Tabela karakteristika gasovitih materija vodonik. Vodonik - karakteristike, fizička i hemijska svojstva

Predavanje 29

Vodonik. Voda

Plan predavanja:

Voda. Hemijska i fizička svojstva

Uloga vodonika i vode u prirodi

Vodonik kao hemijski element

Vodonik je jedini element u periodičnom sistemu D. I. Mendeljejeva, čija je lokacija dvosmislena. Njegov hemijski simbol u periodnom sistemu je zabeležen dva puta: i u IA i u VIIA grupi. Ovo se objašnjava činjenicom da vodonik ima niz svojstava koja ga kombinuju i sa alkalnim metalima i sa halogenima (tabela 14).

Tabela 14

Poređenje svojstava vodonika sa svojstvima alkalnih metala i halogena

U prirodi vodonik postoji u obliku tri izotopa sa masenim brojevima 1, 2 i 3: protijum 1 1 H, deuterijum 2 1 D i tricijum 3 1 T. Prva dva su stabilni izotopi, a treći je radioaktivan. U prirodnoj mješavini izotopa dominira protij. Kvantitativni odnosi između izotopa H:D:T su 1:1,46 10 -5: 4,00 10 -15.

Jedinjenja izotopa vodika međusobno se razlikuju po svojstvima. Tako su, na primjer, tačke ključanja i smrzavanja lake protiumske vode (H 2 O), respektivno, jednake - 100 o C i 0 o C, a deuterijuma (D 2 O) - 101,4 o C i 3,8 o C. Brzina reakcije uz učešće lake vode veća je od teške vode.

Vodonik je najčešći element u svemiru – čini oko 75% mase svemira ili preko 90% svih njegovih atoma. Vodonik je dio vode u njenoj najvažnijoj geološkoj ljusci Zemlje - hidrosferi.

Vodik tvori, zajedno s ugljikom, sve organske tvari, odnosno dio je žive ljuske Zemlje - biosfere. U zemljinoj kori - litosferi - maseni sadržaj vodonika je samo 0,88%, odnosno zauzima 9. mjesto među svim elementima. Vazdušni omotač Zemlje - atmosfera sadrži manje od milionitog dela ukupne zapremine koja se može pripisati molekularnom vodoniku. Nalazi se samo u gornjim slojevima atmosfere.

Dobijanje i korištenje vodonika

Vodonik je prvi put dobio u 16. veku srednjovekovni lekar i alhemičar Paracelzus, kada je gvozdena ploča potopljena u sumpornu kiselinu, a 1766. godine engleski hemičar Henry Cavendish je dokazao da se vodonik ne dobija samo interakcijom gvožđa sa sumpornom kiselinom. , ali i drugih metala sa drugim kiselinama. Cavendish je također po prvi put opisao svojstva vodonika.

V laboratorija dobijaju se uslovi vodonika:

1. Interakcija metala sa kiselinom:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2. Interakcija alkalnih i zemnoalkalnih metala sa vodom

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

V industrija vodonik se proizvodi na sljedeće načine:

1. Elektroliza vodenih rastvora soli, kiselina i alkalija. Najčešći rastvor soli je:

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

2. Rekuperacija vodene pare usijanim koksom:

C + H 2 O → t CO + H 2

Dobivena mješavina ugljičnog monoksida i vodika naziva se vodeni gas (sintetski gas), i široko se koristi za sintezu raznih hemijskih proizvoda (amonijak, metanol, itd.). Za oslobađanje vodika iz vodenog plina, ugljični monoksid se pretvara u ugljični dioksid kada se zagrije vodenom parom:

CO + H 2 → t CO 2 + H 2

3. Grijanje na metan u prisustvu vodene pare i kiseonika. Ova metoda je trenutno glavna:

2CH 4 + O 2 + 2H 2 O → t 2CO 2 + 6H 2

Vodik se široko koristi za:

1. industrijska sinteza amonijaka i hlorovodonika;

2. dobijanje metanola i sintetičkog tečnog goriva u sastavu sintetskog gasa (2 zapremine vodonika i 1 zapremina CO);

3. hidrotretman i hidrokreking naftnih frakcija;

4. hidrogenizacija tečnih masti;

5. rezanje i zavarivanje metala;

6. dobijanje volframa, molibdena i renija iz njihovih oksida;

7. svemirski motori kao gorivo.

8. Termonuklearni reaktori koriste izotope vodonika kao gorivo.

Fizička i hemijska svojstva vodonika

Vodonik je gas bez boje, ukusa i mirisa. Gustina na br. 0,09 g/l (14 puta lakši od vazduha). Vodik je slabo rastvorljiv u vodi (samo 2 zapremine gasa na 100 zapremina vode), ali ga dobro apsorbuju d-metali - nikl, platina, paladijum (do 900 zapremina vodonika je otopljeno u jednoj zapremini paladijuma).

U hemijskim reakcijama, vodonik pokazuje i redukciona i oksidaciona svojstva. Vodik najčešće djeluje kao redukcijski agens.

1. Interakcija sa nemetalima. Vodik sa nemetalima stvara isparljiva vodonikova jedinjenja (vidi predavanje 25).

Sa halogenima brzina reakcije i uvjeti protoka se mijenjaju od fluora do joda: vodik reagira s fluorom eksplozijom čak i u mraku, s hlorom reakcija teče sasvim mirno uz malo izlaganja svjetlu, s bromom i jodom reakcije su reverzibilne i teku samo kada se zagrije:

H 2 + F 2 → 2HF

H 2 + Cl 2 → hν 2HCl

H 2 + I 2 → t 2HI

Sa kiseonikom a sumporni vodonik reaguje sa blagim zagrevanjem. Zove se mješavina kisika i vodonika 1:2 eksplozivni gas:

H 2 + O 2 → t H 2 O

H 2 + S → t H 2 S

Sa dušikom, fosforom i ugljikom reakcija se odvija pod zagrevanjem, povišenim pritiskom i u prisustvu katalizatora. Reakcije su reverzibilne:

3H 2 + N 2 → kat., p, t2NH 3

2H 2 + 3P → kat., p, t3PH 3

H 2 + C → kat., p, t CH 4

2. Interakcija sa složenim supstancama. Na visokim temperaturama, vodonik reducira metale iz njihovih oksida:

CuO + H 2 → t Cu + H 2 O

3. At interakcija sa alkalnim i zemnoalkalnim metalima vodonik pokazuje oksidirajuća svojstva:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

4. Interakcija sa organskim supstancama. Vodik aktivno stupa u interakciju s mnogim organskim tvarima, takve reakcije se nazivaju reakcije hidrogenacije. Slične reakcije biće detaljnije razmotrene u III delu zbirke „Organska hemija“.

Vodonik je hemijski element sa simbolom H i atomskim brojem 1. Sa standardnom atomskom težinom od oko 1,008, vodonik je najlakši element u periodnom sistemu. Njegov monoatomski oblik (H) je najrasprostranjenija hemikalija u svemiru, koja čini oko 75% ukupne mase bariona. Zvijezde se uglavnom sastoje od vodonika u stanju plazme. Najčešći izotop vodonika, nazvan protij (ovo ime se rijetko koristi, simbol 1H), ima jedan proton i nema neutrona. Široko rasprostranjena pojava atomskog vodika prvi put se dogodila u eri rekombinacije. Na standardnim temperaturama i pritiscima, vodonik je bezbojan, bez mirisa, ukusa, netoksičan, nemetalni, zapaljivi dvoatomski plin sa molekulskom formulom H2. Pošto vodonik lako formira kovalentne veze sa većinom nemetalnih elemenata, većina vodonika na Zemlji postoji u molekularnim oblicima kao što su voda ili organska jedinjenja. Vodik igra posebno važnu ulogu u kiselo-baznim reakcijama jer većina reakcija baziranih na kiselini uključuje razmjenu protona između rastvorljivih molekula. U jonskim jedinjenjima, vodonik može imati oblik negativnog naboja (tj. anjona) i poznat je kao hidrid, ili kao pozitivno nabijena (tj. kation) vrsta, označena simbolom H+. Kationi vodonika su opisani kao sastavljeni od jednostavnog protona, ali stvarni kationi vodonika u jonskim jedinjenjima su uvijek složeniji. Kao jedini neutralni atom za koji se Schrödingerova jednačina može analitički riješiti, vodonik (naime, proučavanje energije i vezivanja njegovog atoma) je odigrao ključnu ulogu u razvoju kvantne mehanike. Plin vodonik je prvi put umjetno proizveden početkom 16. stoljeća reakcijom kiselina s metalima. Godine 1766-81. Henry Cavendish je bio prvi koji je prepoznao da je vodonik diskretna supstanca i da proizvodi vodu kada se sagorijeva, pa otuda i njegovo ime: vodonik na grčkom znači "proizvođač vode". Industrijska proizvodnja vodika uglavnom je povezana s parnom konverzijom prirodnog plina i, rjeđe, sa energetski intenzivnijim metodama kao što je elektroliza vode. Većina vodonika se koristi u blizini mjesta gdje se proizvodi, a dvije najčešće upotrebe su prerada fosilnih goriva (npr. hidrokreking) i proizvodnja amonijaka, uglavnom za tržište gnojiva. Vodik je problem u metalurgiji jer može lomiti mnoge metale, što otežava projektovanje cevovoda i rezervoara za skladištenje.

Svojstva

Sagorijevanje

Plin vodonik (dihironik ili molekularni vodonik) je zapaljivi plin koji će gorjeti u zraku u vrlo širokom rasponu koncentracija od 4% do 75% zapremine. Entalpija sagorevanja je 286 kJ/mol:

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

Gas vodonik stvara eksplozivne smjese sa zrakom u koncentracijama od 4-74% i sa hlorom u koncentracijama do 5,95%. Eksplozivne reakcije mogu izazvati varnice, toplota ili sunčeva svetlost. Temperatura samozapaljenja vodonika, temperatura spontanog paljenja u vazduhu, je 500 °C (932 °F). Plamen čistog vodika i kiseonika emituje ultraljubičasto zračenje i sa visokom mešavinom kiseonika je gotovo nevidljiv golim okom, o čemu svedoči slaba perjanica glavnog motora Space Shuttlea u poređenju sa jako vidljivom perjem čvrstog raketnog pojačivača Space Shuttlea, koji koristi kompozit amonijum perklorata. Detektor plamena može biti potreban za otkrivanje curenja zapaljenog vodonika; takva curenja mogu biti veoma opasna. Plamen vodonika pod drugim uslovima je plave boje i podseća na plavi plamen prirodnog gasa. Potonuće zračnog broda "Hindenburg" je ozloglašen primjer sagorijevanja vodonika, a slučaj se još uvijek raspravlja. Vidljivi narandžasti plamen u ovom incidentu uzrokovan je izlaganjem mješavini vodonika i kisika u kombinaciji s ugljičnim spojevima iz kože zračnog broda. H2 reaguje sa svakim oksidacionim elementom. Vodonik može spontano reagovati na sobnoj temperaturi sa hlorom i fluorom i formirati odgovarajuće halogenovodonike, hlorovodonik i fluorovodonik, koji su takođe potencijalno opasne kiseline.

Nivoi energije elektrona

Osnovni nivo energije elektrona u atomu vodonika je -13,6 eV, što je ekvivalentno ultraljubičastom fotonu sa talasnom dužinom od oko 91 nm. Energetski nivoi vodonika mogu se prilično precizno izračunati korištenjem Borovog modela atoma, koji konceptualizira elektron kao "orbitalni" proton, sličan Zemljinoj orbiti oko Sunca. Međutim, atomski elektron i proton drže zajedno elektromagnetna sila, dok planete i nebeska tijela drži zajedno gravitacija. Zbog diskretizacije ugaonog momenta koju je u ranoj kvantnoj mehanici postulirao Bohr, elektron u Borovom modelu može zauzimati samo određene dopuštene udaljenosti od protona, a time i samo određene dozvoljene energije. Precizniji opis atoma vodika dolazi iz čisto kvantno mehaničkog tretmana koji koristi Schrödingerovu jednačinu, Diracovu jednačinu ili čak Feynmanovo integrirano kolo za izračunavanje distribucije gustoće vjerovatnoće elektrona oko protona. Najsloženije metode obrade omogućavaju dobijanje malih efekata specijalne relativnosti i polarizacije vakuuma. U kvantnoj mašinskoj obradi, elektron u atomu vodonika u osnovnom stanju nema nikakav obrtni moment, što ilustruje kako se "planetarna orbita" razlikuje od kretanja elektrona.

Elementarni molekularni oblici

Postoje dva različita spin izomera dvoatomskih molekula vodonika koji se razlikuju u relativnom spinu njihovih jezgara. U obliku ortovodika, spinovi dva protona su paralelni i formiraju tripletno stanje sa molekularnim spin kvantnim brojem 1 (1/2 + 1/2); u obliku paravodonika, spinovi su antiparalelni i formiraju singlet sa molekularnim spin kvantnim brojem 0 (1/2 1/2). Na standardnoj temperaturi i pritisku, gas vodonik sadrži oko 25% para forme i 75% orto oblika, takođe poznatog kao "normalni oblik". Omjer ravnoteže ortovodonika i paravodonika ovisi o temperaturi, ali budući da je orto oblik pobuđeno stanje i ima veću energiju od para oblika, nestabilan je i ne može se pročistiti. Na vrlo niskim temperaturama, ravnotežno stanje se sastoji gotovo isključivo od para oblika. Termička svojstva tečne i gasovite faze čistog paravodonika značajno se razlikuju od onih normalnog oblika zbog razlika u rotacionim toplotnim kapacitetima, o čemu se detaljnije govori u spin izomerima vodonika. Razlika orto/par se također javlja kod drugih molekula ili funkcionalnih grupa koje sadrže vodonik, kao što su voda i metilen, ali to je od malog značaja za njihova termička svojstva. Nekatalizirana interkonverzija između para i orto H2 raste s povećanjem temperature; tako brzo kondenzovani H2 sadrži velike količine ortogonalnog oblika visoke energije, koji se vrlo sporo pretvara u para formu. Orto/para odnos u kondenzovanom H2 je važan faktor u pripremi i skladištenju tečnog vodonika: konverzija iz orto u para je egzotermna i obezbeđuje dovoljno toplote da ispari deo tečnosti vodonika, što rezultira gubitkom tečnog materijala. Katalizatori za orto-para konverziju kao što su željezni oksid, aktivni ugljen, platinizirani azbest, rijetke zemlje, jedinjenja uranijuma, krom-oksid ili neka jedinjenja nikla koriste se u hlađenju vodikom.

Faze

Gas vodonik

tečni vodonik

mulj vodonika

čvrsti vodonik

metalni vodonik

Veze

Kovalentna i organska jedinjenja

Iako H2 nije jako reaktivan u standardnim uslovima, on stvara spojeve sa većinom elemenata. Vodik može formirati spojeve sa elementima koji su elektronegativniji, kao što su halogeni (npr. F, Cl, Br, I) ili kiseonik; u ovim jedinjenjima, vodonik preuzima djelomično pozitivno naelektrisanje. Kada je vezan za fluor, kiseonik ili dušik, vodonik može sudjelovati u obliku srednje jake nekovalentne veze sa vodonikom drugih sličnih molekula, fenomen koji se naziva vodonična veza, što je kritično za stabilnost mnogih bioloških molekula. Vodik također formira spojeve s manje elektronegativnih elemenata kao što su metali i metaloidi, gdje preuzima djelomično negativno naelektrisanje. Ova jedinjenja su često poznata kao hidridi. Vodik stvara široku paletu jedinjenja s ugljikom, koja se nazivaju ugljikovodici, i još veći broj spojeva s heteroatomima, koji se, zbog njihove zajedničke povezanosti sa živim bićima, nazivaju organska jedinjenja. Proučavanje njihovih svojstava je briga organske hemije, a njihovo proučavanje u kontekstu živih organizama poznato je kao biohemija. Prema nekim definicijama, "organska" jedinjenja moraju sadržavati samo ugljik. Međutim, većina također sadrži vodonik, a budući da je to veza ugljik-vodik koja ovoj klasi jedinjenja daje većinu njihovih specifičnih hemijskih karakteristika, ugljik-vodonik veze su potrebne u nekim definicijama riječi "organski" u hemiji. Poznati su milioni ugljikovodika, koji se obično formiraju složenim sintetičkim putevima koji rijetko uključuju elementarni vodonik.

hidridi

Jedinjenja vodika se često nazivaju hidridi. Izraz "hidrid" sugerira da je H atom dobio negativan ili anjonski karakter, označen kao H-, i koristi se kada vodonik formira spoj s više elektropozitivnim elementom. Postojanje hidridnog anjona, koji je predložio Gilbert N. Lewis 1916. za hidride koji sadrže soli grupe 1 i 2, Moers je 1920. pokazao elektrolizom rastaljenog litijum hidrida (LiH), dajući stehiometrijsku količinu vodonika po anodi. Za hidride koji nisu metali grupe 1 i 2, termin je pogrešan s obzirom na nisku elektronegativnost vodonika. Izuzetak u hidridima grupe 2 je BeH2, koji je polimeran. U litijum aluminijum hidridu, AlH-4 anjon nosi hidridne centre čvrsto vezane za Al(III). Iako se hidridi mogu formirati u gotovo svim elementima glavne grupe, broj i kombinacija mogućih spojeva uvelike varira; na primjer, poznato je preko 100 binarnih boran hidrida i samo jedan binarni aluminij hidrid. Binarni indijum hidrid još nije identifikovan, iako postoje veliki kompleksi. U neorganskoj hemiji, hidridi mogu poslužiti i kao premosni ligandi koji povezuju dva metalna centra u koordinacionom kompleksu. Ova funkcija je posebno karakteristična za elemente grupe 13, posebno u boranima (borhidridima) i aluminijumskim kompleksima, kao i u klasterizovanim karboranima.

Protoni i kiseline

Oksidacija vodika uklanja njegov elektron i daje H+, koji ne sadrži elektrone i jezgro, koje se obično sastoji od jednog protona. Zbog toga se H+ često naziva protonom. Ovo gledište je centralno u raspravi o kiselinama. Prema teoriji Bronsted-Lowryja, kiseline su donori protona, a baze akceptori protona. Goli proton, H+, ne može postojati u rastvoru ili u jonskim kristalima zbog njegove neodoljive privlačnosti prema drugim atomima ili molekulima sa elektronima. Osim visokih temperatura povezanih s plazmom, takvi protoni se ne mogu ukloniti iz elektronskih oblaka atoma i molekula i ostat će vezani za njih. Međutim, termin "proton" se ponekad koristi metaforički da se odnosi na pozitivno nabijen ili kationski vodik vezan za druge vrste na ovaj način, i kao takav je označen kao "H+" bez ikakvog značenja da bilo koji pojedinačni protoni slobodno postoji kao vrsta. Da bi se izbjegla pojava golog "solvatiranog protona" u otopini, ponekad se smatra da kisele vodene otopine sadrže manje vjerovatnu fiktivnu vrstu zvanu "hidronij ion" (H 3 O+). Međutim, čak i u ovom slučaju, takvi solvatirani vodikovi katjoni se realnije percipiraju kao organizirani klasteri koji formiraju vrste bliske H 9O+4. Drugi oksonijum joni se nalaze kada je voda u kiselom rastvoru sa drugim rastvaračima. Iako je egzotičan na Zemlji, jedan od najčešćih jona u svemiru je H+3, poznat kao protonirani molekularni vodonik ili trihidrogen kation.

izotopi

Vodik ima tri prirodna izotopa, označena kao 1H, 2H i 3H. Druga vrlo nestabilna jezgra (4H do 7H) sintetizirana su u laboratoriji, ali nisu uočena u prirodi. 1H je najčešći izotop vodonika, u količini od preko 99,98%. Budući da se jezgro ovog izotopa sastoji od samo jednog protona, dato mu je opisno, ali rijetko korišteno formalno ime protij. 2H, drugi stabilni izotop vodonika, poznat je kao deuterijum i sadrži jedan proton i jedan neutron u jezgru. Vjeruje se da je sav deuterijum u svemiru nastao tokom Velikog praska i da postoji od tada do danas. Deuterijum nije radioaktivni element i ne predstavlja značajnu opasnost od toksičnosti. Voda obogaćena molekulima koji sadrže deuterijum umjesto normalnog vodonika naziva se teška voda. Deuterijum i njegova jedinjenja se koriste kao neradioaktivna oznaka u hemijskim eksperimentima i u rastvaračima za 1H-NMR spektroskopiju. Teška voda se koristi kao moderator neutrona i rashladno sredstvo za nuklearne reaktore. Deuterijum je takođe potencijalno gorivo za komercijalnu nuklearnu fuziju. 3H je poznat kao tricijum i sadrži jedan proton i dva neutrona u jezgru. Radioaktivan je, raspada se u helijum-3 beta raspadom s vremenom poluraspada od 12,32 godine. Toliko je radioaktivan da se može koristiti u svjetlećoj boji, što ga čini korisnim u izradi satova sa svjetlećim brojčanikom, na primjer. Staklo sprečava izlazak male količine zračenja. Mala količina tricijuma se prirodno proizvodi interakcijom kosmičkih zraka sa atmosferskim gasovima; tricijum je takođe oslobođen tokom testiranja nuklearnog oružja. Koristi se u reakcijama nuklearne fuzije kao indikator geohemije izotopa i u specijalizovanim rasvjetnim uređajima na vlastiti pogon. Tricij je također korišten u eksperimentima kemijskog i biološkog obilježavanja kao radioaktivna oznaka. Vodik je jedini element koji ima različite nazive za svoje izotope koji su danas u uobičajenoj upotrebi. Tokom ranog proučavanja radioaktivnosti, različiti teški radioaktivni izotopi su dobili svoja imena, ali se takvi nazivi više ne koriste, osim deuterijuma i tricijuma. Simboli D i T (umjesto 2H i 3H) se ponekad koriste za deuterijum i tricijum, ali odgovarajući simbol za protium P se već koristi za fosfor i stoga nije dostupan za protij. U svojim smjernicama za nomenklaturu, Međunarodna unija čiste i primijenjene hemije dozvoljava korištenje bilo kojeg od simbola iz D, T, 2H i 3H, iako su 2H i 3H poželjni. Egzotični atom mionijuma (simbol Mu), koji se sastoji od antimuona i elektrona, također se ponekad smatra lakim radioizotopom vodika zbog razlike u masi između antimuona i elektrona, koja je otkrivena 1960. godine. Tokom životnog veka miona, 2,2 μs, muonijum može ući u jedinjenja kao što su muonijum hlorid (MuCl) ili natrijum muonid (NaMu), slično kao i hlorovodonik i natrijum hidrid.

Priča

Otkrivanje i upotreba

Godine 1671. Robert Boyle je otkrio i opisao reakciju između željeznih strugotina i razrijeđenih kiselina koja rezultira plinovitom vodonikom. Godine 1766. Henry Cavendish je bio prvi koji je prepoznao plin vodonik kao diskretnu supstancu, nazvavši ga "zapaljivim zrakom" zbog reakcije metal-kiselina. On je sugerisao da je "zapaljivi vazduh" zapravo identičan hipotetičkoj supstanci zvanoj "flogiston" i ponovo je 1781. otkrio da gas proizvodi vodu kada se sagoreva. Vjeruje se da je upravo on otkrio vodonik kao element. Godine 1783. Antoine Lavoisier je elementu dao ime vodonik (od grčkog ὑδρο-hydro što znači "voda" i -γενής gena što znači "tvorac") kada su on i Laplace reproducirali Cavendishove podatke da je voda nastala kada je vodonik sagorio. Lavoisier je proizveo vodonik za svoje eksperimente očuvanja mase reagujući mlaz pare sa metalnim gvožđem kroz lampu sa žarnom niti zagrijanu u vatri. Anaerobna oksidacija željeza protonima vode na visokoj temperaturi može se shematski prikazati nizom sljedećih reakcija:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Mnogi metali, kao što je cirkonijum, prolaze kroz sličnu reakciju sa vodom da bi proizveli vodonik. Vodik je prvi ukapnio James Dewar 1898. koristeći regenerativno hlađenje i njegov izum, vakumsku bocu. Sljedeće godine proizveo je čvrsti vodonik. Deuterijum je u decembru 1931. otkrio Harold Uray, a tricijum su 1934. pripremili Ernest Rutherford, Mark Oliphant i Paul Harteck. Tešku vodu, koja se sastoji od deuterijuma umjesto običnog vodonika, otkrila je Yureyeva grupa 1932. godine. François Isaac de Rivaz napravio je prvi "Rivaz" motor, motor s unutrašnjim sagorijevanjem pokretan vodonikom i kisikom, 1806. godine. Edward Daniel Clark izumio je cijev za plin vodonik 1819. Döbereinerov čelik (prvi punopravni upaljač) izumljen je 1823. godine. Prvi hidrogenski balon izumio je Jacques Charles 1783. godine. Vodonik je omogućio uspon prvog pouzdanog oblika vazdušnog saobraćaja nakon što je Henri Giffard izumio prvi vazdušni brod sa vodonikom 1852. Njemački grof Ferdinand von Zeppelin promovirao je ideju krutih zračnih brodova podignutih u zrak pomoću vodika, a koji su kasnije nazvani Cepelini; prvi od njih je prvi put poleteo 1900. Redovni letovi počeli su 1910. godine i do izbijanja Prvog svjetskog rata u augustu 1914. prevezli su 35.000 putnika bez većih incidenata. Tokom rata, vodonični vazdušni brodovi su korišteni kao osmatračke platforme i bombarderi. Prvi neprekidni transatlantski let izveo je britanski dirižabl R34 1919. godine. Redovni putnički promet nastavljen je 1920-ih, a otkriće rezervi helijuma u Sjedinjenim Državama trebalo je poboljšati sigurnost avijacije, ali je američka vlada odbila prodavati plin u tu svrhu, pa je H2 korišten u zračnom brodu Hindenburg, koji je uništen u Požar u Milanu u Nju Džersiju 6. maja 1937. Incident je direktno prenošen na radiju i snimljen. Općenito se pretpostavljalo da je uzrok paljenja curenje vodika, međutim kasnija istraživanja pokazuju da je aluminizirana tkanina zapaljena statičkim elektricitetom. Ali do tog vremena, reputacija vodonika kao gasa za podizanje već je bila narušena. Iste godine je 1937. u Daytonu, Ohajo, pušten u rad prvi turbogenerator sa vodonikom kao rashladnim sredstvom u rotoru i statoru, od strane Dayton Power & Light Co; zbog toplotne provodljivosti gasovitog vodonika, to je danas najčešći gas za upotrebu u ovoj oblasti. Nikl-vodonik baterija je prvi put korištena 1977. godine na brodu US Navigation Technology Satellite 2 (NTS-2). ISS, Mars Odyssey i Mars Global Surveyor opremljeni su nikl-vodikovim baterijama. U mračnom dijelu svoje orbite, svemirski teleskop Hubble također se napaja nikl-vodikovim baterijama, koje su konačno zamijenjene u maju 2009., više od 19 godina nakon lansiranja i 13 godina nakon što su dizajnirane.

Uloga u kvantnoj teoriji

Zbog svoje jednostavne atomske strukture od samo protona i elektrona, atom vodika, zajedno sa spektrom svjetlosti stvorenom ili apsorbiranom od njega, bio je središnji u razvoju teorije atomske strukture. Osim toga, proučavanje odgovarajuće jednostavnosti molekule vodika i odgovarajućeg H+2 kationa dovelo je do razumijevanja prirode kemijske veze, koja je ubrzo uslijedila nakon fizičkog tretmana atoma vodika u kvantnoj mehanici sredinom 2020. godine. Jedan od prvih kvantnih efekata koji je jasno uočen (ali nije shvaćen u to vreme) bilo je Maksvelovo posmatranje koje uključuje vodonik pola veka pre nego što je postojala potpuna kvantnomehanička teorija. Maksvel je primetio da specifični toplotni kapacitet H2 nepovratno odstupa od dvoatomskog gasa ispod sobne temperature i počinje sve više da liči na specifični toplotni kapacitet jednoatomskog gasa na kriogenim temperaturama. Prema kvantnoj teoriji, ovo ponašanje proizlazi iz razmaka (kvantizovanih) nivoa rotacione energije, koji su posebno široko raspoređeni u H2 zbog njegove male mase. Ovi široko raspoređeni nivoi sprečavaju jednaku podelu toplotne energije na rotaciono kretanje u vodoniku na niskim temperaturama. Gasovi dijatomeja, koji se sastoje od težih atoma, nemaju tako široko raspoređene nivoe i ne pokazuju isti efekat. Antihidrogen je antimaterijalni analog vodonika. Sastoji se od antiprotona sa pozitronom. Antivodonik je jedina vrsta atoma antimaterije koja je dobijena od 2015.

Biti u prirodi

Vodonik je najzastupljeniji hemijski element u svemiru, koji čini 75% normalne materije po masi i preko 90% po broju atoma. (Većina mase svemira, međutim, nije u obliku ovog hemijskog elementa, ali se smatra da ima još neotkrivene masene oblike kao što su tamna materija i tamna energija.) Ovaj element se nalazi u velikom izobilju u zvijezdama i gasni giganti. H2 molekularni oblaci povezani su s formiranjem zvijezda. Vodik igra vitalnu ulogu u paljenju zvijezda kroz proton-protonsku reakciju i nuklearnu fuziju CNO ciklusa. U cijelom svijetu, vodonik se uglavnom javlja u atomskim i plazma stanjima sa svojstvima sasvim drugačijim od onih molekularnog vodonika. Kao plazma, elektron i proton vodonika nisu povezani zajedno, što rezultira vrlo visokom električnom provodljivošću i visokom emisivnošću (generiranje svjetlosti od Sunca i drugih zvijezda). Na nabijene čestice snažno djeluju magnetska i električna polja. Na primjer, u sunčevom vjetru, oni stupaju u interakciju sa Zemljinom magnetosferom, stvarajući Birkelandove struje i auroru. Vodik je u neutralnom atomskom stanju u međuzvjezdanom mediju. Vjeruje se da velika količina neutralnog vodonika pronađena u nestalnim Liman-alfa sistemima dominira kosmološkom barionskom gustinom Univerzuma do crvenog pomaka z = 4. U normalnim uvjetima na Zemlji, elementarni vodonik postoji kao dvoatomski plin, H2. Međutim, vodonik je vrlo rijedak u Zemljinoj atmosferi (1 ppm po zapremini) zbog svoje male težine, što mu omogućava da lakše prkosi Zemljinoj gravitaciji od težih plinova. Međutim, vodonik je treći najzastupljeniji element na površini Zemlje, koji postoji prvenstveno u obliku hemijskih jedinjenja kao što su ugljovodonici i voda. Plin vodik proizvode neke bakterije i alge i prirodna je komponenta flaute, kao i metan, koji je sve značajniji izvor vodonika. Molekularni oblik koji se naziva protonirani molekularni vodonik (H+3) nalazi se u međuzvjezdanom mediju, gdje nastaje jonizacijom molekularnog vodonika iz kosmičkih zraka. Ovaj nabijeni ion je također uočen u gornjoj atmosferi planete Jupiter. Jon je relativno stabilan u okolini zbog niske temperature i gustine. H+3 je jedan od najzastupljenijih jona u svemiru i igra istaknutu ulogu u hemiji međuzvjezdanog medija. Neutralni triatomski vodonik H3 može postojati samo u pobuđenom obliku i nestabilan je. Nasuprot tome, pozitivni molekularni vodikov jon (H+2) je rijedak molekul u svemiru.

Proizvodnja vodonika

H2 se proizvodi u hemijskim i biološkim laboratorijama, često kao nusproizvod drugih reakcija; u industriji za hidrogenaciju nezasićenih supstrata; iu prirodi kao sredstvo istiskivanja reducirajućih ekvivalenata u biohemijskim reakcijama.

Reformiranje pare

Vodonik se može proizvesti na nekoliko načina, ali ekonomski najvažniji procesi uključuju uklanjanje vodonika iz ugljovodonika, jer je oko 95% proizvodnje vodonika 2000. godine došlo iz parnog reformisanja. Komercijalno, velike količine vodonika se obično proizvode parnim reformiranjem prirodnog gasa. Na visokim temperaturama (1000-1400 K, 700-1100 °C ili 1300-2000 °F) para (para) reaguje sa metanom i proizvodi ugljen monoksid i H2.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Ova reakcija najbolje funkcionira pri niskim pritiscima, ali se još uvijek može izvesti pri visokim pritiscima (2,0 MPa, 20 atm, ili 600 inča žive). To je zato što je H2 pod visokim pritiskom najpopularniji proizvod, a sistemi za čišćenje pod pritiskom rade bolje na višim pritiscima. Mješavina proizvoda poznata je kao "sintetski plin" jer se često koristi direktno za proizvodnju metanola i srodnih spojeva. Ugljikovodici osim metana mogu se koristiti za proizvodnju sintetskog plina s različitim omjerima proizvoda. Jedna od mnogih komplikacija ove visoko optimizirane tehnologije je stvaranje koksa ili ugljika:

CH4 → C + 2 H2

Stoga, parni reforming obično koristi višak H2O. Dodatni vodonik se može dobiti iz pare korištenjem ugljičnog monoksida kroz reakciju pomaka vodenog plina, posebno korištenjem katalizatora željeznog oksida. Ova reakcija je također uobičajen industrijski izvor ugljičnog dioksida:

CO + H2O → CO2 + H2

Druge važne metode za H2 uključuju djelomičnu oksidaciju ugljikovodika:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

I reakcija na ugalj, koja može poslužiti kao uvod u gore opisanu reakciju pomaka:

C + H2O → CO + H2

Ponekad se vodonik proizvodi i troši u istom industrijskom procesu, bez odvajanja. U Haberovom procesu za proizvodnju amonijaka, vodonik se proizvodi iz prirodnog plina. Elektroliza rastvora soli za proizvodnju hlora takođe proizvodi vodonik kao nusproizvod.

metalna kiselina

U laboratoriji, H2 se obično proizvodi reakcijom razrijeđenih neoksidirajućih kiselina s određenim reaktivnim metalima kao što je cink s Kipp aparatom.

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

Aluminij također može proizvesti H2 kada se tretira bazama:

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

Elektroliza vode je jednostavan način za proizvodnju vodika. Struja niskog napona teče kroz vodu i gas kiseonika se stvara na anodi, dok se gas vodonik stvara na katodi. Obično se katoda izrađuje od platine ili drugog inertnog metala u proizvodnji vodonika za skladištenje. Međutim, ako se gas sagoreva na licu mesta, poželjno je prisustvo kiseonika da bi se podstaklo sagorevanje, i stoga će obe elektrode biti napravljene od inertnih metala. (Na primjer, željezo oksidira i stoga smanjuje količinu oslobođenog kisika). Teoretski maksimalna efikasnost (utrošena električna energija u odnosu na energetsku vrijednost proizvedenog vodonika) je u rasponu od 80-94%.

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Za proizvodnju vodika može se koristiti legura aluminijuma i galija u obliku granula koja se dodaje vodi. Ovaj proces takođe proizvodi glinicu, ali skupi galijum, koji sprečava stvaranje oksidne kože na peletima, može se ponovo koristiti. Ovo ima važne potencijalne implikacije za ekonomiju vodonika, budući da se vodonik može proizvesti lokalno i ne mora se transportovati.

Termohemijska svojstva

Postoji više od 200 termohemijskih ciklusa koji se mogu koristiti za odvajanje vode, desetak od ovih ciklusa, kao što su ciklus željeznog oksida, ciklus cerijum (IV) oksida, ciklus cerijum (III) oksida, cink-cink oksid ciklus, ciklus sumpora i joda, ciklus bakra i hibridni ciklus hlora i sumpora su u fazi istraživanja i testiranja za proizvodnju vodonika i kiseonika iz vode i toplote bez upotrebe električne energije. Brojne laboratorije (uključujući one u Francuskoj, Njemačkoj, Grčkoj, Japanu i SAD-u) razvijaju termohemijske metode za proizvodnju vodonika iz sunčeve energije i vode.

Anaerobna korozija

U anaerobnim uvjetima, legure željeza i čelika polako se oksidiraju protonima vode dok se redukuju u molekularnom vodoniku (H2). Anaerobna korozija gvožđa prvo dovodi do stvaranja željeznog hidroksida (zelene rđe) i može se opisati sljedećom reakcijom: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. Zauzvrat, u anaerobnim uvjetima, željezni hidroksid (Fe (OH) 2) može se oksidirati protonima vode da bi se formirao magnetit i molekularni vodonik. Ovaj proces je opisan Shikorra reakcijom: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 gvožđe hidroksid → magnezijum + voda + vodonik. Dobro kristalizirani magnetit (Fe3O4) je termodinamički stabilniji od željeznog hidroksida (Fe(OH)2). Ovaj proces se dešava tokom anaerobne korozije gvožđa i čelika u anoksičnim podzemnim vodama i kada se zemljište povrati ispod nivoa vode.

Geološko porijeklo: reakcija serpentinizacije

U nedostatku kiseonika (O2) u dubokim geološkim uslovima koji preovlađuju daleko od Zemljine atmosfere, vodonik (H2) nastaje tokom serpentinizacije anaerobnom oksidacijom vodenim protonima (H+) silikata gvožđa (Fe2+) prisutnog u kristalnoj rešetki fajalita ( Fe2SiO4, mineralna olivin-žlijezda). Odgovarajuća reakcija koja dovodi do stvaranja magnetita (Fe3O4), kvarca (SiO2) i vodonika (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 fajalit + voda → magnetit + kvarc + vodonik. Ova reakcija vrlo liči na Shikorra reakciju uočenu u anaerobnoj oksidaciji željeznog hidroksida u kontaktu s vodom.

Formiranje u transformatorima

Od svih opasnih plinova proizvedenih u energetskim transformatorima, vodik je najčešći i nastaje u većini kvarova; stoga je stvaranje vodonika rani znak ozbiljnih problema u životnom ciklusu transformatora.

Prijave

Potrošnja u raznim procesima

Velike količine H2 potrebne su u naftnoj i hemijskoj industriji. Najveća upotreba H2 je za preradu (“nadogradnju”) fosilnih goriva i za proizvodnju amonijaka. U petrohemijskim postrojenjima, H2 se koristi u hidrodealkilaciji, hidrodesulfurizaciji i hidrokrekingu. H2 ima nekoliko drugih važnih upotreba. H2 se koristi kao agens za hidrogenizaciju, posebno za povećanje nivoa zasićenosti nezasićenih masti i ulja (koje se nalaze u artiklima kao što je margarin), i u proizvodnji metanola. Također je izvor vodonika u proizvodnji hlorovodonične kiseline. H2 se takođe koristi kao redukciono sredstvo za metalne rude. Vodik je visoko rastvorljiv u mnogim retkim zemnim i prelaznim metalima i rastvorljiv je u nanokristalnim i amorfnim metalima. Rastvorljivost vodika u metalima ovisi o lokalnim distorzijama ili nečistoćama u kristalnoj rešetki. Ovo može biti korisno kada se vodonik pročišćava prolazom kroz vruće paladijumske diskove, ali visoka rastvorljivost gasa je metalurški problem koji krti mnoge metale, komplicirajući dizajn cevovoda i rezervoara za skladištenje. Osim što se koristi kao reagens, H2 ima širok spektar primjena u fizici i inženjerstvu. Koristi se kao zaštitni plin u metodama zavarivanja kao što je zavarivanje atomskim vodonikom. H2 se koristi kao rashladno sredstvo rotora u električnim generatorima u elektranama jer ima najveću toplinsku provodljivost od svih plinova. Tečni H2 se koristi u kriogenim istraživanjima, uključujući istraživanje supravodljivosti. Budući da je H2 lakši od vazduha, sa nešto više od 1/14 gustine vazduha, nekada se široko koristio kao gas za podizanje u balonima i vazdušnim brodovima. U novijim aplikacijama, vodonik se koristi čist ili pomiješan s dušikom (ponekad se naziva i formirajući plin) kao plin za praćenje za trenutnu detekciju curenja. Vodik se koristi u automobilskoj, hemijskoj, energetskoj, svemirskoj i telekomunikacijskoj industriji. Vodonik je dozvoljeni aditiv za hranu (E 949) koji omogućava ispitivanje curenja hrane, između ostalih antioksidativnih svojstava. Rijetki izotopi vodonika također imaju posebne namjene. Deuterijum (vodik-2) se koristi u aplikacijama nuklearne fisije kao moderator sporih neutrona i u reakcijama nuklearne fuzije. Jedinjenja deuterijuma se koriste u oblasti hemije i biologije u proučavanju izotopskih efekata reakcije. Tricij (vodonik-3), proizveden u nuklearnim reaktorima, koristi se u proizvodnji hidrogenskih bombi, kao marker izotopa u biološkim naukama i kao izvor zračenja u svjetlećim bojama. Temperatura trostruke tačke ravnotežnog vodonika je definitivna fiksna tačka na ITS-90 temperaturnoj skali na 13,8033 Kelvina.

Medij za hlađenje

Vodik se obično koristi u elektranama kao rashladno sredstvo u generatorima zbog niza povoljnih svojstava koja su direktna posljedica njegovih lakih dvoatomskih molekula. To uključuje nisku gustoću, nisku viskoznost i najveći specifični toplinski kapacitet i toplinsku provodljivost od bilo kojeg plina.

Energetski nosač

Vodik nije energetski resurs, osim u hipotetičkom kontekstu komercijalnih fuzijskih elektrana koje koriste deuterijum ili tricijum, tehnologiju koja je trenutno daleko od zrele. Energija Sunca dolazi od nuklearne fuzije vodika, ali je ovaj proces teško ostvariv na Zemlji. Elementarni vodonik iz solarnih, bioloških ili električnih izvora zahtijeva više energije za njegovu proizvodnju nego što je potrebno za sagorijevanje, tako da u ovim slučajevima vodik funkcionira kao nositelj energije, slično kao baterija. Vodik se može dobiti iz fosilnih izvora (kao što je metan), ali ti izvori su iscrpljivi. Gustoća energije po jedinici zapremine i tekućeg vodonika i komprimovanog gasovitog vodonika pri bilo kom praktično dostižnom pritisku je znatno manja od konvencionalnih izvora energije, iako je gustina energije po jedinici mase goriva veća. Međutim, o elementarnom vodoniku se naširoko raspravlja u energetskom kontekstu kao o mogućem budućem nosiocu energije za cijelu ekonomiju. Na primjer, sekvestracija CO2 praćena hvatanjem i skladištenjem ugljika može se obaviti na mjestu proizvodnje H2 iz fosilnih goriva. Vodik koji se koristi u transportu će sagorijevati relativno čisto, uz neke emisije NOx, ali bez emisije ugljika. Međutim, infrastrukturni troškovi povezani s potpunom konverzijom na vodoničnu ekonomiju bit će značajni. Gorivne ćelije mogu pretvoriti vodonik i kiseonik direktno u električnu energiju efikasnije od motora sa unutrašnjim sagorevanjem.

industrija poluprovodnika

Vodik se koristi za zasićenje visećih veza amorfnog silicija i amorfnog ugljika, što pomaže u stabilizaciji svojstava materijala. Takođe je potencijalni donor elektrona u različitim oksidnim materijalima uključujući ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO3 i SrZrO.

biološke reakcije

H2 je proizvod nekog anaerobnog metabolizma i proizvodi ga nekoliko mikroorganizama, obično kroz reakcije katalizirane enzimima koji sadrže željezo ili nikl zvani hidrogenaze. Ovi enzimi katalizuju reverzibilnu redoks reakciju između H2 i njegova dva protona i dva elektrona komponente. Stvaranje plinovitog vodonika događa se prijenosom redukcijskih ekvivalenata koji nastaju fermentacijom piruvata u vodu. Prirodni ciklus proizvodnje i potrošnje vodonika od strane organizama naziva se ciklus vodonika. Cepanje vode, proces kojim se voda razlaže na sastavne protone, elektrone i kiseonik, javlja se u svetlosnim reakcijama u svim fotosintetičkim organizmima. Neki takvi organizmi, uključujući alge Chlamydomonas Reinhardtii i cijanobakterije, razvili su drugu fazu u tamnim reakcijama u kojima se protoni i elektroni reduciraju da formiraju plin H2 pomoću specijaliziranih hidrogenaza u hloroplastu. Učinjeni su pokušaji da se genetski modifikuju cijanobakterijske hidraze kako bi se efikasno sintetizovao gas H2 čak i u prisustvu kiseonika. Uloženi su napori i korištenjem genetski modificiranih algi u bioreaktoru.

Atom vodonika ima elektronsku formulu vanjskog (i jedinog) elektronskog nivoa 1 s jedan . S jedne strane, prisustvom jednog elektrona na vanjskom elektronskom nivou, atom vodonika je sličan atomima alkalnog metala. Međutim, kao i halogenima, nedostaje mu samo jedan elektron da popuni eksterni elektronski nivo, jer se na prvom elektronskom nivou ne mogu nalaziti više od 2 elektrona. Ispostavilo se da se vodonik može smjestiti istovremeno i u prvu i u pretposljednju (sedmu) grupu periodnog sistema, što se ponekad radi u različitim verzijama periodnog sistema:

Sa stanovišta svojstava vodonika kao jednostavne supstance, on ipak ima više zajedničkog sa halogenima. Vodik, kao i halogeni, je nemetal i tvori dvoatomske molekule (H 2) slično njima.

U normalnim uslovima, vodonik je gasovita, neaktivna supstanca. Niska aktivnost vodika objašnjava se visokom čvrstoćom veze između atoma vodika u molekuli, koja zahtijeva ili snažno zagrijavanje ili korištenje katalizatora, ili oboje u isto vrijeme, da bi se prekinula.

Interakcija vodika sa jednostavnim supstancama

sa metalima

Od metala, vodonik reaguje samo sa alkalnom i zemnoalkalnom! U alkalne metale spadaju metali glavne podgrupe I grupe (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), a zemnoalkalni metali su metali glavne podgrupe II grupe, osim berilija i magnezijuma (Ca, Sr, Ba , Ra)

U interakciji s aktivnim metalima, vodik pokazuje oksidirajuća svojstva, tj. smanjuje njegovo oksidacijsko stanje. U tom slučaju nastaju hidridi alkalnih i zemnoalkalnih metala, koji imaju ionsku strukturu. Reakcija se nastavlja kada se zagrije:

Treba napomenuti da je interakcija sa aktivnim metalima jedini slučaj kada je molekularni vodonik H2 oksidant.

sa nemetalima

Od nemetala, vodonik reaguje samo sa ugljenikom, azotom, kiseonikom, sumporom, selenom i halogenima!

Ugljik treba shvatiti kao grafit ili amorfni ugljik, budući da je dijamant izuzetno inertna alotropna modifikacija ugljika.

U interakciji s nemetalima, vodik može obavljati samo funkciju redukcijskog agensa, odnosno može samo povećati svoje oksidacijsko stanje:

Interakcija vodika sa složenim supstancama

sa metalnim oksidima

Vodik ne reaguje sa metalnim oksidima koji su u nizu aktivnosti metala do aluminijuma (uključivo), ali je u stanju da redukuje mnoge metalne okside desno od aluminijuma kada se zagreje:

sa nemetalnim oksidima

Od nemetalnih oksida, vodik reagira kada se zagrije s oksidima dušika, halogenima i ugljikom. Od svih interakcija vodika sa oksidima nemetala, posebno treba istaći njegovu reakciju sa ugljen monoksidom CO.

Mješavina CO i H 2 čak ima i svoje ime - "sintetski plin", jer se, ovisno o uvjetima, iz nje mogu dobiti tako traženi industrijski proizvodi kao što su metanol, formaldehid, pa čak i sintetički ugljovodonici:

sa kiselinama

Vodonik ne reaguje sa neorganskim kiselinama!

Od organskih kiselina, vodonik reagira samo s nezasićenim kiselinama, kao i sa kiselinama koje sadrže funkcionalne grupe koje se mogu reducirati vodonikom, posebno aldehidne, keto ili nitro grupe.

sa solima

U slučaju vodenih rastvora soli ne dolazi do njihove interakcije sa vodonikom. Međutim, kada se vodik propušta preko čvrstih soli nekih metala srednje i niske aktivnosti, moguća je njihova djelomična ili potpuna redukcija, na primjer:

Hemijska svojstva halogena

Halogeni su hemijski elementi VIIA grupe (F, Cl, Br, I, At), kao i jednostavne supstance koje formiraju. U daljnjem tekstu, osim ako nije drugačije navedeno, halogeni će se smatrati jednostavnim tvarima.

Svi halogeni imaju molekularnu strukturu, što dovodi do niskih tačaka topljenja i ključanja ovih supstanci. Molekuli halogena su dvoatomni, tj. njihova formula se može zapisati u opštem obliku kao Hal 2 .

Treba napomenuti tako specifično fizičko svojstvo joda kao što je njegova sposobnost sublimacija ili, drugim riječima, sublimacija. sublimacija, nazivaju fenomen u kojem se supstanca u čvrstom stanju ne topi kada se zagrije, već, zaobilazeći tečnu fazu, odmah prelazi u plinovito stanje.

Elektronska struktura vanjskog energetskog nivoa atoma bilo kojeg halogena ima oblik ns 2 np 5, gdje je n broj perioda periodnog sistema u kojem se halogen nalazi. Kao što vidite, samo jedan elektron nedostaje u vanjskoj ljusci atoma halogena od osam elektrona. Iz ovoga je logično pretpostaviti pretežno oksidaciona svojstva slobodnih halogena, što se potvrđuje i u praksi. Kao što znate, elektronegativnost nemetala opada kada se kreće niz podgrupu, pa se aktivnost halogena smanjuje u nizu:

F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2

Interakcija halogena sa jednostavnim supstancama

Svi halogeni su vrlo reaktivni i reagiraju s većinom jednostavnih tvari. Međutim, treba napomenuti da fluor, zbog svoje izuzetno visoke reaktivnosti, može reagirati čak i s onim jednostavnim tvarima s kojima drugi halogeni ne mogu reagirati. Takve jednostavne supstance uključuju kiseonik, ugljenik (dijamant), azot, platinu, zlato i neke plemenite gasove (ksenon i kripton). One. zapravo, fluor ne reaguje samo sa nekim plemenitim gasovima.

Preostali halogeni, tj. hlor, brom i jod su takođe aktivne supstance, ali manje aktivne od fluora. Reaguju sa gotovo svim jednostavnim tvarima osim kisika, dušika, ugljika u obliku dijamanta, platine, zlata i plemenitih plinova.

Interakcija halogena sa nemetalima

vodonik

Svi halogeni reaguju sa vodonikom i nastaju vodonik halogenidi sa opštom formulom HHal. Istovremeno, reakcija fluora sa vodikom počinje spontano čak i u mraku i nastavlja se eksplozijom u skladu sa jednadžbom:

Reakcija hlora sa vodonikom može se pokrenuti intenzivnim ultraljubičastim zračenjem ili zagrijavanjem. Također curi uz eksploziju:

Brom i jod reaguju sa vodonikom samo kada se zagreju, a u isto vreme reakcija sa jodom je reverzibilna:

fosfor

Interakcija fluora sa fosforom dovodi do oksidacije fosfora do najvišeg oksidacionog stanja (+5). U ovom slučaju dolazi do stvaranja fosfor pentafluorida:

Kada klor i brom stupaju u interakciju s fosforom, moguće je dobiti fosforne halogenide i u oksidacijskom stanju + 3 i u oksidacijskom stanju + 5, što ovisi o proporcijama reaktanata:

U slučaju bijelog fosfora u atmosferi fluora, hlora ili tekućeg broma, reakcija počinje spontano.

Interakcija fosfora s jodom može dovesti do stvaranja samo fosfornog trijodida zbog znatno niže oksidacijske sposobnosti od ostalih halogena:

siva

Fluor oksidira sumpor do najvišeg oksidacionog stanja +6, formirajući sumpor heksafluorid:

Klor i brom reagiraju sa sumporom, formirajući spojeve koji sadrže sumpor u oksidacijskim stanjima koja su za njega izuzetno neuobičajena +1 i +2. Ove interakcije su vrlo specifične, a za polaganje ispita iz hemije nije potrebna sposobnost zapisivanja jednačina tih interakcija. Stoga su sljedeće tri jednačine date radije kao smjernica:

Interakcija halogena sa metalima

Kao što je već spomenuto, fluor može reagirati sa svim metalima, čak i sa neaktivnim poput platine i zlata:

Preostali halogeni reagiraju sa svim metalima osim platine i zlata:

Reakcije halogena sa složenim supstancama

Reakcije supstitucije sa halogenima

Aktivniji halogeni, tj. čiji se hemijski elementi nalaze više u periodnom sistemu, u stanju su da istisnu manje aktivne halogene iz halogenovodoničnih kiselina i metalnih halogenida koje stvaraju:

Slično, brom i jod istiskuju sumpor iz rastvora sulfida i/ili vodonik sulfida:

Klor je jači oksidant i oksidira sumporovodik u svojoj vodenoj otopini ne u sumpor, već u sumpornu kiselinu:

Interakcija halogena sa vodom

Voda gori u fluoru s plavim plamenom u skladu s jednačinom reakcije:

Brom i hlor drugačije reaguju sa vodom nego fluor. Ako je fluor djelovao kao oksidacijsko sredstvo, tada su klor i brom nesrazmjerni u vodi, stvarajući mješavinu kiselina. U ovom slučaju, reakcije su reverzibilne:

Interakcija joda sa vodom ide do toliko beznačajnog stepena da se može zanemariti i smatrati da se reakcija uopšte ne odvija.

Interakcija halogena sa alkalnim rastvorima

Fluor, kada je u interakciji s vodenom otopinom alkalija, opet djeluje kao oksidant:

Sposobnost pisanja ove jednačine nije potrebna za polaganje ispita. Dovoljno je znati činjenicu o mogućnosti takve interakcije i oksidirajućoj ulozi fluora u ovoj reakciji.

Za razliku od fluora, drugi halogeni su nesrazmjerni u alkalnim otopinama, odnosno istovremeno povećavaju i smanjuju svoje oksidacijsko stanje. Istovremeno, u slučaju hlora i broma, u zavisnosti od temperature, moguće je strujanje u dva različita smera. Konkretno, na hladnoći, reakcije se odvijaju na sljedeći način:

a kada se zagrije:

Jod sa alkalijama reaguje isključivo po drugoj opciji, tj. sa stvaranjem jodata, jer hipojodit je nestabilan ne samo kada se zagrije, već i na uobičajenim temperaturama, pa čak i na hladnoći.

MINSK VIŠE TEHNOLOGIJE I DIZAJN LAKE INDUSTRIJE

apstraktno

disciplina: Hemija

Tema: "Vodonik i njegova jedinjenja"

Pripremljen od: Student 1. godine343 grupe

Viskup Elena

Provjereno: Alyabyeva N.V.

Minsk 2009

Struktura atoma vodonika u periodnom sistemu

Stanja oksidacije

Prevalencija u prirodi

Vodonik kao jednostavna supstanca

Jedinjenja vodonika

Bibliografija

Struktura atoma vodonika u periodnom sistemu

Prvi element periodnog sistema (1. period, redni broj 1). Nema potpunu analogiju sa drugim hemijskim elementima i ne pripada nijednoj grupi, pa se u tabelama uslovno stavlja u IA grupu i/ili VIIA grupu.

Atom vodika je najmanji i najlakši među atomima svih elemenata. Elektronska formula atoma je 1s1. Uobičajeni oblik postojanja elementa u slobodnom stanju je dvoatomski molekul.

Stanja oksidacije

Atom vodonika u jedinjenjima sa više elektronegativnih elemenata pokazuje oksidaciono stanje od +1, na primer, HF, H 2 O, itd. A u jedinjenjima sa metalnim hidridima, oksidaciono stanje atoma vodika je -1, na primer NaH , CaH 2, itd. Ima prosječnu vrijednost elektronegativnosti između tipičnih metala i nemetala. Može katalitički reducirati u organskim rastvaračima kao što su octena kiselina ili alkohol, mnoga organska jedinjenja: nezasićena jedinjenja u zasićena, neka jedinjenja natrijuma u amonijak ili amine.

Prevalencija u prirodi

Prirodni vodonik se sastoji od dva stabilna izotopa - protijuma 1 H, deuterijuma 2 H i tricijuma 3 H. Na drugi način, deuterijum se označava kao D, a tricijum kao T. Moguće su različite kombinacije, na primer, HT, HD, TD, H 2, D 2, T2. Vodik je u prirodi češći u obliku raznih jedinjenja sa sumporom (H 2 S), kiseonikom (u obliku vode), ugljenikom, azotom i hlorom. Manje često u obliku spojeva s fosforom, jodom, bromom i drugim elementima. Dio je svih biljnih i životinjskih organizama, nafte, fosilnih ugljeva, prirodnog plina, niza minerala i stijena. U slobodnom stanju se vrlo rijetko nalazi u malim količinama - u vulkanskim plinovima i produktima raspadanja organskih ostataka. Vodonik je najzastupljeniji element u svemiru (oko 75%). Nalazi se na Suncu i većini zvijezda, kao i na planetama Jupiteru i Saturnu, koji su uglavnom vodonik. Na nekim planetama vodonik može postojati u čvrstom obliku.

Vodonik kao jednostavna supstanca

Molekul vodonika sastoji se od dva atoma povezana nepolarnom kovalentnom vezom. Fizička svojstva- gas bez boje i mirisa. Širi se brže od ostalih plinova u svemiru, prolazi kroz male pore, a na visokim temperaturama relativno lako prodire u čelik i druge materijale. Ima visoku toplotnu provodljivost.

Hemijska svojstva. U svom normalnom stanju na niskim temperaturama je neaktivan, bez zagrijavanja reagira sa fluorom i hlorom (u prisustvu svjetlosti).

Aktivnije je u interakciji s nemetalima nego s metalima.

Kada je u interakciji s različitim supstancama, može pokazati i oksidirajuća i redukcijska svojstva.

Jedinjenja vodonika

Jedno od jedinjenja vodonika su halogeni. Nastaju kada se vodonik spoji sa elementima VIIA grupe. HF, HCl, HBr i HI su bezbojni gasovi koji su dobro rastvorljivi u vodi.

Pošto su HBr i HI tipični redukcioni agensi, oni se ne mogu dobiti reakcijom razmene kao HCl.

CaF 2 + H 2 SO 4 \u003d CaSO 4 + 2HF

Voda je najčešće jedinjenje vodonika u prirodi.

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O

Nema boju, nema ukus, nema miris. Vrlo slab elektrolit, ali aktivno reagira s mnogim metalima i nemetalima, bazičnim i kiselim oksidima.

2H 2 O + 2Na \u003d 2NaOH + H 2

H 2 O + BaO \u003d Ba (OH) 2

3H 2 O + P 2 O 5 \u003d 2H 3 PO 4

Teška voda (D 2 O) je izotopska vrsta vode. Rastvorljivost tvari u teškoj vodi je mnogo manja nego u običnoj vodi. Teška voda je otrovna, jer usporava biološke procese u živim organizmima. Akumulira se u ostatku elektrolize tokom ponovljene elektrolize vode. Koristi se kao rashladno sredstvo i moderator neutrona u nuklearnim reaktorima.

Hidridi - interakcija vodonika sa metalima (na visokoj temperaturi) ili nemetalima manje elektronegativnim od vodonika.

Si + 2H 2 \u003d SiH 4

Sam vodonik je otkriven u prvoj polovini 16. veka. Paracelsus. Godine 1776. G. Cavendish je prvi istraživao njena svojstva, 1783.-1787. A. Lavoisier je pokazao da je vodonik dio vode, uključio ga u listu hemijskih elemenata i predložio naziv "vodonik".

Bibliografija

1. M.B. Volovich, O.F. Kabardin, R.A. Lidin, L.Yu. Alikberova, V.S. Rokhlov, V.B. Pyatunin, Yu.A. Simagin, S.V. Simonovich / Priručnik za školarce / Moskva "AST-PRESS BOOK" 2003.

2. I.L. Knunyats / Hemijska enciklopedija / Moskva "Sovjetska enciklopedija" 1988.

3. I.E. Shimanovich / Hemija 11 / Minsk "Narodna Asveta" 2008.

4. F. Cotton, J. Wilkinson / Moderna anorganska hemija / Moskva "Mir" 1969.

Postoje tri izotopska oblika vodonika: protij deuterijum i tricijum Sec. 1.1 i 4.1). Prirodni vodonik sadrži 99,985% izotopa, preostalih 0,015% je deuterijum. Tricij je nestabilan radioaktivni izotop i stoga se javlja samo u tragovima. Emituje P-čestice i ima poluživot od 12,3 godine (vidi odeljak 1.3).

Svi izotopski oblici vodonika imaju skoro ista hemijska svojstva. Međutim, razlikuju se po fizičkim svojstvima. U tabeli. 12.4 pokazuje neka fizička svojstva vodonika i deuterijuma.

Tabela 12.4. Fizička svojstva

Za svako vodonikovo jedinjenje postoji deuterijum. Najvažniji od njih je deuterijum oksid, takozvana teška voda. Koristi se kao moderator u nekim tipovima nuklearnih reaktora (vidi Odjeljak 1.3).

Deuterijum oksid nastaje elektrolizom vode. Kako na katodi dolazi do taloženja, preostala voda je obogaćena deuterijum oksidom. U prosjeku, ova metoda vam omogućava da dobijete od 100 litara vode.

Druga jedinjenja deuterijuma se obično pripremaju iz deuterijum oksida, na primer

Atomski vodonik

Vodik dobiven gore opisanim laboratorijskim metodama je u svim slučajevima plin koji se sastoji od dvoatomskih molekula, odnosno molekularnog vodonika. Može se razdvojiti u agome koristeći neku vrstu izvora visoke energije, kao što je cijev za pražnjenje plina koja sadrži vodonik pod niskim tlakom. Vodik se također može atomizirati u električnom luku formiranom između volframovih elektroda. Atomi vodika se rekombinuju na površini metala, oslobađajući toliko energije do koje to dovodi

podizanje temperature na približno 3500°C. Ovaj efekat se koristi za zavarivanje metala vodonikom.

Atomski vodonik je jak redukcijski agens. Redukuje metalne okside i kloride u slobodne metale.

Vodik u trenutku oslobađanja

Gasoviti vodonik, odnosno molekularni vodonik, je loš redukcijski agens. To je zbog njegove visoke energije vezivanja, jednake, na primjer, kada se plinoviti vodik propušta kroz otopinu koja sadrži ione, do njihove redukcije ne dolazi. Međutim, ako do stvaranja vodika dođe direktno u otopini koja sadrži ione, ti se ioni odmah redukuju u ione

Da bi se vodik formirao direktno u otopini koja sadrži ione, tu se dodaju razrijeđena sumporna kiselina i cink. Vodik koji nastaje u takvim uslovima naziva se vodonik u trenutku oslobađanja.

Ortohidrogen i paravodonik

Dva protona u molekulu vodonika vezana su jedan za drugi pomoću dva protona koja se nalaze u -vezujućoj orbitali (vidi Odjeljak 2.1). Ova dva elektrona u navedenoj orbiti moraju imati suprotne spinove. Međutim, za razliku od elektrona, dva protona u molekuli vodika mogu imati ili paralelne ili suprotne spinove. Raznovrsnost molekularnog vodonika sa paralelnim spinovima protona dva jezgra naziva se ortovodonik, a varijanta sa suprotno usmerenim spinovima protona dva jezgra naziva se paravodonik (slika 12.1).

Obični vodonik je mješavina ortovodonika i paravodonika. Na vrlo niskim temperaturama dominira paravodonik. Kako temperatura raste, udio ortovodonika se povećava, a na 25°C smjesa sadrži približno 75% ortovodonika i 25% paravodonika.

Paravodonik se može proizvesti propuštanjem običnog vodonika kroz cijev napunjenu ugljenom, a zatim hlađenjem do temperature tekućeg zraka. Ortovodonik i paravodonik su potpuno isti po svojim hemijskim svojstvima, ali se donekle razlikuju po tačkama topljenja i ključanja (vidi tabelu 12.5).

Rice. 12.1. Ortohidrogen i paravodonik.

Tabela 12.5. Tačke topljenja i ključanja ortovodonika i paravodonika