Prednáška 29
Vodík. Voda
Plán prednášok:
Voda. Chemické a fyzikálne vlastnosti
Úloha vodíka a vody v prírode
Vodík ako chemický prvok
Vodík je jediným prvkom v periodickom systéme D. I. Mendelejeva, ktorého umiestnenie je nejednoznačné. Jeho chemický symbol v periodickej tabuľke je zaznamenaný dvakrát: v skupinách IA aj VIIA. Vysvetľuje to skutočnosť, že vodík má množstvo vlastností, ktoré ho spájajú s alkalickými kovmi aj halogénmi (tabuľka 14).
Tabuľka 14
Porovnanie vlastností vodíka s vlastnosťami alkalických kovov a halogénov
| Podobnosť s alkalickými kovmi | Podobnosť s halogénmi |
| Na vonkajšej energetickej úrovni obsahujú atómy vodíka jeden elektrón. Vodík patrí medzi s-prvky | Na dokončenie vonkajšej a jedinej úrovne atómom vodíka, podobne ako atómom halogénu, chýba jeden elektrón |
| Vodík má redukčné vlastnosti. V dôsledku oxidácie získava vodík vo svojich zlúčeninách najbežnejší oxidačný stav +1 | Vodík, podobne ako halogény, v zlúčeninách s alkalickými kovmi a kovmi alkalických zemín má oxidačný stav -1, čo potvrdzuje jeho oxidačné vlastnosti. |
| Predpokladá sa prítomnosť tuhého vodíka s kovovou kryštálovou mriežkou v priestore. | Rovnako ako fluór a chlór je vodík za normálnych podmienok plyn. Jeho molekuly, podobne ako molekuly halogénov, sú dvojatómové a sú tvorené kovalentnou nepolárnou väzbou |
V prírode existuje vodík vo forme troch izotopov s hmotnostnými číslami 1, 2 a 3: protium 1 1 H, deutérium 2 1 D a trícium 3 1 T. Prvé dva sú stabilné izotopy a tretí je rádioaktívny. V prírodnej zmesi izotopov dominuje protium. Kvantitatívne pomery medzi izotopmi H:D:T sú 1:1,46 10-5 : 4,00 10-15.
Zlúčeniny izotopov vodíka sa navzájom líšia vlastnosťami. Takže napríklad body varu a mrazu ľahkej protium vody (H 2 O) sú - 100 o C a 0 o C a deutéria (D 2 O) - 101,4 o C a 3,8 o C. miera za účasti ľahkej vody je vyššia ako ťažkej vody.
Vodík je najbežnejším prvkom vo vesmíre – tvorí asi 75 % hmotnosti vesmíru alebo viac ako 90 % všetkých jeho atómov. Vodík je súčasťou vody v jej najdôležitejšom geologickom obale Zeme – hydrosfére.
Vodík tvorí spolu s uhlíkom všetky organické látky, to znamená, že je súčasťou živej škrupiny Zeme – biosféry. V zemskej kôre - litosfére - je hmotnostný obsah vodíka iba 0,88%, t.j. zaberá 9. miesto medzi všetkými prvkami. Vzduchový obal Zeme – atmosféra obsahuje menej ako milióntinu celkového objemu pripadajúceho na molekulárny vodík. Nachádza sa iba v horné vrstvy atmosféru.
Získavanie a používanie vodíka
Vodík bol prvýkrát získaný v 16. storočí stredoveký lekár a alchymista Paracelsus, keď bola železná platňa ponorená do kyseliny sírovej a v roku 1766 anglický chemik Henry Cavendish dokázal, že vodík sa nezískava len interakciou železa s kyselinou sírovou, ale aj iných kovov s inými kyselinami. Cavendish tiež prvýkrát opísal vlastnosti vodíka.
IN laboratórium vodíkové podmienky sa získajú:
1. Interakcia kovov s kyselinou:
Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2
2. Interakcia alkalických kovov a kovov alkalických zemín s vodou
2Na + 2H20 -> 2NaOH + H2
Ca + 2H20 -> Ca (OH)2 + H2
IN priemyslu vodík sa vyrába nasledujúcimi spôsobmi:
1. Elektrolýza vodných roztokov solí, kyselín a zásad. Najčastejšie používaným soľným roztokom je:
2NaCl + 2H20 ->el. prúd H2 + Cl2 + NaOH
2. Rekuperácia vodnej pary rozžeraveným koksom:
C + H20 -> tCO + H2
Výsledná zmes oxidu uhoľnatého a vodíka sa nazýva vodný plyn (syntetický plyn), a je široko používaný na syntézu rôznych chemických produktov (amoniak, metanol atď.). Na uvoľnenie vodíka z vodného plynu sa oxid uhoľnatý pri zahrievaní vodnou parou premieňa na oxid uhličitý:
CO + H2 -> tC02 + H2
3. Vykurovanie metánom v prítomnosti vodnej pary a kyslíka. Táto metóda je v súčasnosti hlavná:
2CH4+02 + 2H20 → t2CO2 + 6H2
Vodík sa široko používa na:
1. priemyselná syntéza amoniaku a chlorovodíka;
2. získanie metanolu a syntetického kvapalného paliva ako súčasti syntézneho plynu (2 objemy vodíka a 1 objem CO);
3. hydrorafinácia a hydrokrakovanie ropných frakcií;
4. hydrogenácia tekutých tukov;
5. rezanie a zváranie kovov;
6. získavanie volfrámu, molybdénu a rénia z ich oxidov;
7. vesmírne motory ako palivo.
8. Termonukleárne reaktory využívajú ako palivo izotopy vodíka.
Fyzické a Chemické vlastnosti vodík
Vodík je bezfarebný plyn bez chuti a zápachu. Hustota pri n.o. 0,09 g/l (14-krát ľahší ako vzduch). Vodík je slabo rozpustný vo vode (iba 2 objemy plynu na 100 objemov vody), ale dobre ho absorbujú d-kovy - nikel, platina, paládium (v jednom objeme paládia je rozpustených až 900 objemov vodíka).
IN chemické reakcie Vodík má redukčné aj oxidačné vlastnosti. Najčastejšie vodík pôsobí ako redukčné činidlo.
1. Interakcia s nekovmi. Vodík tvorí s nekovmi prchavé zlúčeniny vodíka (pozri prednášku 25).
S halogénmi rýchlosť reakcie a prietokové podmienky sa menia z fluóru na jód: vodík reaguje s fluórom výbuchom aj v tme, s chlórom prebieha reakcia celkom pokojne s malým ožiarením svetlom, s brómom a jódom sú reakcie vratné a prebiehajú len pri zahriatí:
H2 + F2 -> 2HF
H2 + Cl2 -> hv2HCl
H2 + I2 → t2HI
S kyslíkom a sírový vodík reaguje s miernym zahriatím. Nazýva sa zmes kyslíka a vodíka v pomere 1:2 výbušný plyn:
H2+02 ->tH20
H2 + S → t H2S
S dusíkom, fosforom a uhlíkom reakcia prebieha za zahrievania, zvýšeného tlaku a v prítomnosti katalyzátora. Reakcie sú reverzibilné:
3H2 + N2 -> kat., p, t2NH3
2H2 + 3P -> kat., p, t3PH 3
H2 + C → kat., p, t CH 4
2. Interakcia s komplexnými látkami. Pri vysokých teplotách vodík redukuje kovy z ich oxidov:
CuO + H2 -> tCu + H20
3. O interakcia s alkalickými kovmi a kovmi alkalických zemín Vodík má oxidačné vlastnosti:
2Na + H2 -> 2NaH
Ca + H2 -> CaH2
4. Interakcia s organickými látkami. Vodík aktívne interaguje s mnohými organickými látkami, takéto reakcie sa nazývajú hydrogenačné reakcie. Podobné reakcie budú podrobnejšie zvážené v časti III zbierky "Organická chémia".
Vodík
VODÍK-A; m. Chemický prvok (H), ľahký, bezfarebný plyn bez zápachu, ktorý sa spája s kyslíkom a vytvára vodu.
◁ Vodík, th, th. V pripojenia. V baktérie. V-tá bomba(bomba obrovskej ničivej sily, ktorej výbušný účinok je založený na termonukleárnej reakcii). Vodíkový, th, th.
vodík(lat. Hydrogenium), chemický prvok VII. skupiny periodickej sústavy. V prírode existujú dva stabilné izotopy (protium a deutérium) a jeden rádioaktívny izotop (trícium). Molekula je dvojatómová (H 2). Bezfarebný plyn bez zápachu; hustota 0,0899 g/l, t kip - 252,76 °C. Spája sa s mnohými prvkami a vytvára vodu s kyslíkom. Najbežnejší prvok vo vesmíre; tvorí (vo forme plazmy) viac ako 70 % hmotnosti Slnka a hviezd, hlavnej časti plynov medzihviezdneho prostredia a hmlovín. Atóm vodíka je súčasťou mnohých kyselín a zásad, väčšiny organických zlúčenín. Používajú sa pri výrobe amoniaku, kyseliny chlorovodíkovej, na hydrogenáciu tukov atď., pri zváraní a rezaní kovov. Sľubný ako palivo (viď. Energia vodíka).
VODÍKVODÍK (lat. Hydrogenium), H, chemický prvok s atómovým číslom 1, atómová hmotnosť 1,00794. Chemický symbol vodíka H sa u nás číta ako „popol“, keďže toto písmeno sa vyslovuje vo francúzštine.
Prírodný vodík pozostáva zo zmesi dvoch stabilných nuklidov (cm. NUKLID) s hmotnostnými číslami 1,007825 (99,985 % v zmesi) a 2,0140 (0,015 %). Okrem toho sú v prírodnom vodíku vždy prítomné stopové množstvá rádioaktívneho nuklidu, trícia. (cm. TRITIUM) 3 H (polčas T 1/2 12,43 rokov). Keďže jadro atómu vodíka obsahuje iba 1 protón (v jadre atómu nemôže byť menej protónov), niekedy sa hovorí, že vodík tvorí prirodzenú spodnú hranicu periodickej sústavy prvkov D. I. Mendelejeva (hoci prvok vodík sa nachádza v najvyššej časti tabuliek). Prvok vodík sa nachádza v prvej perióde periodickej tabuľky. Patrí tiež do 1. skupiny (skupina IA alkalických kovov (cm. ALKALICKÉ KOVY)) a do 7. skupiny (skupina VIIA halogénov (cm. HALOGÉNY)).
Hmotnosti atómov v izotopoch vodíka sa značne líšia (niekoľkokrát). To vedie k badateľným rozdielom v ich správaní pri fyzikálnych procesoch (destilácia, elektrolýza a pod.) a k určitým chemickým rozdielom (rozdiely v správaní izotopov jedného prvku sa nazývajú izotopové efekty, u vodíka sú najvýznamnejšie izotopové efekty). Preto na rozdiel od izotopov všetkých ostatných prvkov majú izotopy vodíka špeciálne symboly a názvy. Vodík s hmotnostným číslom 1 sa nazýva ľahký vodík, alebo protium (lat. Protium, z gréckeho protos – prvý), označuje sa symbolom H a jeho jadro sa nazýva protón (cm. PROTON (elementárna častica)), symbol r. Vodík s hmotnostným číslom 2 sa nazýva ťažký vodík, deutérium (cm. DEUTÉRIUM)(lat. Deuterium, z gréčtiny deuteros - druhý), na jeho označenie sa používajú symboly 2 H, alebo D (čítaj "de"), jadro d je deuterón. Rádioaktívny izotop s hmotnostným číslom 3 sa nazýva superťažký vodík alebo trícium (lat. Tritum, z gréckeho tritos - tretí), symbol 2 H alebo T (čítaj "tie"), jadro t je tritón.
Konfigurácia jednej elektrónovej vrstvy neutrálneho nevybudeného atómu vodíka 1 s 1
. V zlúčeninách vykazuje oxidačné stavy +1 a menej často -1 (valencia I). Polomer neutrálneho atómu vodíka je 0,024 nm. Ionizačná energia atómu je 13,595 eV, elektrónová afinita je 0,75 eV. Na Paulingovej stupnici je elektronegativita vodíka 2,20. Vodík patrí medzi nekovy.
Vo voľnej forme je to ľahký, horľavý plyn bez farby, zápachu a chuti.
História objavov
Uvoľňovanie horľavého plynu pri interakcii kyselín a kovov bolo pozorované v 16. a 17. storočí na úsvite formovania chémie ako vedy. Slávny anglický fyzik a chemik G. Cavendish (cm. Cavendish Henry) v roku 1766 tento plyn skúmal a nazval ho „horľavým vzduchom“. Keď sa spálil, "horľavý vzduch" dal vodu, ale Cavendishovo priľnutie k teórii flogistónu (cm. PHLOGISTÓN) mu zabránil vyvodiť správne závery. Francúzsky chemik A. Lavoisier (cm. Lavoisier Antoine Laurent) spolu s inžinierom J. Meunierom (cm. MEUNIER Jean-Baptiste Marie Charles), pomocou špeciálnych plynomerov, v roku 1783 uskutočnil syntézu vody a následne jej analýzu, rozklad vodnej pary rozžeraveným železom. Zistil teda, že „horľavý vzduch“ je súčasťou vody a dá sa z nej získať. V roku 1787 Lavoisier dospel k záveru, že „horľavý vzduch“ je jednoduchá látka, a preto patrí do počtu chemických prvkov. Dal jej názov vodík (z gréckeho hydor – voda a gennao – porodiť) – „rodiť vodu“. Stanovenie zloženia vody ukončilo „teóriu flogistónov“. Ruský názov „vodík“ navrhol chemik M.F. Solovyov (cm. SOLOVIEV Michail Fedorovič) v roku 1824. Na prelome 18. a 19. storočia sa zistilo, že atóm vodíka je veľmi ľahký (v porovnaní s atómami iných prvkov) a hmotnosť (hmotnosť) atómu vodíka bola braná ako jednotka na porovnanie. atómové hmotnosti prvkov. Hmotnosť atómu vodíka bola priradená hodnote rovnajúcej sa 1.
Byť v prírode
Vodík tvorí asi 1 % hmotnosti zemskej kôry (10. miesto medzi všetkými prvkami). Vodík sa na našej planéte prakticky nikdy nenachádza vo voľnej forme (jeho stopy sa nachádzajú v hornej atmosfére), ale v zložení vody je distribuovaný takmer všade na Zemi. Prvok vodík sa nachádza v organických a anorganické zlúčeninyživé organizmy, zemný plyn, ropa, uhlie. Je obsiahnutý samozrejme v zložení vody (okolo 11 % hm.), v rôznych prírodných kryštalických hydrátoch a mineráloch, ktoré obsahujú jednu alebo viac OH hydroxoskupín.
Vodík ako prvok dominuje vesmíru. Predstavuje asi polovicu hmotnosti Slnka a iných hviezd, je prítomný v atmosfére množstva planét.
Potvrdenie
Vodík sa dá získať mnohými spôsobmi. V priemysle sa na to využívajú zemné plyny, ale aj plyny získané z rafinácie ropy, koksovania a splyňovania uhlia a iných palív. Pri výrobe vodíka zo zemného plynu (hlavnou zložkou je metán) sa uskutočňuje jeho katalytická interakcia s vodnou parou a neúplná oxidácia kyslíkom:
CH4 + H20 \u003d CO + 3H2 a CH4 + 1/2 O2 \u003d CO2 + 2H2
Separácia vodíka z koksárenského plynu a rafinérskych plynov je založená na ich skvapalnení pri hlbokom ochladzovaní a odstránení plynov, ktoré sú ľahšie skvapalnené ako vodík, zo zmesi. V prítomnosti lacnej elektriny sa vodík získava elektrolýzou vody, prechádzajúc prúdom cez alkalické roztoky. IN laboratórne podmienky vodík sa ľahko získava reakciou kovov s kyselinami, ako je zinok s kyselinou chlorovodíkovou.
Fyzikálne a chemické vlastnosti
Za normálnych podmienok je vodík ľahký (hustota za normálnych podmienok 0,0899 kg/m 3) bezfarebný plyn. Teplota topenia -259,15 °C, teplota varu -252,7 °C. Kvapalný vodík (v bode varu) má hustotu 70,8 kg/m 3 a je najľahšou kvapalinou. Štandardný elektródový potenciál H 2 / H - in vodný roztok braný rovný 0. Vodík je slabo rozpustný vo vode: pri 0 °C je rozpustnosť menšia ako 0,02 cm 3 / ml, ale je vysoko rozpustný v niektorých kovoch (železná huba a iné), obzvlášť dobre v kovovom paládiu (asi 850 objemov vodíka v 1 objeme kovu). Spalné teplo vodíka je 143,06 MJ/kg.
Existuje vo forme dvojatómových molekúl H2. Disociačná konštanta H2 na atómy pri 300 K je 2,56 10 -34. Disociačná energia molekuly H 2 na atómy je 436 kJ/mol. Medzijadrová vzdialenosť v molekule H2 je 0,07414 nm.
Keďže jadro každého atómu H, ktorý je súčasťou molekuly, má svoj vlastný spin (cm. SPIN), potom môže byť molekulárny vodík v dvoch formách: vo forme ortovodíka (o-H 2) (obe spiny majú rovnakú orientáciu) a vo forme paravodíka (p-H 2) (spiny majú rôzne orientácie). Za normálnych podmienok je normálny vodík zmesou 75 % o-H2 a 25 % p-H2. Fyzikálne vlastnosti p- a o-H2 sa navzájom mierne líšia. Ak teda bod varu čisté o-n 2 20,45 K, potom čisté p-n 2 – 20,26 K. Zapínanie 2 v p-H 2 je sprevádzané uvoľňovaním 1418 J/mol tepla.
Vo vedeckej literatúre sa opakovane tvrdilo, že vysoké tlaky(nad 10 GPa) a pri nízke teploty ax (asi 10 K a menej), pevný vodík, ktorý zvyčajne kryštalizuje v hexagonálnej mriežke molekulového typu, sa môže premeniť na látku s kovovými vlastnosťami, možno dokonca na supravodič. Stále však neexistujú jednoznačné údaje o možnosti takéhoto prechodu.
Vysoká pevnosť chemickej väzby medzi atómami v molekule H 2 (ktorú napr. pri použití molekulárnej orbitálnej metódy možno vysvetliť tým, že v tejto molekule elektrónový pár nachádza na väzbovom orbitále a antiväzbový orbitál nie je osídlený elektrónmi) vedie k tomu, že pri izbovej teplote je plynný vodík chemicky neaktívny. Takže bez zahrievania, s jednoduchým miešaním, vodík reaguje (s výbuchom) iba s plynným fluórom:
H2 + F2 \u003d 2HF + Q.
Ak sa zmes vodíka a chlóru pri teplote miestnosti ožiari ultrafialovým svetlom, pozoruje sa okamžitá tvorba chlorovodíka HCl. Reakcia vodíka s kyslíkom nastáva s výbuchom, ak sa do zmesi týchto plynov zavedie katalyzátor, kovové paládium (alebo platina). Pri vznietení vzniká zmes vodíka a kyslíka (tzv. výbušný plyn (cm. VÝBUŠNÝ PLYN)) exploduje a k výbuchu môže dôjsť v zmesiach, v ktorých je obsah vodíka od 5 do 95 objemové percentá. Čistý vodík vo vzduchu alebo v čistom kyslíku ticho horí s uvoľňovaním Vysoké číslo teplo:
H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O + 285,75 kJ / mol
Ak vodík interaguje s inými nekovmi a kovmi, potom iba za určitých podmienok (zahrievanie, vysoký krvný tlak prítomnosť katalyzátora). Takže vodík reverzibilne reaguje s dusíkom pri zvýšenom tlaku (20-30 MPa a viac) a pri teplote 300-400 ° C v prítomnosti katalyzátora - železa:
3H2 + N2 = 2NH3 + Q.
Tiež len pri zahrievaní vodík reaguje so sírou za vzniku sírovodíka H 2 S, s brómom - za vzniku bromovodíka HBr, s jódom - za vzniku jodovodíka HI. Vodík reaguje s uhlím (grafitom) za vzniku zmesi uhľovodíkov rôzneho zloženia. Vodík neinteraguje priamo s bórom, kremíkom a fosforom, zlúčeniny týchto prvkov s vodíkom sa získavajú nepriamo.
Pri zahrievaní je vodík schopný reagovať s alkalickými kovmi, kovmi alkalických zemín a horčíkom za vzniku zlúčenín s charakterom iónovej väzby, ktoré obsahujú vodík v oxidačnom stave –1. Takže keď sa vápnik zahrieva vo vodíkovej atmosfére, vytvorí sa hydrid podobný soli so zložením CaH2. Polymérny hydrid hlinitý (AlH 3) x - jedno z najsilnejších redukčných činidiel - sa získava nepriamo (napríklad pomocou organohlinitých zlúčenín). S mnohými prechodnými kovmi (napríklad zirkónium, hafnium atď.) vodík vytvára zlúčeniny rôzneho zloženia (tuhé roztoky).
Vodík je schopný reagovať nielen s mnohými jednoduchými, ale aj zložitými látkami. V prvom rade si treba uvedomiť schopnosť vodíka redukovať mnohé kovy z ich oxidov (ako je železo, nikel, olovo, volfrám, meď atď.). Takže pri zahrievaní na teplotu 400-450 ° C a vyššiu sa železo redukuje vodíkom z ktoréhokoľvek z jeho oxidov, napríklad:
Fe203 + 3H2 \u003d 2Fe + 3H20.
Treba poznamenať, že iba kovy nachádzajúce sa v sérii štandardných potenciálov za mangánom môžu byť redukované z oxidov vodíkom. Aktívnejšie kovy (vrátane mangánu) sa z oxidov neredukujú na kov.
Vodík je schopný pridať dvojitú alebo trojitú väzbu k mnohým organickým zlúčeninám (ide o tzv. hydrogenačné reakcie). Napríklad v prítomnosti niklového katalyzátora sa môže uskutočniť hydrogenácia etylénu C2H4 a vznikne etán C2H6:
C2H4 + H2 \u003d C2H6.
Interakciou oxidu uhoľnatého (II) a vodíka v priemysle vzniká metanol:
2H2 + CO \u003d CH30H.
V zlúčeninách, v ktorých je atóm vodíka spojený s atómom elektronegatívnejšieho prvku E (E = F, Cl, O, N), sa medzi molekulami vytvárajú vodíkové väzby. (cm. VODÍKOVÁ VÄZBA)(dva atómy E rovnakého alebo dvoch rôznych prvkov sú vzájomne prepojené prostredníctvom atómu H: E "... N ... E"" a všetky tri atómy sú umiestnené na rovnakej priamke. Takéto väzby existujú medzi molekulami vody, čpavku, metanolu atď. a vedú k výraznému zvýšeniu teploty varu týchto látok, zvýšeniu výparného tepla atď.
Aplikácia
Vodík sa používa pri syntéze amoniaku NH 3, chlorovodíka HCl, metanolu CH 3 OH, pri hydrokrakovaní (krakovanie vo vodíkovej atmosfére) prírodných uhľovodíkov, ako redukčné činidlo pri výrobe niektorých kovov. hydrogenácia (cm. HYDROGENÁCIA) prírodné rastlinné oleje získajú tuhý tuk - margarín. Kvapalný vodík nachádza využitie ako raketové palivo a tiež ako chladivo. Pri zváraní sa používa zmes kyslíka a vodíka.
Kedysi sa predpokladalo, že v blízkej budúcnosti bude hlavným zdrojom výroby energie reakcia spaľovania vodíka a vodíková energia nahradí tradičné zdroje výroby energie (uhlie, ropa atď.). Zároveň sa predpokladalo, že na výrobu vodíka vo veľkom bude možné využiť elektrolýzu vody. Elektrolýza vody je dosť energeticky náročný proces a v súčasnosti je nerentabilné získavať vodík elektrolýzou v priemyselnom meradle. Očakávalo sa však, že elektrolýza bude založená na využití strednoteplotného (500-600 °C) tepla, ktoré sa vo veľkom množstve vyskytuje pri prevádzke jadrových elektrární. Toto teplo má obmedzené využitie a možnosť získavania vodíka s jeho pomocou by vyriešila ako problém ekológie (pri spaľovaní vodíka na vzduchu vzniká minimálne množstvo látok škodlivých pre životné prostredie), tak aj problém využitia strednoteplotných teplo. Po černobyľskej katastrofe je však rozvoj jadrovej energie všade obmedzený, takže uvedený zdroj energie sa stáva nedostupným. Preto sa vyhliadky na široké využitie vodíka ako zdroja energie stále posúvajú minimálne do polovice 21. storočia.
Vlastnosti obehu
Vodík nie je jedovatý, ale pri manipulácii s ním treba neustále počítať s jeho vysokým nebezpečenstvom požiaru a výbuchu a nebezpečenstvo výbuchu vodíka sa zvyšuje vďaka vysokej schopnosti plynu difundovať aj cez niektoré pevné materiály. Pred začatím akýchkoľvek vykurovacích operácií vo vodíkovej atmosfére by ste sa mali uistiť, že je čistá (pri zapálení vodíka v skúmavke otočenej hore dnom by zvuk mal byť tlmený, nie štekať).
Biologická úloha
Biologický význam vodíka je určený skutočnosťou, že je súčasťou molekúl vody a všetkých najdôležitejších skupín prírodných zlúčenín, vrátane bielkovín, nukleových kyselín, lipidov a uhľohydrátov. Približne 10 % hmotnosti živých organizmov tvorí vodík. Schopnosť vodíka vytvárať vodíkovú väzbu zohráva kľúčovú úlohu pri udržiavaní priestorovej kvartérnej štruktúry proteínov, ako aj pri implementácii princípu komplementarity. (cm. DOPLŇUJÚCE) v konštrukcii a funkciách nukleových kyselín (čiže v ukladaní a realizácii genetickej informácie), vo všeobecnosti v realizácii „rozpoznania“ na molekulárnej úrovni. Vodík (H + ión) sa podieľa na najdôležitejších dynamických procesoch a reakciách v organizme - na biologickej oxidácii, ktorá dodáva živým bunkám energiu, na fotosyntéze v rastlinách, na biosyntetických reakciách, na fixácii dusíka a bakteriálnej fotosyntéze, na udržiavaní acidobázickej rovnováhy a homeostázy (cm. homeostáza), v procesoch membránový transport. Vodík teda spolu s kyslíkom a uhlíkom tvorí štrukturálny a funkčný základ javov života.
encyklopedický slovník. 2009 .
Synonymá:Pozrite sa, čo je „vodík“ v iných slovníkoch:
Tabuľka nuklidov Všeobecné informácie Názov, symbol Vodík 4, 4H Neutróny 3 Protóny 1 Vlastnosti nuklidov Atómová hmotnosť 4,027810 (110) ... Wikipedia
Tabuľka nuklidov Všeobecné informácie Názov, značka Vodík 5, 5H Neutróny 4 Protóny 1 Vlastnosti nuklidov Atómová hmotnosť 5,035310 (110) ... Wikipedia
Tabuľka nuklidov Všeobecné informácie Názov, značka Vodík 6, 6H Neutróny 5 Protóny 1 Vlastnosti nuklidov Atómová hmotnosť 6,044940 (280) ... Wikipedia
Tabuľka nuklidov Všeobecné informácie Názov, značka Vodík 7, 7H Neutróny 6 Protóny 1 Vlastnosti nuklidov Atómová hmotnosť 7,052750 (1080) ... Wikipedia
Vodík- prvý chemický prvok Periodickej tabuľky chemických prvkov D.I. Mendelejev. Chemický prvok vodík sa nachádza v prvej skupine, hlavnej podskupine, prvej perióde periodickej sústavy.
Relatívna atómová hmotnosť vodíka = 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 %). Vodík je teda hlavnou zložkou hviezd a medzihviezdneho plynu. V medzihviezdnom priestore tento prvok existuje vo forme jednotlivých molekúl, atómov a iónov a môže vytvárať molekulárne oblaky, ktoré sa značne líšia veľkosťou, hustotou a teplotou.
Hmotnostný podiel vodíka v zemskej kôre je 1%. Je to deviaty najbežnejší prvok. Hodnota vodíka v chemické procesy vyskytujúce sa na Zemi je takmer taký veľký ako kyslík. Na rozdiel od kyslíka, ktorý existuje na Zemi vo viazanom aj voľnom stave, takmer všetok vodík na Zemi je vo forme zlúčenín; len veľmi malé množstvo vodíka vo forme jednoduchej látky sa nachádza v atmosfére (0,00005 % objemu pre suchý vzduch).
Vodík je súčasťou takmer všetkých organických látok 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 pri nízkych teplotách 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. Doma bude široko používaný palivové články, ktorej práca je tiež založená 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 neoddeliteľnou súčasťou 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:
- sériové číslo prvok - 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 horiaca úlomka zdvihne. 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 vysokom tlaku 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!
Vodík objavil v druhej polovici 18. storočia anglický vedec v oblasti fyziky a chémie G. Cavendish. Podarilo sa mu izolovať látku v čistom stave, začal ju študovať a opísal jej vlastnosti.
Taká je história objavu vodíka. Počas experimentov výskumník zistil, že ide o horľavý plyn, ktorého spaľovaním na vzduchu vzniká voda. To viedlo k stanoveniu kvalitatívneho zloženia vody.
Čo je vodík
Vodík ako jednoduchú látku prvýkrát vyhlásil francúzsky chemik A. Lavoisier v roku 1784, keďže zistil, že jeho molekula obsahuje atómy rovnakého typu.
Názov chemického prvku v latinčine znie ako hydrogenium (čítaj „hydrogenium“), čo znamená „zrodenie vody“. Názov sa vzťahuje na spaľovaciu reakciu, pri ktorej vzniká voda.
Charakterizácia vodíka
Označenie vodíka N. Mendelejev priradil toto chemický prvok prvé poradové číslo, pričom sa umiestni do hlavnej podskupiny prvej skupiny a prvej periódy a podmienečne do hlavnej podskupiny siedmej skupiny.
Atómová hmotnosť (atómová hmotnosť) vodíka je 1,00797. Molekulová hmotnosť H2 sa rovná 2a. e) Molárna hmotnosť sa jej číselne rovná.
Predstavujú ho tri izotopy so špeciálnym názvom: najbežnejšie protium (H), ťažké deutérium (D) a rádioaktívne trícium (T).
Je to prvý prvok, ktorý možno úplne rozdeliť na izotopy. jednoduchým spôsobom. Je založená na veľkom hmotnostnom rozdiele izotopov. Tento proces sa prvýkrát uskutočnil v roku 1933. Vysvetľuje to skutočnosť, že až v roku 1932 bol objavený izotop s hmotnosťou 2.
Fyzikálne vlastnosti
Za normálnych podmienok je jednoduchá látka vodík vo forme dvojatómových molekúl plyn, bez farby, ktorý nemá chuť ani vôňu. Mierne rozpustný vo vode a iných rozpúšťadlách.
Teplota kryštalizácie - 259,2 o C, bod varu - 252,8 o C. Priemer molekúl vodíka je taký malý, že majú schopnosť pomaly difundovať cez množstvo materiálov (guma, sklo, kovy). Táto vlastnosť sa používa, keď je potrebné vyčistiť vodík od plynných nečistôt. Na n. r. vodík má hustotu 0,09 kg/m3.
Je možné premeniť vodík na kov analogicky s prvkami nachádzajúcich sa v prvej skupine? Vedci zistili, že vodík v podmienkach, keď sa tlak blíži k 2 miliónom atmosfér, začne absorbovať infračervené lúče, čo naznačuje polarizáciu molekúl látky. Možno pri ešte vyšších tlakoch sa vodík stane kovom.
Toto je zaujímavé: existuje predpoklad, že na obrovských planétach Jupiter a Saturn je vodík vo forme kovu. Predpokladá sa, že kovový pevný vodík je prítomný aj v zložení zemského jadra, a to v dôsledku ultravysokého tlaku vytváraného zemským plášťom.
Chemické vlastnosti
Jednoduché aj zložité látky vstupujú do chemickej interakcie s vodíkom. Nízku aktivitu vodíka je ale potrebné zvýšiť vytvorením vhodných podmienok – zvýšením teploty, použitím katalyzátorov atď.
Pri zahrievaní jednoduché látky ako kyslík (O 2), chlór (Cl 2), dusík (N 2), síra (S) reagujú s vodíkom.
Ak zapálite čistý vodík na konci plynovej trubice vo vzduchu, bude horieť rovnomerne, ale sotva postrehnuteľne. Ak umiestnime odvzdušňovacia trubica do atmosféry čistého kyslíka, potom bude spaľovanie pokračovať s tvorbou kvapiek vody na stenách nádoby v dôsledku reakcie:
Spaľovanie vody je sprevádzané uvoľňovaním veľkého množstva tepla. Ide o exotermickú zlúčeninu, pri ktorej sa vodík oxiduje kyslíkom za vzniku oxidu H 2 O. Je to tiež redoxná reakcia, pri ktorej sa oxiduje vodík a redukuje sa kyslík.
Podobne prebieha reakcia s Cl2 za vzniku chlorovodíka.
Interakcia dusíka s vodíkom vyžaduje vysokú teplotu a vysoký tlak, ako aj prítomnosť katalyzátora. Výsledkom je amoniak.
V dôsledku reakcie so sírou vzniká sírovodík, ktorého rozpoznanie uľahčuje charakteristický zápach zhnitých vajec.
Oxidačný stav vodíka v týchto reakciách je +1 a v hydridoch opísaných nižšie je 1.
Pri reakcii s niektorými kovmi vznikajú hydridy, napríklad hydrid sodný - NaH. Niektoré z týchto komplexných zlúčenín sa používajú ako palivo pre rakety, ako aj pri fúznej energii.
Vodík reaguje aj s látkami z kategórie komplexov. Napríklad s oxidom meďnatým má vzorec CuO. Na uskutočnenie reakcie sa vodík medi vedie cez zahriaty práškový oxid meďnatý (II). V priebehu interakcie činidlo mení svoju farbu a stáva sa červenohnedým a kvapôčky vody sa usadzujú na studených stenách skúmavky.
Počas reakcie sa vodík oxiduje za vzniku vody a meď sa redukuje z oxidu na jednoduchú látku (Cu).
Oblasti použitia
Vodík má veľký význam pre ľudí a nachádza uplatnenie v rôznych oblastiach:
- V chemickom priemysle sú to suroviny, v iných odvetviach palivo. Nezaobídete sa bez vodíka a podnikov petrochémie a rafinácie ropy.
- V elektroenergetike táto jednoduchá látka pôsobí ako chladivo.
- V železnej a neželeznej metalurgii hrá vodík úlohu redukčného činidla.
- S touto pomocou sa pri balení produktov vytvára inertné prostredie.
- Farmaceutický priemysel používa vodík ako činidlo pri výrobe peroxidu vodíka.
- Meteorologické sondy sú naplnené týmto svetelným plynom.
- Tento prvok je tiež známy ako činidlo na redukciu paliva pre raketové motory.
Vedci jednomyseľne predpovedajú, že vodíkové palivo bude lídrom v energetickom sektore.
Príjem v priemysle
V priemysle sa vodík vyrába elektrolýzou, ktorá podlieha chloridom alebo hydroxidom alkalických kovov rozpusteným vo vode. Vodík je možné získať aj týmto spôsobom priamo z vody.
Na tento účel sa využíva premena koksu alebo metánu s parou. Rozklad metánu pri zvýšená teplota dáva tiež vodík. Na priemyselnú výrobu vodíka sa využíva aj skvapalňovanie koksárenského plynu frakčnou metódou.
Získanie v laboratóriu
V laboratóriu sa na výrobu vodíka používa Kippov prístroj.
Kyselina chlorovodíková alebo sírová a zinok pôsobia ako činidlá. Výsledkom reakcie je vznik vodíka.
Nájdenie vodíka v prírode
Vodík je najbežnejším prvkom vo vesmíre. Prevažná časť hviezd vrátane Slnka a iných kozmických telies je vodík.
V zemskej kôre je ho len 0,15 %. Je prítomný v mnohých mineráloch, vo všetkých organickej hmoty, ako aj vo vode pokrývajúcej 3/4 povrchu našej planéty.
V hornej atmosfére možno nájsť stopy vodíka čistej forme. Nachádza sa aj v množstve horľavých zemných plynov.
Plynný vodík je najtenší a kvapalný vodík je najhustejšia látka na našej planéte. Pomocou vodíka môžete zmeniť farbu hlasu, ak ho vdýchnete, a hovoriť pri výdychu.
Najsilnejšia vodíková bomba je založená na štiepení najľahšieho atómu.
