Predavanje 29

vodik. voda

Načrt predavanja:

voda Kemični in fizične lastnosti

Vloga vodika in vode v naravi

Vodik kot kemijski element

Vodik je edini element v periodnem sistemu D. I. Mendelejeva, katerega lokacija je dvoumna. Njegov kemijski simbol v periodnem sistemu je zapisan dvakrat: v skupini IA in VIIA. To je razloženo z dejstvom, da ima vodik številne lastnosti, ki ga združujejo tako z alkalijskimi kovinami kot s halogeni (tabela 14).

Tabela 14

Primerjava lastnosti vodika z lastnostmi alkalijskih kovin in halogenov

Podobnost alkalijskim kovinam	Podobnost s halogeni
Na zunanji energijski ravni vodikovi atomi vsebujejo en elektron. Vodik spada med s-elemente	Za dokončanje zunanje in edine ravni atomom vodika, tako kot atomom halogenov, manjka en elektron
Vodik ima redukcijske lastnosti. Zaradi oksidacije dobi vodik najpogostejše oksidacijsko stanje v svojih spojinah +1	Vodik ima tako kot halogeni v spojinah z alkalijskimi in zemeljskoalkalijskimi kovinami oksidacijsko stopnjo -1, kar potrjuje njegovo oksidativne lastnosti.
Predpostavlja se prisotnost trdnega vodika s kovinsko kristalno mrežo v vesolju.	Tako kot fluor in klor je vodik v normalnih pogojih plin. Njegove molekule so tako kot molekule halogenov dvoatomne in jih tvori kovalentna nepolarna vez.

V naravi vodik obstaja v obliki treh izotopov z masnimi števili 1, 2 in 3: protij 1 1 H, devterij 2 1 D in tritij 3 1 T. Prva dva sta stabilna izotopa, tretji pa je radioaktiven. V naravni mešanici izotopov prevladuje protij. Kvantitativna razmerja med izotopi H : D : T so 1 : 1,46 10 -5 : 4,00 10 -15 .

Spojine vodikovih izotopov se med seboj razlikujejo po lastnostih. Tako sta na primer vrelišče in zmrzišče lahke protijeve vode (H 2 O) 100 o C oziroma 0 o C, devterija (D 2 O) pa 101,4 o C in 3,8 o C. Hitrost reakcij, ki vključujejo lahko vodo, je višja od težke.

Vodik je najpogostejši element v vesolju – predstavlja približno 75 % mase vesolja oziroma več kot 90 % vseh njegovih atomov. Vodik je del vode v njeni najpomembnejši geološki lupini Zemlje – hidrosferi.

Vodik tvori skupaj z ogljikom vse organske snovi, torej je del žive lupine Zemlje - biosfere. V zemeljski skorji - litosferi - je masna vsebnost vodika le 0,88%, kar pomeni, da zaseda 9. mesto med vsemi elementi. Zračna ovojnica Zemlje – atmosfera vsebuje manj kot milijoninko celotne prostornine, ki jo je mogoče pripisati molekularnemu vodiku. Najdemo ga samo v zgornje plasti vzdušje.

Pridobivanje in uporaba vodika

Prvič so vodik pridobili v 16. stoletju srednjeveški zdravnik in alkimist Paracelsus, ko so železno ploščo potopili v žveplovo kislino, leta 1766 pa je angleški kemik Henry Cavendish dokazal, da vodik ne nastaja samo z interakcijo železa z žveplovo kislino, temveč tudi drugih kovin z drugimi kislinami. Cavendish je tudi prvič opisal lastnosti vodika.

IN laboratorij dobimo vodikove pogoje:

1. Interakcija kovin s kislino:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2. Interakcija alkalijskih in zemeljskoalkalijskih kovin z vodo

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

IN industrija vodik se proizvaja na naslednje načine:

1. Elektroliza vodnih raztopin soli, kislin in alkalij. Najpogosteje uporabljena solna raztopina je:

2NaCl + 2H 2 O →el. tok H 2 + Cl 2 + NaOH

2. Rekuperacija vodne pare z vročim koksom:

C + H 2 O → t CO + H 2

Nastala mešanica ogljikovega monoksida in vodika se imenuje vodni plin (sintezni plin), in se pogosto uporablja za sintezo različnih kemičnih izdelkov (amoniak, metanol itd.). Za sprostitev vodika iz vodnega plina se ogljikov monoksid pri segrevanju z vodno paro pretvori v ogljikov dioksid:

CO + H 2 → t CO 2 + H 2

3. Ogrevanje na metan v prisotnosti vodne pare in kisika. Ta metoda je trenutno glavna:

2CH 4 + O 2 + 2H 2 O → t 2CO 2 + 6H 2

Vodik se široko uporablja za:

1. industrijska sinteza amoniaka in vodikovega klorida;

2. pridobivanje metanola in sintetičnega tekočega goriva kot dela sinteznega plina (2 vol. vodika in 1 vol. CO);

3. hidrotretiranje in hidrokreking oljnih frakcij;

4. hidrogeniranje tekočih maščob;

5. rezanje in varjenje kovin;

6. pridobivanje volframa, molibdena in renija iz njihovih oksidov;

7. vesoljski motorji kot gorivo.

8. Termonuklearni reaktorji kot gorivo uporabljajo izotope vodika.

Fizično in Kemijske lastnosti vodik

Vodik je plin brez barve, okusa in vonja. Gostota pri n.o. 0,09 g/l (14-krat lažji od zraka). Vodik je slabo topen v vodi (samo 2 volumna plina na 100 volumnov vode), vendar ga dobro absorbirajo d-kovine - nikelj, platina, paladij (v enem volumnu paladija se raztopi do 900 volumnov vodika).

IN kemične reakcije Vodik ima redukcijske in oksidacijske lastnosti. Najpogosteje vodik deluje kot reducent.

1. Interakcija z nekovinami. Vodik tvori z nekovinami hlapne vodikove spojine (glej predavanje 25).

S halogeni hitrost reakcije in pogoji pretoka se spreminjajo od fluora do joda: vodik reagira s fluorom z eksplozijo tudi v temi, s klorom reakcija poteka precej mirno z malo svetlobnega obsevanja, z bromom in jodom sta reakciji reverzibilni in potekata le pri segrevanju:

H 2 + F 2 → 2HF

H 2 + Cl 2 → hν 2HCl

H 2 + I 2 → t 2HI

S kisikom in žveplov vodik reagira z rahlim segrevanjem. Mešanica kisika in vodika v razmerju 1:2 se imenuje eksploziven plin:

H 2 + O 2 → t H 2 O

H 2 + S → t H 2 S

Z dušikom, fosforjem in ogljikom reakcija poteka pri segrevanju, povišanem tlaku in v prisotnosti katalizatorja. Reakcije so 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 s kompleksnimi snovmi. Pri visokih temperaturah vodik reducira kovine iz njihovih oksidov:

CuO + H 2 → t Cu + H 2 O

3. pri interakcija z alkalijskimi in zemeljskoalkalijskimi kovinami Vodik ima oksidativne lastnosti:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

4. Interakcija z organskimi snovmi. Vodik aktivno sodeluje s številnimi organskimi snovmi, takšne reakcije imenujemo reakcije hidrogeniranja. Podobne reakcije bodo podrobneje obravnavane v III. delu zbirke "Organska kemija".

vodik

VODIK-A; m. Kemični element (H), lahek plin brez barve in vonja, ki v kombinaciji s kisikom tvori vodo.

◁ Vodik, th, th. V povezave. V bakterije. V-ta bomba(bomba ogromne rušilne moči, katere eksplozivni učinek temelji na termonuklearni reakciji). Vodikov, th, th.

vodik

(lat. Hydrogenium), kemijski element VII. skupine periodnega sistema. V naravi obstajata dva stabilna izotopa (protij in devterij) in en radioaktivni izotop (tritij). Molekula je dvoatomna (H 2). Plin brez barve in vonja; gostota 0,0899 g/l, t kip - 252,76°C. Kombinira se z mnogimi elementi, da tvori vodo s kisikom. Najpogostejši element v prostoru; sestavlja (v obliki plazme) več kot 70% mase Sonca in zvezd, glavni del plinov medzvezdnega medija in meglic. Atom vodika je del mnogih kislin in baz, večine organskih spojin. Uporabljajo se pri proizvodnji amoniaka, klorovodikove kisline, za hidrogeniranje maščob itd., pri varjenju in rezanju kovin. Obetavno kot gorivo (glej. Vodikova energija).

VODIK

VODIK (lat. Hydrogenium), H, kemični element z atomskim številom 1, atomska masa 1,00794. Kemijski simbol za vodik H se pri nas bere kot "pepel", kot se ta črka izgovarja v francoščini.
Naravni vodik je sestavljen iz zmesi dveh stabilnih nuklidov (cm. NUKLID) z masnima številoma 1,007825 (99,985 % v mešanici) in 2,0140 (0,015 %). Poleg tega so v naravnem vodiku vedno prisotne količine radioaktivnega nuklida tritija v sledovih. (cm. TRITIJ) 3 H (razpolovna doba T 1/2 12,43 leta). Ker jedro vodikovega atoma vsebuje samo 1 proton (v jedru atoma elementa ne more biti manj protonov), se včasih reče, da vodik tvori naravno spodnjo mejo periodičnega sistema elementov D. I. Mendelejeva (čeprav je element vodik sam po sebi na samem vrhu tabele). Element vodik se nahaja v prvi periodi periodnega sistema. Spada tudi v 1. skupino (skupina IA alkalijskih kovin (cm. ALKALNE KOVINE)), in v 7. skupino (skupina VIIA halogenov (cm. HALOGENI)).
Mase atomov v vodikovih izotopih se zelo razlikujejo (za nekajkrat). To vodi do opaznih razlik v njihovem obnašanju v fizikalnih procesih (destilacija, elektroliza itd.) in do nekaterih kemijskih razlik (razlike v obnašanju izotopov enega elementa imenujemo izotopski učinki; pri vodiku so najpomembnejši izotopski učinki). Zato imajo vodikovi izotopi za razliko od izotopov vseh drugih elementov posebne simbole in imena. Vodik z masnim številom 1 se imenuje lahki vodik ali protij (lat. Protium, iz grškega protos - prvi), označen s simbolom H, njegovo jedro pa se imenuje proton (cm. PROTON (elementarni delec), simbol r. Vodik z masnim številom 2 imenujemo težki vodik, devterij (cm. DEVTERIJ)(Latinsko devterij, iz grščine deuteros - drugi), za njegovo označevanje se uporabljajo simboli 2 H ali D (beri "de"), jedro d je devteron. Radioaktivni izotop z masnim številom 3 se imenuje supertežki vodik ali tritij (lat. Tritum, iz grškega tritosa - tretji), simbol 2 H ali T (beri "tisti"), jedro t je triton.
Konfiguracija enoelektronske plasti nevtralnega nevzbujenega vodikovega atoma 1 s 1 . V spojinah ima oksidacijska stanja +1 in redkeje -1 (valenca I). Polmer nevtralnega vodikovega atoma je 0,024 nm. Energija ionizacije atoma je 13,595 eV, afiniteta do elektrona je 0,75 eV. Po Paulingovi lestvici je elektronegativnost vodika 2,20. Vodik je ena od nekovin.
V prosti obliki je lahek, vnetljiv plin brez barve, vonja in okusa.
Zgodovina odkritij
Sproščanje gorljivega plina med interakcijo kislin in kovin je bilo opaženo v 16. in 17. stoletju na zori oblikovanja kemije kot znanosti. Slavni angleški fizik in kemik G. Cavendish (cm. Cavendish Henry) leta 1766 je raziskal ta plin in ga imenoval "gorljiv zrak". Pri gorenju je "gorljiv zrak" dal vodo, vendar je Cavendisheva zavezanost teoriji flogistona (cm. PHLOGISTON) preprečil, da bi naredil pravilne sklepe. Francoski kemik A. Lavoisier (cm. Lavoisier Antoine Laurent) skupaj z inženirjem J. Meunierjem (cm. MEUNIER Jean-Baptiste Marie Charles), s pomočjo posebnih plinometrov, je leta 1783 izvedel sintezo vode in nato njeno analizo, pri čemer je razgradil vodno paro z vročim železom. Tako je ugotovil, da je "gorljiv zrak" del vode in ga je mogoče pridobiti iz nje. Leta 1787 je Lavoisier prišel do zaključka, da je "gorljiv zrak" preprosta snov in zato spada med kemične elemente. Dal mu je ime hydrogene (iz grškega hydor - voda in gennao - roditi) - "rojevati vodo". Ugotovitev sestave vode je končala "teorijo flogistona". Rusko ime "vodik" je predlagal kemik M. F. Solovyov (cm. SOLOVJEV Mihail Fedorovič) leta 1824. Na prehodu iz 18. v 19. stoletje je bilo ugotovljeno, da je vodikov atom zelo lahek (v primerjavi z atomi drugih elementov), ​​zato je bila teža (masa) vodikovega atoma vzeta kot enota za primerjavo atomskih mas elementov. Masi vodikovega atoma smo pripisali vrednost, ki je enaka 1.
Biti v naravi
Vodik predstavlja približno 1% mase zemeljske skorje (10. mesto med vsemi elementi). Vodika v prosti obliki na našem planetu praktično nikoli ne najdemo (njegove sledi najdemo v zgornji atmosferi), je pa v sestavi vode razširjen skoraj povsod po Zemlji. Element vodik najdemo v organskih in anorganske spojineživi organizmi, zemeljski plin, nafta, premog. Vsebuje ga seveda v sestavi vode (približno 11 mas. %), v različnih naravnih kristalnih hidratih in mineralih, ki vsebujejo eno ali več OH hidrokso skupin.
Vodik kot element prevladuje v vesolju. Predstavlja približno polovico mase Sonca in drugih zvezd, prisoten je v atmosferi številnih planetov.
potrdilo o prejemu
Vodik je mogoče pridobiti na več načinov. V industriji se za to uporabljajo zemeljski plini, pa tudi plini, pridobljeni pri rafiniranju nafte, koksanju in uplinjanju premoga in drugih goriv. Pri proizvodnji vodika iz zemeljskega plina (glavna sestavina je metan) se izvaja njegova katalitična interakcija z vodno paro in nepopolna oksidacija s kisikom:
CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3H 2 in CH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO 2 + 2H 2
Ločevanje vodika iz koksarniškega in rafinerijskih plinov temelji na njihovem utekočinjenju pri globokem ohlajanju in odstranitvi iz mešanice plinov, ki se lažje utekočinijo kot vodik. V prisotnosti poceni električne energije se vodik pridobiva z elektrolizo vode, pri čemer tok poteka skozi raztopine alkalij. IN laboratorijske razmere vodik zlahka dobimo z reakcijo kovin s kislinami, kot je cink s klorovodikovo kislino.
Fizikalne in kemijske lastnosti
V normalnih pogojih je vodik lahek (gostota pri normalnih pogojih 0,0899 kg / m 3) brezbarven plin. Tališče -259,15 °C, vrelišče -252,7 °C. Tekoči vodik (pri vrelišču) ima gostoto 70,8 kg/m 3 in je najlažja tekočina. Standardni elektrodni potencial H 2 / H - in vodna raztopina vzamemo enako 0. Vodik je slabo topen v vodi: pri 0 ° C je topnost manjša od 0,02 cm 3 / ml, vendar je zelo topen v nekaterih kovinah (gobasto železo in drugi), še posebej dobro v kovinskem paladiju (približno 850 volumnov vodika v 1 volumnu kovine). Zgorevalna toplota vodika je 143,06 MJ/kg.
Obstaja v obliki dvoatomnih molekul H 2 . Konstanta disociacije H 2 na atome pri 300 K je 2,56 10 -34. Energija disociacije molekule H 2 na atome je 436 kJ/mol. Medjedrna razdalja v molekuli H 2 je 0,07414 nm.
Ker ima jedro vsakega atoma H, ki je del molekule, svoj spin (cm. ZAVRTI), potem je lahko molekularni vodik v dveh oblikah: v obliki ortovodika (o-H 2) (oba spina imata enako orientacijo) in v obliki paravodika (p-H 2) (spina imata različno orientacijo). V normalnih pogojih je normalni vodik zmes 75 % o-H 2 in 25 % p-H 2 . Fizikalne lastnosti p- in o-H 2 se med seboj nekoliko razlikujejo. Tako, če vrelišče čisti o-n 2 20,45 K torej čisti p-n 2 - 20,26 K. Vklopiti 2 v p-H 2 spremlja sproščanje 1418 J/mol toplote.
V znanstveni literaturi je bilo večkrat zapisano, da visoki pritiski(nad 10 GPa) in pri nizke temperature ax (približno 10 K in manj) se lahko trdni vodik, ki običajno kristalizira v heksagonalni mreži molekularnega tipa, spremeni v snov s kovinskimi lastnostmi, morda celo v superprevodnik. Vendar še vedno ni nedvoumnih podatkov o možnosti takšnega prehoda.
Visoka trdnost kemijske vezi med atomi v molekuli H 2 (kar je na primer z metodo molekularne orbite mogoče razložiti z dejstvom, da v tej molekuli elektronski par ki se nahaja na vezni orbitali in protivezna orbitala ni poseljena z elektroni) vodi do dejstva, da je plinasti vodik pri sobni temperaturi kemično neaktiven. Torej, brez segrevanja, s preprostim mešanjem, vodik reagira (z eksplozijo) samo s plinastim fluorom:
H 2 + F 2 \u003d 2HF + Q.
Če zmes vodika in klora pri sobni temperaturi obsevamo z ultravijolično svetlobo, opazimo takojšnjo tvorbo vodikovega klorida HCl. Reakcija vodika s kisikom se zgodi z eksplozijo, če v mešanico teh plinov vnesemo katalizator, kovinski paladij (ali platino). Pri vžigu nastane mešanica vodika in kisika (tako imenovan eksploziven plin (cm. EKSPLOZIVNI PLIN)) eksplodira, do eksplozije pa lahko pride v mešanicah, v katerih je vsebnost vodika od 5 do 95 volumenski odstotek. Čisti vodik v zraku ali v čistem kisiku tiho gori z razvojem veliko število toplota:
H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O + 285,75 kJ / mol
Če vodik medsebojno deluje z drugimi nekovinami in kovinami, potem le pod določenimi pogoji (segrevanje, visok krvni pritisk, prisotnost katalizatorja). Torej, vodik reverzibilno reagira z dušikom pri povišanem tlaku (20-30 MPa in več) in pri temperaturi 300-400 ° C v prisotnosti katalizatorja - železa:
3H 2 + N 2 = 2NH 3 + Q.
Tudi samo pri segrevanju vodik reagira z žveplom, da nastane vodikov sulfid H 2 S, z bromom - da nastane vodikov bromid HBr, z jodom - da nastane vodikov jodid HI. Vodik reagira s premogom (grafitom), da nastane mešanica ogljikovodikov različnih sestav. Vodik ne deluje neposredno z borom, silicijem in fosforjem, spojine teh elementov z vodikom se pridobivajo posredno.
Pri segrevanju vodik lahko reagira z alkalijskimi, zemeljskoalkalijskimi kovinami in magnezijem, da tvori spojine z ionsko vezjo, ki vsebujejo vodik v oksidacijskem stanju –1. Torej, ko se kalcij segreje v atmosferi vodika, nastane soli podoben hidrid s sestavo CaH 2. Polimerni aluminijev hidrid (AlH 3) x - eden najmočnejših reducentov - se pridobiva posredno (na primer z uporabo organoaluminijevih spojin). S številnimi prehodnimi kovinami (na primer cirkonijem, hafnijem itd.) vodik tvori spojine spremenljive sestave (trdne raztopine).
Vodik lahko reagira ne le s številnimi preprostimi, ampak tudi s kompleksnimi snovmi. Najprej je treba opozoriti na sposobnost vodika, da reducira številne kovine iz njihovih oksidov (kot so železo, nikelj, svinec, volfram, baker itd.). Torej, pri segrevanju na temperaturo 400-450 ° C in več, se železo reducira z vodikom iz katerega koli od njegovih oksidov, na primer:
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O.
Upoštevati je treba, da je mogoče samo kovine, ki se nahajajo v seriji standardnih potencialov onkraj mangana, reducirati iz oksidov z vodikom. Aktivnejše kovine (vključno z manganom) se ne reducirajo v kovino iz oksidov.
Vodik se lahko pridruži dvojni ali trojni vezi številnim organskim spojinam (to so tako imenovane reakcije hidrogeniranja). Na primer, v prisotnosti nikljevega katalizatorja lahko izvedemo hidrogeniranje etilena C 2 H 4 in nastane etan C 2 H 6:
C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6.
Medsebojno delovanje ogljikovega monoksida (II) in vodika v industriji proizvaja metanol:
2H 2 + CO \u003d CH 3 OH.
V spojinah, v katerih je atom vodika povezan z atomom bolj elektronegativnega elementa E (E = F, Cl, O, N), se med molekulami tvorijo vodikove vezi (cm. VODIKOVA VEZ)(dva atoma E istega ali dveh različnih elementov sta med seboj povezana preko atoma H: E "... N ... E"", in vsi trije atomi se nahajajo na isti ravni črti). Takšne vezi obstajajo med molekulami vode, amoniaka, metanola itd. in vodijo do opaznega povečanja vrelišč teh snovi, povečanja toplote izparevanja itd.
Aplikacija
Vodik se uporablja pri sintezi amoniaka NH 3, vodikovega klorida HCl, metanola CH 3 OH, pri hidrokrekingu (krekiranju v vodikovi atmosferi) naravnih ogljikovodikov, kot reducent pri proizvodnji nekaterih kovin. hidrogeniranje (cm. HIDROGENIRANJE) naravna rastlinska olja dobijo trdno maščobo – margarino. Tekoči vodik se uporablja kot raketno gorivo in tudi kot hladilno sredstvo. Pri varjenju se uporablja mešanica kisika in vodika.
Nekoč je bilo predlagano, da bo v bližnji prihodnosti glavni vir proizvodnje energije reakcija zgorevanja vodika, energija vodika pa bo nadomestila tradicionalne vire proizvodnje energije (premog, nafta itd.). Hkrati se je domnevalo, da bo za proizvodnjo vodika v velikem obsegu mogoče uporabiti elektrolizo vode. Elektroliza vode je precej energetsko intenziven proces in trenutno je nedonosno pridobivanje vodika z elektrolizo v industrijskem obsegu. Toda pričakovalo se je, da bo elektroliza temeljila na uporabi srednjetemperaturne (500-600 ° C) toplote, ki se med delovanjem jedrskih elektrarn pojavlja v velikih količinah. Ta toplota je omejeno uporabna, možnost pridobivanja vodika z njeno pomočjo pa bi rešila tako problem ekologije (pri zgorevanju vodika v zraku je količina nastalih okolju škodljivih snovi minimalna) kot problem izkoriščanja srednjetemperaturne toplote. Vendar pa je po černobilski katastrofi razvoj jedrske energije povsod okrnjen, tako da nakazani vir energije postane nedostopen. Zato se obeti za široko uporabo vodika kot vira energije še spreminjajo vsaj do sredine 21. stoletja.
Značilnosti kroženja
Vodik ni strupen, vendar je treba pri ravnanju z njim nenehno upoštevati njegovo visoko požarno in eksplozivno nevarnost, eksplozijska nevarnost vodika pa je povečana zaradi visoke sposobnosti difuzije plina tudi skozi nekatere trdne materiale. Preden začnete s kakršnimi koli postopki segrevanja v atmosferi vodika, se prepričajte, da je čista (pri vžigu vodika v epruveti, obrnjeni na glavo, mora biti zvok dolgočasen, ne pa lajati).
Biološka vloga
Biološki pomen vodika določa dejstvo, da je del molekul vode in vseh najpomembnejših skupin naravnih spojin, vključno z beljakovinami, nukleinskimi kislinami, lipidi in ogljikovimi hidrati. Približno 10 % mase živih organizmov je vodik. Sposobnost vodika, da tvori vodikovo vez, igra ključno vlogo pri ohranjanju prostorske kvartarne strukture proteinov, pa tudi pri izvajanju principa komplementarnosti. (cm. DOPOLNILO) pri konstrukciji in funkcijah nukleinskih kislin (torej pri shranjevanju in izvajanju genetske informacije), nasploh pri izvajanju »prepoznavanja« na molekularni ravni. Vodik (H + ion) sodeluje pri najpomembnejših dinamičnih procesih in reakcijah v telesu – pri biološki oksidaciji, ki živim celicam zagotavlja energijo, pri fotosintezi v rastlinah, pri biosinteznih reakcijah, pri fiksaciji dušika in bakterijski fotosintezi, pri vzdrževanju kislinsko-bazično ravnovesje in homeostazo (cm. homeostaza), v procesih membranski transport. Tako vodik skupaj s kisikom in ogljikom tvori strukturno in funkcionalno osnovo življenjskih pojavov.

enciklopedični slovar. 2009 .

Sopomenke:

Poglejte, kaj je "vodik" v drugih slovarjih:

Tabela nuklidov Splošne informacije Ime, simbol Vodik 4, 4H Nevtroni 3 Protoni 1 Lastnosti nuklida Atomska masa 4,027810 (110) ... Wikipedia

Preglednica nuklidov Splošne informacije Ime, simbol Vodik 5, 5H Nevtroni 4 Protoni 1 Lastnosti nuklida Atomska masa 5,035310 (110) ... Wikipedia

Preglednica nuklidov Splošne informacije Ime, simbol Vodik 6, 6H Nevtroni 5 Protoni 1 Lastnosti nuklida Atomska masa 6,044940 (280) ... Wikipedia

Tabela nuklidov Splošne informacije Ime, simbol Vodik 7, 7H Nevtroni 6 Protoni 1 Lastnosti nuklida Atomska masa 7,052750 (1080) ... Wikipedia

vodik- prvi kemični element periodnega sistema kemičnih elementov D.I. Mendelejev. Kemični element vodik se nahaja v prvi skupini, glavni podskupini, prvi periodi periodnega sistema.

Relativna atomska masa vodika = 1.

Vodik ima najpreprostejšo strukturo atoma, sestavljen je iz enega samega elektrona, ki se nahaja v jedrskem prostoru. Jedro vodikovega atoma je sestavljeno iz enega protona.

Vodikov atom lahko v kemijskih reakcijah odda in doda elektron, pri čemer nastaneta dve vrsti ionov:

H0 + 1ē → H1− H0 – 1ē → H1+.

vodik je najpogostejši element v vesolju. Predstavlja približno 88,6 % vseh atomov (približno 11,3 % je atomov helija, delež vseh ostalih elementov skupaj je približno 0,1 %). Tako je vodik glavna sestavina zvezd in medzvezdnega plina. V medzvezdnem prostoru ta element obstaja v obliki posameznih molekul, atomov in ionov ter lahko tvori molekularne oblake, ki se zelo razlikujejo po velikosti, gostoti in temperaturi.

Masni delež vodika v zemeljski skorji je 1%. Je deveti najpogostejši element. Vrednost vodika v kemični procesi ki se pojavlja na Zemlji, je skoraj tako velik kot kisik. Za razliko od kisika, ki obstaja na Zemlji v vezanem in prostem stanju, je skoraj ves vodik na Zemlji v obliki spojin; v ozračju najdemo le zelo majhno količino vodika v obliki enostavne snovi (0,00005 vol. % za suh zrak).

Vodik je sestavni del skoraj vseh organskih snovi in ​​je prisoten v vseh živih celicah.

Fizikalne lastnosti vodika

Preprosta snov, ki jo tvori kemični element vodik, ima molekularno strukturo. Njegova sestava ustreza formuli H2. Tako kot kemični element se tudi preprosta snov imenuje vodik.

vodik Je brezbarven plin, vonja in okusa, praktično netopen v vodi. Pri sobni temperaturi in normalni zračni tlak topnost je 18,8 ml plina na 1 liter vode.

vodik- najlažji plin, njegova gostota je 0,08987 g / l. Za primerjavo: gostota zraka je 1,3 g/l.

Vodik se lahko raztopi v kovinah v enem volumnu paladija se lahko na primer raztopi do 850 volumnov vodika. Zaradi izredno majhne velikosti molekul vodik lahko difundira skozi številne materiale.

Tako kot drugi plini tudi vodik pri nizkih temperaturah kondenzira v brezbarvno snov bistra tekočina, to se zgodi pri temperaturi 252,8 °C. Ko temperatura doseže -259,2°C, vodik kristalizira v obliki belih kristalov, podobnih snegu.

Za razliko od kisika vodik ne kaže alotropije.

Uporaba vodika

Vodik se uporablja v različne industrije industrija. Veliko vodika gre v proizvodnjo amoniaka (NH3). Iz amoniaka pridobivajo dušikova gnojila, sintetična vlakna in plastiko ter zdravila.

V prehrambeni industriji se vodik uporablja pri proizvodnji margarine, ki vsebuje trde maščobe. Da bi jih pridobili iz tekočih maščob, skozi njih prehaja vodik.

Ko vodik gori v kisiku, je temperatura plamena približno 2500°C. Pri tej temperaturi je mogoče taliti in variti ognjevarne kovine. Tako se vodik uporablja pri varjenju.

Kot raketno gorivo se uporablja mešanica tekočega vodika in kisika.

Trenutno so številne države začele raziskave o zamenjavi neobnovljivih virov energije (nafta, plin, premog) z vodikom. Pri zgorevanju vodika v kisiku nastane okolju prijazen produkt - voda in ne ogljikov dioksid povzroča učinek tople grede.

Znanstveniki kažejo, da je treba začeti sredi XXI stoletja masovna proizvodnja avtomobili na vodik. Veliko se bo uporabljal doma gorivne celice, katerega delo prav tako temelji na oksidaciji vodika s kisikom.

Konec 19. in v začetku 20. stoletja so ob zori dobe aeronavtike, napolnjene z vodikom Baloni, zračne ladje in balone, saj je veliko lažji od zraka. Vendar pa je obdobje zračnih ladij začelo hitro bledeti v preteklost po katastrofi, ki se je zgodila zračni ladji Hindenburg. 6. maj 1937 cepelin, napolnjen z vodikom, je zajel požar, zaradi česar je umrlo več deset potnikov.

Vodik je v določenih razmerjih s kisikom izjemno eksploziven. Neupoštevanje varnostnih predpisov je povzročilo vžig in eksplozijo zračne ladje.

• vodik- prvi kemični element periodnega sistema kemičnih elementov D.I. Mendelejev
• Vodik se nahaja v skupini I, glavni podskupini, periodi 1 periodnega sistema
• Valenca vodika v spojinah - I
• vodik Brezbarven plin, brez vonja in okusa, praktično netopen v vodi
• vodik- najlažji plin
• Tekoči in trdni vodik nastajata pri nizkih temperaturah
• Vodik se lahko raztopi v kovinah
• Uporaba vodika je raznolika

vodik - poseben element, ki zaseda dve celici hkrati v periodnem sistemu Mendelejeva. Nahaja se v dveh skupinah elementov z nasprotnimi lastnostmi, zaradi česar je edinstven. Vodik je enostavna snov in sestavni del veliko kompleksnih spojin, je organogen in biogen element. Vredno se je podrobno seznaniti z njegovimi glavnimi lastnostmi in lastnostmi.

Vodik v periodnem sistemu Mendelejeva

Glavne lastnosti vodika so navedene v:

• serijska številka element - 1 (obstaja enako število protonov in elektronov);
• atomska masa je 1,00795;
• vodik ima tri izotope, od katerih ima vsak posebne lastnosti;
• zaradi vsebnosti samo enega elektrona lahko vodik izkazuje redukcijske in oksidacijske lastnosti, po donaciji elektrona pa ima vodik prosto orbitalo, ki sodeluje pri tvorbi kemičnih vezi po donorsko-akceptorskem mehanizmu;
• vodik je lahek element z nizko gostoto;
• vodik je močno redukcijsko sredstvo, odpira skupino alkalijskih kovin v prvi skupini glavne podskupine;
• ko vodik reagira s kovinami in drugimi močnimi redukcijskimi sredstvi, sprejme njihov elektron in postane oksidant. Take spojine imenujemo hidridi. Glede na navedeno lastnost vodik pogojno spada v skupino halogenov (v tabeli je podan nad fluorom v oklepaju), s katerimi ima podobnosti.

Vodik kot enostavna snov

Vodik je plin, katerega molekula je sestavljena iz dveh. To snov je leta 1766 odkril britanski znanstvenik Henry Cavendish. Dokazal je, da je vodik plin, ki ob interakciji s kisikom eksplodira. Po študiju vodika so kemiki ugotovili, da je ta snov najlažja od vseh znanih človeku.

Drugi znanstvenik, Lavoisier, je elementu dal ime "hidrogenij", kar v latinščini pomeni "roditi vodo". Leta 1781 je Henry Cavendish dokazal, da je voda kombinacija kisika in vodika. Z drugimi besedami, voda je produkt reakcije vodika s kisikom. Gorljive lastnosti vodika so poznali že starodavni znanstveniki: ustrezne zapise je zapustil Paracelsus, ki je živel v 16. stoletju.

Molekularni vodik je naravno prisotna plinasta spojina, ki je običajna v naravi in ​​je sestavljena iz dveh atomov in ko se dvigne goreč drobec. Molekula vodika lahko razpade na atome, ki se spremenijo v helijeva jedra, saj lahko sodelujejo v jedrskih reakcijah. Takšni procesi se redno dogajajo v vesolju in na Soncu.

Vodik in njegove fizikalne lastnosti

Vodik ima naslednje fizikalne parametre:

• vre pri -252,76 °C;
• tali se pri -259,14 °C; *v navedenih temperaturnih mejah je vodik tekočina brez vonja in barve;
• vodik je slabo topen v vodi;
• vodik lahko teoretično preide v kovinsko stanje, če ga zagotovimo posebni pogoji(nizke temperature in visok tlak);
• čisti vodik je eksplozivna in gorljiva snov;
• vodik lahko difundira skozi debelino kovin, zato se v njih dobro raztopi;
• vodik je 14,5-krat lažji od zraka;
• pri visokem tlaku lahko dobimo snegu podobne kristale trdnega vodika.

Kemijske lastnosti vodika

Laboratorijske metode:

• interakcija razredčenih kislin z aktivnimi kovinami in kovinami srednje aktivnosti;
• hidroliza kovinskih hidridov;
• reakcija z vodo alkalijskih in zemeljskoalkalijskih kovin.

Vodikove spojine:

Vodikovi halogenidi; hlapne vodikove spojine nekovin; hidridi; hidroksidi; vodikov hidroksid (voda); vodikov peroksid; organske spojine(beljakovine, maščobe, ogljikovi hidrati, vitamini, lipidi, esencialna olja, hormoni). Kliknite za ogled varnih poskusov o preučevanju lastnosti beljakovin, maščob in ogljikovih hidratov.

Če želite zbrati nastali vodik, morate epruveto držati obrnjeno na glavo. Vodika ni mogoče zbirati kot ogljikov dioksid, ker je veliko lažji od zraka. Vodik hitro izhlapi, v mešanici z zrakom (ali v veliki akumulaciji) pa eksplodira. Zato je potrebno cev obrniti. Takoj po polnjenju se tuba zapre z gumijastim zamaškom.

Če želite preveriti čistost vodika, morate na vrat epruvete prinesti prižgano vžigalico. Če pride do gluhega in tihega poka, je plin čist, nečistoče zraka pa minimalne. Če je pok glasen in žvižga, je plin v epruveti umazan, vsebuje velik delež tuje komponente.

Pozor! Ne poskušajte sami ponoviti teh poskusov!

Vodik je v drugi polovici 18. stoletja odkril angleški znanstvenik s področja fizike in kemije G. Cavendish. Uspelo mu je izolirati snov v čistem stanju, jo začel proučevati in opisal njene lastnosti.

Takšna je zgodovina odkritja vodika. Med poskusi je raziskovalec ugotovil, da gre za vnetljiv plin, katerega zgorevanje v zraku daje vodo. To je vodilo do določitve kvalitativne sestave vode.

Kaj je vodik

Vodik kot preprosto snov je prvi razglasil francoski kemik A. Lavoisier leta 1784, saj je ugotovil, da njegova molekula vsebuje istovrstne atome.

Ime kemičnega elementa v latinščini zveni kot hidrogenij (beri "hidrogenij"), kar pomeni "roditi vodo". Ime se nanaša na reakcijo zgorevanja, ki proizvaja vodo.

Karakterizacija vodika

Oznaka vodika je N. Mendeleev dodelil to kemični element prvo zaporedno številko, ki jo uvršča v glavno podskupino prve skupine in prvo obdobje ter pogojno v glavno podskupino sedme skupine.

Atomska teža (atomska masa) vodika je 1,00797. Molekulska masa H 2 je enako 2 a. e. Molska masa ji je številčno enaka.

Predstavljajo ga trije izotopi s posebnim imenom: najpogostejši protij (H), težki devterij (D) in radioaktivni tritij (T).

Je prvi element, ki ga je mogoče popolnoma ločiti na izotope. na preprost način. Temelji na veliki masni razliki izotopov. Postopek je bil prvič izveden leta 1933. To je razloženo z dejstvom, da je bil šele leta 1932 odkrit izotop z maso 2.

Fizične lastnosti

V normalnih pogojih je preprosta snov vodik v obliki dvoatomnih molekul plin, brez barve, brez okusa in vonja. Rahlo topen v vodi in drugih topilih.

Temperatura kristalizacije - 259,2 o C, vrelišče - 252,8 o C. Premer vodikovih molekul je tako majhen, da imajo sposobnost počasne difuzije skozi številne materiale (gumo, steklo, kovine). Ta lastnost se uporablja, ko je potrebno očistiti vodik iz plinastih nečistoč. Pri n. l. vodik ima gostoto 0,09 kg/m3.

Ali je mogoče vodik pretvoriti v kovino po analogiji z elementi, ki se nahajajo v prvi skupini? Znanstveniki so ugotovili, da vodik pod pogoji, ko se tlak približa 2 milijonom atmosfer, začne absorbirati infrardeče žarke, kar kaže na polarizacijo molekul snovi. Morda bo pri še višjih pritiskih vodik postal kovina.

To je zanimivo: obstaja domneva, da je na velikanskih planetih, Jupitru in Saturnu, vodik v obliki kovine. Predvideva se, da je kovinski trdni vodik prisoten tudi v sestavi zemeljskega jedra, zaradi ultravisokega tlaka, ki ga ustvarja zemeljski plašč.

Kemijske lastnosti

Tako preproste kot kompleksne snovi vstopijo v kemijsko interakcijo z vodikom. Toda nizko aktivnost vodika je treba povečati z ustvarjanjem ustreznih pogojev - zvišanjem temperature, uporabo katalizatorjev itd.

Pri segrevanju enostavne snovi, kot so kisik (O 2), klor (Cl 2), dušik (N 2), žveplo (S), reagirajo z vodikom.

Če na koncu plinske cevi v zraku zažgete čisti vodik, bo gorel enakomerno, a komaj opazno. Če postavimo odzračevalna cev v atmosfero čistega kisika, potem se bo gorenje nadaljevalo s tvorbo vodnih kapljic na stenah posode, kar je posledica reakcije:

Zgorevanje vode spremlja sproščanje velike količine toplote. To je eksotermna sestavljena reakcija, pri kateri vodik oksidira kisik, da nastane oksid H 2 O. Je tudi redoks reakcija, pri kateri se vodik oksidira in kisik reducira.

Podobno pride do reakcije s Cl 2 s tvorbo vodikovega klorida.

Interakcija dušika z vodikom zahteva visoko temperaturo in visok tlak ter prisotnost katalizatorja. Rezultat je amoniak.

Kot posledica reakcije z žveplom nastane vodikov sulfid, katerega prepoznavanje olajša značilen vonj po gnilih jajcih.

Oksidacijsko stanje vodika v teh reakcijah je +1, v spodaj opisanih hidridih pa 1.

Pri reakciji z nekaterimi kovinami nastanejo hidridi, na primer natrijev hidrid - NaH. Nekatere od teh kompleksnih spojin se uporabljajo kot gorivo za rakete, pa tudi v fuzijski energiji.

Vodik reagira tudi s snovmi iz kategorije kompleksov. Na primer, z bakrovim (II) oksidom, formula CuO. Za izvedbo reakcije se bakrov vodik spusti preko segretega praškastega bakrovega (II) oksida. Med interakcijo reagent spremeni barvo in postane rdeče-rjav, kapljice vode pa se usedejo na hladne stene epruvete.

Med reakcijo vodik oksidira v vodo, baker pa se iz oksida reducira v preprosto snov (Cu).

Področja uporabe

Vodik ima velik pomen za ljudi in najde uporabo na različnih področjih:

1. V kemični industriji so to surovine, v drugih industrijah pa gorivo. Ne gre brez vodika in podjetij petrokemije in rafiniranja nafte.
2. V elektroenergetiki ta preprosta snov deluje kot hladilno sredstvo.
3. V črni in barvni metalurgiji igra vodik vlogo reducenta.
4. S to pomočjo se ustvari inertno okolje pri pakiranju izdelkov.
5. Farmacevtska industrija uporablja vodik kot reagent pri proizvodnji vodikovega peroksida.
6. S tem lahkim plinom so napolnjene meteorološke sonde.
7. Ta element je znan tudi kot redukcijsko sredstvo za gorivo za raketne motorje.

Znanstveniki soglasno napovedujejo, da bo vodikovo gorivo vodilno v energetskem sektorju.

Prejem v industriji

V industriji se vodik proizvaja z elektrolizo, ki je izpostavljena kloridom ali hidroksidom alkalijskih kovin, raztopljenih v vodi. Na ta način je mogoče pridobivati ​​vodik tudi neposredno iz vode.

V ta namen se uporablja pretvorba koksa ali metana s paro. Razgradnja metana pri povišana temperatura daje tudi vodik. Utekočinjenje koksarniškega plina po frakcijski metodi se uporablja tudi za industrijsko proizvodnjo vodika.

Pridobivanje v laboratoriju

V laboratoriju se za pridobivanje vodika uporablja Kippov aparat.

Klorovodikova ali žveplova kislina in cink delujeta kot reagent. Kot rezultat reakcije nastane vodik.

Iskanje vodika v naravi

Vodik je najpogostejši element v vesolju. Glavnina zvezd, vključno s Soncem in drugimi vesoljskimi telesi, je vodik.

V zemeljski skorji ga je le 0,15 %. Prisoten je v številnih mineralih, v vseh organska snov, kot tudi v vodi, ki pokriva 3/4 površine našega planeta.

V zgornji atmosferi je mogoče najti sledi vodika čista oblika. Najdemo ga tudi v številnih gorljivih naravnih plinih.

Plinasti vodik je najtanjši, tekoči vodik pa najgostejša snov na našem planetu. S pomočjo vodika lahko spremenite tember glasu, če ga vdihnete, in govorite, ko izdihnete.

Najmočnejša vodikova bomba temelji na razcepu najlažjega atoma.