Ūdeņradis dabā (Zemes garozā 0,9%). Ūdeņraža fizikālās un ķīmiskās īpašības

Ūdeņradis ir īpašs elements, kas Mendeļejeva periodiskajā sistēmā vienlaikus aizņem divas šūnas. Tas atrodas divās elementu grupās ar pretējām īpašībām, un šī iezīme padara to unikālu. Ūdeņradis ir vienkārša viela un neatņemama sastāvdaļa daudzi sarežģīti savienojumi, tas ir organogēns un biogēns elements. Ir vērts detalizēti iepazīties ar tā galvenajām iezīmēm un īpašībām.

Ūdeņradis Mendeļejeva periodiskajā sistēmā

Galvenās ūdeņraža īpašības norādītas:

• elementa kārtas numurs ir 1 (ir vienāds protonu un elektronu skaits);
• atomu masa ir 1,00795;
• ūdeņradim ir trīs izotopi, no kuriem katram ir īpašas īpašības;
• pateicoties tikai viena elektrona saturam, ūdeņradim var būt reducējošas un oksidējošas īpašības, un pēc elektrona ziedošanas ūdeņradim ir brīva orbitāle, kas piedalās sastāvā ķīmiskās saites saskaņā ar donora-akceptora mehānismu;
• ūdeņradis ir viegls elements ar zemu blīvumu;
• ūdeņradis ir spēcīgs reducētājs, tas atver grupu sārmu metāli galvenās apakšgrupas pirmajā grupā;
• ūdeņradim reaģējot ar metāliem un citiem spēcīgiem reducētājiem, tas pieņem to elektronus un kļūst par oksidētāju. Šādus savienojumus sauc par hidrīdiem. Saskaņā ar norādīto pazīmi ūdeņradis nosacīti pieder pie halogēnu grupas (tabulā tas ir norādīts virs fluora iekavās), ar kuru tam ir līdzības.

Ūdeņradis kā vienkārša viela

Ūdeņradis ir gāze, kuras molekula sastāv no divām. Šo vielu 1766. gadā atklāja britu zinātnieks Henrijs Kavendišs. Viņš pierādīja, ka ūdeņradis ir gāze, kas eksplodē, mijiedarbojoties ar skābekli. Pēc ūdeņraža izpētes ķīmiķi atklāja, ka šī viela ir vieglākā no visām cilvēkam zināmajām.

Cits zinātnieks Lavuazjē deva elementam nosaukumu "hidrogēnijs", kas latīņu valodā nozīmē "ūdens dzemdēšana". 1781. gadā Henrijs Kavendišs pierādīja, ka ūdens ir skābekļa un ūdeņraža savienojums. Citiem vārdiem sakot, ūdens ir ūdeņraža reakcijas produkts ar skābekli. Ūdeņraža degošās īpašības zināja pat senie zinātnieki: atbilstošos ierakstus atstāja Paracelzs, kurš dzīvoja 16. gadsimtā.

Molekulārais ūdeņradis ir dabā sastopams gāzveida savienojums, kas sastāv no diviem atomiem un, kad tiek izcelta degoša šķemba. Ūdeņraža molekula var sadalīties atomos, kas pārvēršas hēlija kodolos, jo tie spēj piedalīties kodolreakcijas. Šādi procesi regulāri notiek kosmosā un uz Saules.

Ūdeņradis un tā fizikālās īpašības

Ūdeņradim ir šādi fizikālie parametri:

• vārās -252,76 °C;
• kūst -259,14 °C; *norādītajās temperatūras robežās ūdeņradis ir šķidrums bez smaržas, bezkrāsains;
• ūdeņradis nedaudz šķīst ūdenī;
• ūdeņradis teorētiski var nonākt metāliskā stāvoklī, ja tāds tiek nodrošināts īpaši nosacījumi (zemas temperatūras un augsts spiediens)
• tīrs ūdeņradis ir sprādzienbīstama un degoša viela;
• ūdeņradis spēj izkliedēties cauri metālu biezumam, tāpēc tajos labi šķīst;
• ūdeņradis ir 14,5 reizes vieglāks par gaisu;
• plkst augstspiediena var iegūt sniegam līdzīgus cietā ūdeņraža kristālus.

Ūdeņraža ķīmiskās īpašības

Laboratorijas metodes:

• atšķaidīto skābju mijiedarbība ar aktīvie metāli un vidējas aktivitātes metāli;
• metālu hidrīdu hidrolīze;
• sārmu un sārmzemju metālu reakcija ar ūdeni.

Ūdeņraža savienojumi:

Ūdeņraža halogenīdi; nemetālu gaistoši ūdeņraža savienojumi; hidrīdi; hidroksīdi; ūdeņraža hidroksīds (ūdens); ūdeņraža peroksīds; organiskie savienojumi (olbaltumvielas, tauki, ogļhidrāti, vitamīni, lipīdi, ēteriskās eļļas, hormoni). Noklikšķiniet, lai skatītu drošus eksperimentus par olbaltumvielu, tauku un ogļhidrātu īpašību izpēti.

Lai savāktu iegūto ūdeņradi, jums ir jātur mēģene apgriezta otrādi. Ūdeņradi nevar savākt kā oglekļa dioksīdu, jo tas ir daudz vieglāks par gaisu. Ūdeņradis ātri iztvaiko, un, sajaucoties ar gaisu (vai lielā uzkrājumā), tas eksplodē. Tāpēc ir nepieciešams apgriezt cauruli. Tūlīt pēc iepildīšanas caurule tiek aizvērta ar gumijas aizbāzni.

Lai pārbaudītu ūdeņraža tīrību, mēģenes kaklā jāievieto aizdegts sērkociņš. Ja notiek nedzirdīgs un kluss sprādziens, gāze ir tīra un gaisa piemaisījumi ir minimāli. Ja pops ir skaļš un svilpo, gāze mēģenē ir netīra, tajā ir liela daļa svešķermeņu.

Uzmanību! Nemēģiniet pats atkārtot šos eksperimentus!

Ūdeņraža atomam, salīdzinot ar citu elementu atomiem, ir visvienkāršākā struktūra: tas sastāv no viena protona.

ģenerējot atoma kodols, un viens elektrons, kas atrodas ls orbitālē. Ūdeņraža atoma unikalitāte slēpjas faktā, ka tā vienīgais valences elektrons atrodas tieši atoma kodola darbības laukā, jo to neaizsargā citi elektroni. Tas nodrošina tai specifiskas īpašības. Viņš var iekšā ķīmiskās reakcijas ziedojiet elektronu, veidojot H + katjonu (piemēram, sārmu metālu atomus), vai pievienojiet elektronu no partnera, lai izveidotu H-anjonu (piemēram, halogēna atomus). Tāpēc ūdeņradis periodiskajā sistēmā biežāk tiek ievietots IA grupā, dažkārt VIIA grupā, bet ir tabulu varianti, kur ūdeņradis nepieder nevienai no periodiskās tabulas grupām.

Ūdeņraža molekula ir diatomiska - H2. Ūdeņradis ir vieglākā no visām gāzēm. H2 molekulas nepolaritātes un lielās stiprības dēļ (E St\u003d 436 kJ / mol) normālos apstākļos ūdeņradis aktīvi mijiedarbojas tikai ar fluoru un, apgaismojot, arī ar hloru un bromu. Sildot, tas reaģē ar daudziem nemetāliem, hloru, bromu, skābekli, sēru, parādot reducējošās īpašības, un mijiedarbojoties ar sārmu un sārmzemju metāliem, tas ir oksidētājs un veido šo metālu hidrīdus:

No visiem organogēniem ūdeņradim ir viszemākā relatīvā elektronegativitāte (0E0 = 2,1), tāpēc dabiskos savienojumos ūdeņradis vienmēr uzrāda oksidācijas pakāpi +1. No ķīmiskās termodinamikas viedokļa ūdeņradis dzīvās sistēmās, kas satur ūdeni, nevar veidot ne molekulāro ūdeņradi (Н 2), ne hidrīdjonu (Н~). Molekulārais ūdeņradis plkst normāli apstākļi tas ir ķīmiski neaktīvs un tajā pašā laikā ļoti gaistošs, tāpēc organisms to nevar noturēt un piedalīties vielmaiņā. Hidrīda jons ir ķīmiski ārkārtīgi aktīvs un nekavējoties mijiedarbojas pat ar ļoti mazu ūdens daudzumu, veidojot molekulāro ūdeņradi. Tāpēc ūdeņradis organismā ir vai nu savienojumu veidā ar citiem organogēniem, vai arī H + katjona formā.

Ūdeņradis ar organogēniem elementiem veido tikai kovalentās saites. Atbilstoši polaritātes pakāpei šīs saites tiek sakārtotas šādā secībā:

Šī sērija ir ļoti svarīga ķīmijai dabiskie savienojumi, jo šo saišu polaritāte un to polarizējamība iepriekš nosaka savienojumu skābās īpašības, t.i., disociāciju ar protona veidošanos.

skābes īpašības. Atkarībā no veidojošā elementa rakstura X-N savienojums, ir 4 veidu skābes:

OH-skābes (karbonskābes, fenoli, spirti);

SH-skābes (tioli);

NH-skābes (amīdi, imīdi, amīni);

CH-skābes (ogļūdeņraži un to atvasinājumi).

Ņemot vērā augsto polarizējamību S-H savienojumi var izgatavot nākamā rinda skābes atbilstoši spējai atdalīties:

Ūdeņraža katjonu koncentrācija ūdens vidē nosaka tās skābumu, ko izsaka, izmantojot pH vērtību pH = -lg (7.5. sadaļa). Vairumā ķermeņa fizioloģisko vidi reakcija ir tuvu neitrālai (pH = 5,0-7,5), tikai kuņģa sulā pH = 1,0-2,0. Tas nodrošina, no vienas puses, pretmikrobu efektu, nogalinot daudzus mikroorganismus, kas ar pārtiku nonāk kuņģī; no otras puses, skāba vide ir katalītiska iedarbība olbaltumvielu, polisaharīdu un citu biosubstrātu hidrolīzē, veicinot nepieciešamo metabolītu veidošanos.

redox īpašības. Lielā pozitīvā lādiņa blīvuma dēļ ūdeņraža katjons ir diezgan spēcīgs oksidētājs (f° = 0 V), kas mijiedarbojoties ar skābēm un ūdeni oksidē aktīvos un vidējas aktivitātes metālus:

Dzīvās sistēmās nav tik spēcīgu reducētāju, un ūdeņraža katjonu oksidēšanas spēja neitrālā vidē (pH = 7) ir ievērojami samazināta (f° = -0,42 V). Tāpēc organismā ūdeņraža katjonam nav oksidējošas īpašības, bet tas aktīvi piedalās redoksreakcijās, veicinot izejvielu pārvēršanos reakcijas produktos:

Visos sniegtajos piemēros ūdeņraža atomi nemainīja savu oksidācijas pakāpi +1.

Reducējošās īpašības ir raksturīgas molekulārajam un īpaši atomam ūdeņradim, t.i., ūdeņradim izdalīšanās brīdī tieši reakcijas vidē, kā arī hidrīdjonam:

Tomēr dzīvās sistēmās šādu reducētāju (H2 vai H-) nav, un tāpēc šādas reakcijas nenotiek. Literatūrā, tostarp mācību grāmatās, atrodamais viedoklis, ka ūdeņradis ir organisko savienojumu reducējošu īpašību nesējs, neatbilst realitātei; Tādējādi dzīvās sistēmās kā biosubstrātu reducētājs darbojas dehidrogenāzes koenzīma reducētā forma, kurā oglekļa atomi, nevis ūdeņraža atomi ir biosubstrātu donori (9.3.3. sadaļa).

kompleksās īpašības. Sakarā ar brīvas atomu orbitāles klātbūtni ūdeņraža katjonā un paša H + katjona augsto polarizācijas efektu, tas ir aktīvs kompleksu veidojošs jons. Tātad ūdens vidē ūdeņraža katjons veido hidronija jonu H3O +, bet amonjaka klātbūtnē - amonija jonu NH4:

Tendence veidot līdzstrādniekus.Ļoti polāri ūdeņraža atomi O-H savienojumi un N--H veido ūdeņraža saites (3.1. sadaļa). Ūdeņraža saites stiprums (no 10 līdz 100 kJ/mol) ir atkarīgs no lokalizēto lādiņu lieluma un ūdeņraža saites garuma, t.i., no attāluma starp tās veidošanā iesaistīto elektronegatīvo elementu atomiem. Attiecībā uz aminoskābēm, ogļhidrātiem, olbaltumvielām, nukleīnskābes ir raksturīgi šādi ūdeņraža saišu garumi, pm:

Pateicoties ūdeņraža saitēm, starp substrātu un fermentu, starp atsevišķām grupām dabiskos polimēros rodas atgriezeniska mijiedarbība starp molekulām, kas nosaka to sekundāro, terciāro un kvartāro struktūru (21.4., 23.4. sadaļa). Ūdeņraža saitei ir vadošā loma ūdens kā šķīdinātāja un reaģenta īpašībās.

Ūdens un tā īpašības.Ūdens ir vissvarīgākais ūdeņraža savienojums. Visas ķīmiskās reakcijas organismā notiek tikai ūdens vidē, dzīve bez ūdens nav iespējama. Ūdens kā šķīdinātājs tika aplūkots sadaļā. 6.1.

Skābju-bāzes īpašības. Ūdens kā reaģents no skābju-bāzes īpašību viedokļa ir īsts amfolits (8.1. sadaļa). Tas izpaužas gan sāļu hidrolīzē (8.3.1. sadaļa), gan skābju un bāzu disociācijā ūdens vidē (8.3.2. sadaļa).

Kvantitatīvā īpašība skābums ūdens vide ir pH vērtība pH.

Ūdens kā skābju-bāzes reaģents ir iesaistīts biosubstrātu hidrolīzes reakcijās. Piemēram, adenozīna trifosfāta hidrolīze kalpo kā organismam uzkrātās enerģijas avots, nevajadzīgo proteīnu fermentatīvā hidrolīze kalpo aminoskābju iegūšanai, kas ir izejmateriāls nepieciešamo proteīnu sintēzei. Tajā pašā laikā H+ katjoni jeb OH– anjoni ir skābju bāzes katalizatori biosubstrātu hidrolīzes reakcijām (21.4., 23.4. sadaļa).

redox īpašības. Ūdens molekulā gan ūdeņradis, gan skābeklis atrodas stabilā oksidācijas stāvoklī. Tāpēc ūdenim nav izteiktu redoksu īpašību. Redoksreakcijas ir iespējamas, ja ūdens mijiedarbojas tikai ar ļoti aktīviem reducētājiem vai ļoti aktīviem oksidētājiem, vai arī reaģentu spēcīgas aktivācijas apstākļos.

Ūdens var būt oksidētājs ūdeņraža katjonu dēļ, mijiedarbojoties ar spēcīgiem reducētājiem, piemēram, sārmu un sārmzemju metāliem vai to hidrīdiem:

Plkst augsta temperatūra iespējama ūdens mijiedarbība ar mazāk aktīviem reducētājiem:

Dzīvās sistēmās to ūdens sastāvdaļa nekad nedarbojas kā oksidētājs, jo tas novestu pie šo sistēmu iznīcināšanas, veidojoties un neatgriezeniski izvadot no organismiem molekulāro ūdeņradi.

Ūdens var darboties kā reducētājs skābekļa atomu dēļ, piemēram, mijiedarbojoties ar tik spēcīgu oksidētāju kā fluors:

Gaismas ietekmē un ar hlorofila līdzdalību augos notiek fotosintēzes process, no ūdens veidojoties O2 (9.3.6. sadaļa):

Papildus tiešai līdzdalībai redokspārveidojumos ūdens un tā disociācijas produkti H + un OH- piedalās kā vide, kas veicina daudzu redoksreakciju rašanos, pateicoties tā augstajai polaritātei (= 79) un jonu, kas veidojas to sākotnējo vielu pārveidojumos par galīgajām (9.1. sadaļa).

kompleksās īpašības. Sakarā ar to, ka skābekļa atomā atrodas divi nedalīti elektronu pāri, ūdens molekula ir diezgan aktīvs monodentāts ligands, kas veido kompleksu oksonija jonu H 3 0 + ar ūdeņraža katjonu un diezgan stabilus ūdens kompleksus ar metālu katjoniem ūdens šķīdumos. , piemēram, [Ca(H20)6]2+, [Fe(H20)6]3+, 2+. Šajos kompleksajos jonos mezglu molekulas ir diezgan stingri kovalenti saistītas ar kompleksu veidojošajiem aģentiem. Sārmu metālu katjoni neveido ūdens kompleksus, bet veido hidratētus katjonus elektrostatisko spēku ietekmē. Laiks nokārtota dzīveūdens molekulas šo katjonu hidratācijas apvalkos nepārsniedz 0,1 s, un to sastāvs ūdens molekulu skaita izteiksmē var viegli mainīties.

Tendence veidot līdzstrādniekus. Pateicoties augstajai polaritātei, kas veicina elektrostatisko mijiedarbību un ūdeņraža saišu veidošanos, ūdens molekulas pat tīrā ūdenī (6.1. sadaļa) veido starpmolekulārus asociētos savienojumus, kas atšķiras pēc struktūras, molekulu skaita un to nostādināšanas laika asociētajos elementos. , kā arī pašu līdzstrādnieku dzīves ilgums. Pa šo ceļu, tīrs ūdens ir atvērts komplekss dinamiska sistēma. Ārējo faktoru ietekmē: radioaktīvais, ultravioletais un lāzera starojums, elastīgie viļņi, temperatūra, spiediens, elektriskie, magnētiskie un elektromagnētiskie lauki no mākslīgiem un dabīgiem avotiem (kosmoss, Saule, Zeme, dzīvi objekti) - ūdens maina savas strukturālās un informatīvās īpašības , un līdz ar to mainās tā bioloģiskās un fizioloģiskās funkcijas.

Papildus pašsavienojumam ūdens molekulas hidratē jonus, polārās molekulas un makromolekulas, veidojot ap tām hidratācijas apvalkus, tādējādi stabilizējot tās šķīdumā un veicinot to šķīšanu (6.1. sadaļa). Vielas, kuru molekulas ir nepolāras un salīdzinoši maza izmēra, var tikai nedaudz izšķīst ūdenī, aizpildot tās asociēto vielu tukšumus ar noteiktu struktūru. Šajā gadījumā hidrofobās mijiedarbības rezultātā nepolāras molekulas strukturē tās apņemošo hidratācijas apvalku, pārvēršot to par strukturētu asociētu, parasti ar ledus līdzīgu struktūru, kurā atrodas šī nepolārā molekula.

Dzīvos organismos var izšķirt divas ūdens kategorijas - "saistīts" un "brīvs", pēdējais, acīmredzot, atrodas tikai starpšūnu šķidrumā (6.1. sadaļa). saistīts ūdens, savukārt, tiek iedalīts "strukturētajā" (stipri saistītā) un "destrukturētā" (vāji saistītā vai irdenā) ūdenī. Iespējams, visi iepriekš minētie ārējie faktori ietekmē ūdens stāvokli organismā, mainot attiecības: "strukturētais" / "destrukturētais" un "saistītais" / "brīvais" ūdens, kā arī tā strukturālie un dinamiskie parametri. Tas izpaužas ķermeņa fizioloģiskā stāvokļa izmaiņās. Iespējams, ka intracelulārais ūdens nepārtraukti tiek regulēts, galvenokārt ar olbaltumvielām, pulsējošas pārejas no "strukturēta" uz "destrukturētu" stāvokli. Šīs pārejas ir savstarpēji saistītas ar izlietoto metabolītu (sārņu) izvadīšanu no šūnas un nepieciešamo vielu uzsūkšanos. NO mūsdienu punkts Redzes gadījumā ūdens ir iesaistīts vienotas intracelulāras struktūras veidošanā, pateicoties kurām tiek panākta dzīvības procesu sakārtotība. Tāpēc saskaņā ar A. Szent-Gyorgyi tēlaino izteicienu ūdens ķermenī ir "dzīvības matrica".

Ūdens dabā. Ūdens ir vissvarīgākā un visizplatītākā viela uz Zemes. Virsma globuss 75% pārklāts ar ūdeni. Pasaules okeāna tilpums ir 1,4 miljardi km 3 . Tikpat daudz ūdens ir atrodams minerālos kristalizācijas ūdens veidā. Atmosfērā ir 13 tūkstoši km 3 ūdens. Tajā pašā laikā dzeramā un sadzīves vajadzībām piemērota saldūdens rezerves ir diezgan ierobežotas (visu saldūdens rezervuāru tilpums ir 200 tūkstoši km 3). Svaigs ūdens, ko izmanto ikdienā, satur dažādus piemaisījumus no 0,05 līdz 1 g/l, visbiežāk tie ir sāļi: bikarbonāti, hlorīdi, sulfāti, tai skaitā šķīstošie kalcija un magnija sāļi, kuru klātbūtne padara ūdeni cietu (14.3. sadaļa). Šobrīd drošība ūdens resursi un tīrīšana Notekūdeņi ir aktuālākie vides jautājumi.

Parastā ūdenī ir aptuveni 0,02% smagā ūdens D2O (D - deitērijs). Tas uzkrājas parastā ūdens iztvaikošanas vai elektrolīzes laikā. Smags ūdens ir toksisks. Smago ūdeni izmanto, lai pētītu ūdens kustību dzīvos organismos. Ar tās palīdzību tika konstatēts, ka ūdens kustības ātrums dažu augu audos sasniedz 14 m/h, un cilvēka izdzertais ūdens 2 stundu laikā pilnībā sadalās pa viņa orgāniem un audiem un pilnībā izvadās no organisma. tikai pēc divām nedēļām. Dzīvie organismi satur no 50 līdz 93% ūdens, kas ir neaizstājams visu dzīvības procesu dalībnieks. Dzīve nav iespējama bez ūdens. Ar 70 gadu dzīves ilgumu cilvēks kopā ar pārtiku un dzērieniem patērē apmēram 70 tonnas ūdens.

Zinātniskajā un medicīnas prakse plaši lietots destilēts ūdens- bezkrāsains caurspīdīgs šķidrums, bez smaržas un garšas, pH = 5,2-6,8. Šis ir farmakopejas preparāts daudzu zāļu formu pagatavošanai.

Ūdens injekcijām(pirogēns ūdens) - arī farmakopejas preparāts. Šis ūdens nesatur pirogēnas vielas. Pirogēni – baktēriju izcelsmes vielas – baktēriju metabolīti vai atkritumprodukti, kas, nonākot organismā, izraisa drebuļus, drudzi, galvassāpes un sirds un asinsvadu darbības traucējumus. Apirogēno ūdeni sagatavo divkāršā mezgla destilācijā (bidestilāts) aseptiskos apstākļos un izlieto 24 stundu laikā.

Noslēdzot sadaļu, jāuzsver ūdeņraža kā biogēna elementa iezīmes. Dzīvās sistēmās ūdeņradim vienmēr ir oksidācijas stāvoklis +1, un tas notiek vai nu kā polāra kovalenta saite ar citiem biogēniem elementiem, vai kā H + katjons. Ūdeņraža katjons ir skābju īpašību nesējs un aktīvs kompleksveidotājs, kas mijiedarbojas ar citu organogēnu atomu brīvajiem elektronu pāriem. No redoksīpašību viedokļa saistītajam ūdeņradim ķermeņa apstākļos nav ne oksidētāja, ne reducētāja īpašības, tomēr ūdeņraža katjons aktīvi piedalās daudzās redoksreakcijās, nemainot savu oksidācijas pakāpi, bet veicinot. biosubstrātu pārvēršanai reakcijas produktos. Ūdeņradis, kas saistīts ar elektronnegatīviem elementiem, veido ūdeņraža saites.

Visbagātākais elements Visumā ir ūdeņradis. Attiecībā uz zvaigznēm tai ir kodolu - protonu - forma, un tā ir kodoltermisko procesu materiāls. Gandrīz pusi no Saules masas veido arī H 2 molekulas. Tās saturs zemes garozā sasniedz 0,15%, un naftas sastāvā ir atomi, dabasgāze, ūdens. Kopā ar skābekli, slāpekli un oglekli tas ir organogēns elements, kas ir daļa no visiem dzīvajiem organismiem uz Zemes. Mūsu rakstā mēs pētīsim fizisko un Ķīmiskās īpašībasūdeņradi, mēs definējam galvenās tā pielietojuma jomas rūpniecībā un nozīmi dabā.

Pozīcija Mendeļejeva ķīmisko elementu periodiskajā sistēmā

Pirmais elements, kas atver periodisko tabulu, ir ūdeņradis. Tā atomu masa ir 1,0079. Tam ir divi stabili (protijs un deitērijs) un viens radioaktīvais izotops (tritijs). Fizikālās īpašības nosaka nemetāla vieta tabulā ķīmiskie elementi. Normālos apstākļos ūdeņradis (tā formula ir H 2) ir gāze, kas ir gandrīz 15 reizes vieglāka par gaisu. Elementa atoma struktūra ir unikāla: tas sastāv tikai no kodola un viena elektrona. Vielas molekula ir diatomiska, tajā esošās daļiņas ir savienotas, izmantojot kovalento nepolāro saiti. Tā enerģijas intensitāte ir diezgan augsta - 431 kJ. Tas izskaidro savienojuma zemo ķīmisko aktivitāti normālos apstākļos. Ūdeņraža elektroniskā formula ir: H:H.

Vielai ir visa rindaīpašības, kurām nav analogu starp citiem nemetāliem. Apskatīsim dažus no tiem.

Šķīdība un siltumvadītspēja

Metāli vislabāk vada siltumu, bet ūdeņradis tiem tuvojas siltumvadītspējas ziņā. Parādības izskaidrojums slēpjas pašā liels ātrums Vielas gaismas molekulu termiskā kustība, tāpēc ūdeņraža atmosfērā sakarsēts objekts atdziest 6 reizes ātrāk nekā gaisā. Savienojums var labi šķīst metālos, piemēram, gandrīz 900 tilpumu ūdeņraža var absorbēt viens tilpums pallādija. Metāli var nonākt ķīmiskās reakcijās ar H 2, kurās izpaužas ūdeņraža oksidējošās īpašības. Šajā gadījumā veidojas hidrīdi:

2Na + H2 \u003d 2 NaH.

Šajā reakcijā elementa atomi pieņem elektronus no metāla daļiņām, pārvēršoties anjonos ar vienību negatīvu lādiņu. Vienkārša viela H 2 šajā gadījumā ir oksidētājs, kas parasti tai nav raksturīgs.

Ūdeņradis kā reducētājs

Metālus un ūdeņradi vieno ne tikai augstā siltumvadītspēja, bet arī to atomu spēja ķīmiskie procesi ziedo paši savus elektronus, tas ir, oksidējas. Piemēram, bāzes oksīdi reaģē ar ūdeņradi. Redoksreakcija beidzas ar tīra metāla izdalīšanos un ūdens molekulu veidošanos:

CuO + H2 \u003d Cu + H2O.

Vielas mijiedarbība ar skābekli karsēšanas laikā izraisa arī ūdens molekulu veidošanos. Process ir eksotermisks, un to pavada atbrīvošanās liels skaits siltumenerģija. Ja H 2 un O 2 gāzu maisījums reaģē proporcijā 2: 1, tad to sauc, jo aizdedzinot tas eksplodē:

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

Ūdens ir un spēlē nozīmīgu lomu Zemes hidrosfēras, klimata un laikapstākļu veidošanā. Tas nodrošina elementu apriti dabā, atbalsta visus organismu – mūsu planētas iemītnieku – dzīvības procesus.

Mijiedarbība ar nemetāliem

Svarīgākās ūdeņraža ķīmiskās īpašības ir tā reakcija ar nemetāliskiem elementiem. Plkst normāli apstākļi ir ķīmiski pietiekami inerti, tāpēc viela var reaģēt tikai ar halogēniem, piemēram, ar fluoru vai hloru, kas ir visaktīvākie starp visiem nemetāliem. Tātad, fluora un ūdeņraža maisījums eksplodē tumsā vai aukstumā, un ar hloru - sildot vai gaismā. Reakcijas produkti būs ūdeņraža halogenīdi, kuru ūdens šķīdumi ir pazīstami kā fluorīda un hlorīda skābes. C mijiedarbojas 450-500 grādu temperatūrā, 30-100 MPa spiedienā un katalizatora klātbūtnē:

N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH₃.

Aplūkotās ūdeņraža ķīmiskās īpašības piemīt liela nozīme rūpniecībai. Piemēram, jūs varat iegūt vērtīgu ķīmisko produktu - amonjaku. Tā ir galvenā izejviela nitrātskābes un slāpekļa mēslošanas līdzekļu ražošanai: urīnviela, amonija nitrāts.

organiskās vielas

Starp oglekli un ūdeņradi tiek iegūts vienkāršākais ogļūdeņradis - metāns:

C+2H2=CH4.

Viela ir vissvarīgākā dabiskās vielas sastāvdaļa un tiek izmantota kā vērtīgs degvielas veids un izejviela organiskās sintēzes rūpniecībā.

Oglekļa savienojumu ķīmijā elements ir iekļauts ļoti daudzās vielās: alkānos, alkēnos, ogļhidrātos, spirtos utt. Ir zināmas daudzas organisko savienojumu reakcijas ar H 2 molekulām. Viņi valkā parastais nosaukums hidrogenēšana vai hidrogenēšana. Tātad aldehīdus ar ūdeņradi var reducēt līdz spirtiem, nepiesātinātos ogļūdeņražus - par alkāniem. Piemēram, etilēns tiek pārveidots par etānu:

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

Svarīgs praktiskā vērtība piemīt tādas ūdeņraža ķīmiskās īpašības kā, piemēram, šķidru eļļu hidrogenēšana: saulespuķu, kukurūzas, rapšu sēklas. Tas noved pie cieto tauku - speķa - ražošanas, ko izmanto glicerīna, ziepju, stearīna, durum šķirnes margarīns. Uzlabošanai izskats un garšas īpašības tam pievieno pārtikas produktu, pienu, dzīvnieku taukus, cukuru, vitamīnus.

Mūsu rakstā mēs pētījām ūdeņraža īpašības un noskaidrojām tā lomu dabā un cilvēka dzīvē.

DEFINĪCIJA

Ūdeņradis- D.I. ķīmisko elementu periodiskās sistēmas pirmais elements. Mendeļejevs. Simbols ir N.

Atommasa - 1 am.u. Ūdeņraža molekula ir diatomiska - H2.

Elektroniskā konfigurācijaūdeņraža atoms - 1s 1. Ūdeņradis pieder s-elementu saimei. Savos savienojumos tas uzrāda oksidācijas pakāpi -1, 0, +1. Dabiskais ūdeņradis sastāv no diviem stabiliem izotopiem - protium 1H (99,98%) un deitērija 2H (D) (0,015%) - un tritija radioaktīvā izotopa 3H (T) (nelielos daudzumos, pussabrukšanas periods - 12,5 gadi).

Ūdeņraža ķīmiskās īpašības

Normālos apstākļos molekulārajam ūdeņradim ir salīdzinoši zema reaktivitāte, kas izskaidrojams ar molekulas lielo saites stiprību. Sildot, tas mijiedarbojas ar gandrīz visām vienkāršajām vielām, ko veido galveno apakšgrupu elementi (izņemot cēlgāzes, B, Si, P, Al). Ķīmiskās reakcijās tas var darboties gan kā reducētājs (biežāk), gan kā oksidētājs (retāk).

Ūdeņradis izpaužas reducējošā līdzekļa īpašības(H20-2e → 2H+) šādās reakcijās:

1. Mijiedarbības reakcijas ar vienkāršām vielām - nemetāliem. Ūdeņradis reaģē ar halogēniem, turklāt mijiedarbības reakcija ar fluoru normālos apstākļos, tumsā, ar sprādzienu, ar hloru - apgaismojumā (vai UV starojumā) ar ķēdes mehānismu, ar bromu un jodu tikai sildot; skābeklis(skābekļa un ūdeņraža maisījumu tilpuma attiecībā 2:1 sauc par "sprādzienbīstamu gāzi"), pelēks, slāpeklis un ogleklis:

H2 + Hal 2 \u003d 2HHal;

2H2 + O2 \u003d 2H2O + Q (t);

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

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 500 C, p, kat = Fe, Pt);

2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat).

2. Mijiedarbības reakcijas ar sarežģītām vielām. Ūdeņradis reaģē ar zemu aktīvo metālu oksīdiem, un tas spēj samazināt tikai metālus, kas atrodas aktivitāšu sērijā pa labi no cinka:

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

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

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

Ūdeņradis reaģē ar nemetālu oksīdiem:

H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O (t);

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

Ūdeņradis nonāk hidrogenēšanas reakcijās ar organiskie savienojumi cikloalkānu, alkēnu, arēnu, aldehīdu un ketonu uc klase. Visas šīs reakcijas tiek veiktas karsējot, zem spiediena, kā katalizatorus izmanto platīnu vai niķeli:

CH 2 \u003d CH 2 + H 2 ↔ CH 3 - CH 3;

C6H6 + 3H2↔ C6H12;

C 3 H 6 + H 2 ↔ C 3 H 8;

CH3CHO + H2↔ CH3-CH2-OH;

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

Ūdeņradis kā oksidētājs(H 2 + 2e → 2H -) iedarbojas reakcijās ar sārmu un sārmzemju metāliem. Šajā gadījumā veidojas hidrīdi - kristāliski jonu savienojumi, kuros ūdeņradis uzrāda oksidācijas pakāpi -1.

2Na + H 2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

Ūdeņraža fizikālās īpašības

Ūdeņradis ir viegla bezkrāsaina gāze, bez smaržas, blīvums n.o. - 0,09 g / l, 14,5 reizes vieglāks par gaisu, t ķīpa = -252,8C, t pl = -259,2C. Ūdeņradis slikti šķīst ūdenī un organiskajos šķīdinātājos, labi šķīst dažos metālos: niķelī, pallādijā, platīnā.

Saskaņā ar mūsdienu kosmoķīmiju ūdeņradis ir visizplatītākais elements Visumā. Galvenā ūdeņraža pastāvēšanas forma kosmosā ir atsevišķi atomi. Ūdeņradis ir 9. vietā visbiežāk sastopamais elements uz Zemes. Galvenais ūdeņraža daudzums uz Zemes ir saistītā stāvoklī – ūdens, naftas, dabasgāzes, ogļu u.c. sastāvā. Vienkāršas vielas veidā ūdeņradis ir sastopams reti - vulkānisko gāzu sastāvā.

Ūdeņraža iegūšana

Ir laboratorijas un rūpnieciskas metodes ūdeņraža iegūšanai. Laboratorijas metodes ietver metālu mijiedarbību ar skābēm (1), kā arī alumīnija mijiedarbību ar sārmu ūdens šķīdumiem (2). No rūpnieciskajām metodēm ūdeņraža iegūšanai svarīga loma ir sārmu un sāļu ūdens šķīdumu elektrolīzei (3) un metāna pārvēršanai (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).

Problēmu risināšanas piemēri

1. PIEMĒRS

Vingrinājums	23,8 g metāliskas alvas mijiedarbojoties ar sālsskābes pārpalikumu, izdalījās ūdeņradis, tādā daudzumā, lai iegūtu 12,8 g metāliskā vara Nosakiet alvas oksidācijas pakāpi iegūtajā savienojumā.
Risinājums	Pamatojoties uz alvas atoma elektronisko struktūru (...5s 2 5p 2), varam secināt, ka alvai raksturīgi divi oksidācijas stāvokļi - +2, +4. Pamatojoties uz to, mēs sastādīsim iespējamo reakciju vienādojumus: Sn + 2HCl = H2 + SnCl2 (1); Sn + 4HCl = 2H2 + SnCl4 (2); CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O (3). Atrodiet vara vielas daudzumu: v (Cu) \u003d m (Cu) / M (Cu) \u003d 12,8 / 64 \u003d 0,2 mol. Saskaņā ar 3. vienādojumu ūdeņraža vielas daudzums: v (H 2) \u003d v (Cu) \u003d 0,2 mol. Zinot alvas masu, mēs atrodam tās vielas daudzumu: v (Sn) \u003d m (Sn) / M (Sn) \u003d 23,8 / 119 \u003d 0,2 mol. Salīdzināsim alvas un ūdeņraža vielu daudzumus pēc 1. un 2. vienādojuma un atbilstoši uzdevuma nosacījumam: v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (vienādojums 1); v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1:2 (2. vienādojums); v(Sn): v(H 2) = 0,2:0,2 = 1:1 (problēmas stāvoklis). Tāpēc alva reaģē ar sālsskābi saskaņā ar 1. vienādojumu un alvas oksidācijas pakāpe ir +2.
Atbilde	Alvas oksidācijas pakāpe ir +2.

2. PIEMĒRS

Vingrinājums	Gāze, kas izdalās, iedarbojoties ar 2,0 g cinka uz 18,7 ml 14,6% sālsskābes (šķīduma blīvums 1,07 g/ml), tika izvadīta, karsējot virs 4,0 g vara (II) oksīda. Kāda ir iegūtā cietā maisījuma masa?
Risinājums	Kad cinks iedarbojas uz sālsskābeūdeņradis izdalās: Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H2 (1), kas karsējot reducē vara (II) oksīdu par varu (2): CuO + H2 \u003d Cu + H2O. Atrodiet vielu daudzumu pirmajā reakcijā: 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. Cinka deficīts, tāpēc izdalītais ūdeņraža daudzums ir: v (H 2) \u003d v (Zn) \u003d 0,031 mol. Otrajā reakcijā ūdeņradis trūkst, jo: v (CuO) \u003d 4,0 / 80 \u003d 0,05 mol. Reakcijas rezultātā 0,031 mols CuO pārvērtīsies par 0,031 molu Cu, un masas zudums būs: m (СuО) - m (Сu) \u003d 0,031 × 80 - 0,031 × 64 \u003d 0,50 g. CuO un Cu cietā maisījuma masa pēc ūdeņraža izlaišanas būs: 4,0-0,5 = 3,5 g
Atbilde	CuO un Cu cietā maisījuma masa ir 3,5 g.

Ūdeņradis (pauspapīrs no latīņu: lat. Hydrogenium - hydro = "ūdens", gen = "ģenerē"; hydrogenium - "ģenerē ūdeni"; apzīmē ar simbolu H) - pirmais elementu periodiskās sistēmas elements. Plaši izplatīts dabā. Visizplatītākā ūdeņraža 1H izotopa katjons (un kodols) ir protons. 1H kodola īpašības ļauj plaši izmantot KMR spektroskopiju organisko vielu analīzē.

Trīs ūdeņraža izotopiem ir savi nosaukumi: 1 H - protijs (H), 2 H - deitērijs (D) un 3 H - tritijs (radioaktīvs) (T).

Vienkārša viela ūdeņradis - H 2 - ir viegla bezkrāsaina gāze. Maisījumā ar gaisu vai skābekli tas ir degošs un sprādzienbīstams. Nav toksisks. Izšķīdināsim etanolā un virknē metālu: dzelzi, niķeli, pallādiju, platīnu.

Stāsts

Deggāzes izdalīšanās skābju un metālu mijiedarbības laikā tika novērota 16. un XVII gadsimtsķīmijas kā zinātnes veidošanās rītausmā. Mihails Vasiļjevičs Lomonosovs arī tieši norādīja uz tās izolāciju, taču jau noteikti saprotot, ka tas nav flogistons. Angļu fiziķis un ķīmiķis Henrijs Kavendišs 1766. gadā pētīja šo gāzi un nosauca to par "degošu gaisu". Dedzinot, "degošs gaiss" radīja ūdeni, taču Kavendiša pieturēšanās pie flogistona teorijas neļāva izdarīt pareizos secinājumus. Franču ķīmiķis Antuāns Lavuazjē kopā ar inženieri J. Meunjē, izmantojot īpašus gazometrus, 1783. gadā veica ūdens sintēzi un pēc tam analīzi, sadalot ūdens tvaikus ar karstu dzelzi. Tādējādi viņš konstatēja, ka "degošs gaiss" ir daļa no ūdens un to var iegūt no tā.

vārda izcelsme

Lavuazjē ūdeņradim deva nosaukumu hidrogēns (no citu grieķu valodas ὕδωρ — ūdens un γεννάω — es dzemdēju) — “ūdens dzemdēšana”. Krievu nosaukumu "ūdeņradis" ierosināja ķīmiķis M. F. Solovjovs 1824. gadā - pēc analoģijas ar M. V. Lomonosova "skābekli".

Izplatība

Visumā
Ūdeņradis ir visizplatītākais elements Visumā. Tas veido aptuveni 92% no visiem atomiem (8% ir hēlija atomi, visu pārējo elementu īpatsvars kopā ir mazāks par 0,1%). Tādējādi ūdeņradis ir galvenais komponents zvaigznes un starpzvaigžņu gāze. Zvaigžņu temperatūras apstākļos (piemēram, Saules virsmas temperatūra ir ~ 6000 °C) ūdeņradis pastāv plazmas veidā, starpzvaigžņu telpā šis elements pastāv atsevišķu molekulu, atomu un jonu veidā un var veido molekulāros mākoņus, kas ievērojami atšķiras pēc izmēra, blīvuma un temperatūras.

Zemes garoza un dzīvie organismi
Ūdeņraža masas daļa zemes garozā ir 1% - tas ir desmitais izplatītākais elements. Taču tās lomu dabā nosaka nevis masa, bet gan atomu skaits, kuru īpatsvars starp citiem elementiem ir 17% (otrā vieta aiz skābekļa, kura atomu īpatsvars ir ~ 52%). Tāpēc ūdeņraža nozīme ķīmiskajos procesos, kas notiek uz Zemes, ir gandrīz tikpat liela kā skābekļa nozīme. Atšķirībā no skābekļa, kas uz Zemes pastāv gan saistītā, gan brīvā stāvoklī, gandrīz viss ūdeņradis uz Zemes ir savienojumu veidā; atmosfērā ir atrodams tikai ļoti neliels daudzums ūdeņraža vienkāršas vielas veidā (0,00005 tilpuma%).
Ūdeņradis ir gandrīz visu organisko vielu sastāvdaļa un atrodas visās dzīvās šūnās. Dzīvās šūnās pēc atomu skaita ūdeņradis veido gandrīz 50%.

Kvīts

Rūpnieciskās iegūšanas metodes vienkāršas vielas atkarīgs no formas, kādā attiecīgais elements atrodas dabā, tas ir, kas var būt tā ražošanas izejviela. Tātad tiek iegūts skābeklis, kas pieejams brīvā stāvoklī fiziskā veidā- izdalīšanās no šķidrā gaisa. Gandrīz viss ūdeņradis ir savienojumu veidā, tāpēc tā iegūšanai tiek izmantotas ķīmiskas metodes. Jo īpaši var izmantot sadalīšanās reakcijas. Viens no veidiem, kā iegūt ūdeņradi, ir ūdens sadalīšanās reakcija ar elektrisko strāvu.
Galvenā rūpnieciskā metode ūdeņraža iegūšanai ir reakcija ar metāna ūdeni, kas ir daļa no dabasgāzes. To veic augstā temperatūrā:
CH 4 + 2H 2 O \u003d CO 2 + 4H 2 –165 kJ

Viena no laboratorijas metodēm ūdeņraža iegūšanai, ko dažkārt izmanto rūpniecībā, ir ūdens sadalīšana ar elektrisko strāvu. Ūdeņradi parasti ražo laboratorijā, cinkam reaģējot ar sālsskābi.