Vety luonnossa (0,9 % maankuoressa). Vedyn fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet

Vety on erityinen elementti, joka vie kaksi solua kerralla Mendelejevin jaksollisessa järjestelmässä. Se sijaitsee kahdessa elementtiryhmässä, joilla on vastakkaiset ominaisuudet, ja tämä ominaisuus tekee siitä ainutlaatuisen. Vety on yksinkertainen aine ja olennainen osa monia monimutkaisia ​​yhdisteitä, se on organogeeninen ja biogeeninen alkuaine. Sen tärkeimpiin ominaisuuksiin ja ominaisuuksiin kannattaa tutustua yksityiskohtaisesti.

Vety Mendelejevin jaksollisessa järjestelmässä

Vedyn tärkeimmät ominaisuudet on esitetty seuraavassa:

• elementin sarjanumero on 1 (protoneja ja elektroneja on sama määrä);
• atomimassa on 1,00795;
• vedyllä on kolme isotooppia, joista jokaisella on erityisiä ominaisuuksia;
• johtuen vain yhden elektronin sisällöstä, vety pystyy osoittamaan pelkistäviä ja hapettavia ominaisuuksia, ja elektronin luovutuksen jälkeen vedyllä on vapaa kiertorata, joka osallistuu koostumukseen kemialliset sidokset luovuttaja-akseptorimekanismin mukaisesti;
• vety on kevyt alkuaine, jolla on pieni tiheys;
• vety on vahva pelkistävä aine, se avaa ryhmän alkalimetallit pääalaryhmän ensimmäisessä ryhmässä;
• kun vety reagoi metallien ja muiden vahvojen pelkistysaineiden kanssa, se hyväksyy niiden elektronin ja muuttuu hapettavaksi aineeksi. Tällaisia ​​yhdisteitä kutsutaan hydrideiksi. Ilmoitetun ominaisuuden mukaan vety kuuluu ehdollisesti halogeenien ryhmään (taulukossa se on fluorin yläpuolella suluissa), jonka kanssa sillä on yhtäläisyyksiä.

Vety yksinkertaisena aineena

Vety on kaasu, jonka molekyyli koostuu kahdesta. Tämän aineen löysi vuonna 1766 brittiläinen tiedemies Henry Cavendish. Hän osoitti, että vety on kaasu, joka räjähtää vuorovaikutuksessa hapen kanssa. Tutkittuaan vetyä kemistit havaitsivat, että tämä aine on kevyin kaikista ihmisille tunnetuista aineista.

Toinen tiedemies, Lavoisier, antoi elementille nimen "hydrogenium", joka latinaksi tarkoittaa "veden synnyttämistä". Vuonna 1781 Henry Cavendish osoitti, että vesi on hapen ja vedyn yhdistelmä. Toisin sanoen vesi on vedyn ja hapen reaktion tuote. Vedyn palavat ominaisuudet tunsivat jopa muinaiset tiedemiehet: vastaavat tiedot jättivät 1500-luvulla asunut Paracelsus.

Molekyylivety on luonnossa yleinen luonnossa esiintyvä kaasumainen yhdiste, joka koostuu kahdesta atomista ja kun palava sirpale nostetaan esiin. Vetymolekyyli voi hajota atomeiksi, jotka muuttuvat heliumytimiksi, koska ne voivat osallistua ydinreaktiot. Tällaisia ​​prosesseja tapahtuu säännöllisesti avaruudessa ja auringossa.

Vety ja sen fysikaaliset ominaisuudet

Vetyllä on seuraavat fysikaaliset parametrit:

• kiehuu -252,76 °C:ssa;
• sulaa -259,14 °C:ssa; *ilmoitetuissa lämpötilarajoissa vety on hajuton, väritön neste;
• vety liukenee heikosti veteen;
• vety voi teoriassa mennä metalliseen tilaan, kun sitä tarjotaan erityisolosuhteet (matalat lämpötilat ja korkea paine)
• puhdas vety on räjähtävä ja palava aine;
• vety pystyy diffundoitumaan metallien paksuuden läpi, joten se liukenee niihin hyvin;
• vety on 14,5 kertaa ilmaa kevyempi;
• klo korkeapaine voidaan saada lumimaisia ​​kiinteän vedyn kiteitä.

Vedyn kemialliset ominaisuudet

Laboratoriomenetelmät:

• laimennettujen happojen vuorovaikutus aktiiviset metallit ja keskiaktiiviset metallit;
• metallihydridien hydrolyysi;
• alkali- ja maa-alkalimetallien reaktio veden kanssa.

Vetyyhdisteet:

Vetyhalogenidit; ei-metallien haihtuvat vetyyhdisteet; hydridit; hydroksidit; vetyhydroksidi (vesi); vetyperoksidi; orgaaniset yhdisteet (proteiinit, rasvat, hiilihydraatit, vitamiinit, lipidit, eteeriset öljyt, hormonit). Napsauta nähdäksesi turvallisia kokeita proteiinien, rasvojen ja hiilihydraattien ominaisuuksien tutkimuksesta.

Tuloksena olevan vedyn keräämiseksi sinun on pidettävä koeputki ylösalaisin. Vetyä ei voida kerätä kuten hiilidioksidia, koska se on paljon ilmaa kevyempää. Vety haihtuu nopeasti ja räjähtää ilman kanssa sekoittuneena (tai suuressa pitoisuudessa). Siksi putki on käännettävä ylösalaisin. Välittömästi täytön jälkeen putki suljetaan kumitulpalla.

Vedyn puhtauden tarkistamiseksi sinun on tuotava sytytetty tulitikku koeputken kaulaan. Jos kuuro ja hiljainen poksahdus tapahtuu, kaasu on puhdasta ja ilman epäpuhtaudet ovat minimaaliset. Jos poksahdus on kovaa ja viheltävää, koeputkessa oleva kaasu on likaista, se sisältää suuren osan vieraita komponentteja.

Huomio! Älä yritä toistaa näitä kokeita itse!

Vetyatomilla on muiden alkuaineiden atomeihin verrattuna yksinkertaisin rakenne: se koostuu yhdestä protonista.

tuottaa atomiydin, ja yksi elektroni, joka sijaitsee ls-radalla. Vetyatomin ainutlaatuisuus piilee siinä, että sen ainoa valenssielektroni on suoraan atomiytimen toimintakentässä, koska muut elektronit eivät suojaa sitä. Tämä antaa sille erityisiä ominaisuuksia. Hän pääsee sisään kemialliset reaktiot luovuttaa elektronin muodostaen H + -kationin (kuten alkalimetalliatomit) tai lisäämällä elektronin kumppanista muodostamaan H-anionin (kuten halogeeniatomit). Siksi jaksollisessa järjestelmässä vety sijoitetaan useammin ryhmään IA, joskus ryhmään VIIA, mutta on olemassa muunnelmia taulukoista, joissa vety ei kuulu mihinkään jaksollisen järjestelmän ryhmään.

Vetymolekyyli on kaksiatominen - H2. Vety on kaikista kaasuista kevyin. H2-molekyylin ei-polaarisuuden ja suuren lujuuden vuoksi (E St\u003d 436 kJ / mol) normaaliolosuhteissa vety on aktiivisesti vuorovaikutuksessa vain fluorin kanssa, ja valaistuna myös kloorin ja bromin kanssa. Kuumennettaessa se reagoi monien ei-metallien, kloorin, bromin, hapen, rikin kanssa, jolla on pelkistäviä ominaisuuksia, ja vuorovaikutuksessa alkali- ja maa-alkalimetallien kanssa, se on hapettava aine ja muodostaa näiden metallien hydridejä:

Kaikista organogeeneistä vedyn suhteellinen elektronegatiivisuus on pienin (0E0 = 2,1), joten luonnollisissa yhdisteissä vedyn hapetusaste on aina +1. Kemiallisen termodynamiikan näkökulmasta vety ei voi muodostaa molekyylivetyä (Н 2) eikä hydridi-ionia (Н~) elävissä vettä sisältävissä järjestelmissä. Molekyylivety klo normaaleissa olosuhteissa se on kemiallisesti inaktiivinen ja samalla erittäin haihtuva, minkä vuoksi se ei voi pysyä elimistössä ja osallistua aineenvaihduntaan. Hydridi-ioni on kemiallisesti erittäin aktiivinen ja on välittömästi vuorovaikutuksessa hyvin pienen vesimäärän kanssa muodostaen molekyylivetyä. Siksi vety kehossa on joko yhdisteiden muodossa muiden organogeenien kanssa tai H + -kationin muodossa.

Vety organogeenisten alkuaineiden kanssa muodostaa vain kovalenttisia sidoksia. Napaisuusasteen mukaan nämä sidokset on järjestetty seuraavassa järjestyksessä:

Tämä sarja on erittäin tärkeä kemian kannalta luonnollisia yhdisteitä, koska näiden sidosten polariteetti ja niiden polarisoituvuus määräävät ennalta yhdisteiden happamat ominaisuudet, eli dissosioitumisen protonin muodostumiseen.

happamat ominaisuudet. Muodostavan elementin luonteesta riippuen X-N liitäntä, happoja on 4 tyyppiä:

OH-hapot (karboksyylihapot, fenolit, alkoholit);

SH-hapot (tiolit);

NH-hapot (amidit, imidit, amiinit);

CH-hapot (hiilivedyt ja niiden johdannaiset).

Koska polarisoituvuus on korkea S-H liitännät voidaan tehdä seuraava rivi hapot hajoamiskyvyn mukaan:

Vetykationien pitoisuus vesiympäristössä määrää sen happamuuden, joka ilmaistaan ​​pH-arvolla pH = -lg (kohta 7.5). Useimmissa kehon fysiologisissa ympäristöissä reaktio on lähellä neutraalia (pH = 5,0-7,5), vain mahanesteessä pH = 1,0-2,0. Tämä tarjoaa toisaalta antimikrobisen vaikutuksen, joka tappaa monia ruoan mukana mahalaukkuun tuotuja mikro-organismeja; toisella puolella, hapan ympäristö sillä on katalyyttinen vaikutus proteiinien, polysakkaridien ja muiden biosubstraattien hydrolyysissä, mikä edistää tarvittavien metaboliittien tuotantoa.

redox-ominaisuudet. Suuren positiivisen varaustiheyden vuoksi vetykationi on melko voimakas hapetin (f° = 0 V), joka hapettaa aktiivisia ja keskiaktiivisia metalleja vuorovaikutuksessa happojen ja veden kanssa:

Elävissä järjestelmissä ei ole tällaisia ​​vahvoja pelkistäviä aineita, ja vetykationien hapetuskyky neutraalissa väliaineessa (pH = 7) pienenee merkittävästi (f° = -0,42 V). Siksi vetykationilla ei ole kehossa hapettavia ominaisuuksia, vaan se osallistuu aktiivisesti redox-reaktioihin, mikä myötävaikuttaa lähtöaineiden muuttumiseen reaktiotuotteiksi:

Kaikissa annetuissa esimerkeissä vetyatomit eivät muuttaneet hapetusastettaan +1.

Pelkistävät ominaisuudet ovat ominaisia ​​molekyyli- ja erityisesti atomivedylle, eli vedylle vapautumishetkellä suoraan reaktioväliaineessa, sekä hydridi-ionille:

Elävissä järjestelmissä ei kuitenkaan ole tällaisia ​​pelkistäviä aineita (H2 tai H-), joten tällaisia ​​reaktioita ei ole. Kirjallisuudesta, mukaan lukien oppikirjoista, löydetty mielipide, että vety on orgaanisten yhdisteiden pelkistysominaisuuksien kantaja, ei vastaa todellisuutta; siten elävissä järjestelmissä dehydrogenaasikoentsyymin pelkistetty muoto, jossa hiiliatomit vetyatomien sijaan toimivat biosubstraattien pelkistäjänä (luku 9.3.3).

kompleksisia ominaisuuksia. Vetykationissa olevan vapaan atomiorbitaalin ja itse H+-kationin voimakkaan polarisoivan vaikutuksen vuoksi se on aktiivinen kompleksoiva ioni. Joten vesipitoisessa väliaineessa vetykationi muodostaa hydronium-ionin H3O + ja ammoniakin läsnä ollessa ammoniumionin NH4:

Taipumus muodostaa kumppaneita. Erittäin polaariset vetyatomit O-H liitännät ja N-H muodostavat vetysidoksia (luku 3.1). Vetysidoksen vahvuus (10 - 100 kJ/mol) riippuu paikallisten varausten suuruudesta ja vetysidoksen pituudesta, eli sen muodostumiseen osallistuvien elektronegatiivisten alkuaineiden atomien välisestä etäisyydestä. Aminohapoille, hiilihydraateille, proteiineille, nukleiinihapot seuraavat vetysidosten pituudet ovat ominaisia, pm:

Vetysidosten ansiosta substraatin ja entsyymin välillä, luonnollisten polymeerien yksittäisten ryhmien välillä syntyy palautuvia molekyylien välisiä vuorovaikutuksia, jotka määrittävät niiden sekundaariset, tertiaariset ja kvaternaariset rakenteet (kohdat 21.4, 23.4). Vetysidoksella on johtava rooli veden ominaisuuksissa liuottimena ja reagenssina.

Vesi ja sen ominaisuudet. Vesi on vedyn tärkein yhdiste. Kaikki kehon kemialliset reaktiot tapahtuvat vain vesiympäristössä, elämä ilman vettä on mahdotonta. Vettä liuottimena pidettiin kohdassa Sec. 6.1.

Happo-emäsominaisuudet. Vesi reagenssina happo-emäsominaisuuksien kannalta on todellinen amfolyytti (kohta 8.1). Tämä ilmenee sekä suolojen hydrolyysina (luku 8.3.1) että happojen ja emästen dissosioitumisena vesipitoisessa väliaineessa (kohta 8.3.2).

Määrällinen ominaisuus happamuus vesiympäristöt On PH arvo pH.

Vesi happo-emäs-reagenssina osallistuu biosubstraattien hydrolyysireaktioihin. Esimerkiksi adenosiinitrifosfaatin hydrolyysi toimii varastoituneen energian lähteenä elimistölle, tarpeettomien proteiinien entsymaattinen hydrolyysi tuottaa aminohappoja, jotka ovat lähtömateriaalina tarvittavien proteiinien synteesille. Samanaikaisesti H+-kationit tai OH–-anionit ovat happo-emäs-katalyyttejä biosubstraatin hydrolyysireaktioissa (kohdat 21.4, 23.4).

redox-ominaisuudet. Vesimolekyylissä sekä vety että happi ovat stabiileissa hapetustilassa. Siksi vedellä ei ole selkeitä redox-ominaisuuksia. Redox-reaktiot ovat mahdollisia, kun vesi on vuorovaikutuksessa vain erittäin aktiivisten pelkistysaineiden tai erittäin aktiivisten hapettimien kanssa tai olosuhteissa, joissa reagenssit aktivoituvat voimakkaasti.

Vesi voi olla hapettava aine vetykationien vuoksi, kun se on vuorovaikutuksessa vahvojen pelkistysaineiden, kuten alkali- ja maa-alkalimetallien tai niiden hydridien kanssa:

klo korkeita lämpötiloja veden vuorovaikutus vähemmän aktiivisten pelkistysaineiden kanssa on mahdollista:

Elävissä järjestelmissä niiden vesikomponentti ei koskaan toimi hapettavana aineena, koska tämä johtaisi näiden järjestelmien tuhoutumiseen johtuen molekyylivedyn muodostumisesta ja peruuttamattomasta poistamisesta organismeista.

Vesi voi toimia pelkistimenä happiatomien takia, esimerkiksi kun se on vuorovaikutuksessa sellaisen vahvan hapettimen kuten fluorin kanssa:

Valon vaikutuksesta ja klorofyllin mukana fotosynteesiprosessi etenee kasveissa, jolloin vedestä muodostuu O2:ta (luku 9.3.6):

Sen lisäksi, että vesi ja sen dissosiaatiotuotteet H + ja OH- osallistuvat suoraan hapetus-pelkistysmuutoksiin, se osallistuu väliaineena, joka edistää monien redox-reaktioiden esiintymistä korkean polariteettinsa ( = 79) ja sen muodostamien ionien osallistumisen vuoksi. se lähtöaineiden muuttamisessa lopullisiksi (kohta 9.1).

kompleksisia ominaisuuksia. Koska happiatomissa on kaksi jakamatonta elektroniparia, vesimolekyyli on melko aktiivinen yksihampainen ligandi, joka muodostaa vetykationin kanssa kompleksisen oksonium-ionin H 3 0 + ja melko stabiileja vesikomplekseja metallikationien kanssa vesiliuoksissa. , esimerkiksi [Ca(H20)6]2+, [Fe(H20)6]3+, 2+. Näissä monimutkaisissa ioneissa solmumolekyylit ovat kovalenttisesti sitoutuneet kompleksin muodostaviin aineisiin melko lujasti. Alkalimetallikationit eivät muodosta vesikomplekseja, vaan hydratoituneita kationeja sähköstaattisten voimien vaikutuksesta. Aika vakiintunut elämä Näiden kationien hydraatiokuorissa olevien vesimolekyylien määrä ei ylitä 0,1 s, ja niiden koostumus vesimolekyylien lukumäärän suhteen voi muuttua helposti.

Taipumus muodostaa kumppaneita. Sähköstaattista vuorovaikutusta ja vetysidosten muodostumista edistävän korkean polariteetin ansiosta vesimolekyylit myös puhtaassa vedessä (kohta 6.1) muodostavat molekyylien välisiä assosiaatioita, jotka eroavat rakenteeltaan, molekyylien määrältä ja niiden asettuneesta elinajasta sidosaineissa. , sekä työtovereiden itsensä eliniän. Täten, puhdas vesi on avoin kompleksi dynaaminen järjestelmä. Ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta: radioaktiivinen, ultravioletti- ja lasersäteily, elastiset aallot, lämpötila, paine, sähkö-, magneetti- ja sähkömagneettiset kentät keinotekoisista ja luonnollisista lähteistä (avaruus, aurinko, maa, elävät esineet) - vesi muuttaa rakenteellisia ja informaatioominaisuuksiaan ja sen seurauksena sen biologiset ja fysiologiset toiminnot muuttuvat.

Itseassosioitumisen lisäksi vesimolekyylit hydratoivat ioneja, polaarisia molekyylejä ja makromolekyylejä muodostaen ympärilleen hydraatiokuoria, mikä stabiloi ne liuoksessa ja edistää niiden liukenemista (luku 6.1). Aineet, joiden molekyylit ovat ei-polaarisia ja kooltaan suhteellisen pieniä, voivat liueta vain vähän veteen ja täyttävät yhdyskuntansa tyhjiöt tietyllä rakenteella. Tässä tapauksessa hydrofobisen vuorovaikutuksen seurauksena ei-polaariset molekyylit strukturoivat niitä ympäröivää hydraatiokuorta ja muuttavat siitä rakenteellisen, tavallisesti jäämäisen rakenteen omaavan yhdisteen, jonka sisällä tämä ei-polaarinen molekyyli sijaitsee.

Elävissä organismeissa voidaan erottaa kaksi vesiluokkaa - "sidottu" ja "vapaa", jälkimmäinen ilmeisesti on vain solujen välisessä nesteessä (luku 6.1). sidottu vesi, puolestaan ​​​​jaetaan "strukturoituun" (vahvasti sidottu) ja "destrukturoituun" (heikosti sidottu tai löysä) veteen. Todennäköisesti kaikki edellä mainitut ulkoiset tekijät vaikuttavat veden tilaan kehossa, muuttaen suhteita: "strukturoitu" / "rakenteinen" ja "sidottu" / "vapaa" vesi sekä sen rakenteelliset ja dynaamiset parametrit. Tämä ilmenee kehon fysiologisen tilan muutoksina. On mahdollista, että solunsisäinen vesi käy jatkuvasti läpi pääasiassa proteiinien säätelemiä sykkiviä siirtymiä "strukturoidusta" "rakenteelliseen" tilaan. Nämä siirtymät liittyvät toisiinsa käytettyjen aineenvaihduntatuotteiden (kuonien) poistamiseen solusta ja tarvittavien aineiden imeytymiseen. Kanssa moderni piste Näön kannalta vesi on mukana yhden solunsisäisen rakenteen muodostumisessa, jonka ansiosta elämänprosessien järjestys saavutetaan. Siksi A. Szent-Gyorgyin kuvaannollisen ilmaisun mukaan vesi kehossa on "elämän matriisi".

Vesi luonnossa. Vesi on tärkein ja yleisin aine maan päällä. Pinta maapallo 75 % peitetty vedellä. Maailman valtameren tilavuus on 1,4 miljardia km 3 . Sama määrä vettä löytyy mineraaleista kiteytysveden muodossa. Ilmakehä sisältää 13 tuhatta km 3 vettä. Samaan aikaan juoma- ja kotitaloustarpeisiin sopivan makean veden varat ovat melko rajalliset (kaikkien makean veden säiliöiden tilavuus on 200 tuhatta km 3). Tuore vesi, jota käytetään jokapäiväisessä elämässä, sisältää erilaisia ​​​​epäpuhtauksia 0,05 - 1 g / l, useimmiten nämä ovat suoloja: bikarbonaatteja, klorideja, sulfaatteja, mukaan lukien liukoiset kalsium- ja magnesiumsuolat, joiden läsnäolo tekee vedestä kovaa (kohta 14.3). Tällä hetkellä turvallisuus vesivarat ja siivous Jätevesi ovat kiireellisimpiä ympäristökysymyksiä.

Tavallisessa vedessä on noin 0,02 % raskasta vettä D2O (D - deuterium). Se kerääntyy tavallisen veden haihtumisen tai elektrolyysin aikana. Raskas vesi on myrkyllistä. Raskasta vettä käytetään veden liikkeen tutkimiseen elävissä organismeissa. Sen avulla havaittiin, että joidenkin kasvien kudoksissa veden liikkumisnopeus saavuttaa 14 m/h, ja ihmisen juoma vesi jakautuu täysin hänen elimiinsä ja kudoksiinsa 2 tunnissa ja poistuu kokonaan kehosta. vasta kahden viikon kuluttua. Elävät organismit sisältävät 50-93 % vettä, joka on välttämätön osallistuja kaikissa elämänprosesseissa. Elämä on mahdotonta ilman vettä. Elinajanodote on 70 vuotta, jolloin ihminen kuluttaa noin 70 tonnia vettä ruoan ja juoman kanssa.

Tieteellisissä ja lääkärin käytäntö laajasti käytetty tislattu vesi- väritön läpinäkyvä neste, hajuton ja mauton, pH = 5,2-6,8. Tämä on farmakopean mukainen valmiste useiden annosmuotojen valmistukseen.

Injektionesteisiin käytettävä vesi(pyrogeeninen vesi) - myös farmakopean valmiste. Tämä vesi ei sisällä pyrogeenisiä aineita. Pyrogeenit - bakteeriperäiset aineet - bakteerien aineenvaihduntatuotteet tai jätetuotteet, jotka joutuessaan kehoon aiheuttavat vilunväristyksiä, kuumetta, päänsärkyä ja sydän- ja verisuonitoiminnan heikkenemistä. Apyrogeeninen vesi valmistetaan kaksoistislaamalla solmu (bidistilaatti) aseptisissa olosuhteissa ja käytetään 24 tunnin kuluessa.

Osion päätteeksi on tarpeen korostaa vedyn ominaisuuksia biogeenisenä alkuaineena. Elävissä järjestelmissä vedyn hapetusaste on aina +1 ja se esiintyy joko polaarisena kovalenttisena sidoksena muiden biogeenisten alkuaineiden kanssa tai H + -kationina. Vetykationi on happamien ominaisuuksien kantaja ja aktiivinen kompleksinmuodostaja, joka on vuorovaikutuksessa muiden organogeenien atomien vapaiden elektroniparien kanssa. Redox-ominaisuuksien kannalta sitoutuneella vedyllä ei kehon olosuhteissa ole hapettimen tai pelkistimen ominaisuuksia, mutta vetykationi osallistuu aktiivisesti moniin redox-reaktioihin muuttamatta hapetusastettaan, mutta myötävaikuttaa siihen. biosubstraattien muuntamiseen reaktiotuotteiksi. Elektronegatiivisiin alkuaineisiin sitoutunut vety muodostaa vetysidoksia.

Universumin runsain alkuaine on vety. Tähtien osalta se on ytimien - protonien - muodossa ja on materiaali lämpöydinprosesseille. Lähes puolet Auringon massasta koostuu myös H2-molekyyleistä. Sen pitoisuus maankuoressa on 0,15%, ja öljyn koostumuksessa on atomeja, maakaasu, vettä. Yhdessä hapen, typen ja hiilen kanssa se on organogeeninen alkuaine, joka on osa kaikkia maan eläviä organismeja. Artikkelissamme tutkimme fyysisiä ja Kemialliset ominaisuudet vety, määrittelemme sen tärkeimmät käyttöalueet teollisuudessa ja merkityksen luonnossa.

Sijainti Mendelejevin kemiallisten alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä

Ensimmäinen elementti, joka avaa jaksollisen taulukon, on vety. Sen atomimassa on 1,0079. Siinä on kaksi stabiilia (protium ja deuterium) ja yksi radioaktiivinen isotooppi (tritium). Fyysiset ominaisuudet määräytyy ei-metallin paikan mukaan taulukossa kemiallisia alkuaineita. Normaaleissa olosuhteissa vety (sen kaava on H 2) on kaasu, joka on lähes 15 kertaa ilmaa kevyempi. Alkuaineen atomin rakenne on ainutlaatuinen: se koostuu vain ytimestä ja yhdestä elektronista. Aineen molekyyli on kaksiatominen, siinä olevat hiukkaset yhdistetään kovalenttisella ei-polaarisella sidoksella. Sen energiaintensiteetti on melko korkea - 431 kJ. Tämä selittää yhdisteen alhaisen kemiallisen aktiivisuuden normaaleissa olosuhteissa. Vedyn elektroninen kaava on: H:H.

Aineella on koko rivi ominaisuuksia, joilla ei ole analogeja muiden ei-metallien joukossa. Tarkastellaanpa joitain niistä.

Liukoisuus ja lämmönjohtavuus

Metallit johtavat lämpöä parhaiten, mutta vety lähestyy niitä lämmönjohtavuuden suhteen. Ilmiön selitys on siinä suuri nopeus aineen kevyiden molekyylien lämpöliike, joten vetyilmakehässä lämmitetty esine jäähtyy 6 kertaa nopeammin kuin ilmassa. Yhdiste liukenee hyvin metalleihin, esimerkiksi lähes 900 tilavuutta vetyä voi absorboida yksi tilavuus palladiumia. Metallit voivat osallistua kemiallisiin reaktioihin H2:n kanssa, joissa vedyn hapettavat ominaisuudet ilmenevät. Tässä tapauksessa muodostuu hydridejä:

2Na + H2 \u003d 2 NaH.

Tässä reaktiossa elementin atomit ottavat vastaan ​​elektroneja metallihiukkasista muuttuen anioneiksi, joilla on yksikkö negatiivinen varaus. Yksinkertainen aine H 2 on tässä tapauksessa hapettava aine, mikä ei yleensä ole sille tyypillistä.

Vety pelkistimenä

Metalleja ja vetyä yhdistää paitsi korkea lämmönjohtavuus, myös niiden atomien kyky kemiallisia prosesseja luovuttavat omia elektronejaan eli hapettavat. Esimerkiksi emäksiset oksidit reagoivat vedyn kanssa. Redox-reaktio päättyy puhtaan metallin vapautumiseen ja vesimolekyylien muodostumiseen:

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

Aineen vuorovaikutus hapen kanssa lämmityksen aikana johtaa myös vesimolekyylien muodostumiseen. Prosessi on eksoterminen ja siihen liittyy vapautuminen suuri numero lämpöenergia. Jos H 2:n ja O 2:n kaasuseos reagoi suhteessa 2:1, sitä kutsutaan, koska se räjähtää syttyessään:

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

Vesi on ja sillä on tärkeä rooli maapallon hydrosfäärin, ilmaston ja sään muodostumisessa. Se tarjoaa elementtien kierron luonnossa, tukee kaikkia organismien - planeettamme asukkaiden - elämänprosesseja.

Vuorovaikutus ei-metallien kanssa

Vedyn tärkeimmät kemialliset ominaisuudet ovat sen reaktiot ei-metallisten alkuaineiden kanssa. klo normaaleissa olosuhteissa ovat kemiallisesti riittävän inerttejä, joten aine voi reagoida vain halogeenien kanssa, esimerkiksi fluorin tai kloorin kanssa, jotka ovat aktiivisimpia kaikista ei-metalleista. Joten fluorin ja vedyn seos räjähtää pimeässä tai kylmässä ja kloorin kanssa - kuumennettaessa tai valossa. Reaktiotuotteet ovat vetyhalogenideja, joiden vesiliuokset tunnetaan fluori- ja kloridihappoina. C vuorovaikuttaa lämpötilassa 450-500 astetta, paineessa 30-100 MPa ja katalyytin läsnä ollessa:

N2 + 3H2 ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH3.

Vedyn katsotuilla kemiallisilla ominaisuuksilla on hyvin tärkeä teollisuudelle. Voit esimerkiksi saada arvokkaan kemiallisen tuotteen - ammoniakin. Se on pääraaka-aine nitraattihappo- ja typpilannoitteiden valmistuksessa: urea, ammoniumnitraatti.

eloperäinen aine

Hiilen ja vedyn välillä syntyy yksinkertaisimman hiilivedyn - metaanin:

C + 2H2 = CH4.

Aine on luonnonaineen tärkein komponentti ja sitä käytetään arvokkaana polttoaineena ja raaka-aineena orgaanisen synteesin teollisuudessa.

Hiiliyhdisteiden kemiassa alkuaine sisältyy valtavaan määrään aineita: alkaanit, alkeenit, hiilihydraatit, alkoholit jne. Tunnetaan monia orgaanisten yhdisteiden reaktioita H 2 -molekyylien kanssa. He pitävät yllään yleinen nimi hydraus tai hydraus. Joten aldehydit voidaan pelkistää vedyllä alkoholeiksi, tyydyttymättömät hiilivedyt alkaaneiksi. Esimerkiksi eteeni muunnetaan etaaniksi:

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

Tärkeä käytännön arvoa niillä on sellaisia ​​vedyn kemiallisia ominaisuuksia kuin esimerkiksi nestemäisten öljyjen hydraus: auringonkukka, maissi, rapsi. Se johtaa kiinteän rasvan tuotantoon, jota käytetään glyseriinin, saippuan, steariinin, durum-lajikkeet margariini. Parannusta varten ulkomuoto ja mauttomuus siihen lisätään elintarviketuotetta, maitoa, eläinrasvoja, sokeria, vitamiineja.

Artikkelissamme tutkimme vedyn ominaisuuksia ja selvitimme sen roolia luonnossa ja ihmisen elämässä.

MÄÄRITELMÄ

Vety- ensimmäinen elementti D.I:n kemiallisten alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä. Mendelejev. Symboli on N.

Atomimassa - 1 a.m.u. Vetymolekyyli on kaksiatominen - H2.

Elektroninen konfigurointi vetyatomi - 1s 1. Vety kuuluu s-elementtien perheeseen. Sen yhdisteissä on hapetusasteet -1, 0, +1. Luonnollinen vety koostuu kahdesta stabiilista isotoopista - protium 1 H (99,98 %) ja deuterium 2 H (D) (0, 015 %) - ja tritiumin radioaktiivisesta isotoopista 3 H (T) (pieniä määriä, puoliintumisaika - 12,5 vuotta).

Vedyn kemialliset ominaisuudet

Normaaliolosuhteissa molekyylivedyllä on suhteellisen alhainen reaktiivisuus, mikä selittyy molekyylin suurella sidoslujuudella. Kuumennettaessa se on vuorovaikutuksessa melkein kaikkien yksinkertaisten aineiden kanssa, jotka muodostavat pääalaryhmien elementit (paitsi jalokaasut, B, Si, P, AI). Kemiallisissa reaktioissa se voi toimia sekä pelkistimenä (useammin) että hapettavana aineena (harvemmin).

Vety ilmenee pelkistimen ominaisuudet(H20-2e → 2H+) seuraavissa reaktioissa:

1. Vuorovaikutusreaktiot yksinkertaisten aineiden - ei-metallien kanssa. Vety reagoi halogeenien kanssa lisäksi vuorovaikutuksen reaktio fluorin kanssa normaaleissa olosuhteissa, pimeässä, räjähdyksessä, kloorin kanssa - valaistuksessa (tai UV-säteilyssä) ketjumekanismilla, bromin ja jodin kanssa vain kuumennettaessa; happi(hapen ja vedyn seosta tilavuussuhteessa 2:1 kutsutaan "räjähtäväksi kaasuksi"), harmaa, typpeä ja hiili:

H2 + Hal 2 \u003d 2HHal;

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

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

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

2H2 + C↔CH4 (t, p, kat).

2. Vuorovaikutusreaktiot monimutkaisten aineiden kanssa. Vety reagoi matala-aktiivisten metallien oksidien kanssa, ja se pystyy pelkistämään vain metalleja, jotka ovat aktiivisuussarjassa sinkin oikealla puolella:

CuO + H2 \u003d Cu + H20 (t);

Fe203 + 3H2 \u003d 2Fe + 3H20 (t);

WO3 + 3H2 \u003d W + 3H20 (t).

Vety reagoi ei-metallioksidien kanssa:

H2+CO2↔CO+H20 (t);

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

Vety tulee hydrausreaktioihin kanssa orgaaniset yhdisteet sykloalkaanien, alkeenien, areenien, aldehydien ja ketonien jne. luokka. Kaikki nämä reaktiot suoritetaan kuumentaen, paineen alaisena, katalyytteinä käytetään platinaa tai nikkeliä:

CH2 \u003d CH2 + H2 ↔ CH3-CH3;

C6H6 + 3H2↔ C6H12;

C3H6 + H2↔ C3H8;

CH3CHO + H2↔ CH3-CH2-OH;

CH3-CO-CH3 + H2↔ CH3-CH(OH)-CH3.

Vety hapettavana aineena(H 2 + 2e → 2H -) toimii reaktioissa alkali- ja maa-alkalimetallien kanssa. Tässä tapauksessa muodostuu hydridejä - kiteisiä ioniyhdisteitä, joissa vedyn hapetusaste on -1.

2Na + H2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H2 ↔ CaH2 (t, p).

Vedyn fysikaaliset ominaisuudet

Vety on vaalea väritön kaasu, hajuton, tiheys n.o. - 0,09 g / l, 14,5 kertaa ilmaa kevyempi, t paali = -252,8C, t pl = -259,2C. Vety liukenee huonosti veteen ja orgaanisiin liuottimiin, se liukenee hyvin joihinkin metalleihin: nikkeliin, palladiumiin, platinaan.

Nykyaikaisen kosmokemian mukaan vety on maailmankaikkeuden runsain alkuaine. Vedyn pääasiallinen olemassaolomuoto ulkoavaruus ovat yksittäisiä atomeja. Vety on yhdeksänneksi yleisin alkuaine maapallolla. Suurin osa vedystä maapallolla on sitoutuneessa tilassa - vedessä, öljyssä, maakaasussa, hiilessä jne. Yksinkertaisen aineen muodossa vetyä löytyy harvoin - vulkaanisten kaasujen koostumuksesta.

Vedyn saaminen

Vedyn tuottamiseen on laboratorio- ja teollisuusmenetelmiä. Laboratoriomenetelmiin kuuluvat metallien vuorovaikutus happojen kanssa (1) sekä alumiinin vuorovaikutus alkalien vesiliuosten kanssa (2). Teollisista vedyn tuotantomenetelmistä alkalien ja suolojen vesiliuosten elektrolyysillä (3) ja metaanin konversiolla (4) on tärkeä rooli:

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

2Al + 2NaOH + 6H20 = 2Na +3 H2 (2);

2NaCl + 2H20 = H2 + Cl2 + 2NaOH (3);

CH4 + H20 ↔ CO + H2 (4).

Esimerkkejä ongelmanratkaisusta

ESIMERKKI 1

Harjoittele	Kun 23,8 g metallista tinaa oli vuorovaikutuksessa ylimäärän suolahappoa, vapautui vetyä määrä, joka oli riittävä 12,8 g:n metallisen kuparin saamiseksi.. Määritä tinan hapetusaste saadusta yhdisteestä.
Päätös	Tinaatomin elektronisen rakenteen (...5s 2 5p 2) perusteella voidaan päätellä, että tinalle on tunnusomaista kaksi hapetustilaa - +2, +4. Tämän perusteella laadimme yhtälöt mahdollisista reaktioista: Sn + 2HCl = H2 + SnCl2 (1); Sn + 4HCl = 2H2 + SnCl4 (2); CuO + H2 \u003d Cu + H20 (3). Selvitä kupariaineen määrä: v (Cu) \u003d m (Cu) / M (Cu) = 12,8 / 64 \u003d 0,2 mol. Yhtälön 3 mukaan vetyaineen määrä: v (H 2) \u003d v (Cu) \u003d 0,2 mol. Kun tiedämme tinan massan, löydämme sen aineen määrän: v (Sn) \u003d m (Sn) / M (Sn) \u003d 23,8 / 119 \u003d 0,2 mol. Verrataan tina- ja vetyaineiden määriä yhtälöiden 1 ja 2 mukaan ja tehtävän ehdon mukaan: v1 (Sn): v1 (H2) = 1:1 (yhtälö 1); v2 (Sn): v2 (H2) = 1:2 (yhtälö 2); v(Sn): v(H2) = 0,2:0,2 = 1:1 (ongelmatila). Siksi tina reagoi kloorivetyhapon kanssa yhtälön 1 mukaisesti ja tinan hapetusaste on +2.
Vastaus	Tinan hapetusaste on +2.

ESIMERKKI 2

Harjoittele	Kaasu, joka vapautui vaikutuksesta 2,0 g sinkkiä per 18,7 ml 14,6 % kloorivetyhappoa (liuoksen tiheys 1,07 g/ml), johdettiin kuumentamalla yli 4,0 g kupari(II)oksidia. Mikä on syntyneen kiinteän seoksen massa?
Päätös	Kun sinkki vaikuttaa suolahappo vety vapautuu: Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H2 (1), joka kuumennettaessa pelkistää kupari(II)oksidin kupariksi (2): CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O. Etsi aineiden määrä ensimmäisessä reaktiossa: 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 = 0,08 mol; v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 mol. Sinkin puute, joten vapautuva vetymäärä on: v (H 2) \u003d v (Zn) \u003d 0,031 mol. Toisessa reaktiossa vety on puutteellinen, koska: v (CuO) \u003d 4,0 / 80 \u003d 0,05 mol. Reaktion seurauksena 0,031 mol CuO:ta muuttuu 0,031 moliksi Cu:ta ja massahäviö on: m (СuО) - m (Сu) \u003d 0,031 × 80 - 0,031 × 64 \u003d 0,50 g. CuO:n ja Cu:n kiinteän seoksen massa vedyn läpikulun jälkeen on: 4,0-0,5 = 3,5 g
Vastaus	CuO:n ja Cu:n kiinteän seoksen massa on 3,5 g.

Vety (kutsupaperi latinasta: latinasta. Hydrogenium - hydro = "vesi", gen = "tuottaa"; hydrogenium - "tuottaa vettä"; merkitty symbolilla H) - jaksollisen alkuainejärjestelmän ensimmäinen elementti. Luonnossa laajalti levinnyt. Vedyn yleisimmän isotoopin 1 H kationi (ja ydin) on protoni. 1H-ytimen ominaisuudet mahdollistavat NMR-spektroskopian laajan käytön orgaanisten aineiden analysoinnissa.

Kolmella vedyn isotoopilla on omat nimensä: 1 H - protium (H), 2 H - deuterium (D) ja 3 H - tritium (radioaktiivinen) (T).

Yksinkertainen aine vety - H 2 - on vaalea väritön kaasu. Seoksena ilman tai hapen kanssa se on palavaa ja räjähtävää. Myrkytön. Liuotetaan etanoliin ja useisiin metalleihin: rautaan, nikkeliin, palladiumiin, platinaan.

Tarina

Palavan kaasun vapautumista happojen ja metallien vuorovaikutuksessa havaittiin 16. ja XVII vuosisata kemian tieteenä muodostumisen kynnyksellä. Mihail Vasilyevich Lomonosov viittasi myös suoraan sen eristyneisyyteen, mutta ymmärsi jo selvästi, että tämä ei ollut flogiston. Englantilainen fyysikko ja kemisti Henry Cavendish tutki tätä kaasua vuonna 1766 ja kutsui sitä "palavaksi ilmaksi". Poltettaessa "palava ilma" tuotti vettä, mutta Cavendishin sitoutuminen flogistonin teoriaan esti häntä tekemästä oikeita johtopäätöksiä. Ranskalainen kemisti Antoine Lavoisier suoritti vuonna 1783 yhdessä insinööri J. Meunierin kanssa erityisillä kaasumittareilla veden synteesin ja sen jälkeen sen analyysin hajottaen vesihöyryä punakuumalla raudalla. Siten hän totesi, että "palava ilma" on osa vettä ja voidaan saada siitä.

nimen alkuperä

Lavoisier antoi vedylle nimen hydrogène (toisesta kreikasta ὕδωρ - vesi ja γεννάω - minä synnytän) - "synnyttää vettä". Venäläistä nimeä "vety" ehdotti kemisti M. F. Solovjov vuonna 1824 - analogisesti M. V. Lomonosovin "hapen" kanssa.

Yleisyys

Universumissa
Vety on maailmankaikkeuden runsain alkuaine. Sen osuus kaikista atomeista on noin 92 % (8 % on heliumatomeja, kaikkien muiden alkuaineiden osuus yhteensä on alle 0,1 %). Siten vety on tärkein komponentti tähdet ja tähtienvälinen kaasu. Tähtien lämpötiloissa (esim. Auringon pintalämpötila on ~ 6000 °C) vetyä on plasman muodossa; tähtienvälisessä avaruudessa tämä alkuaine esiintyy yksittäisten molekyylien, atomien ja ionien muodossa ja voi muodostavat molekyylipilviä, joiden koko, tiheys ja lämpötila vaihtelevat merkittävästi.

Maankuori ja elävät organismit
Vedyn massaosuus maankuoressa on 1 % - tämä on kymmenenneksi yleisin alkuaine. Sen roolia luonnossa ei kuitenkaan määrää massa, vaan atomien lukumäärä, jonka osuus muista alkuaineista on 17 % (toinen sija hapen jälkeen, jonka atomien osuus on ~ 52 %). Siksi vedyn merkitys maan päällä tapahtuvissa kemiallisissa prosesseissa on lähes yhtä suuri kuin hapen merkitys. Toisin kuin happi, jota on maapallolla sekä sitoutuneessa että vapaassa tilassa, lähes kaikki maan päällä oleva vety on yhdisteiden muodossa; vain hyvin pieni määrä vetyä yksinkertaisen aineen muodossa löytyy ilmakehästä (0,00005 tilavuusprosenttia).
Vety on lähes kaikkien orgaanisten aineiden ainesosa ja sitä on kaikissa elävissä soluissa. Elävissä soluissa atomien lukumäärän mukaan vedyn osuus on lähes 50%.

Kuitti

Teolliset hankintamenetelmät yksinkertaiset aineet riippuu siitä, missä muodossa vastaava alkuaine on luonnossa, eli mikä voi olla sen valmistuksen raaka-aine. Joten saadaan happea, joka on saatavilla vapaassa tilassa fyysisellä tavalla- vapautuminen nestemäisestä ilmasta. Lähes kaikki vety on yhdisteiden muodossa, joten sen saamiseksi käytetään kemiallisia menetelmiä. Erityisesti voidaan käyttää hajoamisreaktioita. Yksi tapa tuottaa vetyä on reaktio veden hajoamisessa sähkövirran vaikutuksesta.
Pääasiallinen teollinen menetelmä vedyn tuottamiseksi on metaanin reaktio veden kanssa, joka on osa maakaasua. Se suoritetaan korkeassa lämpötilassa:
CH 4 + 2H 2 O \u003d CO 2 + 4H 2 −165 kJ

Yksi laboratoriomenetelmistä vedyn tuottamiseksi, jota joskus käytetään teollisuudessa, on veden hajottaminen sähkövirralla. Vetyä tuotetaan yleensä laboratoriossa saattamalla sinkki reagoimaan suolahapon kanssa.