Wodór - co to jest? Właściwości i wartość. Wodór - co to za substancja? Właściwości chemiczne i fizyczne wodoru

Wodór to specjalny pierwiastek, który zajmuje jednocześnie dwie komórki w układ okresowy Mendelejew. Znajduje się w dwóch grupach elementów o przeciwnych właściwościach, a ta cecha czyni go wyjątkowym. Wodór jest prosta substancja i jest integralną częścią wielu złożonych związków, jest pierwiastkiem organogennym i biogennym. Warto zapoznać się szczegółowo z jego głównymi cechami i właściwościami.

Wodór w układzie okresowym Mendelejewa

Główne cechy wodoru wskazane w:

• numer seryjny elementu to 1 (jest taka sama liczba protonów i elektronów);
• masa atomowa wynosi 1,00795;
• wodór ma trzy izotopy, z których każdy ma specjalne właściwości;
• dzięki zawartości tylko jednego elektronu wodór może wykazywać właściwości redukujące i utleniające, a po oddaniu elektronu wodór ma wolny orbital, który bierze udział w tworzeniu wiązań chemicznych zgodnie z mechanizmem donor-akceptor;
• wodór jest lekkim pierwiastkiem o niskiej gęstości;
• wodór jest silnym środkiem redukującym, otwiera grupę metale alkaliczne w pierwszej grupie głównej podgrupy;
• gdy wodór reaguje z metalami i innymi silnymi środkami redukującymi, przyjmuje ich elektron i staje się środkiem utleniającym. Takie związki nazywane są wodorkami. Zgodnie ze wskazaną cechą wodór warunkowo należy do grupy halogenów (w tabeli podano powyżej fluor w nawiasach), z którymi ma podobieństwa.

Wodór jako prosta substancja

Wodór to gaz, którego cząsteczka składa się z dwóch. Substancja ta została odkryta w 1766 roku przez brytyjskiego naukowca Henry'ego Cavendisha. Udowodnił, że wodór jest gazem, który wybucha, gdy wchodzi w interakcję z tlenem. Po zbadaniu wodoru chemicy odkryli, że jest to najlżejsza ze wszystkich znanych człowiekowi substancji.

Inny naukowiec, Lavoisier, nadał pierwiastkowi nazwę „hydrogenium”, co po łacinie oznacza „rodzić wodę”. W 1781 Henry Cavendish udowodnił, że woda jest kombinacją tlenu i wodoru. Innymi słowy, woda jest produktem reakcji wodoru z tlenem. Właściwości palne wodoru były znane nawet starożytnym naukowcom: odpowiednie zapisy pozostawił Paracelsus, który żył w XVI wieku.

Wodór cząsteczkowy jest naturalnie występującym związkiem gazowym powszechnym w przyrodzie, który składa się z dwóch atomów i gdy powstaje płonąca drzazga. Cząsteczka wodoru może rozpadać się na atomy, które zamieniają się w jądra helu, ponieważ są one w stanie uczestniczyć w reakcje jądrowe. Takie procesy regularnie zachodzą w kosmosie i na Słońcu.

Wodór i jego właściwości fizyczne

Wodór ma następujące parametry fizyczne:

• wrze w -252,76 °C;
• topi się w -259,14 °C; * we wskazanych granicach temperatur wodór jest cieczą bezwonną, bezbarwną;
• wodór jest słabo rozpuszczalny w wodzie;
• wodór może teoretycznie przejść w stan metaliczny, gdy jest zapewniony specjalne warunki(niskie temperatury i wysokie ciśnienie);
• czysty wodór jest substancją wybuchową i palną;
• wodór jest w stanie dyfundować przez grubość metali, dlatego dobrze się w nich rozpuszcza;
• wodór jest 14,5 razy lżejszy od powietrza;
• pod wysokim ciśnieniem można otrzymać podobne do śniegu kryształy stałego wodoru.

Właściwości chemiczne wodoru

Metody laboratoryjne:

• oddziaływanie rozcieńczonych kwasów z metalami aktywnymi i metalami o średniej aktywności;
• hydroliza wodorków metali;
• reakcja z wodą metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych.

Związki wodoru:

Halogenki wodoru; lotne związki wodorowe niemetali; wodorki; wodorotlenki; wodorotlenek wodoru (woda); nadtlenek wodoru; związki organiczne (białka, tłuszcze, węglowodany, witaminy, lipidy, olejki eteryczne, hormony). Kliknij, aby zobaczyć bezpieczne eksperymenty dotyczące badania właściwości białek, tłuszczów i węglowodanów.

Aby zebrać powstały wodór, musisz odwrócić probówkę do góry nogami. Wodór nie może być zbierany jak dwutlenek węgla, ponieważ jest znacznie lżejszy od powietrza. Wodór szybko odparowuje, a zmieszany z powietrzem (lub w dużej akumulacji) wybucha. Dlatego konieczne jest odwrócenie rury. Tubę natychmiast po napełnieniu zamyka się gumowym korkiem.

Aby sprawdzić czystość wodoru, należy przyłożyć zapaloną zapałkę do szyjki probówki. Jeśli pojawi się głuchy i cichy trzask, gaz jest czysty, a zanieczyszczenia powietrza minimalne. Jeśli trzask jest głośny i gwiżdżący, to gaz w probówce jest brudny, zawiera dużą ilość obcych składników.

Uwaga! Nie próbuj samodzielnie powtarzać tych eksperymentów!

W pracach chemików z XVI i XVII wieku wielokrotnie wspominano uwalnianie się palnego gazu podczas działania kwasów na metale. W 1766 G. Cavendish zebrał i zbadał uwolniony gaz, nazywając go „powietrzem palnym”. Będąc zwolennikiem teorii flogistonu, Cavendish uważał, że gaz ten jest czystym flogistonem. W 1783 r. A. Lavoisier analizując i syntetyzując wodę dowiódł złożoności jej składu, a w 1787 r. zdefiniował „palne powietrze” jako nowe pierwiastek chemiczny(wodór) i dał mu współczesna nazwa hydrogene (z greckiego hydor - woda i gennao - rodzą), co oznacza „rodzić wodę”; ten korzeń jest używany w nazwach związków wodorowych i procesów z jego udziałem (na przykład wodorki, uwodornienie). Współczesną rosyjską nazwę „wodór” zaproponował M.F. Sołowjow w 1824 r.

Dystrybucja wodoru w przyrodzie. Wodór jest szeroko rozpowszechniony w przyrodzie, jego zawartość w skorupie ziemskiej (litosferze i hydrosferze) wynosi 1% masy i 16% liczby atomów. Wodór jest częścią najpowszechniejszej substancji na Ziemi - wody (11,19% masy wodoru), w związkach wchodzących w skład węgla, ropy naftowej, gazów ziemnych, iłów, a także organizmów zwierzęcych i roślinnych (czyli w składzie białka, kwasy nukleinowe, tłuszcze, węglowodany itp.). Wodór jest niezwykle rzadki w stanie wolnym, występuje w niewielkich ilościach w wulkanicznych i innych gazach naturalnych. Znikome ilości wolnego wodoru (0,0001% liczby atomów) są obecne w atmosferze. W przestrzeni okołoziemskiej wodór w postaci strumienia protonów tworzy wewnętrzny („protonowy”) pas radiacyjny Ziemi. Wodór jest pierwiastkiem najobficiej występującym w kosmosie. W postaci plazmy stanowi około połowy masy Słońca i większości gwiazd, większości gazów ośrodka międzygwiazdowego i mgławic gazowych. Wodór występuje w atmosferze wielu planet i komet w postaci wolnego H 2 , metanu CH 4 , amoniaku NH 3 , wody H 2 O, rodników takich jak CH, NH, OH, SiH, PH itp. Wodór wchodzi w postaci strumienia protonów do korpuskularnego promieniowania Słońca i promieni kosmicznych.

Izotopy, atom i cząsteczka wodoru. Zwykły wodór składa się z mieszaniny 2 stabilnych izotopów: lekkiego wodoru lub protu (1 H) i ciężkiego wodoru lub deuteru (2 H lub D). W naturalnych związkach wodorowych na 1 atom 2 H przypada średnio 6800 atomów 1 H. Radioaktywny izotop o Liczba masowa 3 nazywa się superciężkim wodorem lub trytem (3 H lub T), z miękkim promieniowaniem β i okresem półtrwania T ½ = 12,262 lat. W naturze tryt powstaje na przykład z azotu atmosferycznego pod działaniem neutronów promieniowania kosmicznego; w atmosferze jest znikoma (4 10 -15% Łączna atomy wodoru). Otrzymano niezwykle niestabilny izotop 4 H. Liczby masowe izotopów 1 H, 2 H, 3 H i 4 H, odpowiednio 1, 2, 3 i 4 wskazują, że jądro atomu protu zawiera tylko jeden proton, deuter - jeden proton i jeden neutron, tryt - jeden proton i 2 neutrony, 4 H - jeden proton i 3 neutrony. Duża różnica mas izotopów wodoru powoduje bardziej zauważalną różnicę we właściwościach fizykochemicznych niż w przypadku izotopów innych pierwiastków.

Atom wodoru ma najprostszą budowę spośród atomów wszystkich innych pierwiastków: składa się z jądra i jednego elektronu. Energia wiązania elektronu z jądrem (potencjał jonizacji) wynosi 13,595 eV. Atom obojętny Wodór może również dołączyć drugi elektron, tworząc jon ujemny H – w tym przypadku energia wiązania drugiego elektronu z atomem obojętnym (powinowactwo elektronowe) wynosi 0,78 eV. Mechanika kwantowa umożliwia obliczenie wszystkich możliwych poziomów energetycznych atomu wodoru, a w konsekwencji pełną interpretację jego widma atomowego. Atom wodoru jest używany jako atom modelowy w obliczeniach mechaniki kwantowej poziomów energetycznych innych, bardziej złożonych atomów.

Cząsteczka wodoru H2 składa się z dwóch atomów połączonych kowalencyjnym wiązaniem chemicznym. Energia dysocjacji (czyli rozpadu na atomy) wynosi 4,776 eV. Odległość międzyatomowa w pozycji równowagi jąder wynosi 0,7414 Å. W wysokich temperaturach wodór cząsteczkowy dysocjuje na atomy (stopień dysocjacji w 2000°C wynosi 0,0013; w 5000°C wynosi 0,95). Wodór atomowy powstaje również w różnych reakcje chemiczne(na przykład działanie Zn na kwas solny). Jednak istnienie wodoru w stanie atomowym trwa tylko Krótki czas, atomy rekombinują w cząsteczki H2.

Właściwości fizyczne wodoru. Wodór jest najlżejszą ze wszystkich znanych substancji (14,4 razy lżejszy od powietrza), gęstość 0,0899 g/l przy 0°C i 1 atm. Wodór wrze (skrapla) i topi się (krzepnie) odpowiednio w temperaturze -252,8°C i -259,1°C (tylko hel ma więcej niskie temperatury topienie i gotowanie). Temperatura krytyczna wodoru jest bardzo niska (-240°C), więc jego upłynnienie wiąże się z dużymi trudnościami; ciśnienie krytyczne 12,8 kgf / cm2 (12,8 atm), gęstość krytyczna 0,0312 g / cm3. Wodór ma najwyższą przewodność cieplną spośród wszystkich gazów, równą 0,174 W/(m·K) w temperaturze 0°С i 1 atm, tj. 4,16·10 -4 cal/(s·cm·°С). Ciepło właściwe Wodór w temperaturze 0 ° C i 1 atm C p 14,208 kJ / (kg K), czyli 3,394 cal / (g ° C). Wodór jest słabo rozpuszczalny w wodzie (0,0182 ml/g przy 20°C i 1 atm), ale dobrze - w wielu metalach (Ni, Pt, Pa i inne), zwłaszcza w palladu (850 objętości na 1 objętość Pd). Rozpuszczalność wodoru w metalach jest związana z jego zdolnością do dyfuzji przez nie; dyfuzji przez stop węgla (na przykład stal) czasami towarzyszy zniszczenie stopu w wyniku oddziaływania wodoru z węglem (tzw. dekarbonizacja). Ciekły wodór jest bardzo lekki (gęstość w -253°C 0,0708 g/cm3) i płynny (lepkość w -253°C 13,8 centypuazów).

Właściwości chemiczne wodoru. W większości związków wodór wykazuje wartościowość (a dokładniej stopień utlenienia) +1, podobnie jak sód i inne metale alkaliczne; zwykle jest uważany za analog tych metali, należący do grupy I systemu Mendelejewa. Jednak w wodorkach metali jon wodorowy jest naładowany ujemnie (stan utlenienia -1), to znaczy wodorek Na + H jest zbudowany jak chlorek Na + Cl. Ten i kilka innych faktów (zbliżenie właściwości fizycznych wodoru i halogenów, zdolność halogenów do zastępowania wodoru w związkach organicznych) daje podstawy do zaliczenia wodoru również do grupy VII układu okresowego. Na normalne warunki Wodór molekularny jest stosunkowo nieaktywny, łączy się bezpośrednio tylko z najbardziej aktywnymi niemetalami (z fluorem, aw świetle także z chlorem). Jednak po podgrzaniu reaguje z wieloma pierwiastkami. Wodór atomowy ma zwiększoną aktywność chemiczną w porównaniu z wodorem cząsteczkowym. Wodór łączy się z tlenem, tworząc wodę:

H 2 + 1/2 O 2 \u003d H 2 O

z uwalnianiem 285,937 kJ / mol, czyli 68,3174 kcal / mol ciepła (w 25°C i 1 atm). W zwykłych temperaturach reakcja przebiega niezwykle wolno, powyżej 550 ° C - z wybuchem. Granice wybuchowości mieszaniny wodorowo-tlenowej wynoszą (objętościowo) od 4 do 94% H 2, a mieszaniny wodorowo-powietrznej - od 4 do 74% H 2 (mieszanina 2 objętości H 2 i 1 objętości O 2 nazywa się gazem wybuchowym). Wodór służy do redukcji wielu metali, ponieważ usuwa tlen z ich tlenków:

CuO + H2 \u003d Cu + H2O,

Fe 3 O 4 + 4H 2 \u003d 3Fe + 4H 2 O itd.

Z halogenami Wodór tworzy halogenki wodoru, na przykład:

H2 + Cl2 \u003d 2HCl.

Wodór eksploduje z fluorem (nawet w ciemności iw temperaturze -252°C), reaguje z chlorem i bromem tylko po oświetleniu lub podgrzaniu, a z jodem tylko po podgrzaniu. Wodór reaguje z azotem tworząc amoniak:

ZN 2 + N 2 \u003d 2NH 3

tylko na katalizatorze oraz w podwyższonych temperaturach i ciśnieniach. Po podgrzaniu wodór reaguje energicznie z siarką:

H 2 + S \u003d H 2 S (siarkowodór),

znacznie trudniejsze z selenem i tellurem. Wodór może reagować z czystym węglem bez katalizatora tylko w wysokich temperaturach:

2H2 + C (bezpostaciowy) = CH4 (metan).

Wodór bezpośrednio reaguje z niektórymi metalami (alkalicznymi, ziem alkalicznych i innymi), tworząc wodorki:

H2 + 2Li = 2LiH.

Ważny wartość praktyczna mają reakcje wodoru z tlenkiem węgla (II), w których w zależności od temperatury, ciśnienia i katalizatora powstają różne związki organiczne, na przykład HCHO, CH3OH i inne. Węglowodory nienasycone reagują z wodorem do nasycenia, na przykład:

C n H 2n + H 2 \u003d C n H 2n + 2.

Rola wodoru i jego związków w chemii jest wyjątkowo duża. Wodór decyduje o kwasowości tzw. kwasów protonowych. Wodór ma tendencję do tworzenia tzw. wiązania wodorowego z pewnymi pierwiastkami, co ma decydujący wpływ na właściwości wielu pierwiastków organicznych i nieorganicznych. związki organiczne.

Zdobywanie wodoru. Głównymi rodzajami surowców do przemysłowej produkcji wodoru są naturalne gazy palne, gaz koksowniczy i gazy rafinacji ropy naftowej. Wodór pozyskiwany jest również z wody na drodze elektrolizy (w miejscach o taniej energii elektrycznej). w najważniejsze sposoby produkcja wodoru z gazu ziemnego to katalityczne oddziaływanie węglowodorów, głównie metanu, z parą wodną (konwersja):

CH 4 + H 2 O \u003d CO + ZH 2,

i niecałkowite utlenianie węglowodorów tlenem:

CH4 + 1/2 O2 \u003d CO + 2H 2

Powstały tlenek węgla (II) również poddaje się konwersji:

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

Najtańszy jest wodór wytwarzany z gazu ziemnego.

Wodór jest izolowany z gazu koksowniczego i gazów rafineryjnych poprzez usunięcie pozostałych składników mieszaniny gazów, które po głębokim schłodzeniu są łatwiejsze w skropleniu niż wodór. Elektrolizę wody przeprowadza się prądem stałym, przepuszczając ją przez roztwór KOH lub NaOH (kwasy nie są stosowane w celu uniknięcia korozji urządzeń stalowych). Wodór jest wytwarzany w laboratoriach w wyniku elektrolizy wody, a także w wyniku reakcji cynku z kwasem solnym. Częściej jednak używają gotowego wodoru w butlach.

Zastosowanie wodoru. W skala przemysłowa Wodór zaczęto pozyskiwać pod koniec XVIII wieku do napełniania balony. Obecnie wodór jest szeroko stosowany w przemyśle chemicznym, głównie do produkcji amoniaku. Dużym konsumentem wodoru jest również produkcja alkoholi metylowych i innych, benzyny syntetycznej oraz innych produktów otrzymywanych na drodze syntezy z wodoru i tlenku węgla (II). Wodór służy do uwodorniania ciał stałych i ciężkich paliwa płynne, tłuszcze i inne, do syntezy HCl, do hydrorafinacji produktów naftowych, do spawania i cięcia metali płomieniem tlenowo-wodorowym (temperatura do 2800 °C) oraz do spawania wodorem atomowym (do 4000 °C). Bardzo ważna aplikacja w energia atomowa znaleziono izotopy wodoru - deuter i tryt.

W systemie okresowym ma swój własny pewne miejsce pozycja, która odzwierciedla właściwości, które wykazuje i mówi o jego strukturze elektronicznej. Jednak wśród wszystkich jest jeden specjalny atom, który zajmuje jednocześnie dwie komórki. Znajduje się w dwóch grupach elementów, które są całkowicie przeciwstawne w swoich manifestowanych właściwościach. To jest wodór. Te cechy czynią go wyjątkowym.

Wodór to nie tylko pierwiastek, ale także prosta substancja, a także integralna część wielu złożonych związków, pierwiastek biogenny i organogenny. Dlatego bardziej szczegółowo rozważamy jego cechy i właściwości.

Wodór jako pierwiastek chemiczny

Wodór jest elementem pierwszej grupy podgrupy głównej, a także siódmej grupy podgrupy głównej w pierwszym małym okresie. Okres ten składa się tylko z dwóch atomów: helu i pierwiastka, który rozważamy. Opiszmy główne cechy położenia wodoru w układzie okresowym.

1. Numer seryjny wodoru wynosi 1, liczba elektronów jest taka sama, odpowiednio liczba protonów jest taka sama. Masa atomowa- 1.00795. Istnieją trzy izotopy tego pierwiastka o liczbach masowych 1, 2, 3. Jednak właściwości każdego z nich są bardzo różne, ponieważ przyrost masy wodoru nawet o jeden jest natychmiast dwukrotny.
2. Fakt, że zawiera tylko jeden elektron na zewnątrz pozwala mu z powodzeniem wykazywać zarówno właściwości utleniające, jak i redukujące. Ponadto po oddaniu elektronu pozostaje wolnym orbitalem, który bierze udział w tworzeniu wiązań chemicznych zgodnie z mechanizmem donor-akceptor.
3. Wodór jest silnym środkiem redukującym. Dlatego też pierwsza grupa podgrupy głównej uważana jest za jego główne miejsce, w którym prowadzi najwięcej metale aktywne- alkaliczne.
4. Jednak w przypadku interakcji z silnymi środkami redukującymi, takimi jak np. metale, może być również środkiem utleniającym, przyjmującym elektron. Związki te nazywane są wodorkami. Na tej podstawie stoi na czele podgrupy halogenów, z którą jest podobny.
5. Ze względu na bardzo małą masę atomową wodór jest uważany za najlżejszy pierwiastek. Ponadto jego gęstość jest również bardzo niska, więc jest to również punkt odniesienia dla lekkości.

Jest więc oczywiste, że atom wodoru jest całkowicie wyjątkowy, w przeciwieństwie do wszystkich innych pierwiastków. W związku z tym jego właściwości są również wyjątkowe, a powstające proste i złożone substancje są bardzo ważne. Rozważmy je dalej.

prosta substancja

Jeśli mówimy o tym pierwiastku jako o cząsteczce, to musimy powiedzieć, że jest dwuatomowy. Oznacza to, że wodór (prosta substancja) jest gazem. Jego wzór empiryczny zostanie zapisany jako H 2, a graficzny - poprzez wiązanie single sigma H-H. Mechanizm tworzenia wiązań między atomami jest kowalencyjny niepolarny.

1. Reforming parowy metanu.
2. Zgazowanie węgla – proces polega na podgrzaniu węgla do temperatury 1000°C, w wyniku czego powstaje wodór i węgiel wysokowęglowy.
3. Elektroliza. Metodę tę można stosować tylko do wodnych roztworów różnych soli, ponieważ stopienie nie prowadzi do wyładowania wody na katodzie.

Laboratoryjne metody wytwarzania wodoru:

1. Hydroliza wodorków metali.
2. Działanie rozcieńczonych kwasów na metale aktywne i średnioaktywne.
3. Oddziaływanie metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych z wodą.

Aby zebrać powstały wodór, konieczne jest odwrócenie probówki do góry nogami. Przecież tego gazu nie da się zbierać w taki sam sposób jak np. dwutlenek węgla. To jest wodór, jest znacznie lżejszy od powietrza. Szybko ulatnia się i wybucha po zmieszaniu z powietrzem w dużych ilościach. Dlatego rura musi być odwrócona. Po napełnieniu należy go zamknąć gumowym korkiem.

Aby sprawdzić czystość zebranego wodoru, należy przyłożyć pod szyję zapaloną zapałkę. Jeśli bawełna jest głucha i cicha, to gaz jest czysty, z minimalnymi zanieczyszczeniami powietrza. Jeśli jest głośny i gwiżdżący, jest brudny, z dużą zawartością obcych elementów.

Obszary zastosowania

Kiedy wodór jest spalany, uwalnia się duża liczba energia (ciepło), że gaz ten jest uważany za najbardziej opłacalne paliwo. Ponadto jest przyjazny dla środowiska. Jednak jego zastosowanie w tym obszarze jest obecnie ograniczone. Wynika to z nieprzemyślanych i nierozwiązanych problemów syntezy czystego wodoru, który nadawałby się do wykorzystania jako paliwo w reaktorach, silnikach i urządzeniach przenośnych, a także domowych kotłach grzewczych.

W końcu metody otrzymywania tego gazu są dość drogie, dlatego najpierw konieczne jest opracowanie specjalnej metody syntezy. Taki, który pozwoli Ci uzyskać produkt w dużej objętości i przy minimalnych kosztach.

Jest kilka głównych obszarów, w których wykorzystywany jest gaz, który rozważamy.

1. Syntezy chemiczne. W oparciu o uwodornienie otrzymuje się mydła, margaryny i tworzywa sztuczne. Przy udziale wodoru syntetyzowane są metanol i amoniak, a także inne związki.
2. W przemyśle spożywczym - jako dodatek E949.
3. Przemysł lotniczy (budowa rakiet, budowa samolotów).
4. Energetyka.
5. Meteorologia.
6. Paliwo typu przyjaznego dla środowiska.

Oczywiście wodór jest tak samo ważny, jak jego obfitość w przyrodzie. Jeszcze większą rolę odgrywają różne tworzone przez nią związki.

Związki wodoru

Są to złożone substancje zawierające atomy wodoru. Istnieje kilka głównych rodzajów takich substancji.

1. Halogenki wodoru. Ogólny wzór to HHal. Wśród nich szczególne znaczenie ma chlorowodór. Jest to gaz, który rozpuszcza się w wodzie, tworząc roztwór kwasu solnego. Ten kwas został znaleziony szerokie zastosowanie w prawie wszystkich syntezach chemicznych. I zarówno organiczne, jak i nieorganiczne. Chlorowodór jest związkiem, który posiada empiryczny wzór HCL i jest jednym z największych pod względem produkcji w naszym kraju rocznie. Halogenki wodoru obejmują również jodowodór, fluorowodór i bromowodór. Wszystkie z nich tworzą odpowiednie kwasy.
2. Lotne Prawie wszystkie z nich to dość trujące gazy. Na przykład siarkowodór, metan, silan, fosfina i inne. Są jednak bardzo łatwopalne.
3. Wodorki to związki z metalami. Należą do klasy soli.
4. Wodorotlenki: zasady, kwasy i związki amfoteryczne. Ich skład koniecznie obejmuje atomy wodoru, jeden lub więcej. Przykład: NaOH, K2, H2SO4 i inne.
5. Wodorotlenek wodoru. Ten związek jest lepiej znany jako woda. Inna nazwa tlenku wodoru. Wzór empiryczny wygląda tak - H 2 O.
6. Nadtlenek wodoru. Jest to najsilniejszy środek utleniający, którego formuła to H 2 O 2.
7. Liczne związki organiczne: węglowodory, białka, tłuszcze, lipidy, witaminy, hormony, olejki eteryczne i inne.

Oczywiście różnorodność związków rozważanego przez nas pierwiastka jest bardzo duża. To po raz kolejny potwierdza jego duże znaczenie dla przyrody i człowieka, a także dla wszystkich żywych istot.

jest najlepszym rozpuszczalnikiem

Jak wspomniano powyżej, powszechną nazwą tej substancji jest woda. Składa się z dwóch atomów wodoru i jednego tlenu, połączonych kowalencyjnymi wiązaniami polarnymi. Cząsteczka wody jest dipolem, co wyjaśnia wiele jej właściwości. W szczególności fakt, że jest to uniwersalny rozpuszczalnik.

Dokładnie w środowisko wodne prawie wszystko się dzieje procesy chemiczne. Za pomocą tlenku wodoru przeprowadzane są również wewnętrzne reakcje metabolizmu tworzyw sztucznych i energii w organizmach żywych.

Woda jest uważana za najważniejszą substancję na planecie. Wiadomo, że żaden żywy organizm nie może bez niego żyć. Na Ziemi może istnieć w trzech stanach skupienia:

• płyn;
• gaz (para);
• ciało stałe (lód).

W zależności od izotopu wodoru, który jest częścią cząsteczki, istnieją trzy rodzaje wody.

1. Światło lub prot. Izotop o liczbie masowej 1. Wzór to H 2 O. Jest to zwykła forma, której używają wszystkie organizmy.
2. Deuter lub ciężki, jego formuła to D 2 O. Zawiera izotop 2 H.
3. Super ciężki lub tryt. Formuła wygląda jak T 3 O, izotop to 3 H.

Bardzo ważne są rezerwy świeżej wody protowej na planecie. W wielu krajach już jej brakuje. Opracowywane są metody uzdatniania słonej wody w celu uzyskania wody pitnej.

Nadtlenek wodoru to uniwersalny środek

Związek ten, jak wspomniano powyżej, jest doskonałym środkiem utleniającym. Jednak przy silnych przedstawicielach może również zachowywać się jak reduktor. Ponadto ma wyraźne działanie bakteriobójcze.

Inną nazwą tego związku jest nadtlenek. W tej formie jest stosowany w medycynie. 3% roztwór krystalicznego hydratu omawianego związku jest lekiem stosowanym do leczenia małych ran w celu ich odkażenia. Udowodniono jednak, że w tym przypadku gojenie się ran z czasem wzrasta.

Ponadto nadtlenek wodoru jest stosowany w paliwie rakietowym, w przemyśle do dezynfekcji i wybielania, jako środek spieniający do produkcji odpowiednich materiałów (np. piany). Ponadto nadtlenek pomaga w czyszczeniu akwariów, rozjaśnianiu włosów i wybielaniu zębów. Jednocześnie jednak szkodzi tkankom, dlatego nie jest zalecany przez specjalistów do tego celu.

MIŃSKA KOLEGIUM TECHNOLOGII I WZORNICTWA PRZEMYSŁU LEKKIEGO

abstrakcyjny

dyscyplina: Chemia

Temat: „Wodór i jego związki”

Przygotowane przez: Studentka I roku343 grupy

Viskup Elena

W kratę: Alyabyeva N.V.

Mińsk 2009

Struktura atomu wodoru w układzie okresowym

Stany utleniania

Rozpowszechnienie w przyrodzie

Wodór jako prosta substancja

Związki wodoru

Bibliografia

Struktura atomu wodoru w układzie okresowym

Pierwszy element układu okresowego (pierwszy okres, numer seryjny 1). Nie ma pełnej analogii z innymi pierwiastkami chemicznymi i nie należy do żadnej grupy, dlatego w tabelach jest warunkowo umieszczony w grupie IA i/lub VIIA.

Atom wodoru jest najmniejszym i najlżejszym spośród atomów wszystkich pierwiastków. Formuła elektronowa atomu to 1s 1 . Typową formą istnienia pierwiastka w stanie wolnym jest cząsteczka dwuatomowa.

Stany utleniania

Atom wodoru w związkach z większą liczbą pierwiastków elektroujemnych wykazuje stopień utlenienia +1, na przykład HF, H 2 O itp. A w związkach z wodorkami metali stopień utlenienia atomu wodoru wynosi -1, na przykład NaH , CaH 2, itp. Ma średnią wartość elektroujemności pomiędzy typowymi metalami i niemetalami. Zdolny do katalitycznej redukcji rozpuszczalniki organiczne, takich jak kwas octowy czy alkohol, wiele związków organicznych: związki nienasycone na nasycone, niektóre związki sodu na amoniak lub aminy.

Rozpowszechnienie w przyrodzie

Naturalny wodór składa się z dwóch stabilnych izotopów - protu 1 H, deuteru 2 H i trytu 3 H. W inny sposób deuter oznaczamy jako D, a tryt jako T. Możliwe różne kombinacje np. HT, HD, TD, H2, D2, T2. Wodór występuje częściej w przyrodzie w postaci różnych związków z siarką (H 2 S), tlenem (w postaci wody), węglem, azotem i chlorem. Rzadziej w postaci związków z fosforem, jodem, bromem i innymi pierwiastkami. Jest częścią wszystkich organizmów roślinnych i zwierzęcych, ropy naftowej, węgli kopalnych, gazu ziemnego, szeregu minerałów i skał. W stanie wolnym występuje bardzo rzadko w niewielkich ilościach - w gazach wulkanicznych i produktach rozkładu pozostałości organicznych. Wodór jest pierwiastkiem najobficiej występującym we wszechświecie (około 75%). Znajduje się na Słońcu i większości gwiazd, a także na planetach Jowisz i Saturn, które w większości składają się z wodoru. Na niektórych planetach wodór może istnieć w postaci stałej.

Wodór jako prosta substancja

Cząsteczka wodoru składa się z dwóch atomów połączonych niepolarnym wiązaniem kowalencyjnym. Właściwości fizyczne- gaz bezbarwny i bezwonny. Rozchodzi się szybciej niż inne gazy w kosmosie, przechodzi przez małe pory, a w wysokich temperaturach stosunkowo łatwo penetruje stal i inne materiały. Posiada wysoką przewodność cieplną.

Właściwości chemiczne. W stanie normalnym w niskich temperaturach jest nieaktywny, bez ogrzewania reaguje z fluorem i chlorem (w obecności światła).

H 2 + F 2 2HF H 2 + Cl 2 hv 2HCl

Bardziej aktywnie oddziałuje z niemetalami niż z metalami.

Wchodząc w interakcje z różnymi substancjami, może wykazywać zarówno właściwości utleniające, jak i redukujące.

Związki wodoru

Jednym ze związków wodoru są halogeny. Powstają, gdy wodór łączy się z pierwiastkami z grupy VIIA. HF, HCl, HBr i HI to bezbarwne gazy, które są dobrze rozpuszczalne w wodzie.

Cl2 + H2OHClO + HC1; HClO-woda chlorowana

Ponieważ HBr i HI są typowymi środkami redukującymi, nie można ich otrzymać w reakcji wymiany, takiej jak HCl.

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

Woda jest najczęściej występującym w przyrodzie związkiem wodoru.

2H2 + O2 \u003d 2H2O

Nie ma koloru, smaku, zapachu. Bardzo słaby elektrolit, ale aktywnie reaguje z wieloma metalami i niemetalami, tlenkami zasadowymi i kwasowymi.

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

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

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

Ciężka woda (D 2 O) to izotopowa odmiana wody. Rozpuszczalność substancji w ciężkiej wodzie jest znacznie mniejsza niż w zwykłej wodzie. Ciężka woda jest trująca, ponieważ spowalnia procesy biologiczne w żywych organizmach. Gromadzi się w pozostałości po elektrolizie podczas powtórnej elektrolizy wody. Jest stosowany jako chłodziwo i moderator neutronów w reaktorach jądrowych.

Wodorki - oddziaływanie wodoru z metalami (w wysoka temperatura) lub niemetale mniej elektroujemne niż wodór.

Si + 2H 2 \u003d SiH 4

Sam wodór odkryto w pierwszej połowie XVI wieku. Paracelsus. W 1776 G. Cavendish po raz pierwszy zbadał jego właściwości, w 1783-1787 A. Lavoisier wykazał, że wodór jest częścią wody, umieścił go na liście pierwiastków chemicznych i zaproponował nazwę „wodór”.

Bibliografia

1. M.B. Volovich, OFM Kabardin, RA Lidin, L.Yu. Alikberowa, V.S. Rokhlov, V.B. Pyatunin, Yu.A. Simagin, S.V. Simonovich / Podręcznik dla uczniów / Moskwa "AST-PRESS BOOK" 2003.

2. W.L. Knunyats / Encyklopedia chemiczna / Moskwa "Sowiecka Encyklopedia" 1988

3. Tzn. Shimanovich / Chemia 11 / Mińsk "Ludowa Asveta" 2008

4. F. Cotton, J. Wilkinson / Nowoczesna chemia nieorganiczna / Moskwa "Mir" 1969

WODÓR
H (łac. hydrogenium),
najlżejszy gazowy pierwiastek chemiczny należy do podgrupy IA układu okresowego pierwiastków, czasem określany jest podgrupą VIIA. W atmosfera ziemska wodór w stanie niezwiązanym istnieje tylko przez ułamki minuty, jego ilość wynosi 1-2 części na 1 500 000 części powietrza. Jest zwykle uwalniany wraz z innymi gazami podczas erupcji wulkanicznych, z szybów naftowych oraz w miejscach, w których rozkładają się duże ilości materii organicznej. Wodór łączy się z węglem i/lub tlenem w materii organicznej, takiej jak węglowodany, węglowodory, tłuszcze i białka zwierzęce. W hydrosferze wodór jest częścią wody, najpowszechniejszego związku na Ziemi. W skałach, glebach, glebach i innych częściach skorupa Ziemska Wodór łączy się z tlenem, tworząc wodę i jon wodorotlenowy OH-. Wodór stanowi 16% wszystkich atomów w skorupie ziemskiej, ale tylko około 1% masy, ponieważ jest 16 razy lżejszy od tlenu. Masa Słońca i gwiazd to 70% plazmy wodorowej: w kosmosie jest to najczęstszy pierwiastek. Stężenie wodoru w atmosferze ziemskiej wzrasta wraz z wysokością ze względu na jego niską gęstość i zdolność wznoszenia się do wielkie wysokości. Meteoryty znajdujące się na powierzchni Ziemi zawierają 6-10 atomów wodoru na 100 atomów krzemu.
Odniesienie do historii. Kolejny niemiecki lekarz i przyrodnik Paracelsus w XVI wieku. określił palność wodoru. W 1700 r. N. Lemery odkrył, że gaz uwolniony w wyniku działania kwasu siarkowego na żelazo eksploduje w powietrzu. Wodór jako pierwiastek został zidentyfikowany przez G. Cavendisha w 1766 i nazwał go „powietrzem palnym”, a w 1781 udowodnił, że woda jest produktem jej interakcji z tlenem. Łaciński hydrogenium, który pochodzi z greckiego połączenia „rodzić wodę”, przypisał temu pierwiastkowi A. Lavoisier.
Ogólna charakterystyka wodoru. Wodór jest pierwszym pierwiastkiem w układzie okresowym pierwiastków; jego atom składa się z jednego protonu i jednego elektronu krążących wokół niego
(patrz również TABELA OKRESOWA ELEMENTÓW).
Jeden z 5000 atomów wodoru wyróżnia się obecnością jednego neutronu w jądrze, co zwiększa masę jądra z 1 do 2. Ten izotop wodoru nazywa się deuterem 21H lub 21D. Inny, rzadszy izotop wodoru zawiera w jądrze dwa neutrony i nazywa się trytem 31H lub 31T. Tryt jest radioaktywny i rozpada się wraz z uwolnieniem helu i elektronów. Jądra różnych izotopów wodoru różnią się spinami protonów. Wodór można otrzymać a) przez działanie aktywnego metalu na wodę, b) przez działanie kwasów na niektóre metale, c) przez działanie zasad na krzem i niektóre metale amfoteryczne, d) przez działanie przegrzanej pary na węgla i metanu, a także żelaza, e) przez elektrolityczny rozkład wody i termiczny rozkład węglowodorów. Aktywność chemiczna wodoru jest określana przez jego zdolność do oddawania elektronu innemu atomowi lub dzielenia go prawie równo z innymi pierwiastkami w tworzeniu wiązania chemicznego lub przyłączania elektronu do innego pierwiastka w związku chemicznym zwanym wodorkiem. Wodór wytwarzany przez przemysł wykorzystywany jest w dużych ilościach do syntezy amoniaku, kwas azotowy, wodorki metali. Przemysł spożywczy wykorzystuje wodór do uwodorniania (uwodorniania) ciekłych olejów roślinnych na tłuszcze stałe (np. margarynę). Uwodornianie przekształca nasycone oleje organiczne zawierające podwójne wiązania między atomami węgla w nasycone zawierające pojedyncze wiązania węgiel-węgiel. Ciekły wodór o wysokiej czystości (99,9998%) jest wykorzystywany w rakietach kosmicznych jako wysoce wydajne paliwo.
właściwości fizyczne. Skraplanie i krzepnięcie wodoru wymaga bardzo niskich temperatur i wysokich ciśnień (patrz tabela właściwości). W normalne warunki wodór jest gazem bezbarwnym, bez zapachu i smaku, bardzo lekki: 1 litr wodoru w temperaturze 0°C i ciśnienie atmosferyczne ma masę 0,08987 g (porównaj gęstość powietrza i helu odpowiednio 1,2929 i 0,1785 g / l; dlatego Balon wypełniony helem i mający to samo siła podnoszenia, podobnie jak balon z wodorem, powinien mieć o 8% większą objętość). W tabeli przedstawiono niektóre właściwości fizyczne i termodynamiczne wodoru. WŁAŚCIWOŚCI ZWYKŁEGO WODORU
(przy 273,16 K lub 0°C)
Liczba atomowa 1 Masa atomowa 11H 1.00797 Gęstość, g/l

w normalne ciśnienie 0,08987 przy 2,5*10 5 atm 0,66 przy 2,7*10 18 atm 1,12*10 7

Promień kowalencyjny, 0,74 Temperatura topnienia, ° С -259,14 Temperatura wrzenia, ° С -252,5 Temperatura krytyczna, ° С -239,92 (33,24 K) Ciśnienie krytyczne, atm 12,8 (12,80 K) Pojemność cieplna, J/(molChK) 28,8 (H2) Rozpuszczalność

w wodzie, vol/100 objętości H2O (w warunkach standardowych) 2,148 w benzenie, ml/g (35,2°C, 150,2 atm) 11,77 w amoniaku, ml/g (25°C) przy 50 atm 4,47 w 1000 atm 79,25

Stany utlenienia -1, +1
Budowa atomu. Zwykły atom wodoru (protium) składa się z dwóch podstawowych cząstek (protonu i elektronu) i ma masę atomową 1. Ze względu na ogromną prędkość elektronu (2,25 km / s lub 7 * 1015 obr / s) i jego dualistyczną korpuskularną naturę falową, niemożliwe jest dokładne określenie współrzędnej (pozycji) elektronu w żadnym ten moment czasu, ale istnieją obszary o dużym prawdopodobieństwie znalezienia elektronu, a to one określają rozmiar atomu. Większość chemicznych i fizycznych właściwości wodoru, zwłaszcza tych związanych ze wzbudzeniem (pochłanianiem energii), jest przewidywana matematycznie dokładnie (patrz SPEKTROSKOPIA). Wodór jest podobny do metali alkalicznych pod tym względem, że wszystkie te pierwiastki są w stanie przekazać elektron do atomu akceptora, tworząc wiązanie chemiczne, które może różnić się od częściowo jonowego (przeniesienie elektronu) do kowalencyjnego (wspólna para elektronów). Z silnym akceptorem elektronów wodór tworzy dodatni jon H+; proton. Na orbicie elektronowej atomu wodoru mogą znajdować się 2 elektrony, więc wodór może również przyjąć elektron, tworząc jon ujemny H-, jon wodorkowy, co sprawia, że ​​wodór jest spokrewniony z halogenami, które charakteryzują się przyjęciem elektronu z utworzeniem ujemnego jonu halogenkowego typu Cl-. Dualizm wodoru znajduje odzwierciedlenie w tym, że w układzie okresowym pierwiastków znajduje się on w podgrupie IA (metale alkaliczne), a czasem w podgrupie VIIA (halogeny) (patrz też CHEMIA).
Właściwości chemiczne. O właściwościach chemicznych wodoru decyduje jego pojedynczy elektron. Ilość energii wymagana do oderwania tego elektronu jest większa niż jakikolwiek znany chemiczny środek utleniający. Dlatego wiązanie chemiczne wodór z innymi atomami jest bliższy kowalencyjnemu niż jonowemu. Wiązanie czysto kowalencyjne powstaje, gdy powstaje cząsteczka wodoru: H + H H2
Utworzenie jednego mola (tj. 2 g) H2 uwalnia 434 kJ. Nawet przy 3000 K stopień dysocjacji wodoru jest bardzo niski i wynosi 9,03%, przy 5000 K osiąga 94%, a dopiero przy 10000 K dysocjacja zostaje zakończona. Kiedy dwa mole (36 g) wody powstają z wodoru atomowego i tlenu (4H+O2 -> 2H2O), uwalniane jest ponad 1250 kJ i temperatura sięga 3000-4000 °C, podczas gdy spalanie wodoru cząsteczkowego (2H2+ O2 -> 2H2O) uwalnia tylko 285,8 kJ, a temperatura płomienia sięga tylko 2500 ° C. W temperaturze pokojowej wodór jest mniej reaktywny. Aby zainicjować większość reakcji, konieczne jest zerwanie lub poluzowanie silne połączenie H-H, zużywam dużo energii. Szybkość reakcji wodoru wzrasta przy zastosowaniu katalizatora (metale z grupy platynowców, tlenki przejściowe lub metale ciężkie) oraz metody wzbudzania cząsteczki (światło, wyładowanie elektryczne, łuk elektryczny, wysokie temperatury). W takich warunkach wodór reaguje z prawie każdym pierwiastkiem z wyjątkiem Gazy szlachetne. Aktywne pierwiastki alkaliczne i ziem alkalicznych (np. lit i wapń) reagują z wodorem, będąc donorami elektronów i tworząc związki zwane wodorkami soli (2Li + H2 -> 2LiH; Ca + H2 -> CaH2).
Ogólnie związki zawierające wodór nazywane są wodorkami. Różnorodność właściwości takich związków (w zależności od atomu związanego z wodorem) tłumaczy się zdolnością wodoru do wykazywania ładunku od -1 do prawie +1. Widać to wyraźnie w podobieństwie między LiH i CaH2 oraz solami takimi jak NaCl i CaCl2. Uważa się, że w wodorkach wodór jest naładowany ujemnie (H-); taki jon jest środkiem redukującym w kwaśnym środowisku wodnym: 2H-H2 + 2e- + 2,25B. Jon H- jest w stanie zredukować proton wody H+ do gazowego wodoru: H- + H2O (r) H2 + OH-.
Związki wodoru z borem – borowodorki (borowodorki) – reprezentują niezwykłą klasę substancji zwanych boranami. Ich najprostszym przedstawicielem jest BH3, który istnieje tylko w stabilnej postaci diboranu B2H6. Połączenia z duża ilość atomy boru dostają różne sposoby. Na przykład, znane są tetraboran B4H10, stabilny pentaboran B5H9 i niestabilny pentaboran B5H11, heksaboran B6H10, dekaboran B10H14. Diboran można otrzymać z H2 i BCl3 poprzez produkt pośredni B2H5Cl, który dysproporcjonuje do B2H6 w temperaturze 0°C, a także w reakcji LiH lub wodorku litowo-glinowego LiAlH4 z BCl3. W wodorku litowo-glinowym (związku złożonym - wodorku soli) cztery atomy wodoru tworzą wiązania kowalencyjne z Al, ale istnieje wiązanie jonowe Li + z [] -. Innym przykładem jonu zawierającego wodór jest jon borowodorkowy BH4-. Poniżej znajduje się przybliżona klasyfikacja wodorków według ich właściwości zgodnie z położeniem pierwiastków w układzie okresowym pierwiastków. Wodorki metali przejściowych nazywane są wodorkami metali lub pośrednimi i często nie tworzą związków stechiometrycznych, tj. stosunek atomów wodoru do metalu nie jest wyrażony jako liczba całkowita, na przykład wodorek wanadu VH0,6 i wodorek toru ThH3,1. Metale z grupy platynowców (Ru, Rh, Pd, Os, Ir i Pt) aktywnie pochłaniają wodór i służą jako skuteczne katalizatory reakcji uwodorniania (na przykład uwodornianie ciekłych olejów z wytworzeniem tłuszczów, konwersja azotu do amoniaku, synteza metanolu CH3OH z CO). Wodorki Be, Mg, Al i podgrupy Cu, Zn, Ga są polarne, termicznie niestabilne.

Niemetale tworzą lotne wodorki ogólna formuła MHx (x jest liczbą całkowitą) o stosunkowo niskiej temperaturze wrzenia i wysokie ciśnienie opary. Wodorki te znacznie różnią się od wodorków soli, w których wodór ma bardziej ujemny ładunek. Lotne wodorki (na przykład węglowodory) są zdominowane przez wiązanie kowalencyjne między niemetalami a wodorem. Wraz ze wzrostem charakteru niemetalicznego powstają związki z częściowo jonowym wiązaniem, na przykład H + Cl-, (H2) 2 + O2-, N3- (H3) 3 +. Poniżej podano oddzielne przykłady powstawania różnych wodorków (ciepło tworzenia wodorku podano w nawiasach):

Izomeria i izotopy wodoru. Atomy izotopów wodoru nie są do siebie podobne. Zwykły wodór, prot, jest zawsze protonem, wokół którego krąży jeden elektron, znajdującym się w dużej odległości od protonu (w stosunku do wielkości protonu). Obie cząstki mają spin, więc atomy wodoru mogą różnić się spinem elektronu, protonu lub jednym i drugim. Atomy wodoru różniące się spinem protonu lub elektronu nazywane są izomerami. Połączenie dwóch atomów o spinach równoległych prowadzi do powstania cząsteczki „ortowodorowej”, a przy przeciwnych spinach protonów do cząsteczki „parawodorowej”. Pod względem chemicznym obie cząsteczki są identyczne. Ortowodór ma bardzo słaby moment magnetyczny. W pokoju lub podniesiona temperatura oba izomery, ortowodór i parawodór, są zwykle w równowadze w stosunku 3:1. Po schłodzeniu do 20 K (-253°C) zawartość parawodoru wzrasta do 99%, ponieważ jest bardziej stabilny. Po upłynnieniu przemysłowymi metodami oczyszczania forma orto przechodzi w formę para z uwolnieniem ciepła, co powoduje utratę wodoru z odparowania. Szybkość konwersji formy orto do formy para wzrasta w obecności katalizatora takiego jak węgiel drzewny, tlenek niklu, tlenek chromu osadzony na tlenku glinu. Protium jest pierwiastkiem niezwykłym, ponieważ nie zawiera neutronów w swoim jądrze. Jeśli w jądrze pojawi się neutron, to taki wodór nazywa się deuterem 21D. Pierwiastki o tej samej liczbie protonów i elektronów oraz inna kwota neutrony nazywane są izotopami. Naturalny wodór zawiera niewielką ilość HD i D2. Podobnie woda naturalna zawiera niskie stężenia (poniżej 0,1%) DOH i D2O. Ciężka woda D2O, o masie większej niż H2O, różni się właściwościami fizycznymi i chemicznymi, na przykład gęstość zwykłej wody wynosi 0,9982 g / ml (20 ° C), a ciężka - 1,105 g / ml, temperatura topnienia zwykłej wody wynosi 0, 0 ° C, a ciężkiej - 3,82 ° C, temperatura wrzenia wynosi odpowiednio 100 ° C i 101,42 ° C. Reakcje z udziałem D2O przebiegają z mniejszą szybkością (na przykład elektroliza naturalna woda zawierające domieszkę D2O, z dodatkiem alkalicznego NaOH). Szybkość rozkładu elektrolitycznego tlenku protu H2O jest wyższa niż D2O (biorąc pod uwagę stały wzrost udziału D2O poddanego elektrolizie). Ze względu na bliskość właściwości protium i deuteru możliwe jest zastąpienie protium deuterem. Takie połączenia nazywane są etykietami. Mieszając związki deuteru ze zwykłą substancją zawierającą wodór, można badać sposoby, naturę i mechanizm wielu reakcji. Metoda ta służy do badania reakcji biologicznych i biochemicznych, takich jak procesy trawienia. Trzeci izotop wodoru, tryt (31T), występuje w przyrodzie w śladowych ilościach. W przeciwieństwie do stabilnego deuteru, tryt jest radioaktywny i ma okres półtrwania 12,26 lat. Tryt rozpada się na hel (32He) z uwolnieniem cząstki b (elektronu). Tryt i tritydy metali są wykorzystywane do produkcji energii jądrowej; na przykład w bomba wodorowa zachodzi następująca reakcja fuzji: 21H + 31H -> 42He + 10n + 17,6 MeV
Uzyskanie wodoru. Często o dalszym wykorzystaniu wodoru decyduje charakter samej produkcji. W niektórych przypadkach, na przykład przy syntezie amoniaku, niewielkie ilości azotu w pierwotnym wodorze oczywiście nie są szkodliwym zanieczyszczeniem. Domieszka tlenku węgla (II) również nie będzie przeszkadzać, jeśli wodór jest stosowany jako środek redukujący. 1. Największa produkcja wodoru oparta jest na katalitycznej konwersji węglowodorów parą wodną według schematu CnH2n + 2 + nH2O (r) nCO + (2n + 1)H2 i CnH2n + 2 + 2nH2O (r) nCO2 + (3n + 1)H2. Temperatura procesu zależy od składu katalizatora. Wiadomo, że temperaturę reakcji z propanem można obniżyć do 370°C przy użyciu boksytu jako katalizatora. Do 95% wytworzonego CO jest zużywane w dalszej reakcji z parą wodną: H2O + CO -> CO2 + H2
2. Metoda z gazem wodnym zapewnia znaczną część całkowitej produkcji wodoru. Istotą metody jest reakcja pary wodnej z koksem, w wyniku której powstaje mieszanina CO i H2. Reakcja jest endotermiczna (DH° = 121,8 kJ/mol) i jest przeprowadzana w 1000° C. Ogrzany koks traktuje się parą; uwolniona mieszanina oczyszczonych gazów zawiera trochę wodoru, duży procent CO i niewielką domieszkę CO2. Aby zwiększyć wydajność H2, tlenek CO jest usuwany przez dalszą obróbkę parą w 370°C, wytwarzając więcej CO2. Dwutlenek węgla można dość łatwo usunąć, przepuszczając mieszaninę gazów przez płuczkę nawadnianą wodą w przeciwprądzie. 3. Elektroliza. W procesie elektrolitycznym wodór jest w rzeczywistości produktem ubocznym wytwarzania głównych produktów, chloru i alkaliów (NaOH). Elektrolizę przeprowadza się w lekko alkalicznym środowisku wodnym w temperaturze 80°C i napięciu około 2V, przy użyciu katody żelaznej i anody niklowej:

4. Metoda żelazowo-parowa, zgodnie z którą para o temperaturze 500-1000 ° C przepuszczana jest przez żelazo: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 + 160,67 kJ. Wodór wytworzony tą metodą jest zwykle używany do uwodorniania tłuszczów i olejów. Skład tlenku żelaza zależy od temperatury procesu; dla nC + (n + 1)H2
6. Następna pod względem produkcji jest metoda metanolowo-parowa: CH3OH + H2O -> 3H2 + CO2. Reakcja jest endotermiczna i jest przeprowadzana w 260°C HYDROGEN w konwencjonalnych stalowych reaktorach pod ciśnieniem do 20 atm. 7. Katalityczny rozkład amoniaku: 2NH3 -> Reakcja jest odwracalna. Przy małym zapotrzebowaniu na wodór proces ten jest nieekonomiczny. Istnieje również różne drogi produkcja wodoru, który choć nie ma wielkiego znaczenia przemysłowego, w niektórych przypadkach może być najbardziej korzystny ekonomicznie. Bardzo czysty wodór jest otrzymywany przez hydrolizę oczyszczonych wodorków metali alkalicznych; w tym przypadku dużo wodoru powstaje z niewielkiej ilości wodorku: LiH + H2O -> LiOH + H2
(Ta metoda jest wygodna przy bezpośrednim użyciu powstałego wodoru). Wodór jest również uwalniany, gdy kwasy reagują z aktywnymi metalami, ale zwykle jest zanieczyszczony kwaśnymi parami lub innym gazowym produktem, takim jak fosfina PH3, siarkowodór H2S, arsyna AsH3. Najbardziej aktywne metale reagując z wodą wypierają wodór i tworzą roztwór zasadowy: 2H2O + 2Na -> H2 + 2NaOH Powszechne metoda laboratoryjna otrzymywanie H2 w aparacie Kippa w reakcji cynku z kwasem solnym lub siarkowym:
Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2. Wodorki metali ziem alkalicznych (np. CaH2), złożone wodorki soli (np. LiAlH4 lub NaBH4) i niektóre borowodorki (np. B2H6) uwalniają wodór podczas reakcji z wodą lub podczas dysocjacji termicznej. Węgiel brunatny i para wodna w wysokiej temperaturze również oddziałują z uwalnianiem wodoru.
Oczyszczanie wodoru. Stopień wymaganej czystości wodoru zależy od jego zakresu. Domieszka dwutlenku węgla jest usuwana przez zamrażanie lub upłynnianie (na przykład przepuszczanie gazowej mieszaniny przez ciekły azot). To samo zanieczyszczenie można całkowicie usunąć przez przepuszczanie bąbelków przez wodę. CO można usunąć przez katalityczną konwersję do CH4 lub CO2 lub przez upłynnienie z obróbką ciekłym azotem. Zanieczyszczenia tlenowe powstałe w procesie elektrolizy są usuwane w postaci wody po wyładowaniu iskry.
Wykorzystanie wodoru. Wodór wykorzystywany jest głównie w przemyśle chemicznym do produkcji chlorowodoru, amoniaku, metanolu i innych związków organicznych. Wykorzystywany jest do uwodorniania olejów, a także węgla i ropy naftowej (do konwersji paliw niskiej jakości na wysokiej jakości). W metalurgii wodór jest używany do redukcji niektórych metali nieżelaznych z ich tlenków. Wodór służy do chłodzenia potężnych generatorów elektrycznych. Izotopy wodoru są wykorzystywane w energetyce jądrowej. Płomień wodorowo-tlenowy służy do cięcia i spawania metali.
LITERATURA
Niekrasow B.V. Podstawy chemii ogólnej. M., 1973 Ciekły wodór. M., 1980 Wodór w metalach. M., 1981

Encyklopedia Colliera. - Społeczeństwo otwarte. 2000 .

Synonimy:

Zobacz, co „WODÓR” znajduje się w innych słownikach:

Tabela nuklidów Informacje ogólne Nazwa, symbol Wodór 4, 4H Neutrony 3 Protony 1 Właściwości nuklidów Masa atomowa 4.027810 (110) ... Wikipedia

Spis nuklidów Informacje ogólne Nazwa, symbol Wodór 5, 5H Neutrony 4 Protony 1 Właściwości nuklidów Masa atomowa 5.035310 (110) ... Wikipedia

Spis nuklidów Informacje ogólne Nazwa, symbol Wodór 6, 6H Neutrony 5 Protony 1 Właściwości nuklidów Masa atomowa 6,044940 (280) ... Wikipedia

Spis nuklidów Informacje ogólne Nazwa, symbol Wodór 7, 7H Neutrony 6 Protony 1 Właściwości nuklidów Masa atomowa 7.052750 (1080) ... Wikipedia