Chemické vlastnosti vodíkovej reakcie. Chemické vlastnosti vodíka: vlastnosti a aplikácie. Vodík v minerálnych zlúčeninách

V periodickej tabuľke má svoje určité miesto polohy, ktoré odráža vlastnosti, ktoré prejavuje, a hovorí o jeho elektronickej štruktúre. Medzi všetkými však existuje jeden špeciálny atóm, ktorý zaberá dve bunky naraz. Nachádza sa v dvoch skupinách prvkov, ktoré sú z hľadiska prejavených vlastností úplne opačné. Toto je vodík. Vďaka týmto vlastnostiam je jedinečný.

Vodík nie je len prvok, ale aj jednoduchá látka, ako aj súčasť mnohých komplexných zlúčenín, biogénneho a organogénneho prvku. Preto budeme podrobnejšie zvažovať jeho vlastnosti a vlastnosti.

Vodík ako chemický prvok

Vodík je prvkom prvej skupiny hlavnej podskupiny, ako aj siedmej skupiny hlavnej podskupiny v prvom malom období. Toto obdobie pozostáva iba z dvoch atómov: hélia a prvku, o ktorom uvažujeme. Popíšeme hlavné črty polohy vodíka v periodickej tabuľke.

1. Radový počet vodíka je 1, počet elektrónov je rovnaký, respektíve počet protónov je rovnaký. Atómová hmotnosť je 1,00795. Existujú tri izotopy tohto prvku s hmotnostnými číslami 1, 2, 3. Vlastnosti každého z nich sú však veľmi odlišné, pretože zvýšenie hmotnosti vodíka dokonca o jeden je okamžite dvojnásobné.
2. Skutočnosť, že zvonka obsahuje iba jeden elektrón, mu umožňuje úspešne vykazovať oxidačné aj redukčné vlastnosti. Navyše po uvoľnení elektrónu má voľný orbitál, ktorý sa podieľa na tvorbe chemické väzby mechanizmom darca-akceptor.
3. Vodík je silné redukčné činidlo. Preto je jeho hlavné miesto považované za prvú skupinu hlavnej podskupiny, kde na jej čele stoja najaktívnejšie kovy - zásady.
4. Pri interakcii so silnými redukčnými činidlami, akými sú napríklad kovy, však môže ísť aj o oxidačné činidlo, ktoré prijíma elektrón. Tieto zlúčeniny sa nazývajú hydridy. Na tomto základe stojí na čele podskupiny halogénov, s ktorou je podobný.
5. Vzhľadom na veľmi malú atómovú hmotnosť je vodík považovaný za najľahší prvok. Navyše je jeho hustota tiež veľmi nízka, takže je to tiež meradlo ľahkosti.

Je teda zrejmé, že atóm vodíka je na rozdiel od všetkých ostatných prvkov úplne jedinečný. V dôsledku toho sú jeho vlastnosti tiež špeciálne a tvarované sú jednoduché a komplexné látky veľmi dôležité. Pozrime sa na ne ďalej.

Jednoduchá látka

Ak hovoríme o tomto prvku ako o molekule, potom treba povedať, že je dvojatómový. To znamená, že vodík (jednoduchá látka) je plyn. Jeho empirický vzorec bude zapísaný ako H 2 a jeho grafický vzorec-prostredníctvom jediného sigma-vzťahu H-H. Mechanizmus vzniku väzby medzi atómami je kovalentný nepolárny.

1. Konverzia metánu parou.
2. Splyňovanie uhlia - proces zahŕňa zahrievanie uhlia na 1 000 0 C, čo vedie k tvorbe vodíka a uhlia s vysokým obsahom uhlíka.
3. Elektrolýza. Túto metódu je možné použiť iba pre vodné roztoky rôznych solí, pretože taveniny nevedú k vypúšťaniu vody na katóde.

Laboratórne metódy získanie vodíka:

1. Hydrolýza hydridov kovov.
2. Pôsobenie zriedených kyselín na aktívne kovy a stredná aktivita.
3. Interakcia alkalických kovov a kovov alkalických zemín s vodou.

Na zachytenie vytvoreného vodíka musí byť trubica držaná hore dnom. Tento plyn predsa nemôže byť zachytávaný rovnako ako napríklad oxid uhličitý. Toto je vodík, je oveľa ľahší ako vzduch. Rýchlo sa odparuje a po zmiešaní so vzduchom exploduje vo veľkom množstve. Preto by mala byť trubica obrátená. Po naplnení musí byť uzavretý gumovou zátkou.

Na kontrolu čistoty zozbieraného vodíka by ste mali priniesť zapálenú zápalku na krk. Ak je bavlna nudná a tichá, potom je plyn čistý s minimálnymi nečistotami zo vzduchu. Ak je hlasný a pískajúci, je špinavý, s veľkým podielom cudzích zložiek.

Oblasti použitia

Pri spaľovaní vodíka sa uvoľní toľko energie (tepla), že tento plyn je považovaný za najziskovejšie palivo. Navyše je šetrný k životnému prostrediu. K dnešnému dňu je však jeho aplikácia v tejto oblasti obmedzená. Je to spôsobené nedomyslenými a nevyriešenými problémami syntézy čistého vodíka, ktorý by bol vhodný na použitie ako palivo v reaktoroch, motoroch a prenosných zariadeniach, ako aj na vykurovacie kotly v obytných budovách.

Koniec koncov, metódy získavania tohto plynu sú dosť drahé, preto je najskôr potrebné vyvinúť špeciálnu syntéznu metódu. Ten, ktorý vám umožní získať produkt vo veľkom množstve a za minimálne náklady.

Existuje niekoľko hlavných oblastí, v ktorých plyn, o ktorom uvažujeme, nachádza uplatnenie.

1. Chemické syntézy. Hydrogenáciou sa vyrábajú mydlá, margaríny a plasty. Za účasti vodíka sa syntetizuje metanol a amoniak, ako aj ďalšie zlúčeniny.
2. V potravinárskom priemysle - ako prísada E949.
3. Letecký priemysel (raketa, konštrukcia lietadiel).
4. Energetika.
5. Meteorológia.
6. Palivo šetrné k životnému prostrediu.

Vodík je očividne rovnako dôležitý ako v prírode. Ešte väčšiu úlohu zohrávajú rôzne zlúčeniny, ktoré tvoria.

Zlúčeniny vodíka

Ide o komplexné látky obsahujúce atómy vodíka. Existuje niekoľko hlavných typov takýchto látok.

1. Halogenidy vodíka. Obecný vzorec je HHal. Zvlášť dôležitý je medzi nimi chlorovodík. Je to plyn, ktorý sa rozpúšťa vo vode za vzniku roztoku kyseliny chlorovodíkovej. Táto kyselina je široko používaná takmer vo všetkých chemických syntézach. A to organických aj anorganických. Chlorovodík je zlúčenina s empirickým vzorcom HCL a je každoročne jednou z najväčších v produkcii v našej krajine. Halogenidy vodíka tiež zahrnujú jodovodík, fluorovodík a bromovodík. Všetky tvoria zodpovedajúce kyseliny.
2. Prchavé látky Takmer všetky sú dosť jedovaté plyny. Napríklad sírovodík, metán, silán, fosfín a ďalšie. Navyše je veľmi horľavý.
3. Hydridy sú zlúčeniny s kovmi. Patria do triedy solí.
4. Hydroxidy: zásady, kyseliny a amfotérne zlúčeniny. Obsahujú nevyhnutne jeden alebo viac atómov vodíka. Príklad: NaOH, K 2, H 2 SO 4 a ďalšie.
5. Hydroxid vodíka. Táto zlúčenina je lepšie známa ako voda. Iný názov pre oxid vodíka. Empirický vzorec vyzerá takto - H 2 O.
6. Peroxid vodíka. Je to najsilnejšie oxidačné činidlo, ktorého vzorec je Н 2 О 2.
7. Početné Organické zlúčeniny: uhľovodíky, bielkoviny, tuky, lipidy, vitamíny, hormóny, éterické oleje a ďalšie.

Je zrejmé, že rozmanitosť zlúčenín prvku, ktorý zvažujeme, je veľmi veľká. To opäť potvrdzuje jeho vysoký význam pre prírodu a človeka, ako aj pre všetky živé bytosti.

je najlepšie rozpúšťadlo

Ako je uvedené vyššie, všeobecný názov tejto látky je voda. Pozostáva z dvoch atómov vodíka a jedného kyslíka spojených kovalentne polárne väzby... Molekula vody je dipól, čo vysvetľuje mnohé z jej vlastností. Je to predovšetkým univerzálne rozpúšťadlo.

Práve vo vodnom prostredí prebiehajú takmer všetky chemické procesy. Vnútorné reakcie plastického a energetického metabolizmu v živých organizmoch sa vykonávajú aj pomocou oxidu vodíka.

Voda je považovaná za najdôležitejšiu látku na planéte. Je známe, že bez neho nemôže žiť žiadny živý organizmus. Na Zemi je schopný existovať v troch stavoch agregácie:

• kvapalina;
• plyn (para);
• tuhá látka (ľad).

V závislosti od izotopu vodíka, ktorý je súčasťou molekuly, existujú tri druhy vody.

1. Ľahké alebo protium. Izotop s hmotnostným číslom 1. Vzorec - H 2 O. Toto je bežná forma, ktorú používajú všetky organizmy.
2. Deutérium alebo ťažké, jeho vzorec je D 2 O. Obsahuje izotop 2 H.
3. Super ťažké alebo trícium. Vzorec vyzerá ako T 3 O, izotop je 3 N.

Zásoby čerstvej vody protia na planéte sú veľmi dôležité. Už teraz v mnohých krajinách chýba. Vyvíjajú sa metódy úpravy slanej vody na získavanie pitnej vody.

Peroxid vodíka je všestranný liek

Táto zlúčenina, ako je uvedené vyššie, je vynikajúcim oxidačným činidlom. So silnými predstaviteľmi sa však môže správať aj ako reštaurátor. Okrem toho má výrazný baktericídny účinok.

Ďalším názvom tejto zlúčeniny je peroxid. Práve v tejto forme sa používa v medicíne. 3% roztok kryštalického hydrátu príslušnej zlúčeniny je lekársky liek, ktorý sa používa na liečbu malých rán s cieľom ich dezinfekcie. Je však dokázané, že v tomto prípade sa hojenie rán časom zvyšuje.

Peroxid vodíka sa používa aj v raketovom palive, v priemysle na dezinfekciu a bielenie ako peniace činidlo na získanie vhodných materiálov (napríklad pena). Peroxid navyše pomáha čistiť akváriá, odfarbovať vlasy a bieliť zuby. Súčasne však poškodzuje tkanivá, preto ho odborníci na tieto účely neodporúčajú.

• Označenie - H (vodík);
• Latinský názov - Hydrogenium;
• Obdobie - I;
• Skupina - 1 (Ia);
• Atómová hmotnosť - 1,00794;
• Atómové číslo - 1;
• Polomer atómu = 53 hodín;
• Kovalentný polomer = 32 pm;
• Distribúcia elektrónov - 1s 1;
• teplota topenia = -259,14 ° C;
• teplota varu = -252,87 ° C;
• Elektronegativita (Pauling / Alpred a Rohov) = 2,02 / -;
• Oxidačný stav: +1; 0; -1;
• Hustota (n. At.) = 0,0000899 g / cm3;
• Molárny objem = 14,1 cm3 / mol.

Binárne zlúčeniny vodíka s kyslíkom:

Vodík („rodiaci vodu“) objavil anglický vedec G. Cavendish v roku 1766. Je to najjednoduchší prvok v prírode - atóm vodíka má jadro a jeden elektrón, čo je pravdepodobne dôvod, prečo je vodík najrozšírenejším prvkom vo vesmíre (tvorí viac ako polovicu hmotnosti väčšiny hviezd).

O vodíku môžeme povedať, že „cievka je malá, ale drahá“. Napriek svojej „jednoduchosti“ vodík dodáva energiu všetkému živému na Zemi - na Slnku prebieha kontinuálna termonukleárna reakcia, počas ktorej sa zo štyroch atómov vodíka vytvorí jeden atóm hélia, tento proces sprevádzané uvoľnením kolosálneho množstva energie (podrobnejšie informácie nájdete v časti Nuclear Fusion).

V. zemská kôra hmotnostný podiel vodíka je iba 0,15%. Medzitým je zdrvujúci počet (95%) všetkých známych na Zemi chemické látky obsahujú jeden alebo viac atómov vodíka.

V zlúčeninách s nekovmi (HCl, H 2 O, CH 4 ...) vodík odovzdáva svoj jediný elektrón elektronegatívnejším prvkom, vykazuje oxidačný stav +1 (častejšie), pričom vytvára iba kovalentné väzby (pozri kovalentné väzba).

V zlúčeninách s kovmi (NaH, CaH 2 ...) naopak vodík vezme ďalší elektrón na svoj jediný s-orbitál, čím sa pokúša dokončiť svoj elektronická vrstva, vykazujúci oxidačný stav -1 (menej často), častejšie tvorí iónovú väzbu (pozri Iónová väzba), pretože rozdiel v elektronegativite atómu vodíka a atómu kovu môže byť dosť veľký.

H 2

V plynnom stave je vodík vo forme dvojatómových molekúl a vytvára nepolárnu kovalentnú väzbu.

Molekuly vodíka majú:

• veľká mobilita;
• veľká trvanlivosť;
• nízka polarizovateľnosť;
• malá veľkosť a hmotnosť.

Vlastnosti plynného vodíka:

• najľahší plyn v prírode, bezfarebný a bez zápachu;
• slabo rozpustný vo vode a organických rozpúšťadlách;
• v malých množstvách sa rozpúšťa v kvapalných a pevných kovoch (najmä v platine a paládiu);
• ťažko skvapalnený (kvôli jeho nízkej polarizovateľnosti);
• má najvyššiu tepelnú vodivosť zo všetkých známych plynov;
• po zahriatí reaguje s mnohými nekovmi a ukazuje vlastnosti redukčného činidla;
• pri izbovej teplote reaguje s fluórom (nastáva výbuch): H 2 + F 2 = 2HF;
• reaguje s kovmi za vzniku hydridov, pričom vykazuje oxidačné vlastnosti: H2 + Ca = CaH2;

V zlúčeninách vodík prejavuje svoje redukčné vlastnosti oveľa silnejšie ako oxidačné. Vodík je po uhlí, hliníku a vápniku najsilnejším redukčným činidlom. Redukčné vlastnosti vodíka sa v priemysle široko používajú na výrobu kovov a nekovov (jednoduchých látok) z oxidov a glidov.

Fe203 + 3H2 = 2Fe + 3H20

Reakcie vodíka s jednoduchými látkami

Vodík preberá elektrón a hrá svoju úlohu redukčné činidlo, v reakciách:

• s kyslík(pri vznietení alebo v prítomnosti katalyzátora) v pomere 2: 1 (vodík: kyslík) vzniká výbušný plynný kyslík: 2H 2 0 + O 2 = 2H 2 +1 O + 572 kJ
• s šedá(pri zahriatí na 150 ° C-300 ° C): H 2 0 + S ↔ H 2 +1 S
• s chlór(pri zapálení alebo ožiarení UV lúčmi): H 2 0 + Cl 2 = 2 H +1 Cl
• s fluór: H20 + F2 = 2H +1 F
• s dusíka(pri zahrievaní v prítomnosti katalyzátorov alebo pri vysokom tlaku): 3H 2 0 + N 2 ↔ 2 NH 3 +1

Vodík daruje elektrón a hrá svoju úlohu okysličovadlo, v reakciách s zásaditý a alkalická zemina kovy s tvorbou hydridov kovov - soľné iónové zlúčeniny obsahujúce hydridové ióny H - sú nestabilné kryštalické látky bielej farby.

Ca + H2 = CaH2-1 2Na + H20 = 2NaH -1

Je neobvyklé, že vodík vykazuje oxidačný stav -1. Pri reakcii s vodou sa hydridy rozkladajú a voda sa redukuje na vodík. Reakcia hydridu vápenatého s vodou je nasledovná:

CaH2 -1 + 2H 2 +1 0 = 2H20 + Ca (OH) 2

Reakcie vodíka s komplexnými látkami

• pri vysokých teplotách vodík redukuje mnoho oxidov kovov: ZnO + H 2 = Zn + H 2 O
• metylalkohol sa získava reakciou vodíka s oxidom uhoľnatým (II): 2H2 + CO → CH30H
• pri hydrogenačných reakciách vodík reaguje s mnohými organickými látkami.

Rovnice chemických reakcií vodíka a jeho zlúčenín sú podrobnejšie zvážené na stránke „Vodík a jeho zlúčeniny - rovnice chemických reakcií zahŕňajúcich vodík“.

Aplikácia vodíka

• v jadrová energia používajú sa izotopy vodíka - deutérium a trícium;
• v chemickom priemysle sa vodík používa na syntézu mnohých organických látok, amoniaku, chlorovodíka;
• v potravinárskom priemysle sa vodík používa na výrobu tuhých tukov hydrogenáciou rastlinných olejov;
• vysoká teplota spaľovania vodíka v kyslíku (2 600 ° C) sa používa na zváranie a rezanie kovov;
• pri výrobe niektorých kovov sa ako redukčné činidlo používa vodík (pozri vyššie);
• keďže vodík je ľahký plyn, používa sa v letectve ako plnivo do balónov, balónov, vzducholodí;
• ako palivo sa vodík používa v zmesi s CO.

Vedci v poslednom čase venujú veľkú pozornosť hľadaniu alternatívnych zdrojov obnoviteľnej energie. Jednou zo sľubných oblastí je „vodíková“ energetika, v ktorej sa ako palivo používa vodík, ktorého produktom spaľovania je obyčajná voda.

Spôsoby výroby vodíka

Priemyselné metódy výroby vodíka:

• konverzia metánu (katalytická redukcia vodnej pary) na vodnú paru pri vysokej teplote (800 ° C) na niklovom katalyzátore: CH 4 + 2 H 2 O = 4 H 2 + CO 2;
• konverzia oxidu uhoľnatého pomocou pary (t = 500 ° C) na katalyzátore Fe203: CO + H20 = C02 + H2;
• tepelný rozklad metánu: CH4 = C + 2H2;
• splyňovanie tuhých palív (t = 1000 ° C): C + H20 = CO + H2;
• elektrolýza vody (veľmi drahá metóda, pri ktorej sa získava veľmi čistý vodík): 2H20 - 2H2 + O2.

Laboratórne metódy výroby vodíka:

• pôsobenie na kovy (zvyčajne zinok) kyselinou chlorovodíkovou alebo zriedenou kyselinou sírovou: Zn + 2HCl = ZCl2 + H2; Zn + H2S04 = ZnS04 + H2;
• interakcia vodnej pary s horkými hoblinami železa: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

Vodík H je chemický prvok, jeden z najhojnejších v našom vesmíre. Hmotnosť vodíka ako prvku v zložení látok je 75% z celkového obsahu atómov iného typu. Vstupuje do najdôležitejšieho a najdôležitejšieho spojenia na planéte - do vody. Charakteristickou črtou vodíka je tiež skutočnosť, že je prvým prvkom v periodickom systéme chemických prvkov D.I. Mendeleeva.

Objavovanie a skúmanie

Prvá zmienka o vodíku v Paracelsových spisoch pochádza zo šestnásteho storočia. Jeho oddelenie od plynnej zmesi vzduchu a štúdium horľavých vlastností však vykonal už v sedemnástom storočí vedec Lemery. Vodík bol dôkladne študovaný anglickým chemikom, fyzikom a prírodovedcom, ktorý empiricky dokázal, že hmotnosť vodíka je v porovnaní s inými plynmi najmenšia. V nasledujúcich fázach vývoja vedy s ním pracovalo mnoho vedcov, najmä Lavoisier, ktorý ho nazýval „rodením vody“.

Charakteristické podľa polohy v PSCE

Otváranie prvku periodická tabuľka DI Mendeleev je vodík. Fyzikálne a chemické vlastnosti atómu vykazujú určitú dualitu, pretože vodík je súčasne pripisovaný prvej skupine, hlavnej podskupine, ak sa správa ako kov a pri procese daruje jeden elektrón chemická reakcia, a po siedme - v prípade úplného naplnenia valenčného plášťa, to znamená príjmu negatívnej častice, ktorá ju charakterizuje ako podobnú halogénom.

Vlastnosti elektronickej štruktúry prvku

Vlastnosti komplexných látok, ktorých je súčasťou, a sama o sebe jednoduchá látka H2 je primárne určená elektronickou konfiguráciou vodíka. Častica má jeden elektrón so Z = (-1), ktorý sa na svojej obežnej dráhe otáča okolo jadra obsahujúceho jeden protón s jednotkovou hmotnosťou a kladným nábojom (+1). Jeho elektronická konfigurácia je zapísaná ako 1 s 1, čo znamená prítomnosť jednej negatívnej častice na prvom a jedinom s-orbitáli vodíka.

Keď sa elektrón oddelí alebo vzdá a atóm tohto prvku má takú vlastnosť, že ho robí príbuzným s kovmi, získa sa katión. V zásade je vodíkový ión pozitívnou elementárnou časticou. Vodík zbavený elektrónu sa preto jednoducho nazýva protón.

Fyzikálne vlastnosti

Stručne povedané, vodík je bezfarebný, mierne rozpustný plyn s relatívnou atómovou hmotnosťou 2, 14,5 -krát ľahší ako vzduch, s teplotou skvapalnenia -252,8 stupňa Celzia.

Zo skúsenosti je ľahké vidieť, že H 2 je najľahší. Na to stačí naplniť tri gule rôznymi látkami - vodík, oxid uhličitý, obyčajný vzduch - a súčasne ich uvoľniť z ruky. Ten, ktorý je naplnený CO 2, sa najrýchlejšie dostane na zem, potom pôjde nafúknutá vzduchová zmes dole a ten, ktorý obsahuje H 2, stúpne k stropu.

Malá hmotnosť a veľkosť častíc vodíka odôvodňuje jeho schopnosť preniknúť cez ne rôzne látky... Na príklade tej istej gule sa to dá ľahko presvedčiť; o niekoľko dní sa to samo vypustí, pretože plyn jednoducho prejde gumou. Vodík sa tiež môže akumulovať v štruktúre niektorých kovov (paládium alebo platina) a pri zvyšovaní teploty sa z neho odparuje.

Vlastnosť nízkej rozpustnosti vodíka sa používa v laboratórnej praxi na jeho izoláciu vytesnením vodíka (nižšie uvedená tabuľka obsahuje hlavné parametre), ktoré určujú rozsah jeho použitia a spôsoby výroby.

Izotopové zloženie

Rovnako ako mnoho ďalších zástupcov periodický systém chemických prvkov, vodík má niekoľko prírodných izotopov, to znamená atómov s rovnakým počtom protónov v jadre, ale s rôznym počtom neutrónov - častíc s nulovým nábojom a jednotkovou hmotnosťou. Príklady atómov s podobnou vlastnosťou sú kyslík, uhlík, chlór, bróm a ďalšie, vrátane rádioaktívnych.

Fyzikálne vlastnosti vodíka 1 H, najbežnejšieho zo zástupcov tejto skupiny, sa výrazne líšia od rovnakých charakteristík jeho náprotivkov. Líšia sa najmä vlastnosti látok, do ktorých sú zahrnuté. Existuje teda obyčajná a deuterovaná voda, ktorá vo svojom zložení obsahuje namiesto atómu vodíka s jediným protónom deutérium 2 H - jeho izotop s dvoma elementárnymi časticami: pozitívnymi a nenabitými. Tento izotop je dvakrát ťažší ako konvenčný vodík, čo vysvetľuje dramatický rozdiel vo vlastnostiach zlúčenín, ktoré tvoria. V prírode sa deutérium nachádza 3200 -krát menej často ako vodík. Tretím zástupcom je trícium 3 H, v jadre má dva neutróny a jeden protón.

Spôsoby získavania a izolácie

Laboratórne a priemyselné metódy sú celkom odlišné. V malých množstvách sa plyn získava hlavne reakciami, v ktorých sa podieľajú minerálne látky, a veľkovýrobou v vo väčšej miere použiť organickú syntézu.

V laboratóriu sa používajú nasledujúce chemické interakcie:

V priemyselnom záujme sa plyn získava týmito spôsobmi:

1. Tepelný rozklad metánu v prítomnosti katalyzátora na jeho jednoduché látky (350 stupňov dosahuje hodnotu takého indikátora, akým je teplota) - vodík H 2 a uhlík C.
2. Prechod parnej vody cez koks pri 1000 stupňoch Celzia za vzniku oxidu uhličitého CO 2 a H 2 (najbežnejšia metóda).
3. Premena plynného metánu na niklový katalyzátor pri teplotách dosahujúcich 800 stupňov.
4. Vodík je vedľajším produktom elektrolýzy vodných roztokov chloridu draselného alebo sodného.

Chemické interakcie: všeobecné ustanovenia

Fyzikálne vlastnosti vodíka do značnej miery vysvetľujú jeho správanie v reakčných procesoch s touto alebo touto zlúčeninou. Valencia vodíka je 1, pretože sa nachádza v prvej skupine v periodickej tabuľke a oxidačný stav je odlišný. Vo všetkých zlúčeninách, okrem hydridov, vodík v s.r. = (1+), v molekulách typu XH, XH2, XH3 - (1-).

Molekula plynného vodíka, vytvorená vytvorením generalizovaného elektrónového páru, pozostáva z dvoch atómov a je energeticky celkom stabilná, a preto je za normálnych podmienok do určitej miery inertná a pri zmene normálnych podmienok reaguje. V závislosti od oxidačného stavu vodíka v zložení iných látok môže pôsobiť ako oxidačné činidlo aj ako redukčné činidlo.

Látky, s ktorými reaguje a ktoré tvoria vodík

Elementárne interakcie s tvorbou komplexných látok (často pri zvýšených teplotách):

1. Alkalické a kov alkalických zemín+ vodík = hydrid.
2. Halogén + H 2 = halogenovodík.
3. Síra + vodík = sírovodík.
4. Kyslík + H 2 = voda.
5. Uhlík + vodík = metán.
6. Dusík + H 2 = amoniak.

Interakcia s komplexnými látkami:

1. Výroba syntézneho plynu z oxidu uhoľnatého a vodíka.
2. Redukcia kovov z ich oxidov pomocou Н 2.
3. Nasýtenie nenasýtených alifatických uhľovodíkov vodíkom.

Vodíková väzba

Fyzikálne vlastnosti vodíka sú také, že mu v spojení s elektronegatívnym prvkom umožňuje vytvoriť špeciálny typ väzby s rovnakým atómom zo susedných molekúl, ktoré majú osamelé elektrónové páry (napríklad kyslík, dusík a fluór). Najjasnejší príklad, na ktorom je lepšie zvážiť takýto jav, je voda. Dá sa povedať, že je prešitý vodíkovými väzbami, ktoré sú slabšie ako kovalentné alebo iónové, ale vzhľadom na to, že ich je veľa, majú významný vplyv na vlastnosti látky. V zásade je vodíková väzba elektrostatická interakcia, ktorá viaže molekuly vody na diméry a polyméry, čo odôvodňuje jej vysoký bod varu.

Vodík v minerálnych zlúčeninách

Všetky obsahujú protón - katión atómu, ako je vodík. Látka, ktorej kyslý zvyšok má oxidačný stav vyšší ako (-1), sa nazýva polybázická zlúčenina. Obsahuje niekoľko atómov vodíka, vďaka ktorým dochádza k disociácii vodné roztoky viacstupňové. Každý nasledujúci protón sa od zvyšku kyseliny oddeľuje čoraz ťažšie. Jeho kyslosť je daná kvantitatívnym obsahom vodíka v médiu.

Aplikácia v ľudskej činnosti

Špecifické sú valce s látkou, ako aj nádoby s inými skvapalnenými plynmi, napríklad kyslíkom vzhľad... Sú namaľované tmavozelenou farbou s jasne červeným nápisom „Vodík“. Plyn sa čerpá do valca pri tlaku asi 150 atmosfér. Fyzikálne vlastnosti vodíka, najmä ľahkosť plynu agregátny stav, sa používajú na plnenie balónov, balónov a pod., v zmesi s héliom.

Vodík, ktorého fyzikálne a chemické vlastnosti sa ľudia naučili využívať pred mnohými rokmi, sa v súčasnosti používa v mnohých priemyselných odvetviach. Väčšina z toho ide na výrobu amoniaku. Vodík sa tiež zúčastňuje (hafnia, germánia, gália, kremíka, molybdénu, volfrámu, zirkónia a ďalších) z oxidov, ktoré pri reakcii pôsobia ako redukčné činidlo, kyseliny kyanovodíkovej a chlorovodíkovej, ako aj umelého kvapalného paliva. Potravinársky priemysel ho používa na premenu rastlinných olejov na tuhé tuky.

Stanovil chemické vlastnosti a použitie vodíka v rôznych procesoch hydrogenácie a hydrogenácie tukov, uhlia, uhľovodíkov, olejov a vykurovacích olejov. Používa sa na výrobu drahých kameňov, žiaroviek, kovania a zvárania kovových výrobkov pod vplyvom kyslíkovo-vodíkového plameňa.

Zovšeobecňujúca schéma „VODÍK“

a) Pozícia v PSKhE

• sériové číslo №1
• obdobie 1
• skupina I (hlavná podskupina "A")
• relatívna hmotnosť Ar (H) = 1
• Latinský názov Hydrogenium (plodenie vody)

b) Výskyt vodíka v prírode

c) Valencia vodíka v zlúčeninách

II... Vodík je jednoduchá látka (H 2)

Príjem

Nájdenie vodíka v prírode.

Vodík je v prírode rozšírený, jeho obsah v zemskej kôre (litosfére a hydrosfére) je 1% hmotnosti a 16% podľa počtu atómov. Vodík je súčasťou najbežnejšej látky na Zemi - vody (11,19% hmotnostných vodíka) v zložení zlúčenín, ktoré tvoria uhlie, ropu, prírodné plyny, íly, ako aj organizmy zvierat a rastlín (tj. , v zložení bielkovín, nukleových kyselín, tukov, uhľohydrátov a ďalších). Vo voľnom stave je vodík extrémne vzácny; v malých množstvách je obsiahnutý v sopečných a iných prírodných plynoch. V atmosfére je prítomné stopové množstvo voľného vodíka (0,0001% z počtu atómov). V blízkosti Zeme tvorí vodík vo forme toku protónov vnútorný („protónový“) radiačný pás Zeme. Vo vesmíre je vodík najrozšírenejším prvkom. Vo forme plazmy tvorí asi polovicu hmotnosti Slnka a väčšiny hviezd, väčšinu plynov medzihviezdneho média a plynných hmlovín. Vodík je prítomný v atmosfére mnohých planét a v kométach vo forme voľného H 2, metánu CH 4, amoniaku NH 3, vody H 2 O a radikálov. Vodík je vo forme toku protónov súčasťou korpuskulárneho žiarenia Slnka a kozmických lúčov.

Existujú tri izotopy vodíka:
a) ľahký vodík - protium,
b) ťažký vodík - deutérium (D),
c) superťažký vodík - trícium (T).

Tritium je nestabilný (rádioaktívny) izotop, preto sa v prírode prakticky nevyskytuje. Deutérium je stabilné, ale je ho veľmi málo: 0,015% (hmotnosti všetkého pozemského vodíka).

Valencia vodíka v zlúčeninách

V zlúčeninách vykazuje vodík valenciu I.

Fyzikálne vlastnosti vodíka

Jednoduchá látka vodík (Н 2) je plyn, ľahší ako vzduch, bezfarebný, bez zápachu, bez chuti, balík = - 253 0 С, vodík je nerozpustný vo vode, horľavý. Vodík sa môže zbierať vytesňovaním vzduchu zo skúmavky alebo vody. V tomto prípade musí byť trubica obrátená hore dnom.

Výroba vodíka

V laboratóriu sa v dôsledku reakcie získa vodík

Zn + H2S04 = ZnS04 + H2.

Namiesto zinku sa môže použiť železo, hliník a niektoré ďalšie kovy a namiesto kyseliny sírovej sa môžu použiť niektoré ďalšie zriedené kyseliny. Výsledný vodík sa zhromažďuje v skúmavke vytesnením vody (pozri obr. 10.2 b) alebo jednoducho do obrátenej banky (obr. 10.2 a).

V priemysle sa vodík vo veľkých množstvách získava zo zemného plynu (hlavne metánu) jeho interakciou s vodnou parou pri 800 ° C v prítomnosti niklového katalyzátora:

CH 4 + 2H20 = 4H2 + CO 2 (t, Ni)

alebo sa uhlie spracováva pri vysokej teplote vodnou parou:

2H20 + C = 2H2 + C02. (t)

Čistý vodík sa získava z vody jeho rozkladom elektrický šok(podrobené elektrolýze):

2H20 = 2H2 + O2 (elektrolýza).

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 popísal jej vlastnosti.

Toto je príbeh o objave vodíka. V priebehu experimentov výskumník zistil, že ide o horľavý plyn, ktorého spaľovaním vo vzduchu vzniká voda. To viedlo k určeniu kvalitatívneho zloženia vody.

Čo je vodík

Francúzsky chemik A. Lavoisier prvýkrát oznámil vodík ako jednoduchú látku v roku 1784, pretože zistil, že jeho molekula obsahuje atómy rovnakého typu.

Názov chemického prvku v latinčine znie ako hydrogenium (čítaj „hydrogenium“), čo znamená „rodiť do vody“. Názov odkazuje na spaľovaciu reakciu, pri ktorej vzniká voda.

Charakterizácia vodíka

N. Mendeleev tomu priradil označenie vodík chemický prvok prvé poradové číslo, pričom sa zaradí do hlavnej podskupiny prvej skupiny a prvej bodky a podmienečne do hlavnej podskupiny siedmej skupiny.

Atómová hmotnosť (atómová hmotnosť) vodíka je 1,00797. Molekulová hmotnosť H2 je 2 amu. e. Molárna hmotačíselne sa jej rovná.

Predstavujú ho tri izotopy so špeciálnym názvom: najbežnejšie protium (H), ťažké deutérium (D), rádioaktívne trícium (T).

Toto je prvý prvok, ktorý je možné úplne rozdeliť na izotopy. jednoduchým spôsobom... Je založená na veľkom rozdiele v hmotnosti izotopov. Tento proces sa prvýkrát uskutočnil v roku 1933. Vysvetľuje to skutočnosť, že až v roku 1932 bol identifikovaný izotop s hmotnosťou 2.

Fyzikálne vlastnosti

Za normálnych podmienok je jednoduchá látka vodík vo forme dvojatómových molekúl plyn, bezfarebný, bez chuti a bez zápachu. Mierne rozpustíme vo vode a iných rozpúšťadlách.

Teplota kryštalizácie je 259,2 ° C, teplota varu je 252,8 ° C. Priemer molekúl vodíka je taký malý, že majú schopnosť pomaly difundovať cez množstvo materiálov (guma, sklo, kovy). Táto vlastnosť sa používa, keď je potrebná na čistenie vodíka z plynných nečistôt. Pod n. o. vodík má hustotu rovnajúcu sa 0,09 kg / m3.

Je možné previesť vodík na kov analogicky s prvkami umiestnenými 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 z vodíka stane kov.

Je to 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, kvôli ultra vysokému tlaku, ktorý vytvára zemský plášť.

Chemické vlastnosti

V. chemická interakcia jednoduché aj komplexné látky vstupujú s vodíkom. Nízku aktivitu vodíka je však potrebné zvýšiť vytvorením vhodných podmienok - zvýšením teploty, použitím katalyzátorov atď.

Pri zahrievaní reagujú s vodíkom také jednoduché látky ako kyslík (O 2), chlór (Cl 2), dusík (N 2), síra (S).

Ak zapálite čistý vodík na konci výstupnej trubice plynu vo vzduchu, bude horieť rovnomerne, ale sotva znateľne. Ak je výstupná trubica plynu umiestnená v atmosfére čistého kyslíka, spaľovanie bude v dôsledku reakcie pokračovať v tvorbe kvapiek vody na stenách nádoby:

Spaľovanie vody je sprevádzané uvoľňovaním veľkého množstva tepla. Ide o reakciu exotermickej zlúčeniny, pri ktorej sa vodík oxiduje kyslíkom za vzniku oxidu H20. Je to tiež redoxná reakcia, pri ktorej sa oxiduje vodík a redukuje sa kyslík.

Reakcia s Cl2 prebieha podobným spôsobom za vzniku chlorovodíka.

Pre interakciu dusíka s vodíkom je to potrebné teplo a zvýšený 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 nižšie opísaných hydridoch je 1.

Pri reakcii s niektorými kovmi vznikajú hydridy, napríklad hydrid sodný - NaH. Niektoré z týchto komplexných zlúčenín sa používajú ako palivo pre rakety a tiež v termonukleárnej energii.

Vodík reaguje aj s komplexnými látkami. Napríklad s oxidom meďnatým vzorca CuO. Na uskutočnenie reakcie sa vodík medi nechá prechádzať zahrievaným práškovým oxidom meďnatým. Činidlo počas interakcie zmení farbu a stane sa červenohnedé a na studených stenách skúmavky sa usadzujú kvapôčky vody.

Počas reakcie sa vodík oxiduje na vodu a meď sa redukuje z oxidu na jednoduchú látku (Cu).

Oblasti použitia

Vodík má veľký význam pre ľudí a používa sa v rôznych oblastiach:

1. V chemickom priemysle sú to suroviny, v ostatných odvetviach je to palivo. Petrochemické a rafinérske podniky sa nezaobídu bez vodíka.
2. V energetike funguje táto jednoduchá látka ako chladiace činidlo.
3. V železiarskej a neželeznej metalurgii má vodík úlohu redukčného činidla.
4. Vďaka tomu vzniká pri balení výrobkov inertné prostredie.
5. Farmaceutický priemysel - používa vodík ako činidlo pri výrobe peroxidu vodíka.
6. Meteorologické sondy sú naplnené týmto svetelným plynom.
7. Tento prvok je známy aj ako reduktor paliva pre raketové motory.

Vedci jednomyseľne prorokujú dlaň v energetickom sektore na vodíkové palivo.

Dostať sa do priemyslu

V priemysle sa vodík získava elektrolýzou, ktorá je vystavená pôsobeniu chloridov alebo hydroxidov alkalické kovy rozpustený vo vode. Je tiež možné získať vodík týmto spôsobom priamo z vody.

Na tento účel sa používa konverzia koksu alebo metánu pomocou pary. Rozkladom metánu pri zvýšených teplotách vzniká aj vodík. Skvapalnenie koksárenského plynu frakčnou metódou sa používa aj na priemyselnú výrobu vodíka.

Dostať sa do laboratória

Laboratórium používa na výrobu vodíka Kippov prístroj.

Činidlá sú fyziologický roztok alebo kyselina sírová a zinku. Reakciou vzniká vodík.

Nájdenie vodíka v prírode

Vodík je najbežnejším prvkom vo vesmíre. Väčšina hviezd vrátane Slnka a ďalších kozmických telies je vodík.

V zemskej kôre je to iba 0,15%. Je prítomný v mnohých mineráloch, vo všetkých organická hmota, rovnako ako vo vode, pokrývajúcej 3/4 povrchu našej planéty.

V horných vrstvách atmosféry sa nachádzajú stopy čistého vodíka. Nachádza sa tiež v mnohých horľavých prírodných plynoch.

Plynný vodík je najmenej hustý a kvapalný vodík je najviac hustá látka na našej planéte. Pomocou vodíka môžete zmeniť tón hlasu, ak ho vdychujete a pri výdychu hovoríte.

V srdci akcie je ten najmocnejší vodíková bomba spočíva v štiepení najľahšieho atómu.