom vodika može ili donirati svoj pojedinačni elektron kako bi formirao pozitivan ion (koji je "goli" proton), ili može dodati jedan elektron, pretvarajući se u negativni ion, koji ima elektronsku konfiguraciju helija.

Potpuno odvajanje elektrona od atoma vodika zahtijeva utrošak vrlo velike energije ionizacije:

H + 315 kcal = H + + e.

Kao rezultat toga, u interakciji vodika s metaloidima ne nastaju ionske, već samo polarne veze.

Tendencija jednog ili drugog neutralnog atoma da veže višak elektrona karakterizira vrijednost njegovog afiniteta prema elektronu. U vodiku je prilično slabo izražen (međutim, to ne znači da takav vodikov ion ne može postojati):

H + e \u003d H - + 19 kcal.

Molekula i atom vodika

Molekula vodika sastoji se od dva atoma – H 2 . Evo nekih svojstava koja karakteriziraju atom i molekulu vodika:

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Vježbajte	Dokažite da postoje hidridi opće formule EN x koji sadrže 12,5% vodika.
Riješenje	Izračunajte mase vodika i nepoznatog elementa uzimajući masu uzorka kao 100 g: m(H) = m(EN x)×w(H); m(H) = 100 × 0,125 = 12,5 g. m (E) \u003d m (EN x) - m (H); m (E) \u003d 100 - 12,5 \u003d 87,5 g. Pronađimo količinu tvari vodika i nepoznatog elementa, označavajući molarnu masu potonjeg kao "x" (molarna masa vodika je 1 g / mol):

Vodik (paus papir od latinskog: lat. Hydrogenium - hydro = "voda", gen = "stvarajući"; hidrogenij - "stvarajući vodu"; označava se simbolom H) - prvi element periodnog sustava elemenata. Široko rasprostranjen u prirodi. Kation (i jezgra) najčešćeg izotopa vodika 1 H je proton. Svojstva jezgre 1H omogućuju široku primjenu NMR spektroskopije u analizi organskih tvari.

Tri izotopa vodika imaju svoja imena: 1H - protij (H), 2H - deuterij (D) i 3H - tricij (radioaktivni) (T).

Jednostavna tvar vodik - H 2 - je lagani bezbojni plin. U smjesi sa zrakom ili kisikom zapaljiv je i eksplozivan. Netoksičan. Otopimo u etanolu i brojne metale: željezo, nikal, paladij, platinu.

Priča

Oslobađanje zapaljivog plina tijekom interakcije kiselina i metala uočeno je u 16. i 17. stoljeću u zoru formiranja kemije kao znanosti. Mihail Vasiljevič Lomonosov također je izravno ukazivao na njegovu izolaciju, ali već definitivno shvaćajući da se ne radi o flogistonu. Engleski fizičar i kemičar Henry Cavendish proučavao je ovaj plin 1766. godine i nazvao ga "zapaljivi zrak". Kada je sagorijevao, "zapaljivi zrak" proizvodio je vodu, ali Cavendishovo pridržavanje teorije o flogistonu spriječilo ga je da donese ispravne zaključke. Francuski kemičar Antoine Lavoisier, zajedno s inženjerom J. Meunierom, pomoću posebnih gasometara, 1783. godine izvodi sintezu vode, a potom i njezinu analizu, razlažući vodenu paru užarenim željezom. Tako je utvrdio da je "zapaljivi zrak" dio vode i da se iz nje može dobiti.

porijeklo imena

Lavoisier je vodiku dao ime hydrogène (od drugog grčkog ὕδωρ - voda i γεννάω - rađam) - "rađanje vode". Ruski naziv "vodik" predložio je kemičar M. F. Solovyov 1824. godine - po analogiji s "kisikom" M. V. Lomonosova.

Prevalencija

U Svemiru
Vodik je najrasprostranjeniji element u svemiru. Čini oko 92% svih atoma (8% su atomi helija, udio svih ostalih elemenata zajedno manji je od 0,1%). Dakle, vodik je glavna komponenta zvijezda i međuzvjezdanog plina. U uvjetima zvjezdanih temperatura (npr. površinska temperatura Sunca je ~ 6000 °C) vodik postoji u obliku plazme; u međuzvjezdanom prostoru ovaj element postoji u obliku pojedinačnih molekula, atoma i iona i može tvore molekularne oblake koji se značajno razlikuju po veličini, gustoći i temperaturi.

Zemljina kora i živi organizmi
Maseni udio vodika u zemljinoj kori je 1% - ovo je deseti najčešći element. Međutim, njegova uloga u prirodi nije određena masom, već brojem atoma, čiji je udio među ostalim elementima 17% (drugo mjesto nakon kisika, čiji je udio atoma ~ 52%). Stoga je važnost vodika u kemijskim procesima koji se odvijaju na Zemlji gotovo 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 nalazi se u atmosferi (0,00005% po volumenu).
Vodik je sastavni dio gotovo svih organskih tvari i prisutan je u svim živim stanicama. U živim stanicama, po broju atoma, vodik čini gotovo 50%.

Priznanica

Industrijske metode dobivanja jednostavnih tvari ovise o obliku u kojem se odgovarajući element nalazi u prirodi, odnosno što može biti sirovina za njegovu proizvodnju. Dakle, kisik, koji je dostupan u slobodnom stanju, dobiva se fizičkim putem - izolacijom iz tekućeg zraka. Gotovo sav vodik je u obliku spojeva, pa se za njegovo dobivanje koriste kemijske metode. Posebno se mogu koristiti reakcije razgradnje. Jedan od načina dobivanja vodika je reakcija razgradnje vode električnom strujom.
Glavna industrijska metoda za proizvodnju vodika je reakcija metana, koji je dio prirodnog plina, s vodom. Izvodi se na visokoj temperaturi:
CH 4 + 2H 2 O \u003d CO 2 + 4H 2 −165 kJ

Jedna od laboratorijskih metoda za dobivanje vodika, koja se ponekad koristi u industriji, je razgradnja vode električnom strujom. Vodik se obično proizvodi u laboratoriju reakcijom cinka s klorovodičnom kiselinom.