Vesinik looduses (0,9% maakoores). Vesiniku füüsikalised ja keemilised omadused

Vesinik on spetsiaalne element, mis hõivab Mendelejevi perioodilises süsteemis korraga kaks rakku. See paikneb kahes vastandlike omadustega elementide rühmas ja see omadus muudab selle ainulaadseks. Vesinik on lihtne aine ja lahutamatu osa paljud kompleksühendid, see on organogeenne ja biogeenne element. Tasub üksikasjalikult tutvuda selle peamiste omaduste ja omadustega.

Vesinik Mendelejevi perioodilises süsteemis

Vesiniku peamised omadused on näidatud:

• elemendi seerianumber on 1 (prootoneid ja elektrone on sama palju);
• aatommass on 1,00795;
• vesinikul on kolm isotoopi, millest igaühel on erilised omadused;
• ainult ühe elektroni sisalduse tõttu on vesinikul võimeline avaldama redutseerivaid ja oksüdeerivaid omadusi ning pärast elektroni loovutamist on vesinikul vaba orbitaal, mis osaleb koostises keemilised sidemed vastavalt doonor-aktseptor mehhanismile;
• vesinik on väikese tihedusega kerge element;
• vesinik on tugev redutseerija, see avab rühma leelismetallid põhialagrupi esimeses rühmas;
• kui vesinik reageerib metallide ja teiste tugevate redutseerivate ainetega, võtab see vastu nende elektroni ja muutub oksüdeerivaks aineks. Selliseid ühendeid nimetatakse hüdriidideks. Näidatud tunnuse järgi kuulub vesinik tinglikult halogeenide rühma (tabelis on see toodud sulgudes fluori kohal), millega tal on sarnasusi.

Vesinik kui lihtne aine

Vesinik on gaas, mille molekul koosneb kahest. Selle aine avastas 1766. aastal Briti teadlane Henry Cavendish. Ta tõestas, et vesinik on gaas, mis hapnikuga suhtlemisel plahvatab. Pärast vesiniku uurimist leidsid keemikud, et see aine on kõige kergem inimesele teadaolevatest ainetest.

Teine teadlane Lavoisier andis elemendile nime "hydrogenium", mis ladina keeles tähendab "vee sünnitamist". 1781. aastal tõestas Henry Cavendish, et vesi on hapniku ja vesiniku kombinatsioon. Teisisõnu, vesi on vesiniku ja hapniku reaktsiooni produkt. Vesiniku põlemisomadusi teadsid isegi antiikteadlased: vastavad ülestähendused jättis 16. sajandil elanud Paracelsus.

Molekulaarne vesinik on looduses levinud looduslik gaasiline ühend, mis koosneb kahest aatomist ja põleva killu tõstmisel. Vesinikumolekul võib laguneda aatomiteks, mis muutuvad heeliumi tuumadeks, kuna nad on võimelised osalema tuumareaktsioonid. Sellised protsessid toimuvad regulaarselt kosmoses ja Päikesel.

Vesinik ja selle füüsikalised omadused

Vesinikul on järgmised füüsikalised parameetrid:

• keeb temperatuuril -252,76 °C;
• sulab -259,14 °C juures; *näidustatud temperatuuripiirides on vesinik lõhnatu värvitu vedelik;
• vesinik on vees vähe lahustuv;
• vesinik võib teoreetiliselt minna metalliliseks olekuks, kui see on olemas eritingimused (madalad temperatuurid ja kõrge rõhk)
• puhas vesinik on plahvatusohtlik ja põlev aine;
• vesinik on võimeline difundeeruma läbi metallide paksuse, seetõttu lahustub see neis hästi;
• vesinik on õhust 14,5 korda kergem;
• juures kõrgsurve võib saada tahke vesiniku lumetaolisi kristalle.

Vesiniku keemilised omadused

Laboratoorsed meetodid:

• lahjendatud hapete koostoime aktiivsed metallid ja keskmise aktiivsusega metallid;
• metallihüdriidide hüdrolüüs;
• Leelis- ja leelismuldmetallide reaktsioon veega.

Vesinikuühendid:

Vesinikhalogeniidid; mittemetallide lenduvad vesinikuühendid; hüdriidid; hüdroksiidid; vesinikhüdroksiid (vesi); vesinikperoksiidi; orgaanilised ühendid (valgud, rasvad, süsivesikud, vitamiinid, lipiidid, eeterlikud õlid, hormoonid). Klõpsake, et näha ohutuid katseid valkude, rasvade ja süsivesikute omaduste uurimisel.

Saadud vesiniku kogumiseks tuleb katseklaasi hoida tagurpidi. Vesinikku ei saa koguda nagu süsihappegaasi, sest see on õhust palju kergem. Vesinik aurustub kiiresti ja õhuga segunedes (või suures koguses) plahvatab. Seetõttu on vaja toru ümber pöörata. Vahetult pärast täitmist suletakse toru kummikorgiga.

Vesiniku puhtuse kontrollimiseks tuleb katseklaasi kaela tuua süüdatud tikk. Kui toimub kurt ja vaikne hüppamine, on gaas puhas ja õhu lisandid minimaalsed. Kui pop on vali ja vilistab, on katseklaasis gaas määrdunud, see sisaldab suures osas võõrkomponente.

Tähelepanu! Ärge proovige neid katseid ise korrata!

Vesinikuaatomil on teiste elementide aatomitega võrreldes kõige lihtsam struktuur: see koosneb ühest prootonist.

genereerivad aatomituum, ja üks elektron, mis asub ls-orbitaalil. Vesinikuaatomi ainulaadsus seisneb selles, et selle ainus valentselektron asub otse aatomituuma toimeväljas, kuna seda ei varjesta teised elektronid. See annab sellele spetsiifilised omadused. Ta saab sisse keemilised reaktsioonid loovutage elektron, moodustades H + katiooni (nagu leelismetalli aatomid), või lisage partnerilt elektron H-aniooni moodustamiseks (nagu halogeeniaatomid). Seetõttu paigutatakse perioodilisuse süsteemis olev vesinik sagedamini IA rühma, mõnikord VIIA rühma, kuid on tabelite variante, kus vesinik ei kuulu perioodilisuse tabeli ühtegi rühma.

Vesiniku molekul on kaheaatomiline - H2. Vesinik on kõigist gaasidest kõige kergem. H2 molekuli mittepolaarsuse ja suure tugevuse tõttu (E St\u003d 436 kJ / mol) normaalsetes tingimustes suhtleb vesinik aktiivselt ainult fluoriga ning valgustatuna ka kloori ja broomiga. Kuumutamisel reageerib see paljude mittemetallide, kloori, broomi, hapniku, väävliga, millel on redutseerivad omadused, ning interakteerudes leelis- ja leelismuldmetallidega, on see oksüdeeriv aine ja moodustab nende metallide hüdriide:

Kõigist organogeenidest on vesinikul madalaim suhteline elektronegatiivsus (0E0 = 2,1), seetõttu on looduslikes ühendites vesiniku oksüdatsiooniaste alati +1. Keemilise termodünaamika seisukohalt ei saa vett sisaldavates elussüsteemides vesinik moodustada ei molekulaarset vesinikku (Н 2) ega hüdriidiooni (Н~). Molekulaarne vesinik at normaalsetes tingimustes see on keemiliselt inaktiivne ja samal ajal väga lenduv, mistõttu ei suuda organism seda säilitada ega osaleda ainevahetuses. Hüdriidioon on keemiliselt äärmiselt aktiivne ja interakteerub koheselt isegi väga väikese koguse veega, moodustades molekulaarse vesiniku. Seetõttu on vesinik kehas kas ühendite kujul koos teiste organogeenidega või H + katiooni kujul.

Vesinik koos organogeensete elementidega moodustab ainult kovalentseid sidemeid. Vastavalt polaarsusastmele on need sidemed paigutatud järgmises järjekorras:

See seeria on keemia jaoks väga oluline looduslikud ühendid, kuna nende sidemete polaarsus ja polariseeritavus määravad eelnevalt ära ühendite happelised omadused, st dissotsiatsiooni prootoni moodustumisega.

happelised omadused. Olenevalt moodustava elemendi iseloomust X-N ühendus, on 4 tüüpi happeid:

OH-happed (karboksüülhapped, fenoolid, alkoholid);

SH-happed (tioolid);

NH-happed (amiidid, imiidid, amiinid);

CH-happed (süsivesinikud ja nende derivaadid).

Arvestades suurt polariseeritavust S-H ühendused saab teha järgmine rida happed vastavalt dissotsieerumisvõimele:

Vesiniku katioonide kontsentratsioon veekeskkonnas määrab selle happesuse, mida väljendatakse pH väärtuse pH = -lg abil (punkt 7.5). Enamikus keha füsioloogilistes keskkondades on reaktsioon neutraalsele (pH = 5,0-7,5), ainult maomahlas pH = 1,0-2,0. See annab ühest küljest antimikroobse toime, tapab palju koos toiduga makku toodud mikroorganisme; teisel pool, happeline keskkond omab katalüütilist toimet valkude, polüsahhariidide ja muude biosubstraatide hüdrolüüsil, aidates kaasa vajalike metaboliitide tekkele.

redoksomadused. Suure positiivse laengutiheduse tõttu on vesiniku katioon üsna tugev oksüdeerija (f° = 0 V), mis oksüdeerib hapete ja veega interaktsioonis aktiivseid ja keskmise aktiivsusega metalle:

Elussüsteemides selliseid tugevaid redutseerivaid aineid pole ja vesinikkatioonide oksüdeerimisvõime neutraalses keskkonnas (pH = 7) väheneb oluliselt (f° = -0,42 V). Seetõttu ei avalda vesinikkatioon kehas oksüdeerivaid omadusi, vaid osaleb aktiivselt redoksreaktsioonides, aidates kaasa lähteainete muundamisele reaktsiooniproduktideks:

Kõigis toodud näidetes ei muutnud vesinikuaatomid oma oksüdatsiooniastet +1.

Redutseerivad omadused on iseloomulikud molekulaarsele ja eriti aatomilisele vesinikule, st vesinikule selle vabanemise hetkel otse reaktsioonikeskkonnas, samuti hüdriidioonile:

Selliseid redutseerivaid aineid (H2 või H-) aga elussüsteemides ei ole ja seetõttu ka selliseid reaktsioone ei toimu. Kirjandusest, sh õpikutest leitud arvamus, et vesinik on orgaaniliste ühendite redutseerivate omaduste kandja, ei vasta tegelikkusele; Seega toimib elussüsteemides biosubstraatide redutseerijana dehüdrogenaasi koensüümi redutseeritud vorm, milles vesinikuaatomite asemel süsinikuaatomid (Sec. 9.3.3).

kompleksi tekitavad omadused. Tänu vesiniku katioonis olevale vabale aatomiorbitaalile ja H + katiooni enda tugevale polariseerivale toimele on tegemist aktiivse kompleksi moodustava iooniga. Niisiis moodustab vesiniku katioon vesikeskkonnas hüdroniumiooni H3O + ja ammoniaagi juuresolekul ammooniumiooni NH4:

Kalduvus luua kaaslasi. Väga polaarsed vesinikuaatomid O-H ühendused ja N--H moodustavad vesiniksidemeid (punkt 3.1). Vesiniksideme tugevus (10 kuni 100 kJ/mol) sõltub lokaliseeritud laengute suurusest ja vesiniksideme pikkusest, st selle moodustumisel osalevate elektronegatiivsete elementide aatomite vahelisest kaugusest. Aminohapete, süsivesikute, valkude, nukleiinhapped iseloomulikud on järgmised vesiniksidemete pikkused, pm:

Vesiniksidemete tõttu tekivad substraadi ja ensüümi vahel, looduslike polümeeride üksikute rühmade vahel pöörduvad molekulidevahelised interaktsioonid, mis määravad nende sekundaarsed, tertsiaarsed ja kvaternaarsed struktuurid (jaotised 21.4, 23.4). Vesinikside mängib vee kui lahusti ja reagendi omadustes juhtivat rolli.

Vesi ja selle omadused. Vesi on vesiniku kõige olulisem ühend. Kõik keemilised reaktsioonid kehas toimuvad ainult veekeskkonnas, elu ilma veeta on võimatu. Vett kui lahustit käsitleti punktis Sec. 6.1.

Happe-aluse omadused. Vesi kui reagent happe-aluse omaduste seisukohast on tõeline amfolüüt (jaotis 8.1). See väljendub nii soolade hüdrolüüsis (punkt 8.3.1) kui ka hapete ja aluste dissotsiatsioonis vesikeskkonnas (punkt 8.3.2).

Kvantitatiivne omadus happesus veekeskkonnad on pH väärtus pH.

Vesi osaleb happe-aluse reagendina biosubstraatide hüdrolüüsireaktsioonides. Näiteks adenosiintrifosfaadi hüdrolüüs toimib keha jaoks salvestatud energiaallikana, mittevajalike valkude ensümaatiline hüdrolüüs aitab saada aminohappeid, mis on vajalike valkude sünteesi lähteaineks. Samal ajal on H+ katioonid või OH- anioonid biosubstraadi hüdrolüüsireaktsioonide happe-aluse katalüsaatorid (jaotised 21.4, 23.4).

redoksomadused. Veemolekulis on nii vesinik kui hapnik stabiilses oksüdatsiooniolekus. Seetõttu ei avalda vesi väljendunud redoksomadusi. Redoksreaktsioonid on võimalikud, kui vesi interakteerub ainult väga aktiivsete redutseerivate ainetega või väga aktiivsete oksüdeerivate ainetega või kui reaktiivid on tugevalt aktiveeritud.

Vesi võib vesinikkatioonide tõttu olla oksüdeeriv aine, kui ta suhtleb tugevate redutseerivate ainetega, nagu leelis- ja leelismuldmetallid või nende hüdriidid:

Kell kõrged temperatuurid Vee koostoime vähemaktiivsete redutseerijatega on võimalik:

Elussüsteemides ei toimi nende veekomponent kunagi oksüdeeriva ainena, kuna see tooks kaasa nende süsteemide hävimise molekulaarse vesiniku moodustumise ja organismidest pöördumatu eemaldamise tõttu.

Vesi võib hapnikuaatomite tõttu toimida redutseerijana, näiteks suhtlemisel sellise tugeva oksüdeeriva ainega nagu fluor:

Valguse mõjul ja klorofülli osalusel toimub taimedes fotosünteesi protsess, mille käigus moodustub veest O2 (ptk 9.3.6):

Lisaks otsesele osalemisele redoks-transformatsioonides osalevad vesi ja selle dissotsiatsiooniproduktid H + ja OH- keskkonnana, mis tänu oma kõrgele polaarsusele (= 79) ja ioonide poolt moodustatud ioonide osalemisele aitab kaasa paljude redoksreaktsioonide toimumisele. see lähteainete muutmisel lõplikeks (jaotis 9.1).

kompleksi tekitavad omadused. Kahe jagamata elektronpaari olemasolu tõttu hapnikuaatomi juures on veemolekul üsna aktiivne monodentaalne ligand, mis moodustab vesiniku katiooniga kompleksse oksooniumiooni H 3 0 + ja vesilahustes üsna stabiilsed veekompleksid metallikatioonidega. , näiteks [Ca(H20)6]2+, [Fe(H20)6]3+, 2+. Nendes kompleksioonides on sõlmemolekulid kovalentselt seotud kompleksi moodustavate ainetega üsna tugevalt. Leelismetalli katioonid ei moodusta vesikomplekse, vaid elektrostaatiliste jõudude toimel hüdraatunud katioone. Aeg väljakujunenud elu Nende katioonide hüdratatsioonikestade veemolekulid ei ületa 0,1 s ja nende koostis veemolekulide arvu osas võib kergesti muutuda.

Kalduvus luua kaaslasi. Tänu suurele polaarsusele, mis soodustab elektrostaatilist interaktsiooni ja vesiniksidemete teket, moodustavad veemolekulid isegi puhtas vees (punkt 6.1) molekulidevahelisi assotsiatsioone, mis erinevad nii struktuuri, molekulide arvu kui ka assotsieerunud eluea aja poolest. , samuti kaastöötajate endi eluiga. Seega puhas vesi on avatud kompleks dünaamiline süsteem. Väliste tegurite mõjul: radioaktiivne, ultraviolett- ja laserkiirgus, elastsed lained, temperatuur, rõhk, elektri-, magnet- ja elektromagnetväljad tehis- ja looduslikest allikatest (kosmos, päike, maa, elusobjektid) - muudab vesi oma struktuurseid ja informatsioonilisi omadusi ja sellest tulenevalt muutuvad selle bioloogilised ja füsioloogilised funktsioonid.

Lisaks iseassotsiatsioonile hüdraativad veemolekulid ioone, polaarseid molekule ja makromolekule, moodustades nende ümber hüdratatsioonikestad, stabiliseerides neid seeläbi lahuses ja soodustades nende lahustumist (jaotis 6.1). Ained, mille molekulid on mittepolaarsed ja suhteliselt väikesed, võivad vees lahustuda vaid vähesel määral, täites teatud struktuuriga oma kaaslaste tühimikud. Sel juhul struktureerivad mittepolaarsed molekulid hüdrofoobse interaktsiooni tulemusena neid ümbritsevat hüdratatsioonikestat, muutes selle tavaliselt jäätaolise struktuuriga struktureeritud assotsiatsiooniks, mille sees see mittepolaarne molekul asub.

Elusorganismides saab eristada kahte veekategooriat - "seotud" ja "vaba", viimane on ilmselt ainult rakkudevahelises vedelikus (punkt 6.1). seotud vesi, omakorda jaguneb "struktureeritud" (tugevalt seotud) ja "destruktureeritud" (nõrgalt seotud või lahtiseks) veeks. Tõenäoliselt mõjutavad kõik ülaltoodud välistegurid vee seisundit kehas, muutes suhteid: "struktureeritud" / "destruktureeritud" ja "seotud" / "vaba" vesi, samuti selle struktuursed ja dünaamilised parameetrid. See väljendub muutustes keha füsioloogilises seisundis. Võimalik, et rakusisene vesi läbib pidevalt, peamiselt valkude poolt reguleeritud, pulseerivaid üleminekuid "struktureeritud" seisundist "destruktureeritud" olekusse. Need üleminekud on omavahel seotud kasutatud metaboliitide (räbu) rakust väljutamise ja vajalike ainete imendumisega. Koos kaasaegne punkt nägemise osas osaleb vesi ühtse rakusisese struktuuri moodustumisel, tänu millele saavutatakse eluprotsesside korrastatus. Seetõttu on A. Szent-Gyorgyi kujundliku väljendi kohaselt vesi kehas "elu maatriks".

Vesi looduses. Vesi on kõige olulisem ja laialt levinud aine Maal. Pind gloobus 75% kaetud veega. Maailma ookeani maht on 1,4 miljardit km 3 . Sama palju vett leidub mineraalides kristallisatsioonivee kujul. Atmosfäär sisaldab 13 tuhat km 3 vett. Samas on joogiks ja olmevajadusteks sobiva magevee varud üsna piiratud (kõikide mageveehoidlate maht on 200 tuh km 3). Värske vesi, mida kasutatakse igapäevaelus, sisaldab erinevaid lisandeid vahemikus 0,05 kuni 1 g / l, enamasti on need soolad: vesinikkarbonaadid, kloriidid, sulfaadid, sealhulgas lahustuvad kaltsiumi- ja magneesiumisoolad, mille olemasolu muudab vee kõvaks (jaotis 14.3). Hetkel turvalisus veevarud ja puhastamine Reovesi on kõige pakilisemad keskkonnaprobleemid.

Tavalises vees on umbes 0,02% rasket vett D2O (D – deuteerium). See koguneb tavalise vee aurustumisel või elektrolüüsil. Raske vesi on mürgine. Rasket vett kasutatakse vee liikumise uurimiseks elusorganismides. Selle abil leiti, et mõne taime kudedes ulatub vee liikumiskiirus 14 m/h ning inimese poolt joodav vesi jaotub 2 tunniga täielikult üle tema elundite ja kudede ning eemaldatakse organismist täielikult. alles kahe nädala pärast. Elusorganismid sisaldavad 50–93% vett, mis on kõigis eluprotsessides asendamatu osaline. Elu on võimatu ilma veeta. 70-aastase eluea juures tarbib inimene koos toidu ja joogiga umbes 70 tonni vett.

Teaduslikus ja meditsiinipraktika laialdaselt kasutatud destilleeritud vesi- värvitu läbipaistev vedelik, lõhnatu ja maitsetu, pH = 5,2-6,8. See on farmakopöa preparaat paljude ravimvormide valmistamiseks.

Süstevesi(pürogeenne vesi) - ka farmakopöa preparaat. See vesi ei sisalda pürogeenseid aineid. Pürogeenid – bakteriaalse päritoluga ained – bakterite metaboliidid või jääkproduktid, mis organismi sattudes põhjustavad külmavärinaid, palavikku, peavalu ja südame-veresoonkonna aktiivsuse halvenemist. Apürogeenne vesi valmistatakse sõlme (bidistillaat) topeltdestilleerimisel aseptilistes tingimustes ja kasutatakse 24 tunni jooksul.

Lõigu lõpetuseks on vaja rõhutada vesiniku kui biogeense elemendi omadusi. Elussüsteemides on vesiniku oksüdatsiooniaste alati +1 ja see esineb kas polaarse kovalentse sidemega teiste biogeensete elementidega või H + katioonina. Vesinikkatioon on happeliste omaduste kandja ja aktiivne kompleksimoodustaja, mis interakteerub teiste organogeenide aatomite vabade elektronpaaridega. Redoks-omaduste seisukohalt ei oma keha tingimustes seotud vesinik ei oksüdeeriva ega redutseeriva aine omadusi, kuid vesiniku katioon osaleb aktiivselt paljudes redoksreaktsioonides, muutmata oma oksüdatsiooniastet, vaid aitab kaasa. biosubstraatide muundamiseks reaktsiooniproduktideks. Elektronegatiivsete elementidega seotud vesinik moodustab vesiniksidemeid.

Universumi kõige levinum element on vesinik. Tähtede puhul on see tuumade - prootonite - kujul ja on termotuumaprotsesside materjal. Peaaegu pool Päikese massist koosneb samuti H 2 molekulidest. Selle sisaldus maakoores ulatub 0,15% -ni ja nafta koostises on aatomeid, maagaas, vesi. Koos hapniku, lämmastiku ja süsinikuga on see organogeenne element, mis on osa kõigist Maa elusorganismidest. Meie artiklis uurime füüsilist ja Keemilised omadused vesinik, määratleme selle peamised rakendusvaldkonnad tööstuses ja tähtsuse looduses.

Asukoht Mendelejevi keemiliste elementide perioodilises süsteemis

Esimene element, mis avab perioodilisuse tabeli, on vesinik. Selle aatommass on 1,0079. Sellel on kaks stabiilset (protium ja deuteerium) ja üks radioaktiivne isotoop (triitium). Füüsilised omadused määratakse mittemetalli koha järgi tabelis keemilised elemendid. Normaaltingimustes on vesinik (selle valem on H 2) gaas, mis on õhust peaaegu 15 korda kergem. Elemendi aatomi struktuur on ainulaadne: see koosneb ainult tuumast ja ühest elektronist. Aine molekul on kaheaatomiline, selles olevad osakesed on omavahel ühendatud kovalentse mittepolaarse sideme abil. Selle energiaintensiivsus on üsna kõrge - 431 kJ. See seletab ühendi madalat keemilist aktiivsust tavatingimustes. Vesiniku elektrooniline valem on: H:H.

Aine on terve rida omadused, millel pole analooge muude mittemetallide hulgas. Vaatleme mõnda neist.

Lahustuvus ja soojusjuhtivus

Metallid juhivad soojust kõige paremini, kuid vesinik läheneb neile soojusjuhtivuse poolest. Nähtuse seletus peitub väga suur kiirus aine kergete molekulide soojusliikumine, seetõttu jahtub kuumutatud objekt vesiniku atmosfääris 6 korda kiiremini kui õhus. Ühend võib metallides hästi lahustuda, näiteks ühe mahuosa pallaadiumiga saab neelata peaaegu 900 mahuosa vesinikku. Metallid võivad astuda H 2 -ga keemilistesse reaktsioonidesse, milles avalduvad vesiniku oksüdeerivad omadused. Sel juhul moodustuvad hüdriidid:

2Na + H2 \u003d 2 NaH.

Selles reaktsioonis võtavad elemendi aatomid vastu metalliosakestest elektrone, muutudes ühikulise negatiivse laenguga anioonideks. Lihtaine H 2 on sel juhul oksüdeeriv aine, mis tavaliselt pole sellele tüüpiline.

Vesinik redutseerijana

Metalle ja vesinikku ühendab mitte ainult kõrge soojusjuhtivus, vaid ka nende aatomite võime seda teha keemilised protsessid loovutavad oma elektrone ehk oksüdeerivad. Näiteks aluselised oksiidid reageerivad vesinikuga. Redoksreaktsioon lõpeb puhta metalli vabanemisega ja veemolekulide moodustumisega:

CuO + H2 \u003d Cu + H2O.

Aine koosmõju hapnikuga kuumutamisel viib ka veemolekulide tekkeni. Protsess on eksotermiline ja sellega kaasneb vabanemine suur hulk soojusenergia. Kui H 2 ja O 2 gaasisegu reageerib vahekorras 2: 1, nimetatakse seda seetõttu, et see plahvatab süttimisel:

2H2 + O2 \u003d 2H2O.

Vesi on ja mängib olulist rolli Maa hüdrosfääri, kliima ja ilmastiku kujunemisel. See tagab elementide ringluse looduses, toetab kõiki organismide - meie planeedi elanike - eluprotsesse.

Koostoime mittemetallidega

Vesiniku kõige olulisemad keemilised omadused on selle reaktsioonid mittemetalliliste elementidega. Kell normaalsetes tingimustes on keemiliselt piisavalt inertsed, nii et aine saab reageerida ainult halogeenidega, näiteks fluori või klooriga, mis on kõigist mittemetallidest kõige aktiivsemad. Niisiis plahvatab fluori ja vesiniku segu pimedas või külmas ning klooriga - kuumutamisel või valguse käes. Reaktsiooniproduktid on vesinikhalogeniidid, mille vesilahused on tuntud fluoriid- ja kloriidhapetena. C interakteerub temperatuuril 450-500 kraadi, rõhul 30-100 MPa ja katalüsaatori juuresolekul:

N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH3.

Vesiniku vaadeldavad keemilised omadused on suur tähtsus tööstuse jaoks. Näiteks võite saada väärtusliku keemiatoote - ammoniaagi. See on nitraathappe- ja lämmastikväetiste tootmise peamine tooraine: uurea, ammooniumnitraat.

orgaaniline aine

Süsiniku ja vesiniku vahel tekib kõige lihtsam süsivesinik - metaani:

C + 2H2 = CH4.

Aine on loodusliku aine kõige olulisem komponent ning seda kasutatakse väärtusliku kütuseliigi ja toorainena orgaanilise sünteesi tööstuses.

Süsinikuühendite keemias sisaldub element väga paljudes ainetes: alkaanid, alkeenid, süsivesikud, alkoholid jne. On teada palju orgaaniliste ühendite reaktsioone H 2 molekulidega. Nad kannavad üldnimetus hüdrogeenimine või hüdrogeenimine. Niisiis saab aldehüüde vesinikuga redutseerida alkoholideks, küllastumata süsivesinikke alkaanideks. Näiteks etüleen muudetakse etaaniks:

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

Tähtis praktiline väärtus omavad selliseid vesiniku keemilisi omadusi nagu näiteks vedelate õlide hüdrogeenimine: päevalill, mais, rapsiseemned. See viib tahke rasva tootmiseni - seapekk, mida kasutatakse glütseriini, seebi, steariini, kõvad sordid margariin. Parandamiseks välimus ja maitseomadus sellele lisatakse toiduaineid, piima, loomseid rasvu, suhkrut, vitamiine.

Oma artiklis uurisime vesiniku omadusi ning saime teada selle rollist looduses ja inimelus.

MÄÄRATLUS

Vesinik- D.I keemiliste elementide perioodilise süsteemi esimene element. Mendelejev. Sümbol on N.

Aatommass - 1 a.m.u. Vesiniku molekul on kaheaatomiline - H2.

Elektrooniline konfiguratsioon vesinikuaatom - 1s 1. Vesinik kuulub s-elementide perekonda. Selle ühendites on oksüdatsiooniastmed -1, 0, +1. Looduslik vesinik koosneb kahest stabiilsest isotoobist - protium 1 H (99,98%) ja deuteerium 2 H (D) (0,015%) - ning triitiumi radioaktiivsest isotoobist 3 H (T) (jälgedes, poolestusaeg - 12,5 aastat).

Vesiniku keemilised omadused

Normaalsetes tingimustes on molekulaarsel vesinikul suhteliselt madal reaktsioonivõime, mis on seletatav molekuli suure sideme tugevusega. Kuumutamisel suhtleb see peaaegu kõigi lihtsate ainetega, mille moodustavad põhialarühmade elemendid (v.a väärisgaasid, B, Si, P, Al). Keemilistes reaktsioonides võib see toimida nii redutseerijana (sagedamini) kui ka oksüdeeriva ainena (harvemini).

Vesinik avaldub redutseeriva aine omadused(H20-2e → 2H+) järgmistes reaktsioonides:

1. Reaktsioonid koostoimel lihtainetega - mittemetallidega. Vesinik reageerib halogeenidega, pealegi interaktsiooni reaktsioon fluoriga tavatingimustes, pimedas, plahvatusega, klooriga - valgustuse (või UV-kiirguse) all ahelmehhanismi abil, broomi ja joodiga ainult kuumutamisel; hapnikku(hapniku ja vesiniku segu mahusuhtes 2:1 nimetatakse plahvatusohtlikuks gaasiks), hall, lämmastik ja süsinik:

H2 + Hal2 \u003d 2HHal;

2H2 + O2 \u003d 2H20 + Q (t);

H2 + S \u003d H2S (t \u003d 150 - 300C);

3H2 + N2↔ 2NH3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);

2H2 + C ↔ CH4 (t, p, kat).

2. Kompleksainetega koostoime reaktsioonid. Vesinik reageerib madala aktiivsusega metallide oksiididega ja see suudab redutseerida ainult tsingist paremal asuvas tegevussarjas olevaid metalle:

CuO + H2 \u003d Cu + H2O (t);

Fe2O3 + 3H2 \u003d 2Fe + 3H2O (t);

WO3 + 3H2 \u003d W + 3H2O (t).

Vesinik reageerib mittemetallide oksiididega:

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).

Vesinik siseneb hüdrogeenimisreaktsioonidesse orgaanilised ühendid tsükloalkaanide, alkeenide, areenide, aldehüüdide ja ketoonide jne klass. Kõik need reaktsioonid viiakse läbi kuumutamisel, rõhu all, katalüsaatoritena kasutatakse plaatinat või niklit:

CH2 = CH2 + H2 ↔ CH3-CH3;

C6H6 + 3H2↔ C6H12;

C3H6 + H2↔ C3H8;

CH3CHO + H2↔ CH3-CH2-OH;

CH 3 -CO-CH 3 + H 2 ↔ CH 3 -CH (OH) -CH 3.

Vesinik oksüdeeriva ainena(H 2 + 2e → 2H -) toimib reaktsioonides leelis- ja leelismuldmetallidega. Sel juhul moodustuvad hüdriidid - kristalsed ioonühendid, milles vesiniku oksüdatsiooniaste on -1.

2Na + H2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

Vesiniku füüsikalised omadused

Vesinik on hele värvitu gaas, lõhnatu, tihedusega n.o. - 0,09 g / l, õhust 14,5 korda kergem, t pall = -252,8C, t pl = -259,2C. Vesinik lahustub halvasti vees ja orgaanilistes lahustites, lahustub hästi mõnes metallis: nikkel, pallaadium, plaatina.

Kaasaegse kosmokeemia järgi on vesinik universumis kõige levinum element. Vesiniku olemasolu peamine vorm avakosmos on üksikud aatomid. Vesinik on Maal kõige levinumalt 9. kohal. Põhiline vesiniku kogus Maal on seotud olekus – vee, nafta, maagaasi, kivisöe jne koostises. Lihtsa aine kujul leidub vesinikku harva - vulkaaniliste gaaside koostises.

Vesiniku saamine

Vesiniku tootmiseks on laboratoorsed ja tööstuslikud meetodid. Laboratoorsed meetodid hõlmavad metallide koostoimet hapetega (1), samuti alumiiniumi koostoimet leeliste vesilahustega (2). Tööstuslike vesiniku tootmise meetodite hulgas mängivad olulist rolli leeliste ja soolade vesilahuste elektrolüüs (3) ja metaani muundamine (4):

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 (1);

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na +3 H2 (2);

2NaCl + 2H2O = H2 + Cl2 + 2NaOH (3);

CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).

Näited probleemide lahendamisest

NÄIDE 1

Harjutus	23,8 g metallilise tina interakteerumisel vesinikkloriidhappe liiaga eraldus vesinik, koguses, millest piisab 12,8 g metallilise vase saamiseks. Määrake tina oksüdatsiooniaste saadud ühendis.
Otsus	Tina aatomi elektronstruktuuri (...5s 2 5p 2) põhjal võime järeldada, et tina iseloomustab kaks oksüdatsiooniastet - +2, +4. Selle põhjal koostame võimalike reaktsioonide võrrandid: Sn + 2HCl = H2 + SnCl2 (1); Sn + 4HCl = 2H2 + SnCl4 (2); CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O (3). Leidke vase aine kogus: v (Cu) \u003d m (Cu) / M (Cu) = 12,8 / 64 \u003d 0,2 mol. Vastavalt võrrandile 3 on vesiniku aine kogus: v (H 2) \u003d v (Cu) \u003d 0,2 mol. Teades tina massi, leiame selle aine koguse: v (Sn) \u003d m (Sn) / M (Sn) \u003d 23,8 / 119 \u003d 0,2 mol. Võrdleme tina ja vesiniku ainete koguseid võrrandite 1 ja 2 järgi ning vastavalt ülesande seisukorrale: v1 (Sn): v1 (H2) = 1:1 (võrrand 1); v2 (Sn): v2 (H2) = 1:2 (võrrand 2); v(Sn): v(H2) = 0,2:0,2 = 1:1 (probleemne tingimus). Seetõttu reageerib tina vastavalt võrrandile 1 vesinikkloriidhappega ja tina oksüdatsiooniaste on +2.
Vastus	Tina oksüdatsiooniaste on +2.

NÄIDE 2

Harjutus	Gaas, mis vabanes 2,0 g tsingi toimel 18,7 ml 14,6% vesinikkloriidhappe kohta (lahuse tihedus 1,07 g/ml), juhiti läbi kuumutades üle 4,0 g vask(II)oksiidi. Kui suur on saadud tahke segu mass?
Otsus	Kui tsink toimib vesinikkloriidhape vesinik vabaneb: Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H2 (1), mis kuumutamisel redutseerib vask(II)oksiidi vaseks (2): CuO + H2 \u003d Cu + H2O. Leidke ainete kogus esimeses reaktsioonis: m (p-ra Hcl) = 18,7. 1,07 = 20,0 g; m(HCl) = 20,0. 0,146 = 2,92 g; v (HCl) = 2,92 / 36,5 \u003d 0,08 mol; v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 mol. Tsingist on puudus, mistõttu vabaneb vesiniku hulk: v (H 2) \u003d v (Zn) \u003d 0,031 mol. Teises reaktsioonis puudub vesinik, kuna: v (CuO) \u003d 4,0 / 80 \u003d 0,05 mol. Reaktsiooni tulemusena muutub 0,031 mol CuO 0,031 mol Cu-ks ja massikadu on: m (СuО) - m (Сu) \u003d 0,031 × 80 - 0,031 × 64 \u003d 0,50 g. CuO ja Cu tahke segu mass pärast vesiniku läbimist on: 4,0-0,5 = 3,5 g
Vastus	CuO ja Cu tahke segu mass on 3,5 g.

Vesinik (jälgpaber ladina keelest: lat. Hydrogenium - hydro = "vesi", gen = "genereerib"; hydrogenium - "genereerib vett"; tähistatakse sümboliga H) - elementide perioodilise süsteemi esimene element. Looduses laialt levinud. Kõige tavalisema vesiniku 1 H isotoobi katioon (ja tuum) on prooton. 1H tuuma omadused võimaldavad NMR-spektroskoopiat laialdaselt kasutada orgaaniliste ainete analüüsimisel.

Kolmel vesiniku isotoobil on oma nimed: 1 H - protium (H), 2 H - deuteerium (D) ja 3 H - triitium (radioaktiivne) (T).

Lihtaine vesinik - H 2 - on hele värvitu gaas. Segus õhu või hapnikuga on see põlev ja plahvatusohtlik. Mittetoksiline. Lahustagem etanoolis ja mitmetes metallides: raud, nikkel, pallaadium, plaatina.

Lugu

Põlevgaasi eraldumist hapete ja metallide koosmõjul täheldati 16. ja XVII sajandil keemia kui teaduse kujunemise koidikul. Ka Mihhail Vassiljevitš Lomonosov viitas otseselt selle isolatsioonile, kuid mõistab juba kindlalt, et see pole flogiston. Inglise füüsik ja keemik Henry Cavendish uuris seda gaasi 1766. aastal ja nimetas seda "põlevaks õhuks". Põlemisel tekitas "põlev õhk" vett, kuid Cavendishi järgimine flogistoni teooriast ei võimaldanud tal teha õigeid järeldusi. Prantsuse keemik Antoine Lavoisier koos insener J. Meunier'ga viis 1783. aastal spetsiaalsete gaasimõõturite abil läbi vee sünteesi ja seejärel selle analüüsi, lagundades veeauru punakuuma rauaga. Nii tegi ta kindlaks, et "põlevõhk" on osa veest ja seda saab sealt kätte.

nime päritolu

Lavoisier andis vesinikule nime hüdrogène (teise kreeka keelest ὕδωρ - vesi ja γεννάω - ma sünnitan) - "vee sünnitamine". Venekeelse nimetuse "vesinik" pakkus välja keemik M.F. Solovjov 1824. aastal – analoogia põhjal M.V. Lomonosovi "hapnikuga".

Levimus

Universumis
Vesinik on universumis kõige levinum element. See moodustab umbes 92% kõigist aatomitest (8% on heeliumi aatomid, kõigi teiste elementide osakaal kokku on alla 0,1%). Seega on vesinik peamine komponent tähed ja tähtedevaheline gaas. Tähtede temperatuuri tingimustes (näiteks Päikese pinnatemperatuur on ~ 6000 °C) eksisteerib vesinik plasma kujul, tähtedevahelises ruumis eksisteerib see element üksikute molekulide, aatomite ja ioonide kujul ning võib moodustavad molekulaarpilvi, mille suurus, tihedus ja temperatuur on oluliselt erinevad.

Maakoor ja elusorganismid
Vesiniku massiosa maakoores on 1% - see on kümnes kõige levinum element. Tema rolli looduses ei määra aga mitte mass, vaid aatomite arv, mille osatähtsus teiste elementide hulgas on 17% (hapniku järel teisel kohal, mille aatomite osakaal on ~ 52%). Seetõttu on vesiniku tähtsus Maal toimuvates keemilistes protsessides peaaegu sama suur kui hapniku oma. Erinevalt hapnikust, mis eksisteerib Maal nii seotud kui vabas olekus, on praktiliselt kogu vesinik Maal ühendite kujul; Atmosfääris leidub vaid väga väike kogus vesinikku lihtaine kujul (0,00005 mahuprotsenti).
Vesinik on peaaegu kõigi orgaaniliste ainete koostisosa ja seda leidub kõigis elusrakkudes. Elusrakkudes moodustab vesinik aatomite arvu järgi peaaegu 50%.

Kviitung

Tööstuslikud saamise meetodid lihtsad ained sõltuvad sellest, millisel kujul vastav element looduses on ehk mis saab olla selle tootmise tooraineks. Seega saadakse hapnik, mis on saadaval vabas olekus füüsilisel viisil- vabanemine vedelast õhust. Peaaegu kogu vesinik on ühendite kujul, seetõttu kasutatakse selle saamiseks keemilisi meetodeid. Eelkõige võib kasutada lagunemisreaktsioone. Üks vesiniku tootmise viise on vee lagunemise reaktsioon elektrivoolu toimel.
Peamine tööstuslik meetod vesiniku tootmiseks on reaktsioon metaani veega, mis on osa maagaasist. Seda tehakse kõrgel temperatuuril:
CH 4 + 2H 2 O \u003d CO 2 + 4H 2 −165 kJ

Üks vesiniku tootmise laborimeetodeid, mida mõnikord kasutatakse ka tööstuses, on vee lagundamine elektrivoolu toimel. Tavaliselt toodetakse vesinikku laboris tsingi reageerimisel vesinikkloriidhappega.