Wasserstoff in der Natur (0,9 % in der Erdkruste). Physikalische und chemische Eigenschaften von Wasserstoff

Wasserstoff ist ein besonderes Element, das im Periodensystem von Mendelejew zwei Zellen gleichzeitig besetzt. Es befindet sich in zwei Gruppen von Elementen mit entgegengesetzten Eigenschaften, und diese Eigenschaft macht es einzigartig. Wasserstoff ist eine einfache Substanz und Bestandteil vielen komplexen Verbindungen ist es ein organogenes und biogenes Element. Es lohnt sich, sich ausführlich mit seinen Hauptmerkmalen und Eigenschaften vertraut zu machen.

Wasserstoff im Periodensystem von Mendelejew

Die Hauptmerkmale von Wasserstoff sind angegeben in:

• die Seriennummer des Elements ist 1 (es gibt die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen);
• Atommasse ist 1,00795;
• Wasserstoff hat drei Isotope, von denen jedes besondere Eigenschaften hat;
• Aufgrund des Gehalts von nur einem Elektron kann Wasserstoff reduzierende und oxidierende Eigenschaften aufweisen, und nach Abgabe eines Elektrons hat Wasserstoff ein freies Orbital, das an der Zusammensetzung teilnimmt chemische Bindungen nach dem Donor-Akzeptor-Mechanismus;
• Wasserstoff ist ein leichtes Element mit geringer Dichte;
• Wasserstoff ist ein starkes Reduktionsmittel, es öffnet die Gruppe Alkali Metalle in der ersten Gruppe der Hauptuntergruppe;
• Wenn Wasserstoff mit Metallen und anderen starken Reduktionsmitteln reagiert, nimmt er deren Elektron auf und wird zu einem Oxidationsmittel. Solche Verbindungen werden Hydride genannt. Gemäß dem angegebenen Merkmal gehört Wasserstoff bedingt zur Gruppe der Halogene (in der Tabelle ist oben Fluor in Klammern angegeben), mit denen er Ähnlichkeiten aufweist.

Wasserstoff als einfache Substanz

Wasserstoff ist ein Gas, dessen Molekül aus zwei besteht. Diese Substanz wurde 1766 vom britischen Wissenschaftler Henry Cavendish entdeckt. Er bewies, dass Wasserstoff ein Gas ist, das explodiert, wenn es mit Sauerstoff wechselwirkt. Nach der Untersuchung von Wasserstoff stellten Chemiker fest, dass diese Substanz die leichteste von allen ist, die dem Menschen bekannt ist.

Ein anderer Wissenschaftler, Lavoisier, gab dem Element den Namen "Hydrogenium", was auf Lateinisch "Wasser gebärend" bedeutet. 1781 bewies Henry Cavendish, dass Wasser eine Kombination aus Sauerstoff und Wasserstoff ist. Mit anderen Worten, Wasser ist das Produkt der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff. Die brennbaren Eigenschaften von Wasserstoff waren schon alten Wissenschaftlern bekannt: Die entsprechenden Aufzeichnungen wurden von Paracelsus hinterlassen, der im 16. Jahrhundert lebte.

Molekularer Wasserstoff ist eine natürlich vorkommende gasförmige Verbindung, die in der Natur häufig vorkommt, die aus zwei Atomen besteht und wenn ein brennender Splitter nach oben gebracht wird. Ein Wasserstoffmolekül kann in Atome zerfallen, die sich in Heliumkerne verwandeln, da sie daran teilnehmen können Kernreaktionen. Solche Prozesse finden regelmäßig im Weltraum und auf der Sonne statt.

Wasserstoff und seine physikalischen Eigenschaften

Wasserstoff hat folgende physikalische Parameter:

• siedet bei -252,76 °C;
• schmilzt bei -259,14 °C; *Wasserstoff ist innerhalb der angegebenen Temperaturgrenzen eine geruchlose, farblose Flüssigkeit;
• Wasserstoff ist in Wasser leicht löslich;
• Wasserstoff kann bei Bereitstellung theoretisch in einen metallischen Zustand übergehen spezielle Bedingungen (niedrige Temperaturen und Hochdruck)
• Reiner Wasserstoff ist ein explosiver und brennbarer Stoff;
• Wasserstoff kann durch die Dicke von Metallen diffundieren und löst sich daher gut in ihnen auf.
• Wasserstoff ist 14,5-mal leichter als Luft;
• beim hoher Druck schneeartige Kristalle aus festem Wasserstoff können erhalten werden.

Chemische Eigenschaften von Wasserstoff

Labormethoden:

• Wechselwirkung verdünnter Säuren mit aktive Metalle und Metalle mittlerer Aktivität;
• Hydrolyse von Metallhydriden;
• Reaktion mit Wasser von Alkali- und Erdalkalimetallen.

Wasserstoffverbindungen:

Halogenwasserstoffe; flüchtige Wasserstoffverbindungen von Nichtmetallen; Hydride; Hydroxide; Wasserstoffhydroxid (Wasser); Wasserstoffperoxid; organische Verbindungen (Proteine, Fette, Kohlenhydrate, Vitamine, Lipide, essentielle Öle, Hormone). Klicken Sie hier, um sichere Experimente zur Untersuchung der Eigenschaften von Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten anzuzeigen.

Um den entstehenden Wasserstoff zu sammeln, müssen Sie das Reagenzglas auf den Kopf stellen. Wasserstoff kann nicht wie Kohlendioxid gesammelt werden, weil es viel leichter als Luft ist. Wasserstoff verdunstet schnell und explodiert, wenn er mit Luft gemischt wird (oder in einer großen Ansammlung). Daher ist es notwendig, das Rohr umzukehren. Unmittelbar nach dem Befüllen wird die Tube mit einem Gummistopfen verschlossen.

Um die Reinheit von Wasserstoff zu überprüfen, müssen Sie ein brennendes Streichholz an den Hals des Reagenzglases bringen. Wenn ein taubes und leises Knallen auftritt, ist das Gas sauber und die Luftverunreinigungen sind minimal. Wenn das Knallen laut und pfeifend ist, ist das Gas im Reagenzglas verschmutzt, es enthält einen hohen Anteil an Fremdbestandteilen.

Beachtung! Versuchen Sie nicht, diese Experimente selbst zu wiederholen!

Das Wasserstoffatom hat im Vergleich zu den Atomen anderer Elemente die einfachste Struktur: Es besteht aus einem Proton.

Erstellen Atomkern, und ein Elektron im ls-Orbital. Die Einzigartigkeit des Wasserstoffatoms liegt darin, dass sich sein einziges Valenzelektron direkt im Wirkungsbereich des Atomkerns befindet, da es nicht von anderen Elektronen abgeschirmt wird. Dadurch erhält es spezifische Eigenschaften. Er darf rein chemische Reaktionen gibt sein Elektron ab und bildet ein H + -Kation (wie Alkalimetallatome) oder fügt ein Elektron von einem Partner hinzu, um ein H- -Anion zu bilden (wie Halogenatome). Daher wird Wasserstoff im Periodensystem häufiger in Gruppe IA eingeordnet, manchmal in Gruppe VIIA, aber es gibt Tabellenvarianten, in denen Wasserstoff keiner der Gruppen des Periodensystems angehört.

Das Wasserstoffmolekül ist zweiatomig - H2. Wasserstoff ist das leichteste aller Gase. Aufgrund der Unpolarität und hohen Stärke des H2-Moleküls (Europäische Sommerzeit\u003d 436 kJ / mol) unter normalen Bedingungen interagiert Wasserstoff aktiv nur mit Fluor und bei Beleuchtung auch mit Chlor und Brom. Beim Erhitzen reagiert es mit vielen Nichtmetallen, Chlor, Brom, Sauerstoff, Schwefel, zeigt reduzierende Eigenschaften und reagiert mit Alkali- und Erdalkalimetallen, es ist ein Oxidationsmittel und bildet Hydride dieser Metalle:

Von allen Organogenen hat Wasserstoff die niedrigste relative Elektronegativität (0E0 = 2,1), daher weist Wasserstoff in natürlichen Verbindungen immer eine Oxidationsstufe von +1 auf. Aus Sicht der chemischen Thermodynamik kann Wasserstoff in lebenden Systemen, die Wasser enthalten, weder molekularen Wasserstoff (Н 2) noch Hydridionen (Н~) bilden. Molekularer Wasserstoff bei normale Bedingungen es ist chemisch inaktiv und gleichzeitig leicht flüchtig, weshalb es vom Körper nicht zurückgehalten werden und am Stoffwechsel teilnehmen kann. Das Hydrid-Ion ist chemisch äußerst aktiv und reagiert bereits mit einer sehr geringen Menge Wasser sofort zu molekularem Wasserstoff. Daher liegt Wasserstoff im Körper entweder in Form von Verbindungen mit anderen Organogenen oder in Form eines H + -Kations vor.

Wasserstoff bildet mit organogenen Elementen nur kovalente Bindungen. Je nach Polarität sind diese Bindungen in folgender Reihenfolge angeordnet:

Diese Reihe ist für die Chemie sehr wichtig natürliche Verbindungen, da die Polarität dieser Bindungen und ihre Polarisierbarkeit die sauren Eigenschaften der Verbindungen, d. h. die Dissoziation unter Bildung eines Protons, vorgeben.

saure Eigenschaften. Je nach Art des sich bildenden Elements X-N-Verbindung, gibt es 4 Arten von Säuren:

OH-Säuren (Carbonsäuren, Phenole, Alkohole);

SH-Säuren (Thiole);

NH-Säuren (Amide, Imide, Amine);

CH-Säuren (Kohlenwasserstoffe und ihre Derivate).

Angesichts der hohen Polarisierbarkeit S-H-Verbindungen kann gemacht werden nächste Reihe Säuren nach Dissoziationsfähigkeit:

Die Konzentration an Wasserstoffkationen im Gewässer bestimmt dessen Säuregrad, der durch den pH-Wert pH = -lg (Kap. 7.5) ausgedrückt wird. Die meisten physiologischen Umgebungen des Körpers reagieren nahezu neutral (pH = 5,0-7,5), nur im Magensaft pH = 1,0-2,0. Dadurch wird einerseits eine antimikrobielle Wirkung erzielt, die viele mit der Nahrung in den Magen eingebrachte Mikroorganismen abtötet; andererseits, saure Umgebung hat eine katalytische Wirkung bei der Hydrolyse von Proteinen, Polysacchariden und anderen Biosubstraten und trägt zur Produktion der notwendigen Metaboliten bei.

Redox-Eigenschaften. Aufgrund der hohen positiven Ladungsdichte ist das Wasserstoffkation ein ziemlich starkes Oxidationsmittel (f° = 0 V), das aktive und mittelaktive Metalle bei Wechselwirkung mit Säuren und Wasser oxidiert:

In lebenden Systemen gibt es keine so starken Reduktionsmittel, und die Oxidationskraft von Wasserstoffkationen in einem neutralen Medium (pH = 7) ist deutlich reduziert (f° = -0,42 V). Daher weist das Wasserstoffkation im Körper keine oxidierenden Eigenschaften auf, sondern nimmt aktiv an Redoxreaktionen teil und trägt zur Umwandlung der Ausgangsstoffe in Reaktionsprodukte bei:

In allen angegebenen Beispielen änderten die Wasserstoffatome ihre Oxidationsstufe +1 nicht.

Charakteristisch für molekularen und insbesondere atomaren Wasserstoff, also Wasserstoff im Moment der Freisetzung direkt im Reaktionsmedium, sowie für das Hydrid-Ion sind reduzierende Eigenschaften:

In lebenden Systemen gibt es jedoch keine solchen Reduktionsmittel (H2 oder H-), und daher gibt es auch keine solchen Reaktionen. Die in der Literatur, auch in Lehrbüchern, vertretene Meinung, Wasserstoff sei Träger der reduzierenden Eigenschaften organischer Verbindungen, entspricht nicht der Realität; in lebenden Systemen also die reduzierte Form des Dehydrogenase-Coenzyms, bei der anstelle von Wasserstoffatomen Kohlenstoffatome als Reduktionsmittel für Biosubstrate wirken (Abschn. 9.3.3).

komplexierende Eigenschaften. Aufgrund des Vorhandenseins eines freien Atomorbitals im Wasserstoffkation und der hohen polarisierenden Wirkung des H + -Kations selbst ist es ein aktives Komplexion. In einem wässrigen Medium bildet ein Wasserstoffkation also ein Hydroniumion H3O + und in Gegenwart von Ammoniak ein Ammoniumion NH4:

Tendenz, Partner zu bilden. Hochpolare Wasserstoffatome O-H-Verbindungen und NH bilden Wasserstoffbrücken (Abschn. 3.1). Die Stärke einer Wasserstoffbrücke (von 10 bis 100 kJ/mol) hängt von der Größe der lokalisierten Ladungen und der Länge der Wasserstoffbrücke ab, d. h. vom Abstand zwischen den Atomen der an ihrer Bildung beteiligten elektronegativen Elemente. Für Aminosäuren, Kohlenhydrate, Proteine, Nukleinsäuren charakteristisch sind folgende Längen von Wasserstoffbrücken, pm:

Durch Wasserstoffbrücken entstehen reversible intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Substrat und Enzym, zwischen einzelnen Gruppen in natürlichen Polymeren, die deren Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur bestimmen (Kap. 21.4, 23.4). Die Wasserstoffbrückenbindung spielt eine führende Rolle bei den Eigenschaften von Wasser als Lösungsmittel und Reagens.

Wasser und seine Eigenschaften. Wasser ist die wichtigste Verbindung von Wasserstoff. Alle chemischen Reaktionen im Körper finden nur im Wasser statt, ein Leben ohne Wasser ist unmöglich. Wasser als Lösungsmittel wurde in Sec. 6.1.

Säure-Basen-Eigenschaften. Wasser als Reagenz ist vom Standpunkt der Säure-Base-Eigenschaften ein echter Ampholyt (Abschnitt 8.1). Dies äußert sich sowohl in der Hydrolyse von Salzen (Kap. 8.3.1) als auch in der Dissoziation von Säuren und Basen im wässrigen Medium (Kap. 8.3.2).

Quantitatives Merkmal Säure aquatische Umgebungen ist PH Wert pH-Wert.

Wasser ist als Säure-Base-Reagenz an den Hydrolysereaktionen von Biosubstraten beteiligt. Beispielsweise dient die Hydrolyse von Adenosintriphosphat als Quelle gespeicherter Energie für den Körper, die enzymatische Hydrolyse von unnötigen Proteinen dient dazu, Aminosäuren zu gewinnen, die das Ausgangsmaterial für die Synthese notwendiger Proteine ​​​​sind. Gleichzeitig sind H+-Kationen oder OH–-Anionen Säure-Base-Katalysatoren für Hydrolysereaktionen von Biosubstraten (Kap. 21.4, 23.4).

Redox-Eigenschaften. In einem Wassermolekül befinden sich sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff in stabilen Oxidationszuständen. Daher weist Wasser keine ausgeprägten Redox-Eigenschaften auf. Redoxreaktionen sind möglich, wenn Wasser nur mit sehr aktiven Reduktionsmitteln oder sehr aktiven Oxidationsmitteln wechselwirkt oder wenn die Reagenzien stark aktiviert werden.

Wasser kann aufgrund von Wasserstoffkationen ein Oxidationsmittel sein, wenn es mit starken Reduktionsmitteln wie Alkali- und Erdalkalimetallen oder ihren Hydriden wechselwirkt:

Beim hohe Temperaturen Wechselwirkung von Wasser mit weniger aktiven Reduktionsmitteln möglich:

Ihr Wasseranteil wirkt in lebenden Systemen niemals als Oxidationsmittel, da dies durch die Bildung und irreversible Entfernung von molekularem Wasserstoff aus Organismen zur Zerstörung dieser Systeme führen würde.

Wasser kann beispielsweise durch Sauerstoffatome als Reduktionsmittel wirken, wenn es mit einem so starken Oxidationsmittel wie Fluor wechselwirkt:

Unter Lichteinfluss und unter Beteiligung von Chlorophyll läuft in Pflanzen der Prozess der Photosynthese unter Bildung von O2 aus Wasser ab (Kap. 9.3.6):

Neben der direkten Beteiligung an Redoxumwandlungen nehmen Wasser und seine Spaltprodukte H + und OH- als Medium teil, das aufgrund seiner hohen Polarität ( = 79) und der Beteiligung der gebildeten Ionen zum Ablauf vieler Redoxreaktionen beiträgt es bei den Umwandlungen von Ausgangsstoffen in Endstoffe (Abschnitt 9.1).

komplexierende Eigenschaften. Aufgrund der Anwesenheit von zwei freien Elektronenpaaren am Sauerstoffatom ist das Wassermolekül ein ziemlich aktiver einzähniger Ligand, der mit einem Wasserstoffkation ein komplexes Oxoniumion H 3 0 + und in wässrigen Lösungen ziemlich stabile Aquakomplexe mit Metallkationen bildet , zum Beispiel [Ca(H 2 0) 6 ] 2+ , [Fe(H 2 0) 6 ] 3+ , 2+ . Bei diesen Komplexionen sind die Knotenmoleküle ziemlich fest kovalent an die Komplexbildner gebunden. Alkalimetallkationen bilden keine Wasserkomplexe, sondern aufgrund elektrostatischer Kräfte hydratisierte Kationen. Zeit geregeltes Leben Wassermoleküle in den Hydrathüllen dieser Kationen nicht länger als 0,1 s, und ihre Zusammensetzung in Bezug auf die Anzahl der Wassermoleküle kann sich leicht ändern.

Tendenz, Partner zu bilden. Aufgrund der hohen Polarität, die die elektrostatische Wechselwirkung und die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen fördert, bilden Wassermoleküle auch in reinem Wasser (Abschn. 6.1) intermolekulare Assoziate, die sich in Struktur, Molekülzahl und Zeit ihrer Einnistung in die Assoziate unterscheiden , sowie die Lebensdauer der Gesellschafter selbst. Auf diese Weise, reines Wasser ist ein offener Komplex dynamisches System. Unter dem Einfluss äußerer Faktoren: radioaktive, ultraviolette und Laserstrahlung, elastische Wellen, Temperatur, Druck, elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder aus künstlichen und natürlichen Quellen (Weltraum, Sonne, Erde, lebende Objekte) – Wasser verändert seine strukturellen und informativen Eigenschaften , und folglich ändern sich seine biologischen und physiologischen Funktionen.

Zusätzlich zur Selbstassoziation hydratisieren Wassermoleküle Ionen, polare Moleküle und Makromoleküle, bilden Hydrathüllen um sie herum, stabilisieren sie dadurch in Lösung und fördern ihre Auflösung (Abschnitt 6.1). Substanzen, deren Moleküle unpolar und relativ klein sind, können sich nur geringfügig in Wasser lösen und die Hohlräume ihrer Partner mit einer bestimmten Struktur füllen. In diesem Fall strukturieren unpolare Moleküle durch hydrophobe Wechselwirkung die sie umgebende Hydrathülle und verwandeln sie in einen strukturierten Assoziat, meist mit einer eisähnlichen Struktur, in dem sich dieses unpolare Molekül befindet.

In lebenden Organismen können zwei Kategorien von Wasser unterschieden werden - "gebunden" und "frei", letzteres befindet sich anscheinend nur in der Interzellularflüssigkeit (Abschn. 6.1). gebundenes Wasser wird wiederum in „strukturiertes“ (stark gebundenes) und „destrukturiertes“ (schwach gebundenes oder lockeres) Wasser unterteilt. Wahrscheinlich beeinflussen alle oben genannten externen Faktoren den Zustand des Wassers im Körper und verändern die Verhältnisse: "strukturiertes" / "destrukturiertes" und "gebundenes" / "freies" Wasser sowie seine strukturellen und dynamischen Parameter. Dies äußert sich in Veränderungen des physiologischen Zustands des Körpers. Es ist möglich, dass intrazelluläres Wasser kontinuierlich, hauptsächlich durch Proteine, pulsierende Übergänge von einem "strukturierten" in einen "destrukturierten" Zustand durchläuft. Diese Übergänge sind mit der Ausscheidung verbrauchter Metaboliten (Schlacken) aus der Zelle und der Aufnahme notwendiger Substanzen verbunden. Mit moderner Punkt des Sehens ist Wasser an der Bildung einer einzigen intrazellulären Struktur beteiligt, wodurch die Ordnung der Lebensprozesse erreicht wird. Daher ist nach dem bildlichen Ausdruck von A. Szent-Gyorgyi das Wasser im Körper die „Matrix des Lebens“.

Wasser in der Natur. Wasser ist der wichtigste und am weitesten verbreitete Stoff auf der Erde. Fläche der Globus 75 % mit Wasser bedeckt. Das Volumen des Weltozeans beträgt 1,4 Milliarden km 3 . Die gleiche Menge Wasser findet sich in Mineralien in Form von Kristallwasser. Die Atmosphäre enthält 13.000 km 3 Wasser. Gleichzeitig sind die Süßwasserreserven, die zum Trinken und für den Hausbedarf geeignet sind, ziemlich begrenzt (das Volumen aller Süßwasserreservoirs beträgt 200.000 km 3). Frisches Wasser, das im Alltag verwendet wird, enthält verschiedene Verunreinigungen von 0,05 bis 1 g / l, meistens sind dies Salze: Bicarbonate, Chloride, Sulfate, einschließlich löslicher Calcium- und Magnesiumsalze, deren Vorhandensein Wasser hart macht (Abschnitt 14.3). Derzeit Sicherheit Wasservorräte und Reinigung Abwasser sind die drängendsten Umweltprobleme.

In gewöhnlichem Wasser gibt es etwa 0,02 % schweres Wasser D2O (D - Deuterium). Es reichert sich bei der Verdampfung oder Elektrolyse von gewöhnlichem Wasser an. Schweres Wasser ist giftig. Schweres Wasser wird verwendet, um die Bewegung von Wasser in lebenden Organismen zu untersuchen. Mit seiner Hilfe wurde festgestellt, dass die Geschwindigkeit der Wasserbewegung in den Geweben einiger Pflanzen 14 m / h erreicht und das von einer Person getrunkene Wasser in 2 Stunden vollständig über seine Organe und Gewebe verteilt und vollständig aus dem Körper entfernt wird erst nach zwei wochen. Lebende Organismen enthalten 50 bis 93% Wasser, das ein unverzichtbarer Teilnehmer an allen Lebensprozessen ist. Ohne Wasser ist kein Leben möglich. Bei einer Lebenserwartung von 70 Jahren verbraucht ein Mensch mit Essen und Trinken etwa 70 Tonnen Wasser.

Im wissenschaftlichen u medizinische Übung weit verbreitet destilliertes Wasser- farblose transparente Flüssigkeit, geruchs- und geschmacksneutral, pH = 5,2-6,8. Dies ist eine Arzneibuchzubereitung zur Herstellung vieler Darreichungsformen.

Wasser für Injektionszwecke(pyrogenes Wasser) - ebenfalls eine Arzneibuchzubereitung. Dieses Wasser enthält keine pyrogenen Stoffe. Pyrogene - Substanzen bakteriellen Ursprungs - Stoffwechselprodukte oder Abfallprodukte von Bakterien, die beim Eindringen in den Körper Schüttelfrost, Fieber, Kopfschmerzen und Beeinträchtigung der Herz-Kreislauf-Aktivität verursachen. Apyrogenes Wasser wird durch zweifache Destillation des Knotens (Bidestillat) unter aseptischen Bedingungen hergestellt und innerhalb von 24 Stunden verbraucht.

Zum Abschluss des Abschnitts ist es notwendig, die Eigenschaften von Wasserstoff als biogenem Element hervorzuheben. In lebenden Systemen weist Wasserstoff immer eine Oxidationsstufe von +1 auf und tritt entweder als polare kovalente Bindung mit anderen biogenen Elementen oder als H + -Kation auf. Das Wasserstoffkation ist ein Träger saurer Eigenschaften und ein aktiver Komplexbildner, der mit freien Elektronenpaaren von Atomen anderer Organogene wechselwirkt. Vom Standpunkt der Redoxeigenschaften weist gebundener Wasserstoff unter den Bedingungen des Körpers weder die Eigenschaften eines Oxidationsmittels noch eines Reduktionsmittels auf, jedoch nimmt das Wasserstoffkation aktiv an vielen Redoxreaktionen teil, ohne seinen Oxidationszustand zu ändern, aber einen Beitrag zu leisten zur Umwandlung von Biosubstraten in Reaktionsprodukte. An elektronegative Elemente gebundener Wasserstoff bildet Wasserstoffbrückenbindungen.

Das am häufigsten vorkommende Element im Universum ist Wasserstoff. Bei Sternen hat es die Form von Kernen – Protonen – und ist das Material für thermonukleare Prozesse. Fast die Hälfte der Masse der Sonne besteht ebenfalls aus H 2 -Molekülen. Sein Gehalt in der Erdkruste erreicht 0,15%, und Atome sind in der Zusammensetzung von Öl vorhanden, Erdgas, Wasser. Zusammen mit Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff ist es ein organogenes Element, das Bestandteil aller lebenden Organismen auf der Erde ist. In unserem Artikel werden wir die physischen und Chemische Eigenschaften Wasserstoff definieren wir die Hauptbereiche seiner Anwendung in der Industrie und seine Bedeutung in der Natur.

Position im Periodensystem der chemischen Elemente von Mendelejew

Das erste Element, das das Periodensystem öffnet, ist Wasserstoff. Seine Atommasse beträgt 1,0079. Es hat zwei stabile (Protium und Deuterium) und ein radioaktives Isotop (Tritium). Physikalische Eigenschaften bestimmt durch den Platz des Nichtmetalls in der Tabelle chemische Elemente. Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoff (mit der Formel H 2) ein Gas, das fast 15-mal leichter ist als Luft. Die Struktur des Atoms eines Elements ist einzigartig: Es besteht nur aus einem Kern und einem Elektron. Das Molekül einer Substanz ist zweiatomig, die darin enthaltenen Teilchen sind durch eine kovalente unpolare Bindung verbunden. Seine Energieintensität ist ziemlich hoch - 431 kJ. Dies erklärt die geringe chemische Aktivität der Verbindung unter normalen Bedingungen. Die elektronische Formel von Wasserstoff lautet: H:H.

Die Substanz hat ganze Linie Eigenschaften, die keine Analoga unter anderen Nichtmetallen haben. Betrachten wir einige von ihnen.

Löslichkeit und Wärmeleitfähigkeit

Metalle leiten Wärme am besten, aber Wasserstoff nähert sich ihnen in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit. Die Erklärung für das Phänomen liegt in der sehr schnelle Geschwindigkeit thermische Bewegung von leichten Molekülen einer Substanz, daher kühlt ein erhitztes Objekt in einer Wasserstoffatmosphäre 6-mal schneller ab als in Luft. Die Verbindung kann sich gut in Metallen lösen, zum Beispiel können fast 900 Volumen Wasserstoff von einem Volumen Palladium absorbiert werden. Metalle können mit H 2 chemische Reaktionen eingehen, in denen sich die oxidierenden Eigenschaften von Wasserstoff manifestieren. In diesem Fall werden Hydride gebildet:

2 Na + H 2 \u003d 2 NaH.

Bei dieser Reaktion nehmen die Atome eines Elements Elektronen von Metallpartikeln auf und verwandeln sich in Anionen mit einer negativen Einheitsladung. Ein einfacher Stoff H 2 ist in diesem Fall ein Oxidationsmittel, was normalerweise nicht typisch dafür ist.

Wasserstoff als Reduktionsmittel

Was Metalle und Wasserstoff verbindet, ist nicht nur eine hohe Wärmeleitfähigkeit, sondern auch die Fähigkeit ihrer Atome dazu Chemische Prozesse ihre eigenen Elektronen abgeben, also oxidieren. Beispielsweise reagieren basische Oxide mit Wasserstoff. Die Redoxreaktion endet mit der Freisetzung von reinem Metall und der Bildung von Wassermolekülen:

CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O.

Auch die Wechselwirkung eines Stoffes mit Sauerstoff beim Erhitzen führt zur Bildung von Wassermolekülen. Der Prozess ist exotherm und wird von der Freisetzung begleitet eine große Anzahl Wärmeenergie. Wenn ein Gasgemisch aus H 2 und O 2 im Verhältnis 2: 1 reagiert, dann heißt es, weil es beim Zünden explodiert:

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

Wasser ist und spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung der Hydrosphäre, des Klimas und des Wetters der Erde. Es sorgt für die Zirkulation von Elementen in der Natur, unterstützt alle Lebensprozesse von Organismen - den Bewohnern unseres Planeten.

Wechselwirkung mit Nichtmetallen

Die wichtigsten chemischen Eigenschaften von Wasserstoff sind seine Reaktionen mit nichtmetallischen Elementen. Beim normale Bedingungen sind chemisch inert genug, sodass der Stoff nur mit Halogenen reagieren kann, beispielsweise mit Fluor oder Chlor, die unter allen Nichtmetallen am aktivsten sind. So explodiert eine Mischung aus Fluor und Wasserstoff im Dunkeln oder in der Kälte und mit Chlor - beim Erhitzen oder im Licht. Die Reaktionsprodukte sind Halogenwasserstoffe, deren wässrige Lösungen als Fluorid- und Chloridsäuren bekannt sind. C interagiert bei einer Temperatur von 450-500 Grad, einem Druck von 30-100 MPa und in Gegenwart eines Katalysators:

N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH₃.

Die betrachteten chemischen Eigenschaften von Wasserstoff haben sehr wichtig für die Industrie. Sie können beispielsweise ein wertvolles chemisches Produkt erhalten - Ammoniak. Es ist der Hauptrohstoff für die Herstellung von Salpetersäure- und Stickstoffdüngemitteln: Harnstoff, Ammoniumnitrat.

organische Materie

Zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff führt zur Produktion des einfachsten Kohlenwasserstoffs - Methan:

C + 2H 2 = CH 4.

Der Stoff ist der wichtigste Bestandteil des Naturstoffs und dient als wertvoller Brenn- und Rohstoff für die Industrie der organischen Synthese.

In der Chemie der Kohlenstoffverbindungen ist ein Element in einer Vielzahl von Substanzen enthalten: Alkane, Alkene, Kohlenhydrate, Alkohole usw. Viele Reaktionen organischer Verbindungen mit H 2 -Molekülen sind bekannt. Sie tragen gemeinsamen Namen Hydrierung oder Hydrierung. Aldehyde können also mit Wasserstoff zu Alkoholen, ungesättigten Kohlenwasserstoffen zu Alkanen reduziert werden. Beispielsweise wird Ethylen in Ethan umgewandelt:

C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6.

Wichtig praktischer Wert haben solche chemischen Eigenschaften von Wasserstoff wie zum Beispiel die Hydrierung von flüssigen Ölen: Sonnenblume, Mais, Raps. Es führt zur Produktion von festem Fett - Schmalz, das zur Herstellung von Glycerin, Seife, Stearin, Hartweizensorten Margarine. Zur Verbesserung Aussehen und Schmackhaftigkeit Lebensmittelprodukt, Milch, tierische Fette, Zucker, Vitamine werden hinzugefügt.

In unserem Artikel haben wir die Eigenschaften von Wasserstoff untersucht und seine Rolle in der Natur und im menschlichen Leben herausgefunden.

DEFINITION

Wasserstoff- das erste Element des Periodensystems der chemischen Elemente von D.I. Mendelejew. Das Zeichen ist N.

Atommasse - 1 a.m.u. Das Wasserstoffmolekül ist zweiatomig - H 2.

Elektronische Konfiguration Wasserstoffatom - 1s 1. Wasserstoff gehört zur Familie der S-Elemente. In seinen Verbindungen weist es die Oxidationsstufen -1, 0, +1 auf. Natürlicher Wasserstoff besteht aus zwei stabilen Isotopen – Protium 1 H (99,98 %) und Deuterium 2 H (D) (0,015 %) – und einem radioaktiven Isotop von Tritium 3 H (T) (Spurenmengen, Halbwertszeit – 12,5 Jahre).

Chemische Eigenschaften von Wasserstoff

Molekularer Wasserstoff zeigt unter Normalbedingungen eine relativ geringe Reaktivität, was durch die hohe Bindungsstärke im Molekül erklärt wird. Beim Erhitzen interagiert es mit fast allen einfachen Substanzen, die aus Elementen der Hauptuntergruppen bestehen (außer Edelgase, B, Si, P, Al). Bei chemischen Reaktionen kann es sowohl als Reduktionsmittel (häufiger) als auch als Oxidationsmittel (seltener) wirken.

Wasserstoff manifestiert sich Eigenschaften des Reduktionsmittels(H 2 0 -2e → 2H +) in den folgenden Reaktionen:

1. Wechselwirkungen mit einfachen Substanzen - Nichtmetallen. Wasserstoff reagiert mit Halogenen, außerdem die Reaktion der Wechselwirkung mit Fluor unter normalen Bedingungen, im Dunkeln, mit einer Explosion, mit Chlor - unter Beleuchtung (oder UV-Bestrahlung) durch einen Kettenmechanismus, mit Brom und Jod nur bei Erwärmung; Sauerstoff(Ein Gemisch aus Sauerstoff und Wasserstoff im Volumenverhältnis 2:1 wird als "explosives Gas" bezeichnet), grau, Stickstoff- und Kohlenstoff:

H 2 + Hal 2 \u003d 2HHal;

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O + Q (t);

H 2 + S \u003d H 2 S (t \u003d 150 - 300 ° C);

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 50°C, p, kat = Fe, Pt);

2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat).

2. Wechselwirkungsreaktionen mit komplexen Substanzen. Wasserstoff reagiert mit Oxiden niederaktiver Metalle, und es kann nur Metalle reduzieren, die sich in der Aktivitätsreihe rechts von Zink befinden:

CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O (t);

Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O (t);

WO 3 + 3H 2 \u003d W + 3H 2 O (t).

Wasserstoff reagiert mit Nichtmetalloxiden:

H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O (t);

2H 2 + CO ↔ CH 3 OH (t = 300°C, p = 250–300 atm., kat = ZnO, Cr 2 O 3).

Wasserstoff geht Hydrierungsreaktionen mit ein organische Verbindungen die Klasse der Cycloalkane, Alkene, Arene, Aldehyde und Ketone usw. Alle diese Reaktionen werden unter Erhitzen, unter Druck durchgeführt, Platin oder Nickel werden als Katalysatoren verwendet:

CH 2 \u003d CH 2 + H 2 ↔ CH 3 -CH 3;

C6H6 + 3H2 ↔ C6H12;

C 3 H 6 + H 2 ↔ C 3 H 8;

CH 3 CHO + H 2 ↔ CH 3 -CH 2 -OH;

CH3-CO-CH3 + H2 ↔ CH3-CH(OH)-CH3.

Wasserstoff als Oxidationsmittel(H 2 + 2e → 2H -) wirkt in Reaktionen mit Alkali- und Erdalkalimetallen. Dabei entstehen Hydride – kristalline ionische Verbindungen, in denen Wasserstoff die Oxidationsstufe -1 aufweist.

2Na + H 2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

Physikalische Eigenschaften von Wasserstoff

Wasserstoff ist ein leichtes farbloses Gas, geruchlos, Dichte bei n.o. - 0,09 g / l, 14,5-mal leichter als Luft, t Ballen = -252,8 ° C, t pl = - 259,2 ° C. Wasserstoff ist in Wasser und organischen Lösungsmitteln schlecht löslich, in einigen Metallen ist er sehr gut löslich: Nickel, Palladium, Platin.

Laut moderner Kosmochemie ist Wasserstoff das am häufigsten vorkommende Element im Universum. Die Hauptexistenzform von Wasserstoff in Weltraum sind einzelne Atome. Wasserstoff ist das neunthäufigste Element auf der Erde. Die Hauptmenge an Wasserstoff auf der Erde befindet sich in gebundenem Zustand - in der Zusammensetzung von Wasser, Öl, Erdgas, Kohle usw. In Form einer einfachen Substanz kommt Wasserstoff selten vor - in der Zusammensetzung vulkanischer Gase.

Wasserstoff bekommen

Es gibt Labor- und Industrieverfahren zur Herstellung von Wasserstoff. Zu den Labormethoden gehören die Wechselwirkung von Metallen mit Säuren (1) sowie die Wechselwirkung von Aluminium mit wässrigen Lösungen von Alkalien (2). Unter den industriellen Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff spielen die Elektrolyse wässriger Lösungen von Alkalien und Salzen (3) und die Umwandlung von Methan (4) eine wichtige Rolle:

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (1);

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3 H 2 (2);

2NaCl + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2NaOH (3);

CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).

Beispiele für Problemlösungen

BEISPIEL 1

Die Übung	Bei der Wechselwirkung von 23,8 g metallischem Zinn mit einem Überschuss an Salzsäure wurde Wasserstoff in einer ausreichenden Menge freigesetzt, um 12,8 g metallisches Kupfer zu erhalten Bestimmen Sie den Oxidationsgrad von Zinn in der resultierenden Verbindung.
Entscheidung	Basierend auf der elektronischen Struktur des Zinnatoms (...5s 2 5p 2) können wir schließen, dass Zinn durch zwei Oxidationsstufen gekennzeichnet ist - +2, +4. Darauf aufbauend stellen wir die Gleichungen möglicher Reaktionen auf: Sn + 2HCl = H 2 + SnCl 2 (1); Sn + 4HCl = 2H 2 + SnCl 4 (2); CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O (3). Finden Sie die Menge an Kupfersubstanz: v (Cu) \u003d m (Cu) / M (Cu) \u003d 12,8 / 64 \u003d 0,2 mol. Nach Gleichung 3 ist die Menge an Wasserstoffsubstanz: v (H 2) \u003d v (Cu) \u003d 0,2 mol. Wenn wir die Masse von Zinn kennen, finden wir seine Stoffmenge: v (Sn) \u003d m (Sn) / M (Sn) \u003d 23,8 / 119 \u003d 0,2 mol. Vergleichen wir die Mengen an Zinn- und Wasserstoffsubstanzen gemäß den Gleichungen 1 und 2 und gemäß der Problemstellung: v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (Gleichung 1); v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1:2 (Gleichung 2); v(Sn): v(H 2) = 0,2:0,2 = 1:1 (Problembedingung). Daher reagiert Zinn mit Salzsäure gemäß Gleichung 1 und die Oxidationsstufe von Zinn ist +2.
Antworten	Die Oxidationsstufe von Zinn ist +2.

BEISPIEL 2

Die Übung	Das durch die Einwirkung von 2,0 g Zink pro 18,7 ml 14,6 %iger Salzsäure (Lösungsdichte 1,07 g/ml) freigesetzte Gas wurde durch Erhitzen über 4,0 g Kupfer(II)oxid geleitet. Welche Masse hat die resultierende feste Mischung?
Entscheidung	Wenn Zink einwirkt Salzsäure Wasserstoff wird freigesetzt: Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H 2 (1), das beim Erhitzen Kupfer (II) -oxid zu Kupfer (2) reduziert: CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O. Finden Sie die Menge der Substanzen in der ersten Reaktion: m (p-ra HCl) = 18,7. 1,07 = 20,0 g; m(HCl) = 20,0. 0,146 = 2,92 g; v (HCl) \u003d 2,92 / 36,5 \u003d 0,08 mol; v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 mol. Zink ist mangelhaft, daher ist die Menge an freigesetztem Wasserstoff: v (H 2) \u003d v (Zn) \u003d 0,031 mol. Bei der zweiten Reaktion fehlt es an Wasserstoff, weil: v (CuO) \u003d 4,0 / 80 \u003d 0,05 mol. Als Ergebnis der Reaktion werden 0,031 Mol CuO zu 0,031 Mol Cu, und der Massenverlust beträgt: m (СuО) - m (Сu) \u003d 0,031 × 80 - 0,031 × 64 \u003d 0,50 g. Die Masse der festen Mischung von CuO mit Cu nach dem Durchleiten von Wasserstoff beträgt: 4,0–0,5 = 3,5 g
Antworten	Die Masse der festen Mischung von CuO mit Cu beträgt 3,5 g.

Wasserstoff (Pauspapier aus dem Lateinischen: lat. Hydrogenium – hydro = „Wasser“, gen = „bildend“; Hydrogenium – „Wasser erzeugend“; gekennzeichnet durch das Symbol H) – das erste Element des Periodensystems der Elemente. In der Natur weit verbreitet. Das Kation (und Kern) des häufigsten Wasserstoffisotops 1 H ist das Proton. Die Eigenschaften des 1 H-Kerns ermöglichen einen breiten Einsatz der NMR-Spektroskopie in der Analyse organischer Substanzen.

Drei Wasserstoffisotope haben ihre eigenen Namen: 1 H - Protium (H), 2 H - Deuterium (D) und 3 H - Tritium (radioaktiv) (T).

Die einfache Substanz Wasserstoff - H 2 - ist ein leichtes farbloses Gas. Im Gemisch mit Luft oder Sauerstoff ist es brennbar und explosiv. Ungiftig. Lassen Sie uns in Ethanol und einer Reihe von Metallen auflösen: Eisen, Nickel, Palladium, Platin.

Geschichte

Die Freisetzung von brennbarem Gas bei der Wechselwirkung von Säuren und Metallen wurde im 16. und beobachtet XVII Jahrhunderte in den Anfängen der Entstehung der Chemie als Wissenschaft. Mikhail Vasilyevich Lomonosov wies auch direkt auf seine Isolierung hin, erkannte aber bereits definitiv, dass dies kein Phlogiston war. Der englische Physiker und Chemiker Henry Cavendish untersuchte dieses Gas 1766 und nannte es „brennbare Luft“. Beim Verbrennen erzeugte „brennbare Luft“ Wasser, aber Cavendishs Festhalten an der Phlogiston-Theorie hinderte ihn daran, die richtigen Schlussfolgerungen zu ziehen. Der französische Chemiker Antoine Lavoisier führte 1783 zusammen mit dem Ingenieur J. Meunier mit speziellen Gasometern die Synthese von Wasser und anschließend dessen Analyse durch, wobei er Wasserdampf mit glühendem Eisen zersetzte. Damit stellte er fest, dass „brennbare Luft“ Bestandteil des Wassers ist und daraus gewonnen werden kann.

Herkunft des Namens

Lavoisier gab Wasserstoff den Namen Hydrogène (von anderen griechischen ὕδωρ – Wasser und γεννάω – Ich gebäre) – „Wasser gebären“. Der russische Name "Wasserstoff" wurde 1824 vom Chemiker M. F. Solovyov vorgeschlagen - in Analogie zu "Sauerstoff" von M. V. Lomonosov.

Häufigkeit

Im Universum
Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum. Es macht etwa 92 % aller Atome aus (8 % sind Heliumatome, der Anteil aller anderen Elemente zusammen beträgt weniger als 0,1 %). Wasserstoff ist also die Hauptsache Komponente Sterne und interstellares Gas. Unter stellaren Temperaturbedingungen (z. B. Oberflächentemperatur der Sonne beträgt ~ 6000 °C) existiert Wasserstoff in Form von Plasma, im interstellaren Raum existiert dieses Element in Form einzelner Moleküle, Atome und Ionen und kann bilden Molekülwolken, die in Größe, Dichte und Temperatur erheblich variieren.

Erdkruste und lebende Organismen
Der Massenanteil von Wasserstoff in der Erdkruste beträgt 1 % – das ist das zehnthäufigste Element. Seine Rolle in der Natur wird jedoch nicht durch die Masse bestimmt, sondern durch die Anzahl der Atome, deren Anteil unter anderen Elementen 17% beträgt (zweiter Platz nach Sauerstoff, dessen Anteil an Atomen ~ 52% beträgt). Daher ist die Bedeutung von Wasserstoff in den auf der Erde ablaufenden chemischen Prozessen fast so groß wie die von Sauerstoff. Im Gegensatz zu Sauerstoff, der auf der Erde sowohl in gebundenem als auch in freiem Zustand existiert, liegt praktisch der gesamte Wasserstoff auf der Erde in Form von Verbindungen vor; nur eine sehr geringe Menge Wasserstoff in Form einer einfachen Substanz findet sich in der Atmosphäre (0,00005 Vol.-%).
Wasserstoff ist Bestandteil fast aller organischen Substanzen und kommt in allen lebenden Zellen vor. In lebenden Zellen macht Wasserstoff gemessen an der Anzahl der Atome fast 50 % aus.

Erhalt

Industrielle Gewinnungsverfahren einfache Substanzen hängen davon ab, in welcher Form das entsprechende Element in der Natur vorkommt, also was der Rohstoff für seine Herstellung sein kann. So wird Sauerstoff gewonnen, der in freiem Zustand vorliegt auf körperliche Weise- Freisetzung aus flüssiger Luft. Fast der gesamte Wasserstoff liegt in Form von Verbindungen vor, daher werden chemische Methoden verwendet, um ihn zu gewinnen. Insbesondere können Zersetzungsreaktionen verwendet werden. Eine der Möglichkeiten zur Herstellung von Wasserstoff ist die Zersetzungsreaktion von Wasser durch elektrischen Strom.
Das wichtigste industrielle Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ist die Reaktion von Methan, das Bestandteil von Erdgas ist, mit Wasser. Es wird bei hoher Temperatur durchgeführt:
CH 4 + 2H 2 O \u003d CO 2 + 4H 2 −165 kJ

Eine der Labormethoden zur Herstellung von Wasserstoff, die manchmal in der Industrie verwendet wird, ist die Zersetzung von Wasser durch elektrischen Strom. Wasserstoff wird üblicherweise im Labor durch Reaktion von Zink mit Salzsäure hergestellt.