Vodík- prvý chemický prvok periodickej tabuľky chemické prvky DI. Mendelejev. Chemický prvok vodík sa nachádza v prvej skupine, hlavnej podskupine, prvej perióde periodickej sústavy.

Relatívna atómová hmotnosť vodík = 1.

Vodík má najjednoduchšiu štruktúru atómu, skladá sa z jedného elektrónu, ktorý sa nachádza v jadrovom priestore. Jadro atómu vodíka pozostáva z jedného protónu.

Atóm vodíka v chemických reakciách môže darovať aj pridať elektrón, čím sa tvoria dva typy iónov:

H0 + 1ē → H1− H0 – 1ē → H1+.

Vodík je najrozšírenejším prvkom vo vesmíre. Tvorí asi 88,6 % všetkých atómov (asi 11,3 % tvoria atómy hélia, podiel všetkých ostatných prvkov spolu je asi 0,1 %). Hlavný je teda vodík komponent hviezdy a medzihviezdny plyn. V medzihviezdnom priestore tento prvok existuje vo forme jednotlivých molekúl, atómov a iónov a môže vytvárať molekulárne oblaky, ktoré sa výrazne líšia veľkosťou, hustotou a teplotou.

Hmotnostný podiel vodíka v zemskej kôre je 1%. Je to deviaty najbežnejší prvok. Význam vodíka v chemických procesoch prebiehajúcich na Zemi je takmer taký veľký ako význam kyslíka. Na rozdiel od kyslíka, ktorý existuje na Zemi vo viazanom aj voľnom stave, je prakticky všetok vodík na Zemi vo forme zlúčenín; len veľmi malé množstvo vodíka vo forme jednoduchej látky sa nachádza v atmosfére (0,00005 % objemu pre suchý vzduch).

Vodík je prítomný takmer vo všetkých organickej hmoty a je prítomný vo všetkých živých bunkách.

Fyzikálne vlastnosti vodíka

Jednoduchá látka tvorená chemickým prvkom vodík má molekulárnu štruktúru. Jeho zloženie zodpovedá vzorcu H2. Rovnako ako chemický prvok, jednoduchá látka sa nazýva aj vodík.

Vodík Je to bezfarebný plyn, bez zápachu a chuti, prakticky nerozpustný vo vode. Pri izbovej teplote a normálne atmosferický tlak rozpustnosť je 18,8 ml plynu na 1 liter vody.

Vodík- najľahší plyn, jeho hustota je 0,08987 g / l. Pre porovnanie: hustota vzduchu je 1,3 g/l.

Vodík sa môže rozpúšťať v kovoch napríklad v jednom objeme paládia sa môže rozpustiť až 850 objemov vodíka. Vďaka svojej extrémne malej molekulovej veľkosti je vodík schopný difundovať cez mnoho materiálov.

Rovnako ako iné plyny, vodík nízke teploty kondenzuje na bezfarebný číra tekutina k tomu dochádza pri teplote 252,8 °C. Keď teplota dosiahne -259,2°C, vodík kryštalizuje vo forme bielych kryštálov, podobných snehu.

Na rozdiel od kyslíka vodík nevykazuje alotropiu.

Aplikácia vodíka

Vodík sa používa v rôznych priemyselných odvetví priemyslu. Veľa vodíka ide do výroby amoniaku (NH3). Z amoniaku sa získavajú dusíkaté hnojivá, syntetické vlákna a plasty a lieky.

V potravinárskom priemysle sa vodík využíva pri výrobe margarínu, ktorý obsahuje tvrdé tuky. Aby sa získali z tekutých tukov, prechádza cez ne vodík.

Keď vodík horí v kyslíku, teplota plameňa je asi 2500 °C. Pri tejto teplote je možné taviť a zvárať žiaruvzdorné kovy. Pri zváraní sa teda používa vodík.

Ako raketové palivo sa používa zmes kvapalného vodíka a kyslíka.

V súčasnosti niekoľko krajín začalo s výskumom nahradenia neobnoviteľných zdrojov energie (ropa, plyn, uhlie) vodíkom. Keď sa vodík spaľuje v kyslíku, vytvára sa produkt šetrný k životnému prostrediu - voda a nie oxid uhličitý spôsobujúci skleníkový efekt.

Vedci naznačujú, že v polovici XXI storočia by sa malo začať masová výroba vodíkové autá. Široké uplatnenie nájdu palivové články pre domácnosť, ktorých práca je založená aj na oxidácii vodíka kyslíkom.

Koncom 19. a začiatkom 20. stor. na úsvite éry letectva, naplnené vodíkom Balóny, vzducholode a balóny, keďže je oveľa ľahší ako vzduch. Éra vzducholodí sa však po katastrofe, ktorá sa vzducholode stala, začala rýchlo vytrácať do minulosti Hindenburg. 6. mája 1937 vzducholoď, naplnený vodíkom sa vznietil, čo malo za následok smrť desiatok pasažierov.

Vodík je v určitých pomeroch s kyslíkom extrémne výbušný. Nedodržanie bezpečnostných predpisov viedlo k vznieteniu a výbuchu vzducholode.

• Vodík- prvý chemický prvok Periodickej tabuľky chemických prvkov D.I. Mendelejev
• Vodík sa nachádza v skupine I, hlavnej podskupine, perióde 1 periodického systému
• Valencia vodíka v zlúčeninách - I
• Vodík Bezfarebný plyn, bez zápachu a chuti, prakticky nerozpustný vo vode
• Vodík- najľahší plyn
• Kvapalný a pevný vodík sa vyrába pri nízkych teplotách
• Vodík sa môže rozpúšťať v kovoch
• Aplikácie vodíka sú rôzne

vodík - špeciálny prvok, zaberajúce dve bunky naraz v periodickom systéme Mendelejeva. Nachádza sa v dvoch skupinách prvkov s opačnými vlastnosťami a táto vlastnosť ho robí jedinečným. Vodík je jednoduchá látka a neoddeliteľná súčasť mnohých komplexných zlúčenín, je to organogénny a biogénny prvok. Stojí za to sa podrobne oboznámiť s jeho hlavnými vlastnosťami a vlastnosťami.

Vodík v Mendelejevovom periodickom systéme

Hlavné vlastnosti vodíka uvedené v:

• poradové číslo prvku je 1 (existuje rovnaký počet protónov a elektrónov);
• atómová hmotnosť je 1,00795;
• vodík má tri izotopy, z ktorých každý má špeciálne vlastnosti;
• vďaka obsahu iba jedného elektrónu je vodík schopný vykazovať redukčné a oxidačné vlastnosti a po darovaní elektrónu má vodík voľný orbitál, ktorý sa podieľa na tvorbe chemických väzieb podľa mechanizmu donor-akceptor;
• vodík je ľahký prvok s nízkou hustotou;
• vodík je silné redukčné činidlo, otvára skupinu alkalického kovu v prvej skupine hlavnej podskupiny;
• keď vodík reaguje s kovmi a inými silnými redukčnými činidlami, prijíma ich elektrón a stáva sa oxidačným činidlom. Takéto zlúčeniny sa nazývajú hydridy. Podľa uvedeného znaku vodík podmienečne patrí do skupiny halogénov (v tabuľke je vyššie uvedený fluór v zátvorkách), s ktorými má podobnosti.

Vodík ako jednoduchá látka

Vodík je plyn, ktorého molekula pozostáva z dvoch. Túto látku objavil v roku 1766 britský vedec Henry Cavendish. Dokázal, že vodík je plyn, ktorý pri interakcii s kyslíkom exploduje. Po štúdiu vodíka chemici zistili, že táto látka je najľahšia zo všetkých, ktoré človek pozná.

Ďalší vedec, Lavoisier, dal prvku názov „hydrogenium“, čo v latinčine znamená „zrodenie vody“. V roku 1781 Henry Cavendish dokázal, že voda je kombináciou kyslíka a vodíka. Inými slovami, voda je produktom reakcie vodíka s kyslíkom. Horľavé vlastnosti vodíka boli známe aj starovekým vedcom: zodpovedajúce záznamy zanechal Paracelsus, ktorý žil v 16. storočí.

Molekulárny vodík je prirodzene sa vyskytujúca plynná zlúčenina bežná v prírode, ktorá sa skladá z dvoch atómov a keď sa vynára horiaca úlomka. Molekula vodíka sa môže rozpadnúť na atómy, ktoré sa premenia na jadrá hélia, pretože sú schopné zúčastniť sa jadrových reakcií. Takéto procesy sa pravidelne vyskytujú vo vesmíre a na Slnku.

Vodík a jeho fyzikálne vlastnosti

Vodík má nasledujúce fyzikálne parametre:

• vrie pri -252,76 °C;
• topí sa pri -259,14 °C; *v rámci uvedených teplotných limitov je vodík bezfarebná kvapalina bez zápachu;
• vodík je mierne rozpustný vo vode;
• vodík môže teoreticky prejsť do kovového stavu, ak je poskytnutý špeciálne podmienky(nízke teploty a vysoký tlak);
• čistý vodík je výbušná a horľavá látka;
• vodík je schopný difundovať cez hrúbku kovov, preto sa v nich dobre rozpúšťa;
• vodík je 14,5-krát ľahší ako vzduch;
• pri vysoký tlak možno získať snehové kryštály tuhého vodíka.

Chemické vlastnosti vodíka

Laboratórne metódy:

• interakcia zriedených kyselín s aktívnymi kovmi a kovmi strednej aktivity;
• hydrolýza hydridov kovov;
• reakcia s vodou alkalických kovov a kovov alkalických zemín.

Zlúčeniny vodíka:

Halogenidy vodíka; prchavé vodíkové zlúčeniny nekovov; hydridy; hydroxidy; hydroxid vodíka (voda); peroxid vodíka; organické zlúčeniny (bielkoviny, tuky, sacharidy, vitamíny, lipidy, esenciálne oleje, hormóny). Kliknutím zobrazíte bezpečné experimenty o štúdiu vlastností bielkovín, tukov a sacharidov.

Aby ste zhromaždili výsledný vodík, musíte držať skúmavku otočenú hore dnom. Vodík sa nedá zbierať ako oxid uhličitý, pretože je oveľa ľahší ako vzduch. Vodík sa rýchlo vyparuje a pri zmiešaní so vzduchom (alebo pri veľkej akumulácii) exploduje. Preto je potrebné trubicu prevrátiť. Ihneď po naplnení sa tuba uzavrie gumenou zátkou.

Ak chcete skontrolovať čistotu vodíka, musíte k hrdlu skúmavky priniesť zapálenú zápalku. Ak dôjde k hluchému a tichému prasknutiu, plyn je čistý a nečistoty vo vzduchu sú minimálne. Ak je pukanie hlasné a pískanie, plyn v skúmavke je špinavý, obsahuje veľký podiel cudzie komponenty.

Pozor! Nepokúšajte sa sami opakovať tieto experimenty!

Kvapalina

Vodík(lat. Hydrogénium; označené symbolom H) je prvým prvkom periodickej sústavy prvkov. Široko rozšírený v prírode. Katión (a jadro) najbežnejšieho izotopu vodíka 1H je protón. Vlastnosti 1H jadra umožňujú široké využitie NMR spektroskopie pri analýze organických látok.

Tri izotopy vodíka majú svoje vlastné názvy: 1H - protium (H), 2H - deutérium (D) a 3H - trícium (rádioaktívne) (T).

Jednoduchá látka vodík - H 2 - je ľahký bezfarebný plyn. V zmesi so vzduchom alebo kyslíkom je horľavý a výbušný. Netoxický. Rozpustný v etanole a mnohých kovoch: železo, nikel, paládium, platina.

Príbeh

Uvoľňovanie horľavého plynu pri interakcii kyselín a kovov bolo pozorované v 16. a XVII storočia na úsvite vzniku chémie ako vedy. Michail Vasilievič Lomonosov tiež priamo poukázal na jeho izoláciu, ale už definitívne si uvedomil, že nejde o flogistón. Anglický fyzik a chemik Henry Cavendish študoval tento plyn v roku 1766 a nazval ho „horľavým vzduchom“. Pri horení „horľavý vzduch“ produkoval vodu, ale Cavendishovo priľnutie k teórii flogistónu mu zabránilo vyvodiť správne závery. Francúzsky chemik Antoine Lavoisier spolu s inžinierom J. Meunierom pomocou špeciálnych plynomerov v roku 1783 vykonali syntézu vody a následne jej analýzu, pričom vodnú paru rozložili rozžeraveným železom. Zistil teda, že „horľavý vzduch“ je súčasťou vody a dá sa z nej získať.

pôvod mena

Lavoisier dal vodíku meno hydrogén, čo znamená „vodonosný“. Ruský názov "vodík" navrhol chemik M.F. Solovyov v roku 1824 - analogicky so Slomonosovovým "kyslíkom".

Prevalencia

Vodík je najrozšírenejším prvkom vo vesmíre. Tvorí asi 92 % všetkých atómov (8 % tvoria atómy hélia, podiel všetkých ostatných prvkov spolu je menší ako 0,1 %). Vodík je teda hlavnou zložkou hviezd a medzihviezdneho plynu. V podmienkach hviezdnych teplôt (napríklad povrchová teplota Slnka je ~ 6000 °C) existuje vodík vo forme plazmy, v medzihviezdnom priestore tento prvok existuje vo forme jednotlivých molekúl, atómov a iónov a môže tvoria molekulárne oblaky, ktoré sa výrazne líšia veľkosťou, hustotou a teplotou.

Zemská kôra a živé organizmy

Hmotnostný podiel vodíka v zemskej kôre je 1% - ide o desiaty najbežnejší prvok. Jeho úlohu v prírode však neurčuje hmotnosť, ale počet atómov, ktorých podiel medzi ostatnými prvkami je 17 % (druhé miesto po kyslíku, ktorého podiel atómov je ~ 52 %). Preto je význam vodíka v chemických procesoch prebiehajúcich na Zemi takmer taký veľký ako význam kyslíka. Na rozdiel od kyslíka, ktorý existuje na Zemi vo viazanom aj voľnom stave, takmer všetok vodík na Zemi je vo forme zlúčenín; v atmosfére sa nachádza len veľmi malé množstvo vodíka vo forme jednoduchej látky (0,00005 % objemu).

Vodík je súčasťou takmer všetkých organických látok a je prítomný vo všetkých živých bunkách. V živých bunkách tvorí vodík podľa počtu atómov takmer 50 %.

Potvrdenie

Priemyselné metódy získavania jednoduché látky závisí od formy, v ktorej sa príslušný prvok nachádza v prírode, teda čo môže byť surovinou na jeho výrobu. Získa sa tak kyslík dostupný vo voľnom stave fyzickým spôsobom- uvoľnenie z kvapalného vzduchu. Na druhej strane vodík je takmer všetok vo forme zlúčenín, a preto ho získať, chemické metódy. Môžu sa použiť najmä rozkladné reakcie. Jedným zo spôsobov výroby vodíka je reakcia rozkladu vody elektrickým prúdom.

Hlavnou priemyselnou metódou výroby vodíka je reakcia metánu, ktorý je súčasťou zemného plynu, s vodou. Vykonáva sa pri vysoká teplota(je ľahké overiť, že keď metán prechádza aj cez vriacu vodu, nedochádza k žiadnej reakcii):

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

V laboratóriu sa na získanie jednoduchých látok nepoužívajú nevyhnutne prírodné suroviny, ale vyberajú sa tie počiatočné látky, z ktorých je ľahšie izolovať potrebnú látku. Napríklad v laboratóriu sa kyslík nezíska zo vzduchu. To isté platí pre výrobu vodíka. Jeden z laboratórne metódy získavanie vodíka, ktoré sa niekedy využíva v priemysle, je rozklad vody elektrickým prúdom.

Vodík sa zvyčajne vyrába v laboratóriu reakciou zinku s kyselinou chlorovodíkovou.

V priemysle

1. Elektrolýza vodné roztoky soli:

2NaCl + 2H20 -> H2 + 2NaOH + Cl2

2. Prechod vodnej pary cez horúci koks pri teplote asi 1000 °C:

H2O+C? H2 + CO

3.Z zemného plynu.

Steam konverzia:

CH4 + H20? CO + 3H2 (1000 °C)

Katalytická oxidácia kyslíkom:

2CH4 + O2? 2CO + 4H2

4. Krakovanie a reformovanie uhľovodíkov v procese rafinácie ropy.

V laboratóriu

1.Pôsobenie zriedených kyselín na kovy. Na uskutočnenie takejto reakcie sa najčastejšie používa zinok a zriedená kyselina chlorovodíková:

Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2

2.Interakcia vápnika s vodou:

Ca + 2H20 -> Ca (OH)2 + H2

3.Hydrolýza hydridov:

NaH + H20 → NaOH + H2

4.Pôsobenie alkálií na zinok alebo hliník:

2Al + 2NaOH + 6H20 -> 2Na + 3H 2

Zn + 2KOH + 2H20 → K2 + H2

5.S pomocou elektrolýzy. Pri elektrolýze vodných roztokov zásad alebo kyselín sa na katóde uvoľňuje vodík, napr.

2H30 + 2e - → H2 + 2H20

Fyzikálne vlastnosti

Vodík môže existovať v dvoch formách (modifikáciách) – vo forme orto- a para-vodíka. V molekule ortovodíka o-H 2 (t.t. −259,10 °C, bp. −252,56 °C) jadrové spiny sú smerované rovnakým spôsobom (paralelne), zatiaľ čo paravodík p-H2 (teplota topenia -259,32 °C, teplota varu -252,89 °C) - oproti sebe (antiparalelné). Rovnovážna zmes o-H2 a p-H 2 pri danej teplote je tzv rovnovážny vodík e-H2.

Modifikácie vodíka je možné oddeliť adsorpciou na aktívnom uhlí pri teplote kvapalného dusíka. Pri veľmi nízkych teplotách je rovnováha medzi ortovodíkom a paravodíkom takmer úplne posunutá smerom k paravodíku. Pri 80 K je pomer strán približne 1:1. Desorbovaný paravodík sa po zahriatí premení na ortovodík až do vytvorenia rovnovážnej zmesi pri teplote miestnosti (orto-para: 75:25). Bez katalyzátora prebieha transformácia pomaly (v podmienkach medzihviezdneho prostredia - s charakteristickými časmi až kozmologickými), čo umožňuje študovať vlastnosti jednotlivých modifikácií.

Vodík je najľahší plyn, 14,5-krát ľahší ako vzduch. Je zrejmé, že čím menšia je hmotnosť molekúl, tým vyššia je ich rýchlosť pri rovnakej teplote. Ako najľahšie molekuly vodíka sa pohybujú rýchlejšie ako molekuly akéhokoľvek iného plynu, a preto môžu rýchlejšie prenášať teplo z jedného telesa do druhého. Z toho vyplýva, že vodík má spomedzi plynných látok najvyššiu tepelnú vodivosť. Jeho tepelná vodivosť je asi sedemkrát vyššia ako tepelná vodivosť vzduchu.

Molekula vodíka je dvojatómová - H2. Za normálnych podmienok je to bezfarebný plyn bez zápachu a chuti. Hustota 0,08987 g/l (n.o.), bod varu −252,76 °C, špecifické spalné teplo 120,9×10 6 J/kg, ťažko rozpustný vo vode — 18,8 ml/l. Vodík je vysoko rozpustný v mnohých kovoch (Ni, Pt, Pd atď.), najmä v paládiu (850 objemov na 1 objem Pd). S rozpustnosťou vodíka v kovoch súvisí jeho schopnosť difundovať cez ne; difúzia cez uhlíkatú zliatinu (napríklad oceľ) je niekedy sprevádzaná deštrukciou zliatiny v dôsledku interakcie vodíka s uhlíkom (tzv. dekarbonizácia). Prakticky nerozpustný v striebre.

kvapalný vodík existuje vo veľmi úzkom teplotnom rozsahu od -252,76 do -259,2 °C. Je to bezfarebná kvapalina, veľmi ľahká (hustota pri -253 °C 0,0708 g/cm3) a kvapalina (viskozita pri -253 °C 13,8 °C). Kritické parametre vodíka sú veľmi nízke: teplota -240,2 °C a tlak 12,8 atm. To vysvetľuje ťažkosti pri skvapalňovaní vodíka. IN tekutom stave rovnovážny vodík pozostáva z 99,79 % para-H2, 0,21 % orto-H2.

Tuhý vodík, bod topenia −259,2 °C, hustota 0,0807 g/cm3 (pri −262 °C) — snehová hmota, šesťuholníkové kryštály, priestorová grupa P6/mmc, parametre bunky a=3,75 c= 6,12. Pri vysokom tlaku sa vodík stáva kovovým.

izotopy

Vodík sa nachádza v tri izotopy, ktoré majú jednotlivé názvy: 1 H - protium (H), 2 H - deutérium (D), 3 H - trícium (rádioaktívne) (T).

Protium a deutérium sú stabilné izotopy s hmotnostnými číslami 1 a 2. Ich obsah v prírode je 99,9885 ± 0,0070 %, respektíve 0,0115 ± 0,0070 %. Tento pomer sa môže mierne líšiť v závislosti od zdroja a spôsobu výroby vodíka.

Izotop vodíka 3H (trícium) je nestabilný. Jeho polčas rozpadu je 12,32 roka. Trícium sa v prírode nachádza vo veľmi malom množstve.

Literatúra tiež poskytuje údaje o izotopoch vodíka s hmotnostnými číslami 4–7 a polčasmi 10–22–10–23 s.

Prírodný vodík pozostáva z molekúl H 2 a HD (deuterovodík) v pomere 3200:1. Obsah čistého vodíka deutéria D 2 je ešte menší. Koncentračný pomer HD a D2 je približne 6400:1.

Zo všetkých izotopov chemických prvkov sú fyzikálne a Chemické vlastnosti izotopy vodíka sa od seba najviac líšia. Je to spôsobené najväčšou relatívnou zmenou hmotnosti atómov.

	Teplota topenie, K	Teplota vriaci, K	Triple bodka, K/kPa	kritický bodka, K/kPa	Hustota kvapalina / plyn, kg/m³

Deutérium a trícium majú tiež orto a para modifikácie: p-D2, o-D2, p-T2, o-T2. Heteroizotopický vodík (HD, HT, DT) nemá orto a para modifikácie.

Chemické vlastnosti

Podiel disociovaných molekúl vodíka

Molekuly vodíka H2 sú dosť silné a na to, aby vodík reagoval, je potrebné vynaložiť veľa energie:

H2 \u003d 2H - 432 kJ

Preto pri bežných teplotách vodík reaguje iba s veľmi aktívnymi kovmi, ako je vápnik, za vzniku hydridu vápenatého:

Ca + H2 \u003d CaH 2

a s jediným nekovom - fluórom, ktorý tvorí fluorovodík:

Vodík reaguje s väčšinou kovov a nekovov pri zvýšených teplotách alebo pri iných vplyvoch, ako je osvetlenie:

02 + 2H2 \u003d 2H20

Môže „odoberať“ kyslík niektorým oxidom, napríklad:

CuO + H2 \u003d Cu + H20

Napísaná rovnica odráža redukčné vlastnosti vodíka.

N2 + 3H2 -> 2NH3

Vytvára halogenovodíky s halogénmi:

F 2 + H 2 → 2HF, reakcia prebieha výbuchom v tme a pri akejkoľvek teplote,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, reakcia prebieha výbuchom, len na svetle.

Pri silnom zahrievaní interaguje so sadzami:

C + 2H2 -> CH4

Interakcia s alkalickými kovmi a kovmi alkalických zemín

Pri interakcii s aktívnymi kovmi tvorí vodík hydridy:

2Na + H2 -> 2NaH

Ca + H2 -> CaH2

Mg + H2 -> MgH2

hydridy- fyziologický roztok, pevné látkyľahko hydrolyzovateľné:

CaH2 + 2H20 -> Ca(OH)2 + 2H2

Interakcia s oxidmi kovov (zvyčajne d-prvky)

Oxidy sa redukujú na kovy:

CuO + H2 -> Cu + H20

Fe203 + 3H2 -> 2Fe + 3H20

W03 + 3H2 -> W + 3H20

Hydrogenácia organických zlúčenín

Molekulárny vodík je široko používaný v organická syntéza zotavenie Organické zlúčeniny. Tieto procesy sú tzv hydrogenačné reakcie. Tieto reakcie sa uskutočňujú v prítomnosti katalyzátora pri zvýšený tlak a teplotu. Katalyzátor môže byť buď homogénny (napr. Wilkinsonov katalyzátor) alebo heterogénny (napr. Raneyov nikel, paládium na uhlíku).

Tak najmä pri katalytickej hydrogenácii nenasýtených zlúčenín, ako sú alkény a alkíny, vznikajú nasýtené zlúčeniny, alkány.

Geochémia vodíka

Voľný vodík H 2 je v pozemských plynoch pomerne vzácny, ale vo forme vody má mimoriadne dôležitú úlohu v geochemických procesoch.

Vodík môže byť prítomný v mineráloch vo forme amónneho iónu, hydroxylového iónu a kryštalickej vody.

V atmosfére neustále vzniká vodík v dôsledku rozkladu vody slnečným žiarením. Molekuly vodíka, ktoré majú malú hmotnosť, majú vysokú rýchlosť difúzneho pohybu (je blízko druhej kozmickej rýchlosti) a keď sa dostanú do horných vrstiev atmosféry, môžu odletieť do vesmíru.

Vlastnosti obehu

Vodík po zmiešaní so vzduchom vytvára výbušnú zmes – takzvaný výbušný plyn. Tento plyn je najvýbušnejší, keď je objemový pomer vodíka a kyslíka 2:1 alebo vodíka a vzduchu približne 2:5, pretože vzduch obsahuje približne 21 % kyslíka. Nebezpečenstvo požiaru predstavuje aj vodík. Kvapalný vodík môže pri kontakte s pokožkou spôsobiť vážne omrzliny.

Výbušné koncentrácie vodíka s kyslíkom sa vyskytujú od 4 % do 96 % objemu. Pri zmiešaní so vzduchom od 4 % do 75 (74) % objemu.

ekonomika

Cena vodíka pre veľké veľkoobchodné dodávky sa pohybuje od 2 do 5 USD za kg.

Aplikácia

Atómový vodík sa používa na zváranie atómovým vodíkom.

Chemický priemysel

• Pri výrobe čpavku, metanolu, mydla a plastov
• Pri výrobe margarínu z tekutých rastlinných olejov
• Registrovaný ako potravinárska prídavná látka E949(baliaci plyn)

potravinársky priemysel

Letecký priemysel

Vodík je veľmi ľahký a vždy stúpa vo vzduchu. Kedysi sa vzducholode a balóny plnili vodíkom. Ale v 30. rokoch. 20. storočie došlo k niekoľkým katastrofám, pri ktorých vzducholode vybuchli a zhoreli. V dnešnej dobe sú vzducholode plnené héliom aj napriek jeho podstatne vyššej cene.

Palivo

Vodík sa používa ako raketové palivo.

Prebieha výskum využitia vodíka ako paliva pre osobné a nákladné autá. Vodíkové motory neznečisťujú životné prostredie a vypúšťajú iba vodnú paru.

Vodíkovo-kyslíkové palivové články využívajú vodík na priamu premenu energie chemická reakcia do elektriky.

"Kvapalný vodík"(„LW“) je kvapalný stav agregácie vodíka s nízkou špecifickou hmotnosťou 0,07 g/cm³ a ​​kryogénnymi vlastnosťami s bodom tuhnutia 14,01 K (-259,14 °C) a bodom varu 20,28 K (-252,87 °C). Je to bezfarebná kvapalina bez zápachu, ktorá je po zmiešaní so vzduchom klasifikovaná ako výbušnina s rozsahom horľavosti 4-75%. Spinový pomer izomérov v kvapalnom vodíku je: 99,79 % - paravodík; 0,21 % - ortovodík. Koeficient rozťažnosti vodíka pri zmene stav agregácie plynný je 848:1 pri 20 °C.

Ako pri každom inom plyne, skvapalnením vodíka sa zmenšuje jeho objem. Po skvapalnení sa „ZHV“ skladuje v tepelne izolovaných nádobách pod tlakom. Kvapalný vodík kvapalný vodík, LH2, LH 2) je široko používaný v priemysle ako forma skladovania plynu a vo vesmírnom priemysle ako raketové palivo.

Príbeh

Prvým zdokumentovaným použitím umelého chladenia v roku 1756 bol anglický vedec William Cullen, Gaspard Monge ako prvý získal kvapalný stav oxidu sírového v roku 1784, Michael Faraday ako prvý získal skvapalnený amoniak, americký vynálezca Oliver Evans Ako prvý vyvinul chladiaci kompresor v roku 1805, Jacob Perkins ako prvý patentoval chladiaci stroj v roku 1834 a John Gorey bol prvým v USA, ktorý patentoval klimatizáciu v roku 1851. Werner Siemens navrhol koncepciu regeneratívneho chladenia v roku 1857, Carl Linde patentoval zariadenie na výrobu kvapalného vzduchu pomocou kaskádového „Joule-Thomsonovho expanzného efektu“ a regeneratívneho chladenia v roku 1876. V roku 1885 publikoval poľský fyzik a chemik Zygmund Wroblewski kritická teplota vodík 33 K, kritický tlak 13,3 atm. a bod varu 23 K. Vodík prvýkrát skvapalnil James Dewar v roku 1898 pomocou regeneračného chladenia a jeho vynálezu, Dewarovej nádoby. Prvú syntézu stabilného izoméru kvapalného vodíka, paravodíka, vykonali Paul Harteck a Karl Bonhoeffer v roku 1929.

Spinové izoméry vodíka

Vodík pri teplote miestnosti pozostáva hlavne zo spinového izoméru, ortovodíka. Po výrobe je kvapalný vodík v metastabilnom stave a musí sa premeniť na svoju paravodíkovú formu, aby sa predišlo explozívnej exotermickej reakcii, ku ktorej dochádza pri zmene pri nízkych teplotách. Konverzia na paravodíkovú fázu sa zvyčajne uskutočňuje pomocou katalyzátorov, ako je oxid železa, oxid chrómu, Aktívne uhlie platinovaný azbest, kovy vzácnych zemín alebo pomocou prísad uránu alebo niklu.

Použitie

Kvapalný vodík by sa mohol použiť ako forma skladovania paliva pre motory vnútorné spaľovanie A palivové články. Pomocou tejto agregátnej formy vodíka boli vytvorené rôzne ponorky (projekty „212A“ a „214“, Nemecko) a koncepcie prepravy vodíka (pozri napríklad „DeepC“ alebo „BMW H2R“). Vzhľadom na blízkosť návrhov môžu tvorcovia zariadení na "ZHV" použiť alebo iba upraviť systémy, ktoré využívajú skvapalnený zemný plyn ("LNG"). Vzhľadom na nižšiu objemovú hustotu energie si však spaľovanie vyžaduje väčší objem vodíka ako zemný plyn. Ak sa namiesto „CNG“ v piestových motoroch používa kvapalný vodík, zvyčajne je potrebný objemnejší palivový systém. Pri priamom vstrekovaní znižujú zvýšené straty v sacom trakte plnenie valcov.

Kvapalný vodík sa tiež používa na chladenie neutrónov pri experimentoch s rozptylom neutrónov. Hmotnosti neutrónu a vodíkového jadra sú takmer rovnaké, takže výmena energie pri elastickej zrážke je najefektívnejšia.

Výhody

Výhodou použitia vodíka je „nulová emisia“ jeho aplikácie. Produktom jeho interakcie so vzduchom je voda.

Prekážky

Jeden liter „ZHV“ váži len 0,07 kg. To znamená, že jeho špecifická hmotnosť je 70,99 g/l pri 20 K. Kvapalný vodík vyžaduje technológiu kryogénneho skladovania, ako sú špeciálne tepelne izolované nádoby, a vyžaduje špeciálnu manipuláciu, ktorá je spoločná pre všetky kryogénne materiály. V tomto ohľade je blízky kvapalnému kyslíku, ale vyžaduje si väčšiu starostlivosť kvôli nebezpečenstvu požiaru. Dokonca aj v izolovaných nádobách je ťažké udržiavať ho pri nízkej teplote, ktorá je potrebná na udržanie tekutiny (zvyčajne sa vyparuje rýchlosťou 1 % za deň). Pri manipulácii s ním treba dodržiavať aj bežné bezpečnostné opatrenia pri práci s vodíkom – je dostatočne studený na skvapalnenie vzduchu, ktorý je výbušný.

Raketové palivo

Kvapalný vodík je bežnou súčasťou raketových palív, ktorý sa používa na prúdové zrýchlenie nosných rakiet a kozmických lodí. Vo väčšine tekutých raketové motory poháňaný vodíkom sa najskôr používa na regeneračné chladenie trysky a iných častí motora predtým, ako sa zmieša s oxidačným činidlom a spáli sa, aby sa vytvoril ťah. Používané moderné motory poháňané H 2 / O 2 spotrebúvajú palivovú zmes bohatú na vodík, čo má za následok určité množstvo nespáleného vodíka vo výfukových plynoch. Okrem zvýšenia špecifického impulzu motora znížením molekulovej hmotnosti sa tým znižuje aj erózia dýzy a spaľovacej komory.

Takéto prekážky pre použitie "ZHV" v iných oblastiach, ako je kryogénna povaha a nízka hustota, sú tiež odrádzajúcimi od použitia v tomto prípade. Pre rok 2009 existuje iba jedna nosná raketa (LV "Delta-4"), ktorá je výlučne vodíkovou raketou. V zásade sa „ZHV“ používa buď na horných stupňoch rakiet, alebo na blokoch, ktoré vykonávajú významnú časť práce pri vypúšťaní užitočného zaťaženia do vesmíru vo vákuu. Ako jedno z opatrení na zvýšenie hustoty tohto typu paliva existujú návrhy na použitie kalového vodíka, teda polozmrznutej formy „ZHV“.

DEFINÍCIA

Vodík je prvým prvkom v periodickej tabuľke. Označenie - H z latinského "hydrogenium". Nachádza sa v prvej tretine, skupina IA. Vzťahuje sa na nekovy. Jadrový náboj je 1.

Vodík je jedným z najbežnejších chemických prvkov – jeho podiel predstavuje asi 1 % hmotnosti všetkých troch obalov zemskej kôry (atmosféry, hydrosféry a litosféry), čo po prepočte na atómové percentá dáva údaj 17,0.

Hlavné množstvo tohto prvku je v viazaný stav. Voda teda obsahuje asi 11 hmotn. %, hlina - asi 1,5% atď. Vo forme zlúčenín s uhlíkom je vodík súčasťou ropy, horľavých prírodných plynov a všetkých organizmov.

Vodík je bezfarebný plyn bez zápachu (schéma štruktúry atómu je na obr. 1). Jeho body topenia a varu sú veľmi nízke (-259 o C, resp. -253 o C). Pri teplote (-240 o C) a pod tlakom je vodík schopný skvapalniť a rýchlym odparením vzniknutej kvapaliny prechádza do pevného skupenstva (priehľadné kryštály). Je mierne rozpustný vo vode - 2:100 objemovo. Vodík sa vyznačuje rozpustnosťou v niektorých kovoch, napríklad v železe.

Ryža. 1. Štruktúra atómu vodíka.

Atómová a molekulová hmotnosť vodíka

DEFINÍCIA

Relatívna atómová hmotnosť prvok je pomer hmotnosti atómu daného prvku k 1/12 hmotnosti atómu uhlíka.

Relatívna atómová hmotnosť je bezrozmerná a označuje sa A r (dolný index „r“ je začiatočné písmeno anglické slovo relatívny, čo v preklade znamená „príbuzný“). Relatívna atómová hmotnosť atómového vodíka je 1,008 amu.

Hmotnosti molekúl, rovnako ako hmotnosti atómov, sú vyjadrené v atómových hmotnostných jednotkách.

DEFINÍCIA

molekulovej hmotnosti látka sa nazýva hmotnosť molekuly, vyjadrená v atómových hmotnostných jednotkách. Relatívna molekulová hmotnosť látky nazývame pomer hmotnosti molekuly danej látky k 1/12 hmotnosti atómu uhlíka, ktorého hmotnosť je 12 a.m.u.

Je známe, že molekula vodíka je dvojatómová - H2. Relatívna molekulová hmotnosť molekuly vodíka sa bude rovnať:

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

Izotopy vodíka

Vodík má tri izotopy: protium 1 H, deutérium 2 H alebo D a trícium 3 H alebo T. Ich hmotnostné čísla sú 1, 2 a 3. Protium a deutérium sú stabilné, trícium je rádioaktívne (polčas rozpadu 12,5 roka). V prírodných zlúčeninách sú deutérium a protium v ​​priemere obsiahnuté v pomere 1:6800 (podľa počtu atómov). Trícium sa v prírode nachádza v zanedbateľnom množstve.

Jadro atómu vodíka 1H obsahuje jeden protón. Jadrá deutéria a trícia zahŕňajú okrem protónu aj jeden a dva neutróny.

Vodíkové ióny

Atóm vodíka môže buď darovať svoj jediný elektrón, aby vytvoril kladný ión (čo je „nahý“ protón), alebo môže pridať jeden elektrón, čím sa zmení na negatívny ión, ktorý má elektrónovú konfiguráciu hélia.

Úplné oddelenie elektrónu od atómu vodíka vyžaduje vynaloženie veľmi veľkej ionizačnej energie:

H+ 315 kcal = H++ e.

Výsledkom je, že pri interakcii vodíka s metaloidmi nevznikajú iónové, ale iba polárne väzby.

Tendencia jedného alebo druhého neutrálneho atómu pripájať prebytočný elektrón je charakterizovaná hodnotou jeho elektrónovej afinity. Vo vodíku je pomerne slabo vyjadrený (to však neznamená, že takýto vodíkový ión nemôže existovať):

H + e \u003d H - + 19 kcal.

Molekula a atóm vodíka

Molekula vodíka pozostáva z dvoch atómov - H 2 . Tu sú niektoré vlastnosti, ktoré charakterizujú atóm a molekulu vodíka:

Príklady riešenia problémov

PRÍKLAD 1

Cvičenie	Dokážte, že existujú hydridy všeobecného vzorca EN x obsahujúce 12,5% vodíka.
Riešenie	Vypočítajte hmotnosti vodíka a neznámeho prvku, pričom hmotnosť vzorky je 100 g: m(H) = m(ENx)xw(H); m(H) = 100 x 0,125 = 12,5 g. m (E) \u003d m (EN x) - m (H); m (E) \u003d 100 - 12,5 \u003d 87,5 g. Nájdite množstvo vodíkovej látky a neznámeho prvku, pričom jeho molárnu hmotnosť označíme ako „x“ (molárna hmotnosť vodíka je 1 g / mol):

Vodík (pauzovací papier z lat.: lat. Hydrogenium – hydro = „voda“, gen = „generujúci“; hydrogenium – „generujúci vodu“; označuje sa symbolom H) – prvý prvok periodickej sústavy prvkov. Široko rozšírený v prírode. Katión (a jadro) najbežnejšieho izotopu vodíka 1H je protón. Vlastnosti 1H jadra umožňujú široké využitie NMR spektroskopie pri analýze organických látok.

Tri izotopy vodíka majú svoje vlastné názvy: 1H - protium (H), 2H - deutérium (D) a 3H - trícium (rádioaktívne) (T).

Jednoduchá látka vodík - H 2 - je ľahký bezfarebný plyn. V zmesi so vzduchom alebo kyslíkom je horľavý a výbušný. Netoxický. Rozpustíme v etanole a množstvo kovov: železo, nikel, paládium, platina.

Príbeh

Uvoľňovanie horľavého plynu pri interakcii kyselín a kovov bolo pozorované v 16. a 17. storočí na úsvite formovania chémie ako vedy. Michail Vasilievič Lomonosov tiež priamo poukázal na jeho izoláciu, ale už definitívne si uvedomil, že nejde o flogistón. Anglický fyzik a chemik Henry Cavendish študoval tento plyn v roku 1766 a nazval ho „horľavým vzduchom“. Pri horení „horľavý vzduch“ produkoval vodu, ale Cavendishovo priľnutie k teórii flogistónu mu zabránilo vyvodiť správne závery. Francúzsky chemik Antoine Lavoisier spolu s inžinierom J. Meunierom pomocou špeciálnych plynomerov v roku 1783 vykonali syntézu vody a následne jej analýzu, pričom vodnú paru rozložili rozžeraveným železom. Zistil teda, že „horľavý vzduch“ je súčasťou vody a dá sa z nej získať.

pôvod mena

Lavoisier dal vodíku názov hydrogén (z iného gréckeho ὕδωρ – voda a γεννάω – rodím) – „rodím vodu“. Ruský názov "vodík" navrhol chemik M.F. Solovyov v roku 1824 - analogicky s "kyslíkom" od M.V. Lomonosova.

Prevalencia

Vo Vesmíre
Vodík je najrozšírenejším prvkom vo vesmíre. Tvorí asi 92 % všetkých atómov (8 % tvoria atómy hélia, podiel všetkých ostatných prvkov dohromady je menší ako 0,1 %). Vodík je teda hlavnou zložkou hviezd a medzihviezdneho plynu. V podmienkach hviezdnych teplôt (napríklad povrchová teplota Slnka je ~ 6000 °C) existuje vodík vo forme plazmy, v medzihviezdnom priestore tento prvok existuje vo forme jednotlivých molekúl, atómov a iónov a môže tvoria molekulárne oblaky, ktoré sa výrazne líšia veľkosťou, hustotou a teplotou.

Zemská kôra a živé organizmy
Hmotnostný podiel vodíka v zemskej kôre je 1% - ide o desiaty najbežnejší prvok. Jeho úlohu v prírode však neurčuje hmotnosť, ale počet atómov, ktorých podiel medzi ostatnými prvkami je 17 % (druhé miesto po kyslíku, ktorého podiel atómov je ~ 52 %). Preto je význam vodíka v chemických procesoch prebiehajúcich na Zemi takmer taký veľký ako význam kyslíka. Na rozdiel od kyslíka, ktorý existuje na Zemi vo viazanom aj voľnom stave, je prakticky všetok vodík na Zemi vo forme zlúčenín; v atmosfére sa nachádza len veľmi malé množstvo vodíka vo forme jednoduchej látky (0,00005 % objemu).
Vodík je súčasťou takmer všetkých organických látok a je prítomný vo všetkých živých bunkách. V živých bunkách tvorí vodík podľa počtu atómov takmer 50 %.

Potvrdenie

Priemyselné spôsoby získavania jednoduchých látok závisia od formy, v ktorej sa príslušný prvok nachádza v prírode, teda čo môže byť surovinou na jeho výrobu. Takže kyslík, ktorý je dostupný vo voľnom stave, sa získava fyzikálnym spôsobom - izoláciou z tekutého vzduchu. Takmer všetok vodík je vo forme zlúčenín, preto sa na jeho získanie používajú chemické metódy. Môžu sa použiť najmä rozkladné reakcie. Jedným zo spôsobov výroby vodíka je reakcia rozkladu vody elektrickým prúdom.
Hlavnou priemyselnou metódou výroby vodíka je reakcia metánu, ktorý je súčasťou zemného plynu, s vodou. Vykonáva sa pri vysokej teplote:
CH 4 + 2 H 2 O \u003d CO 2 + 4 H 2 −165 kJ

Jednou z laboratórnych metód výroby vodíka, ktorá sa niekedy používa v priemysle, je rozklad vody elektrickým prúdom. Vodík sa zvyčajne vyrába v laboratóriu reakciou zinku s kyselinou chlorovodíkovou.