Predavanje 29
Vodik. Voda
Plan predavanja:
Voda. Kemijska i fizička svojstva
Uloga vodika i vode u prirodi
Vodik kao kemijski element
Vodik je jedini element u periodnom sustavu D. I. Mendeljejeva, čije je mjesto dvosmisleno. Njegov kemijski simbol u periodnom sustavu zabilježen je dva puta: u obje skupine IA i VIIA. To se objašnjava činjenicom da vodik ima niz svojstava koja ga povezuju i s alkalijskim metalima i s halogenima (tablica 14).
Tablica 14
Usporedba svojstava vodika sa svojstvima alkalnih metala i halogena
| Sličnost s alkalnim metalima | Sličnost s halogenima |
| Na vanjskoj energetskoj razini atomi vodika sadrže jedan elektron. Vodik spada u s-elemente | Da bi završili vanjsku i jedinu razinu, atomima vodika, kao i atomima halogena, nedostaje jedan elektron |
| Vodik pokazuje redukcijska svojstva. Kao rezultat oksidacije, vodik dobiva najčešće oksidacijsko stanje u svojim spojevima +1 | Vodik, kao i halogeni, u spojevima s alkalijskim i zemnoalkalijskim metalima ima oksidacijsko stanje -1, što potvrđuje njegovu oksidirajuća svojstva. |
| Pretpostavlja se prisutnost čvrstog vodika s metalnom kristalnom rešetkom u svemiru. | Poput fluora i klora, vodik je plin u normalnim uvjetima. Njegove su molekule, kao i molekule halogena, dvoatomne i formirane su kovalentnom nepolarnom vezom. |
U prirodi vodik postoji u obliku tri izotopa masenih brojeva 1, 2 i 3: protij 1 1 H, deuterij 2 1 D i tricij 3 1 T. Prva dva su stabilni izotopi, a treći je radioaktivan. U prirodnoj mješavini izotopa dominira protij. Kvantitativni omjeri između izotopa H: D: T su 1: 1,46 10 -5 : 4,00 10 -15 .
Spojevi izotopa vodika međusobno se razlikuju po svojstvima. Tako su, na primjer, točke ključanja i ledišta lake protijske vode (H 2 O) - 100 o C i 0 o C, a deuterija (D 2 O) - 101,4 o C i 3,8 o C. Reakcija brzina uz sudjelovanje lake vode veća je od teške vode.
Vodik je najčešći element u Svemiru - čini oko 75% mase Svemira ili preko 90% svih njegovih atoma. Vodik je dio vode u njezinoj najvažnijoj geološkoj ljusci Zemlje – hidrosferi.
Vodik tvori, zajedno s ugljikom, sve organske tvari, odnosno dio je žive ljuske Zemlje - biosfere. U zemljinoj kori - litosferi - maseni sadržaj vodika je samo 0,88%, tj. zauzima 9. mjesto među svim elementima. Zračni omotač Zemlje - atmosfera sadrži manje od milijuntog dijela ukupnog volumena koji se može pripisati molekularnom vodiku. Nalazi se samo u gornje slojeve atmosfera.
Dobivanje i korištenje vodika
Vodik je prvi put dobiven u 16. stoljeću srednjovjekovni liječnik i alkemičar Paracelsus, kada je željezna ploča uronjena u sumpornu kiselinu, a 1766. engleski kemičar Henry Cavendish dokazao je da se vodik ne dobiva samo interakcijom željeza sa sumpornom kiselinom, nego i drugih metala s drugim kiselinama. Cavendish je također prvi put opisao svojstva vodika.
U laboratorija dobivaju se vodikovi uvjeti:
1. Interakcija metala s kiselinom:
Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2
2. Međudjelovanje alkalnih i zemnoalkalijskih metala s vodom
2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2
Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2
U industrija vodik se proizvodi na sljedeće načine:
1. Elektroliza vodenih otopina soli, kiselina i lužina. Najčešće korištena otopina soli je:
2NaCl + 2H2O →el. struja H 2 + Cl 2 + NaOH
2. Rekuperacija vodene pare užarenim koksom:
C + H 2 O → t CO + H 2
Dobivena smjesa ugljičnog monoksida i vodika naziva se vodeni plin (sintetski plin), i široko se koristi za sintezu raznih kemijskih proizvoda (amonijak, metanol, itd.). Za oslobađanje vodika iz vodenog plina, ugljični monoksid se pretvara u ugljični dioksid kada se zagrijava vodenom parom:
CO + H 2 → t CO 2 + H 2
3. Grijanje na metan u prisutnosti vodene pare i kisika. Ova metoda je trenutno glavna:
2CH 4 + O 2 + 2H 2 O → t 2CO 2 + 6H 2
Vodik se široko koristi za:
1. industrijska sinteza amonijaka i klorovodika;
2. dobivanje metanola i sintetičkog tekućeg goriva u sklopu sinteznog plina (2 volumena vodika i 1 volumen CO);
3. hidroobrada i hidrokreking frakcija nafte;
4. hidrogenizacija tekućih masti;
5. rezanje i zavarivanje metala;
6. dobivanje volframa, molibdena i renija iz njihovih oksida;
7. svemirski motori kao gorivo.
8. Termonuklearni reaktori koriste izotope vodika kao gorivo.
Tjelesni i Kemijska svojstva vodik
Vodik je plin bez boje, okusa i mirisa. Gustoća na n.o. 0,09 g/l (14 puta lakši od zraka). Vodik je slabo topljiv u vodi (samo 2 volumena plina na 100 volumena vode), ali ga dobro apsorbiraju d-metali - nikal, platina, paladij (u jednom volumenu paladija otopljeno je do 900 volumena vodika).
U kemijske reakcije Vodik pokazuje i redukcijska i oksidacijska svojstva. Najčešće vodik djeluje kao redukcijsko sredstvo.
1. Interakcija s nemetalima. Vodik gradi hlapljive vodikove spojeve s nemetalima (vidi predavanje 25).
S halogenima brzina reakcije i uvjeti protoka mijenjaju se od fluora do joda: vodik reagira s fluorom eksplozijom čak iu mraku, s klorom reakcija teče sasvim mirno uz malo izlaganja svjetlu, s bromom i jodom reakcije su reverzibilne i odvijaju se samo kada se zagriju:
H 2 + F 2 → 2HF
H 2 + Cl 2 → hν 2HCl
H 2 + I 2 → t 2HI
S kisikom a sumporni vodik reagira uz lagano zagrijavanje. Smjesa kisika i vodika u omjeru 1:2 naziva se eksplozivan plin:
H 2 + O 2 → t H 2 O
H 2 + S → t H 2 S
S dušikom, fosforom i ugljikom reakcija se odvija pri zagrijavanju, povišenom tlaku i u prisutnosti katalizatora. Reakcije su reverzibilne:
3H 2 + N 2 → kat., p, t2NH 3
2H 2 + 3P → kat., p, t3PH 3
H 2 + C → kat., p, t CH 4
2. Interakcija sa složenim tvarima. Na visokim temperaturama vodik reducira metale iz njihovih oksida:
CuO + H 2 → t Cu + H 2 O
3. Na interakcija s alkalijskim i zemnoalkalijskim metalima Vodik pokazuje oksidacijska svojstva:
2Na + H 2 → 2NaH
Ca + H 2 → CaH 2
4. Interakcija s organskim tvarima. Vodik aktivno komunicira s mnogim organskim tvarima, takve se reakcije nazivaju reakcijama hidrogenacije. Slične reakcije bit će detaljnije razmotrene u III dijelu zbornika "Organska kemija".
Vodik
VODIK-A; m. Kemijski element (H), lagani plin bez boje i mirisa koji se spaja s kisikom i stvara vodu.
◁ Vodik, th, th. V veze. V bakterije. V-ta bomba(bomba goleme razorne moći čiji se eksplozivni učinak temelji na termonuklearnoj reakciji). Vodik, th, th.
vodik(lat. Hydrogenium), kemijski element VII skupine periodnog sustava. U prirodi postoje dva stabilna izotopa (protij i deuterij) i jedan radioaktivni izotop (tricij). Molekula je dvoatomna (H 2). Plin bez boje i mirisa; gustoća 0,0899 g/l, t kip - 252,76°C. Spaja se s mnogim elementima i stvara vodu s kisikom. Najčešći element u prostoru; čini (u obliku plazme) više od 70% mase Sunca i zvijezda, glavni dio plinova međuzvjezdanog medija i maglica. Atom vodika dio je mnogih kiselina i baza, većine organskih spojeva. Koriste se u proizvodnji amonijaka, klorovodične kiseline, za hidrogenaciju masti itd., pri zavarivanju i rezanju metala. Obećava kao gorivo (vidi. Energija vodika).
VODIKVODIK (lat. Hydrogenium), H, kemijski element s atomskim brojem 1, atomska masa 1,00794. Kemijski simbol za vodik, H, kod nas se čita kao "pepeo", kako se to slovo izgovara na francuskom.
Prirodni vodik sastoji se od smjese dva stabilna nuklida (cm. NUKLID) s masenim brojevima 1,007825 (99,985% u smjesi) i 2,0140 (0,015%). Osim toga, količine radioaktivnog nuklida, tricija, u tragovima uvijek su prisutne u prirodnom vodiku. (cm. TRITIJ) 3 H (vrijeme poluraspada T 1/2 12,43 godine). Budući da jezgra atoma vodika sadrži samo 1 proton (ne može biti manje protona u jezgri atoma), ponekad se kaže da vodik čini prirodnu donju granicu periodnog sustava elemenata D. I. Mendeljejeva (iako je element vodik sama se nalazi u gornjem dijelu tablice). Element vodik nalazi se u prvoj periodi periodnog sustava elemenata. Također pripada 1. skupini (IA skupina alkalnih metala (cm. ALKALNI METALI)), te u 7. skupinu (VIIA skupina halogena (cm. HALOGENI)).
Mase atoma u izotopima vodika jako se razlikuju (za nekoliko puta). To dovodi do zamjetnih razlika u njihovom ponašanju u fizikalnim procesima (destilacija, elektroliza itd.) i do određenih kemijskih razlika (razlike u ponašanju izotopa jednog elementa nazivaju se izotopski efekti; za vodik su izotopski efekti najznačajniji). Stoga, za razliku od izotopa svih drugih elemenata, izotopi vodika imaju posebne simbole i nazive. Vodik masenog broja 1 naziva se laki vodik, odnosno protij (lat. Protium, od grčkog protos - prvi), označava se simbolom H, a njegova jezgra proton (cm. PROTON (elementarna čestica), simbol r. Vodik s masenim brojem 2 naziva se teški vodik, deuterij (cm. DEUTERIJ)(latinski Deuterium, od grčkog deuteros - drugi), simboli 2 H, ili D (čitaj se "de") koriste se za njegovo označavanje, jezgra d je deuteron. Radioaktivni izotop masenog broja 3 naziva se superteški vodik, ili tricij (lat. Tritum, od grčkog tritos - treći), simbol 2 H ili T (čitaj "oni"), jezgra t je triton.
Konfiguracija sloja jednog elektrona neutralnog nepobuđenog vodikovog atoma 1 s 1
. U spojevima ima oksidacijska stanja +1 i rjeđe -1 (valencija I). Polumjer neutralnog atoma vodika je 0,024 nm. Energija ionizacije atoma je 13,595 eV, afinitet prema elektronu je 0,75 eV. Na Paulingovoj ljestvici elektronegativnost vodika je 2,20. Vodik je jedan od nemetala.
U svom slobodnom obliku, to je lagani, zapaljivi plin bez boje, mirisa i okusa.
Povijest otkrića
Oslobađanje zapaljivog plina tijekom interakcije kiselina i metala uočeno je u 16. i 17. stoljeću u zoru formiranja kemije kao znanosti. Poznati engleski fizičar i kemičar G. Cavendish (cm. Cavendish Henry) godine 1766. istraživao je ovaj plin i nazvao ga "zapaljivi zrak". Kada je sagorijevao, "zapaljivi zrak" je dao vodu, ali Cavendisheva privrženost teoriji flogistona (cm. FLOGISTON) spriječio ga u donošenju točnih zaključaka. francuski kemičar A. Lavoisier (cm. Lavoisier Antoine Laurent) zajedno s inženjerom J. Meunierom (cm. MEUNIER Jean-Baptiste Marie Charles), pomoću posebnih plinometara, 1783. proveo je 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. Godine 1787. Lavoisier je došao do zaključka da je "zapaljivi zrak" jednostavna tvar, te stoga pripada broju kemijskih elemenata. Dao mu je ime hydrogene (od grčkog hydor - voda i gennao - rađati) - "rađanje vode". Utvrđivanjem sastava vode prekinuta je "teorija flogistona". Ruski naziv "vodik" predložio je kemičar M. F. Solovyov (cm. SOLOVJEV Mihail Fedorovič) 1824. godine. Na prijelazu iz 18. u 19. stoljeće utvrđeno je da je atom vodika vrlo lagan (u usporedbi s atomima drugih elemenata), a kao jedinica za usporedbu uzeta je težina (masa) atoma vodika. atomske mase elemenata. Masi atoma vodika dodijeljena je vrijednost jednaka 1.
Biti u prirodi
Vodik čini oko 1% mase zemljine kore (10. mjesto među svim elementima). Vodik se gotovo nikada ne nalazi u slobodnom obliku na našem planetu (njegovi tragovi nalaze se u gornjim slojevima atmosfere), ali je rasprostranjen gotovo posvuda na Zemlji u sastavu vode. Element vodik nalazi se u organskim i anorganski spojeviživi organizmi, prirodni plin, nafta, ugljen. Sadrži ga, naravno, u sastavu vode (oko 11% mase), u raznim prirodnim kristalnim hidratima i mineralima, koji sadrže jednu ili više OH hidrokso skupina.
Vodik kao element dominira Svemirom. Čini oko polovicu mase Sunca i drugih zvijezda, prisutan je u atmosferi niza planeta.
Priznanica
Vodik se može dobiti na više načina. U industriji se za to koriste prirodni plinovi, kao i plinovi dobiveni preradom nafte, koksiranjem i rasplinjavanjem ugljena i drugih goriva. U proizvodnji vodika iz prirodnog plina (glavna komponenta je metan) provodi se njegova katalitička interakcija s vodenom parom i nepotpuna oksidacija s kisikom:
CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3H 2 i CH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO 2 + 2H 2
Izdvajanje vodika iz koksnog i rafinerijskih plinova temelji se na njihovom ukapljivanju tijekom dubokog hlađenja i uklanjanju iz smjese plinova koji se lakše ukapljuju od vodika. U prisustvu jeftine električne energije, vodik se dobiva elektrolizom vode, propuštanjem struje kroz alkalijske otopine. U laboratorijskim uvjetima vodik se lako dobiva reakcijom metala s kiselinama, kao što je cink s klorovodičnom kiselinom.
Fizička i kemijska svojstva
U normalnim uvjetima, vodik je lagan (gustoća u normalnim uvjetima 0,0899 kg / m 3) bezbojan plin. Talište -259,15 °C, vrelište -252,7 °C. Tekući vodik (na vrelištu) ima gustoću 70,8 kg/m 3 i najlakša je tekućina. Standardni potencijal elektrode H 2 / H - in Vodena otopina uzeti jednak 0. Vodik je slabo topljiv u vodi: na 0 ° C, topljivost je manja od 0,02 cm 3 / ml, ali je vrlo topljiv u nekim metalima (spužvasto željezo i drugi), posebno dobro u metalnom paladiju (oko 850 volumena vodika u 1 volumenu metala). Toplina izgaranja vodika je 143,06 MJ/kg.
Postoji u obliku dvoatomnih H 2 molekula. Konstanta disocijacije H 2 na atome pri 300 K je 2,56 10 -34. Energija disocijacije molekule H 2 na atome je 436 kJ/mol. Međujezgrena udaljenost u molekuli H 2 je 0,07414 nm.
Budući da jezgra svakog atoma H, koji je dio molekule, ima svoj spin (cm. ZAVRTI), tada molekularni vodik može biti u dva oblika: u obliku ortovodika (o-H 2) (oba spina imaju istu orijentaciju) i u obliku paravodika (p-H 2) (spinovi imaju različitu orijentaciju). U normalnim uvjetima, normalni vodik je smjesa 75% o-H 2 i 25% p-H 2 . Fizikalna svojstva p- i o-H 2 malo se razlikuju jedna od druge. Dakle, ako je vrelište čisti o-n 2 20,45 K, dakle čisti p-n 2 - 20,26 K. Uključivanje 2 u p-H 2 praćeno je oslobađanjem 1418 J/mol topline.
U znanstvenoj literaturi se više puta tvrdilo da visoki pritisci(iznad 10 GPa) i na niske temperature ax (oko 10 K i niže), čvrsti vodik, koji obično kristalizira u heksagonalnoj rešetki molekularnog tipa, može se transformirati u tvar s metalnim svojstvima, moguće čak i u supravodič. No, još uvijek nema nedvosmislenih podataka o mogućnosti takvog prijelaza.
Visoka čvrstoća kemijske veze između atoma u molekuli H 2 (koja se npr. metodom molekularne orbite može objasniti činjenicom da u ovoj molekuli elektronski par koji se nalazi na veznoj orbitali, a antivezna orbitala nije naseljena elektronima) dovodi do činjenice da je na sobnoj temperaturi plinoviti vodik kemijski neaktivan. Dakle, bez zagrijavanja, jednostavnim miješanjem, vodik reagira (eksplozivno) samo s plinovitim fluorom:
H2 + F2 \u003d 2HF + Q.
Ako se smjesa vodika i klora na sobnoj temperaturi ozrači ultraljubičastim svjetlom, tada se uočava trenutno stvaranje klorovodika HCl. Reakcija vodika s kisikom događa se uz eksploziju ako se u smjesu tih plinova unese katalizator, metalni paladij (ili platina). Kad se zapali, smjesa vodika i kisika (tzv. eksplozivni plin (cm. EKSPLOZIVNI PLIN)) eksplodira, a do eksplozije može doći u smjesama u kojima je sadržaj vodika od 5 do 95 postotak volumena. Čisti vodik u zraku ili u čistom kisiku tiho gori uz oslobađanje veliki broj toplina:
H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O + 285,75 kJ / mol
Ako vodik stupa u interakciju s drugim nemetalima i metalima, onda samo pod određenim uvjetima (grijanje, visoki krvni tlak, prisutnost katalizatora). Dakle, vodik reverzibilno reagira s dušikom pri povišenom tlaku (20-30 MPa i više) i pri temperaturi od 300-400 ° C u prisutnosti katalizatora - željeza:
3H2 + N2 = 2NH3 + Q.
Također, samo kada se zagrije, vodik reagira sa sumporom da nastane vodikov sulfid H 2 S, s bromom - da nastane bromovodik HBr, s jodom - da nastane jodovodik HI. Vodik reagira s ugljenom (grafitom) pri čemu nastaje smjesa ugljikovodika različitog sastava. Vodik ne komunicira izravno s borom, silicijem i fosforom; spojevi ovih elemenata s vodikom dobivaju se neizravno.
Kada se zagrije, vodik može reagirati s alkalijskim, zemnoalkalijskim metalima i magnezijem u spojeve s karakterom ionske veze, koji sadrže vodik u oksidacijskom stanju –1. Dakle, kada se kalcij zagrijava u atmosferi vodika, nastaje hidrid sličan soli sastava CaH 2 . Polimerni aluminijev hidrid (AlH 3) x - jedan od najjačih redukcijskih sredstava - dobiva se neizravno (na primjer, pomoću organoaluminijevih spojeva). S mnogim prijelaznim metalima (na primjer, cirkonijem, hafnijem itd.) vodik stvara spojeve promjenjivog sastava (krute otopine).
Vodik može reagirati ne samo s mnogim jednostavnim, već i sa složenim tvarima. Prije svega treba istaknuti sposobnost vodika da reducira mnoge metale iz njihovih oksida (kao što su željezo, nikal, olovo, volfram, bakar itd.). Dakle, kada se zagrije na temperaturu od 400-450 ° C i više, željezo se reducira vodikom iz bilo kojeg od njegovih oksida, na primjer:
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O.
Treba napomenuti da se samo metali smješteni u nizu standardnih potencijala izvan mangana mogu reducirati iz oksida vodikom. Aktivniji metali (uključujući mangan) ne reduciraju se u metal iz oksida.
Vodik se može pridružiti dvostrukoj ili trostrukoj vezi mnogim organskim spojevima (to su takozvane reakcije hidrogenacije). Na primjer, u prisutnosti nikalnog katalizatora, može se provesti hidrogenacija etilena C 2 H 4 i nastaje etan C 2 H 6:
C2H4 + H2 \u003d C2H6.
Interakcija ugljikovog monoksida (II) i vodika u industriji proizvodi metanol:
2H2 + CO \u003d CH3OH.
U spojevima u kojima je atom vodika povezan s atomom elektronegativnijeg elementa E (E = F, Cl, O, N), između molekula se stvaraju vodikove veze (cm. VODIKOVA VEZA)(dva E atoma istog ili dva različita elementa međusobno su povezana preko H atoma: E "... N ... E"", a sva tri atoma nalaze se na istoj ravnoj liniji). Takve veze postoje između molekula vode, amonijaka, metanola itd. i dovode do zamjetnog povećanja vrelišta ovih tvari, povećanja topline isparavanja itd.
Primjena
Vodik se koristi u sintezi amonijaka NH 3, klorovodika HCl, metanola CH 3 OH, u hidrokrekingu (krekiranju u atmosferi vodika) prirodnih ugljikovodika, kao redukcijsko sredstvo u proizvodnji pojedinih metala. hidrogeniranje (cm. HIDROGENACIJA) prirodna biljna ulja dobivaju čvrstu mast – margarin. Tekući vodik koristi se kao raketno gorivo i kao rashladno sredstvo. U zavarivanju se koristi mješavina kisika i vodika.
Svojedobno se sugeriralo da će u skoroj budućnosti glavni izvor proizvodnje energije biti reakcija izgaranja vodika, te da će energija vodika zamijeniti tradicionalne izvore proizvodnje energije (ugljen, nafta itd.). Istodobno se pretpostavljalo da bi za proizvodnju vodika u velikim razmjerima bilo moguće koristiti elektrolizu vode. Elektroliza vode prilično je energetski intenzivan proces i trenutačno je neisplativo dobivanje vodika elektrolizom u industrijskim razmjerima. No očekivalo se da će se elektroliza temeljiti na korištenju topline srednje temperature (500-600 °C), koja se javlja u velikim količinama tijekom rada nuklearnih elektrana. Ta je toplina ograničeno iskoristiva, a mogućnost dobivanja vodika uz pomoć nje riješila bi i ekološki problem (pri izgaranju vodika u zraku količina tvari štetnih za okoliš nastaje minimalna) i problem iskorištenja srednjetemperaturne toplina. Međutim, nakon černobilske katastrofe, razvoj nuklearne energije posvuda je ograničen, tako da naznačeni izvor energije postaje nedostupan. Stoga se izgledi za široku upotrebu vodika kao izvora energije još uvijek pomiču barem do sredine 21. stoljeća.
Značajke cirkulacije
Vodik nije otrovan, ali pri rukovanju njime treba stalno voditi računa o njegovoj visokoj opasnosti od požara i eksplozije, a opasnost od eksplozije vodika je povećana zbog velike sposobnosti difuzije plina čak i kroz neke čvrste materijale. Prije početka bilo kakvih postupaka zagrijavanja u atmosferi vodika, trebali biste se uvjeriti da je čista (prilikom paljenja vodika u epruveti okrenutoj naopako, zvuk bi trebao biti tup, a ne lajanje).
Biološka uloga
Biološko značenje vodika određeno je činjenicom da je on dio molekula vode i svih najvažnijih skupina prirodnih spojeva, uključujući proteine, nukleinske kiseline, lipide i ugljikohidrate. Otprilike 10% mase živih organizama čini vodik. Sposobnost vodika da tvori vodikovu vezu ima presudnu ulogu u održavanju prostorne kvaternarne strukture proteina, kao iu provedbi načela komplementarnosti. (cm. KOMPLEMENTARNO) u konstrukciji i funkcijama nukleinskih kiselina (odnosno u pohranjivanju i implementaciji genetske informacije), općenito, u implementaciji "prepoznavanja" na molekularnoj razini. Vodik (H + ion) sudjeluje u najvažnijim dinamičkim procesima i reakcijama u tijelu - u biološkoj oksidaciji, koja živim stanicama daje energiju, u fotosintezi u biljkama, u reakcijama biosinteze, u fiksaciji dušika i fotosintezi bakterija, u održavanju acidobazna ravnoteža i homeostaze (cm. homeostaza), u procesima membranski transport. Dakle, zajedno s kisikom i ugljikom, vodik čini strukturnu i funkcionalnu osnovu fenomena života.
enciklopedijski rječnik. 2009 .
Sinonimi:Pogledajte što je "vodik" u drugim rječnicima:
Tablica nuklida Opće informacije Naziv, simbol Vodik 4, 4H Neutroni 3 Protoni 1 Svojstva nuklida Atomska masa 4,027810 (110) ... Wikipedia
Tablica nuklida Opći podaci Naziv, simbol Vodik 5, 5H Neutroni 4 Protoni 1 Svojstva nuklida Atomska masa 5,035310 (110) ... Wikipedia
Tablica nuklida Opći podaci Naziv, simbol Vodik 6, 6H Neutroni 5 Protoni 1 Svojstva nuklida Atomska masa 6,044940 (280) ... Wikipedia
Tablica nuklida Opći podaci Naziv, simbol Vodik 7, 7H Neutroni 6 Protoni 1 Svojstva nuklida Atomska masa 7,052750 (1080) ... Wikipedia
Vodik- prvi kemijski element periodnog sustava kemijskih elemenata D.I. Mendeljejev. Kemijski element vodik nalazi se u prvoj skupini, glavnoj podskupini, prvoj periodi periodnog sustava.
Relativna atomska masa vodika = 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 glavna komponenta zvijezda i međuzvjezdanog plina. 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. Vrijednost vodika u kemijski procesi koji se javlja na Zemlji velik je gotovo kao kisik. 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 sastavni dio gotovo svih organskih tvari i 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 se na niskim temperaturama kondenzira u bezbojan 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. Široko će se koristiti kod kuće gorive ćelije, čiji se rad također temelji na oksidaciji vodika s kisikom.
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 mnogo složenih spojeva, organogen je i biogen element. Vrijedi se detaljno upoznati s njegovim glavnim značajkama i svojstvima.
Vodik u Mendeljejevljevom periodnom sustavu
Glavne značajke vodika navedene su u:
- serijski broj element - 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 pokazivati redukcijska i oksidacijska svojstva, a nakon donacije 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;
- pri visokom tlaku mogu se dobiti snježni kristali krutog 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(bjelančevine, 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!
Vodik je u drugoj polovici 18. stoljeća otkrio engleski znanstvenik na području fizike i kemije G. Cavendish. Uspio je izolirati tvar u čistom stanju, počeo ju je proučavati i opisao njezina svojstva.
Takva je povijest otkrića vodika. Tijekom pokusa, istraživač je utvrdio da je to zapaljivi plin, čijim izgaranjem u zraku nastaje voda. To je dovelo do određivanja kvalitativnog sastava vode.
Što je vodik
Vodik, kao jednostavnu tvar, prvi je proglasio francuski kemičar A. Lavoisier 1784. godine, jer je utvrdio da njegova molekula sadrži atome iste vrste.
Naziv kemijskog elementa na latinskom zvuči kao hidrogenij (čitaj "hidrogenij"), što znači "rađanje vode". Naziv se odnosi na reakciju izgaranja koja proizvodi vodu.
Karakterizacija vodika
Oznaku vodika dodijelio je N. Mendeljejev kemijski element prvi redni broj, svrstavajući ga u glavnu podskupinu prve skupine i prve točke i uvjetno u glavnu podskupinu sedme skupine.
Atomska težina (atomska masa) vodika je 1,00797. Molekulska masa H 2 je jednako 2 a. e. Molarna masa mu je brojčano jednaka.
Predstavljaju ga tri izotopa s posebnim nazivom: najčešći protij (H), teški deuterij (D) i radioaktivni tricij (T).
To je prvi element koji se može potpuno rastaviti na izotope. na jednostavan način. Temelji se na velikoj razlici masa izotopa. Proces je prvi put proveden 1933. godine. To se objašnjava činjenicom da je tek 1932. godine otkriven izotop s masom 2.
Fizička svojstva
U normalnim uvjetima, jednostavna tvar vodik u obliku dvoatomnih molekula je plin, bez boje, koji nema okusa i mirisa. Slabo topljiv u vodi i drugim otapalima.
Temperatura kristalizacije - 259,2 o C, vrelište - 252,8 o C. Promjer molekula vodika toliko je malen da imaju sposobnost polagane difuzije kroz niz materijala (guma, staklo, metali). Ovo se svojstvo koristi kada je potrebno pročistiti vodik od plinovitih nečistoća. Na n. g. vodik ima gustoću 0,09 kg/m3.
Je li moguće pretvoriti vodik u metal po analogiji s elementima koji se nalaze u prvoj skupini? Znanstvenici su otkrili da vodik, u uvjetima kada se tlak približi 2 milijuna atmosfera, počinje apsorbirati infracrvene zrake, što ukazuje na polarizaciju molekula tvari. Možda će pri još višim tlakovima vodik postati metal.
Ovo je zanimljivo: postoji pretpostavka da je na divovskim planetima, Jupiteru i Saturnu, vodik u obliku metala. Pretpostavlja se da je metalni čvrsti vodik također prisutan u sastavu zemljine jezgre, zbog ultravisokog tlaka koji stvara zemljin plašt.
Kemijska svojstva
I jednostavne i složene tvari stupaju u kemijsku interakciju s vodikom. Ali nisku aktivnost vodika potrebno je povećati stvaranjem odgovarajućih uvjeta - podizanjem temperature, korištenjem katalizatora itd.
Kada se zagrijavaju, jednostavne tvari kao što su kisik (O 2), klor (Cl 2), dušik (N 2), sumpor (S) reagiraju s vodikom.
Zapalite li čisti vodik na kraju plinske cijevi u zraku, gorjet će ravnomjerno, ali jedva primjetno. Ako smjestimo odzračna cijev u atmosferu čistog kisika, tada će se izgaranje nastaviti uz stvaranje kapljica vode na stijenkama posude, kao rezultat reakcije:
Izgaranje vode prati oslobađanje velike količine topline. Ovo je egzotermna reakcija spoja u kojoj se vodik oksidira pomoću kisika da nastane oksid H 2 O. To je također redoks reakcija u kojoj se vodik oksidira, a kisik reducira.
Slično, reakcija s Cl 2 odvija se uz stvaranje klorovodika.
Interakcija dušika s vodikom zahtijeva visoku temperaturu i visoki tlak, kao i prisutnost katalizatora. Rezultat je amonijak.
Kao rezultat reakcije sa sumporom nastaje vodikov sulfid, čije prepoznavanje olakšava karakterističan miris pokvarenih jaja.
Oksidacijsko stanje vodika u ovim reakcijama je +1, au dolje opisanim hidridima je 1.
Prilikom reakcije s nekim metalima nastaju hidridi, na primjer, natrijev hidrid - NaH. Neki od ovih složenih spojeva koriste se kao gorivo za rakete, kao i u fuziji.
Vodik također reagira s tvarima iz kategorije kompleksa. Na primjer, s bakrovim (II) oksidom, formula CuO. Za izvođenje reakcije, bakreni vodik prolazi preko zagrijanog praškastog bakrovog (II) oksida. Tijekom interakcije reagens mijenja boju i postaje crveno-smeđi, a kapljice vode talože se na hladnim stijenkama epruvete.
Tijekom reakcije vodik se oksidira u vodu, a bakar se reducira iz oksida u jednostavnu tvar (Cu).
Područja upotrebe
Vodik ima veliki značaj za ljude i nalazi primjenu u raznim područjima:
- U kemijskoj industriji to su sirovine, u ostalim industrijama gorivo. Nemojte bez vodika i poduzeća petrokemije i rafiniranja nafte.
- U elektroprivredi ova jednostavna tvar djeluje kao rashladno sredstvo.
- U crnoj i obojenoj metalurgiji vodik ima ulogu redukcijskog sredstva.
- Uz tu pomoć stvara se inertno okruženje prilikom pakiranja proizvoda.
- Farmaceutska industrija koristi vodik kao reagens u proizvodnji vodikovog peroksida.
- Meteorološke sonde su napunjene ovim lakim plinom.
- Ovaj element je također poznat kao redukcijsko sredstvo za gorivo za raketne motore.
Znanstvenici jednoglasno predviđaju da će vodikovo gorivo biti vodeće u energetskom sektoru.
Prijem u industriji
U industriji se vodik proizvodi elektrolizom, koja se podvrgava kloridima ili hidroksidima alkalijskih metala otopljenih u vodi. Također je moguće dobiti vodik na ovaj način izravno iz vode.
U tu svrhu koristi se pretvorba koksa ili metana vodenom parom. Razgradnja metana na povišena temperatura također daje vodik. Ukapljivanje koksnog plina frakcijskom metodom također se koristi za industrijsku proizvodnju vodika.
Dobivanje u laboratoriju
U laboratoriju se za proizvodnju vodika koristi Kippov aparat.
Klorovodična ili sumporna kiselina i cink djeluju kao reagensi. Kao rezultat reakcije nastaje vodik.
Pronalaženje vodika u prirodi
Vodik je najčešći element u svemiru. Većina zvijezda, uključujući Sunce i druga kozmička tijela je vodik.
U zemljinoj kori ga ima svega 0,15%. Prisutan je u mnogim mineralima, u svim organska tvar, kao iu vodi koja prekriva 3/4 površine našeg planeta.
U gornjoj atmosferi mogu se pronaći tragovi vodika čisti oblik. Također se nalazi u nizu zapaljivih prirodnih plinova.
Plinoviti vodik je najtanji, a tekući vodik najgušća tvar na našem planetu. Uz pomoć hidrogena možete promijeniti boju glasa, ako ga udišete, i govoriti dok izdišete.
Najjača hidrogenska bomba temelji se na cijepanju najlakšeg atoma.
