Väte i naturen (0,9 % i jordskorpan). Fysikaliska och kemiska egenskaper hos väte

Väte är ett speciellt element som upptar två celler samtidigt i Mendeleevs periodiska system. Den är belägen i två grupper av element med motsatta egenskaper, och denna funktion gör den unik. Väte är ett enkelt ämne och integrerad del många komplexa föreningar, det är ett organogent och biogent element. Det är värt att bekanta dig i detalj med dess huvuddrag och egenskaper.

Väte i Mendeleevs periodiska system

De viktigaste egenskaperna hos väte anges i:

• elementets serienummer är 1 (det finns samma antal protoner och elektroner);
• atomisk massaär 1,00795;
• väte har tre isotoper, som var och en har speciella egenskaper;
• på grund av innehållet av endast en elektron kan väte uppvisa reducerande och oxiderande egenskaper, och efter donationen av en elektron har väte en fri orbital, som deltar i sammansättningen kemiska bindningar enligt donator-acceptor-mekanismen;
• väte är ett lätt grundämne med låg densitet;
• väte är ett starkt reduktionsmedel, det öppnar gruppen alkaliska metaller i den första gruppen av huvudundergruppen;
• när väte reagerar med metaller och andra starka reduktionsmedel, accepterar det deras elektron och blir ett oxidationsmedel. Sådana föreningar kallas hydrider. Enligt den indikerade egenskapen tillhör väte villkorligt gruppen halogener (i tabellen anges det ovan fluor inom parentes), med vilken det har likheter.

Väte som ett enkelt ämne

Väte är en gas vars molekyl består av två. Detta ämne upptäcktes 1766 av den brittiske vetenskapsmannen Henry Cavendish. Han bevisade att väte är en gas som exploderar när den interagerar med syre. Efter att ha studerat väte fann kemister att detta ämne är det lättaste av alla som människan känner till.

En annan forskare, Lavoisier, gav grundämnet namnet "hydrogenium", som på latin betyder "föda vatten". 1781 bevisade Henry Cavendish att vatten är en kombination av syre och väte. Med andra ord, vatten är produkten av reaktionen mellan väte och syre. Vätets brännbara egenskaper var kända även för forntida vetenskapsmän: motsvarande uppgifter lämnades av Paracelsus, som levde på 1500-talet.

Molekylärt väte är en naturligt förekommande gasformig förening som är vanlig i naturen, som består av två atomer och när en brinnande splitter tas upp. En vätemolekyl kan sönderfalla till atomer som förvandlas till heliumkärnor, eftersom de kan delta i kärnreaktioner. Sådana processer sker regelbundet i rymden och på solen.

Väte och dess fysikaliska egenskaper

Väte har följande fysiska parametrar:

• kokar vid -252,76 °C;
• smälter vid -259,14°C; *inom de angivna temperaturgränserna är väte en luktfri, färglös vätska;
• väte är svagt lösligt i vatten;
• väte kan teoretiskt gå in i ett metalliskt tillstånd när det tillhandahålls speciella villkor (låga temperaturer och högtryck)
• rent väte är ett explosivt och brännbart ämne;
• väte kan diffundera genom tjockleken av metaller, därför löser det sig väl i dem;
• väte är 14,5 gånger lättare än luft;
• på högt tryck snöliknande kristaller av fast väte kan erhållas.

Vätets kemiska egenskaper

Laboratoriemetoder:

• interaktion av utspädda syror med aktiva metaller och metaller med medelhög aktivitet;
• hydrolys av metallhydrider;
• reaktion med vatten av alkali- och jordalkalimetaller.

Väteföreningar:

Vätehalogenider; flyktiga väteföreningar av icke-metaller; hydrider; hydroxider; vätehydroxid (vatten); Väteperoxid; organiska föreningar (proteiner, fetter, kolhydrater, vitaminer, lipider, eteriska oljor, hormoner). Klicka för att se säkra experiment om studiet av egenskaperna hos proteiner, fetter och kolhydrater.

För att samla upp det resulterande vätet måste du hålla provröret vänt upp och ner. Väte kan inte samlas upp som koldioxid, eftersom det är mycket lättare än luft. Väte avdunstar snabbt och när det blandas med luft (eller i en stor ansamling) exploderar det. Därför är det nödvändigt att vända röret. Direkt efter fyllning stängs röret med en gummipropp.

För att kontrollera vätets renhet måste du ta med en tänd tändsticka till halsen på provröret. Om en döv och tyst pop uppstår är gasen ren och luftföroreningar minimala. Om popet är högt och visslar är gasen i provröret smutsig, det innehåller en stor andel främmande komponenter.

Uppmärksamhet! Försök inte att upprepa dessa experiment själv!

Väteatomen, jämfört med atomerna i andra grundämnen, har den enklaste strukturen: den består av en proton.

alstrande atomkärna, och en elektron placerad i ls-orbitalen. Det unika med väteatomen ligger i det faktum att dess enda valenselektron är direkt i atomkärnans verkningsfält, eftersom den inte är skyddad av andra elektroner. Detta ger den specifika egenskaper. Han kan komma in kemiska reaktioner donera sin elektron och bilda en H+-katjon (som alkalimetallatomer), eller lägg till en elektron från en partner för att bilda en H-anjon (som halogenatomer). Därför placeras väte i det periodiska systemet oftare i grupp IA, ibland i grupp VIIA, men det finns varianter av tabeller där väte inte tillhör någon av grupperna i det periodiska systemet.

Vätemolekylen är diatomisk - H2. Väte är den lättaste av alla gaser. På grund av opolariteten och den höga hållfastheten hos H2-molekylen (E St\u003d 436 kJ / mol) under normala förhållanden interagerar väte aktivt endast med fluor, och när det är upplyst, även med klor och brom. När den upphettas, reagerar den med många icke-metaller, klor, brom, syre, svavel, uppvisar reducerande egenskaper och interagerar med alkali- och jordalkalimetaller, det är ett oxidationsmedel och bildar hydrider av dessa metaller:

Bland alla organogener har väte den lägsta relativa elektronegativiteten (0E0 = 2,1), därför uppvisar väte i naturliga föreningar alltid ett oxidationstillstånd på +1. Från den kemiska termodynamikens position kan väte i levande system som innehåller vatten inte bilda vare sig molekylärt väte (Н 2) eller hydridjon (Н~). Molekylärt väte vid normala förhållanden den är kemiskt inaktiv och samtidigt mycket flyktig, varför den inte kan behållas av kroppen och delta i ämnesomsättningen. Hydridjonen är kemiskt extremt aktiv och interagerar omedelbart även med en mycket liten mängd vatten för att bilda molekylärt väte. Därför är väte i kroppen antingen i form av föreningar med andra organogener, eller i form av en H + katjon.

Väte med organogena element bildar endast kovalenta bindningar. Beroende på graden av polaritet är dessa bindningar ordnade i följande ordning:

Denna serie är mycket viktig för kemin naturliga föreningar eftersom polariteten hos dessa bindningar och deras polariserbarhet förutbestämmer föreningarnas sura egenskaper, dvs dissociation med bildningen av en proton.

sura egenskaper. Beroende på arten av det element som bildas X-N anslutning, det finns 4 typer av syror:

OH-syror (karboxylsyror, fenoler, alkoholer);

SH-syror (tioler);

NH-syror (amider, imider, aminer);

CH-syror (kolväten och deras derivat).

Med tanke på den höga polariserbarheten S-H anslutningar kan göras nästa rad syror beroende på förmågan att dissociera:

Koncentrationen av vätekatjoner i vattenmiljön bestämmer dess surhet, vilket uttrycks med pH-värdet pH = -lg (avsnitt 7.5). De flesta fysiologiska miljöer i kroppen har en reaktion nära neutral (pH = 5,0-7,5), endast i magsaft pH = 1,0-2,0. Detta ger å ena sidan en antimikrobiell effekt som dödar många mikroorganismer som förs in i magen med mat; på andra sidan, sur miljö har en katalytisk effekt vid hydrolys av proteiner, polysackarider och andra biosubstrat, vilket bidrar till produktionen av de nödvändiga metaboliterna.

redoxegenskaper. På grund av den höga positiva laddningstätheten är vätekatjonen ett ganska starkt oxidationsmedel (f° = 0 V), som oxiderar aktiva och medelaktiva metaller när de interagerar med syror och vatten:

Det finns inga så starka reduktionsmedel i levande system, och oxidationsförmågan hos vätekatjoner i ett neutralt medium (pH = 7) reduceras avsevärt (f° = -0,42 V). Därför uppvisar vätekatjonen i kroppen inte oxiderande egenskaper, utan deltar aktivt i redoxreaktioner, vilket bidrar till omvandlingen av utgångsämnena till reaktionsprodukter:

I alla de givna exemplen ändrade inte väteatomerna sitt oxidationstillstånd +1.

Reducerande egenskaper är karakteristiska för molekylärt och speciellt atomärt väte, det vill säga väte vid frisättningsögonblicket direkt i reaktionsmediet, såväl som för hydridjonen:

Det finns dock inga sådana reduktionsmedel (H2 eller H-) i levande system, och därför finns det inga sådana reaktioner. Den åsikt som finns i litteraturen, inklusive läroböcker, att väte är bäraren av de reducerande egenskaperna hos organiska föreningar stämmer inte överens med verkligheten; sålunda, i levande system, den reducerade formen av dehydrogenas-koenzym, där kolatomer, snarare än väteatomer, fungerar som en reducering av biosubstrat (avsnitt 9.3.3).

komplexbildande egenskaper. På grund av närvaron av en fri atomomloppsbana i vätekatjonen och den höga polariserande effekten av själva H+-katjonen är det en aktiv komplexbildande jon. Så i ett vattenhaltigt medium bildar en vätekatjon en hydroniumjon H3O +, och i närvaro av ammoniak, en ammoniumjon NH4:

Tendens att bilda medarbetare. Högpolära väteatomer O-H anslutningar och N-H bildar vätebindningar (avsnitt 3.1). Styrkan hos en vätebindning (från 10 till 100 kJ/mol) beror på storleken på de lokaliserade laddningarna och längden på vätebindningen, dvs på avståndet mellan atomerna i de elektronegativa elementen som är involverade i dess bildning. För aminosyror, kolhydrater, proteiner, nukleinsyror följande längder av vätebindningar är karakteristiska, pm:

På grund av vätebindningar uppstår reversibla intermolekylära interaktioner mellan substratet och enzymet, mellan enskilda grupper i naturliga polymerer, som bestämmer deras sekundära, tertiära och kvartära strukturer (avsnitt 21.4, 23.4). Vätebindningen spelar en ledande roll i egenskaperna hos vatten som lösningsmedel och reagens.

Vatten och dess egenskaper. Vatten är den viktigaste föreningen av väte. Alla kemiska reaktioner i kroppen sker endast i vattenmiljön, liv utan vatten är omöjligt. Vatten som lösningsmedel övervägdes i avsnitt. 6.1.

Syra-bas egenskaper. Vatten som reagens ur synpunkten av syra-basegenskaper är en sann amfolyt (avsnitt 8.1). Detta visar sig både i hydrolys av salter (avsnitt 8.3.1) och i dissociation av syror och baser i ett vattenhaltigt medium (avsnitt 8.3.2).

Kvantitativ egenskap aciditet vattenmiljöerär PH värde pH.

Vatten som ett syra-basreagens är involverat i hydrolysreaktionerna av biosubstrat. Till exempel fungerar hydrolys av adenosintrifosfat som en källa till lagrad energi för kroppen, enzymatisk hydrolys av onödiga proteiner tjänar till att erhålla aminosyror, som är utgångsmaterialet för syntesen av nödvändiga proteiner. Samtidigt är H+-katjoner eller OH–-anjoner syra-baskatalysatorer för biosubstrathydrolysreaktioner (avsnitt 21.4, 23.4).

redoxegenskaper. I en vattenmolekyl är både väte och syre i stabila oxidationstillstånd. Vatten uppvisar därför inte uttalade redoxegenskaper. Redoxreaktioner är möjliga när vatten endast interagerar med mycket aktiva reduktionsmedel eller mycket aktiva oxidationsmedel, eller under förhållanden med stark aktivering av reagensen.

Vatten kan vara ett oxidationsmedel på grund av vätekatjoner när det interagerar med starka reduktionsmedel, såsom alkali- och jordalkalimetaller eller deras hydrider:

På höga temperaturer interaktion av vatten med mindre aktiva reduktionsmedel är möjlig:

I levande system fungerar deras vattenkomponent aldrig som ett oxidationsmedel, eftersom detta skulle leda till att dessa system förstörs på grund av bildandet och irreversibelt avlägsnande av molekylärt väte från organismer.

Vatten kan fungera som ett reduktionsmedel på grund av syreatomer, till exempel när det interagerar med ett så starkt oxidationsmedel som fluor:

Under påverkan av ljus och med deltagande av klorofyll fortsätter fotosyntesprocessen i växter med bildandet av O2 från vatten (avsnitt 9.3.6):

Förutom direkt deltagande i redoxtransformationer deltar vatten och dess dissociationsprodukter H+ och OH- som ett medium som bidrar till uppkomsten av många redoxreaktioner på grund av dess höga polaritet (=79) och deltagandet av jonerna som bildas av det i omvandlingen av initiala ämnen till slutgiltiga (avsnitt 9.1).

komplexbildande egenskaper. På grund av närvaron av två odelade elektronpar vid syreatomen är vattenmolekylen en ganska aktiv monodentat ligand, som bildar en komplex oxoniumjon H 3 0 + med en vätekatjon, och ganska stabila vattenkomplex med metallkatjoner i vattenlösningar t.ex. [Ca(H20)6]2+, [Fe(H20)6]3+, 2+. I dessa komplexa joner är nodmolekylerna kovalent bundna till de komplexbildande medlen ganska fast. Alkalimetallkatjoner bildar inte vattenkomplex utan bildar hydratiserade katjoner på grund av elektrostatiska krafter. Tid avgjort liv vattenmolekyler i hydratiseringsskalen hos dessa katjoner överstiger inte 0,1 s, och deras sammansättning när det gäller antalet vattenmolekyler kan lätt ändras.

Tendens att bilda medarbetare. På grund av den höga polariteten, som främjar elektrostatisk växelverkan och bildandet av vätebindningar, bildar vattenmolekyler även i rent vatten (sektion 6.1) intermolekylära associationer som skiljer sig åt i struktur, antal molekyler och tiden för deras fasta liv i associerade föreningar. , såväl som livslängden för medarbetarna själva. Således, rent vattenär ett öppet komplex dynamiskt system. Under påverkan av yttre faktorer: radioaktiv, ultraviolett och laserstrålning, elastiska vågor, temperatur, tryck, elektriska, magnetiska och elektromagnetiska fält från artificiella och naturliga källor (rymd, sol, jord, levande föremål) - vatten förändrar sina strukturella och informationsegenskaper och följaktligen förändras dess biologiska och fysiologiska funktioner.

Förutom självassociering hydratiserar vattenmolekyler joner, polära molekyler och makromolekyler, bildar hydratiseringsskal runt dem, och stabiliserar därigenom dem i lösning och främjar deras upplösning (avsnitt 6.1). Ämnen vars molekyler är opolära och relativt små i storlek kan endast lösas upp något i vatten och fylla tomrummen i dess associerade med en viss struktur. I det här fallet, som ett resultat av hydrofob interaktion, strukturerar opolära molekyler hydratiseringsskalet som omger dem, vilket gör det till en strukturerad associering, vanligtvis med en isliknande struktur, inuti vilken denna opolära molekyl är belägen.

Hos levande organismer kan två kategorier av vatten särskiljas - "bundet" och "fritt", det senare finns tydligen bara i den intercellulära vätskan (avsnitt 6.1). bundet vatten, i sin tur, är uppdelad i "strukturerat" (starkt bundet) och "destrukturerat" (svagt bundet eller löst) vatten. Förmodligen påverkar alla ovanstående externa faktorer vattnets tillstånd i kroppen, vilket ändrar förhållandena: "strukturerat" / "destrukturerat" och "bundet" / "fritt" vatten, såväl som dess strukturella och dynamiska parametrar. Detta manifesteras i förändringar i kroppens fysiologiska tillstånd. Det är möjligt att intracellulärt vatten kontinuerligt genomgår reglerade, främst av proteiner, pulserande övergångar från ett "strukturerat" till ett "destrukturerat" tillstånd. Dessa övergångar är sammankopplade med utdrivningen av förbrukade metaboliter (slagg) från cellen och absorptionen av nödvändiga ämnen. Med modern punkt av synen är vatten involverat i bildandet av en enda intracellulär struktur, på grund av vilken ordningen i livsprocesserna uppnås. Därför, enligt det figurativa uttrycket av A. Szent-Gyorgyi, är vatten i kroppen "livets matris".

Vatten i naturen. Vatten är det viktigaste och mest utbredda ämnet på jorden. Yta Globen 75% täckt med vatten. Världshavets volym är 1,4 miljarder km 3 . Samma mängd vatten finns i mineraler i form av kristallvatten. Atmosfären innehåller 13 tusen km 3 vatten. Samtidigt är reserverna av färskvatten lämpligt för dricksvatten och hushållsbehov ganska begränsade (volymen av alla sötvattenreservoarer är 200 tusen km 3). Färskt vatten, som används i vardagen, innehåller olika föroreningar från 0,05 till 1 g / l, oftast är dessa salter: bikarbonater, klorider, sulfater, inklusive lösliga kalcium- och magnesiumsalter, vars närvaro gör vattnet hårt (avsnitt 14.3). För närvarande säkerhet Vattenresurser och städning Avloppsvattenär de mest angelägna miljöfrågorna.

I vanligt vatten finns ca 0,02 % tungt vatten D2O (D - deuterium). Det ackumuleras under avdunstning eller elektrolys av vanligt vatten. Tungt vatten är giftigt. Tungt vatten används för att studera vattnets rörelse i levande organismer. Med dess hjälp fastställdes det att vattenrörelsens hastighet i vävnaderna hos vissa växter når 14 m/h, och vattnet som dricks av en person är helt fördelat över hans organ och vävnader på 2 timmar och avlägsnas helt från kroppen först efter två veckor. Levande organismer innehåller från 50 till 93% vatten, vilket är en oumbärlig deltagare i alla livsprocesser. Livet är omöjligt utan vatten. Med en förväntad livslängd på 70 år förbrukar en person cirka 70 ton vatten med mat och dryck.

I vetenskapliga och medicinsk praktik används i stor utsträckning destillerat vatten- färglös transparent vätska, luktfri och smaklös, pH = 5,2-6,8. Detta är ett farmakopépreparat för framställning av många doseringsformer.

Vatten för injektioner(pyrogent vatten) - också ett farmakopépreparat. Detta vatten innehåller inga pyrogena ämnen. Pyrogener är ämnen av bakteriellt ursprung - metaboliter eller avfallsprodukter från bakterier som, när de kommer in i kroppen, orsakar frossa, feber, huvudvärk och försämrad kardiovaskulär aktivitet. Apyrogent vatten framställs genom dubbeldestillation av noden (bidistillat) under aseptiska förhållanden och används inom 24 timmar.

Avslutningsvis avsnittet är det nödvändigt att betona egenskaperna hos väte som ett biogent element. I levande system uppvisar väte alltid ett oxidationstillstånd på +1 och förekommer antingen som en polär kovalent bindning med andra biogena element, eller som en H+-katjon. Vätekatjonen är en bärare av sura egenskaper och ett aktivt komplexbildande medel som interagerar med fria elektronpar av atomer från andra organogener. Ur redoxegenskapers synvinkel uppvisar bundet väte under kroppens förhållanden inte egenskaperna hos varken ett oxidationsmedel eller ett reduktionsmedel, men vätekatjonen deltar aktivt i många redoxreaktioner, utan att ändra sitt oxidationstillstånd, men bidrar till omvandling av biosubstrat till reaktionsprodukter. Väte bundet till elektronegativa element bildar vätebindningar.

Det vanligaste grundämnet i universum är väte. När det gäller stjärnor har den formen av kärnor - protoner - och är materialet för termonukleära processer. Nästan hälften av solens massa består också av H 2 -molekyler. Dess innehåll i jordskorpan når 0,15%, och atomer finns i oljans sammansättning, naturgas, vatten. Tillsammans med syre, kväve och kol är det ett organogent grundämne som ingår i alla levande organismer på jorden. I vår artikel kommer vi att studera det fysiska och Kemiska egenskaper väte, definierar vi huvudområdena för dess tillämpning inom industrin och dess betydelse i naturen.

Position i det periodiska systemet av kemiska element i Mendeleev

Det första grundämnet som öppnar det periodiska systemet är väte. Dess atommassa är 1,0079. Den har två stabila (protium och deuterium) och en radioaktiv isotop (tritium). Fysikaliska egenskaper bestäms av platsen för icke-metallen i tabellen kemiska grundämnen. Under normala förhållanden är väte (dess formel är H 2) en gas som är nästan 15 gånger lättare än luft. Strukturen hos ett grundämnes atom är unik: den består av endast en kärna och en elektron. Molekylen av ett ämne är diatomisk, partiklarna i den är anslutna med hjälp av en kovalent icke-polär bindning. Dess energiintensitet är ganska hög - 431 kJ. Detta förklarar föreningens låga kemiska aktivitet under normala förhållanden. Den elektroniska formeln för väte är: H:H.

Ämnet har hela raden egenskaper som inte har några analoger bland andra icke-metaller. Låt oss överväga några av dem.

Löslighet och värmeledningsförmåga

Metaller leder värme bäst, men väte närmar sig dem när det gäller värmeledningsförmåga. Förklaringen till fenomenet ligger i själva hög hastighet termisk rörelse av lätta molekyler av ett ämne, därför, i en väteatmosfär, kyls ett uppvärmt föremål 6 gånger snabbare än i luft. Föreningen kan lösas bra i metaller, till exempel kan nästan 900 volymer väte absorberas av en volym palladium. Metaller kan ingå i kemiska reaktioner med H 2 där vätets oxiderande egenskaper manifesteras. I det här fallet bildas hydrider:

2Na + H2 \u003d 2 NaH.

I denna reaktion accepterar atomerna i ett element elektroner från metallpartiklar och förvandlas till anjoner med en negativ enhetsladdning. Ett enkelt ämne H 2 är i detta fall ett oxidationsmedel, vilket vanligtvis inte är typiskt för det.

Väte som reduktionsmedel

Det som förenar metaller och väte är inte bara hög värmeledningsförmåga, utan också deras atomers förmåga att kemiska processer donera sina egna elektroner, det vill säga oxidera. Till exempel reagerar basiska oxider med väte. Redoxreaktionen slutar med frigörandet av ren metall och bildandet av vattenmolekyler:

CuO + H2 \u003d Cu + H2O.

Interaktionen av ett ämne med syre under uppvärmning leder också till produktion av vattenmolekyler. Processen är exoterm och åtföljs av frisättningen ett stort antal värmeenergi. Om en gasblandning av H 2 och O 2 reagerar i ett förhållande av 2: 1, kallas det eftersom det exploderar när det antänds:

2H2 + O2 \u003d 2H2O.

Vatten är och spelar en viktig roll i bildandet av jordens hydrosfär, klimat och väder. Det ger cirkulationen av element i naturen, stöder alla livsprocesser för organismer - invånarna på vår planet.

Interaktion med icke-metaller

Vätets viktigaste kemiska egenskaper är dess reaktioner med icke-metalliska element. På normala förhållandenär tillräckligt kemiskt inerta, så ämnet kan bara reagera med halogener, till exempel med fluor eller klor, som är de mest aktiva av alla icke-metaller. Så en blandning av fluor och väte exploderar i mörker eller i kyla, och med klor - när den värms upp eller i ljus. Reaktionsprodukterna kommer att vara vätehalogenider, vars vattenlösningar är kända som fluorid- och kloridsyror. C interagerar vid en temperatur på 450-500 grader, ett tryck på 30-100 MPa och i närvaro av en katalysator:

N2 + 3H2 ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH3.

Vätgas anses kemiska egenskaper har stor betydelse för industrin. Till exempel kan du få en värdefull kemisk produkt - ammoniak. Det är det huvudsakliga råmaterialet för produktion av nitratsyra och kvävegödselmedel: urea, ammoniumnitrat.

organiskt material

Mellan kol och väte leder till produktionen av det enklaste kolvätet - metan:

C + 2H2 = CH4.

Ämnet är den viktigaste beståndsdelen i det naturliga ämnet och används som en värdefull typ av bränsle och råvara för industrin för organisk syntes.

I kemin av kolföreningar ingår ett element i ett stort antal ämnen: alkaner, alkener, kolhydrater, alkoholer, etc. Många reaktioner av organiska föreningar med H 2 -molekyler är kända. De har på sig vanligt namn hydrering eller hydrering. Så aldehyder kan reduceras med väte till alkoholer, omättade kolväten - till alkaner. Till exempel omvandlas eten till etan:

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

Viktig praktiskt värde har sådana kemiska egenskaper hos väte som till exempel hydrogenering av flytande oljor: solros, majs, raps. Det leder till produktion av fast fett - ister, som används vid produktion av glycerin, tvål, stearin, durum sorter margarin. För förbättring utseende och smaklighet livsmedel, mjölk, animaliska fetter, socker, vitaminer tillsätts till den.

I vår artikel studerade vi egenskaperna hos väte och fick reda på dess roll i naturen och mänskligt liv.

DEFINITION

Väte- det första elementet i det periodiska systemet av kemiska element i D.I. Mendelejev. Symbolen är N.

Atommassa - 01:00 Vätemolekylen är diatomisk - H 2.

Elektronisk konfiguration väteatom - 1s 1. Väte tillhör familjen s-element. I sina föreningar uppvisar den oxidationstillstånd -1, 0, +1. Naturligt väte består av två stabila isotoper - protium 1 H (99,98%) och deuterium 2 H (D) (0,015%) - och en radioaktiv isotop av tritium 3 H (T) (spårmängder, halveringstid - 12,5 år) .

Vätets kemiska egenskaper

Under normala förhållanden uppvisar molekylärt väte en relativt låg reaktivitet, vilket förklaras av den höga bindningsstyrkan i molekylen. När den värms upp interagerar den med nästan alla enkla ämnen som bildas av element i huvudundergrupperna (förutom ädelgaser B, Si, P, Al). I kemiska reaktioner kan det fungera både som ett reduktionsmedel (oftare) och ett oxidationsmedel (mer sällan).

Väte manifesterar sig reduktionsmedelsegenskaper(H20-2e → 2H+) i följande reaktioner:

1. Reaktioner av interaktion med enkla ämnen - icke-metaller. Väte reagerar med halogener dessutom reaktionen av interaktion med fluor under normala förhållanden, i mörker, med en explosion, med klor - under belysning (eller UV-bestrålning) med en kedjemekanism, med brom och jod endast vid upphettning; syre(en blandning av syre och väte i ett volymförhållande på 2:1 kallas "explosiv gas"), grå, kväve och kol:

H2 + Hal2 \u003d 2HHal;

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

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

3H2 + N2 ↔ 2NH3 (t = 50°C, p, kat = Fe, Pt);

2H2 + C ↔ CH4 (t, p, kat).

2. Reaktioner av interaktion med komplexa ämnen. Väte reagerar med oxider av lågaktiva metaller, och det kan endast reducera metaller som finns i aktivitetsserien till höger om zink:

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

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

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

Väte reagerar med icke-metalloxider:

H2 + CO2 ↔ CO + H2O (t);

2H2 + CO ↔ CH3OH (t = 30°C, p = 250 - 300 atm., kat = ZnO, Cr2O3).

Väte går in i hydreringsreaktioner med organiska föreningar klassen av cykloalkaner, alkener, arener, aldehyder och ketoner, etc. Alla dessa reaktioner utförs under uppvärmning, under tryck, platina eller nickel används som katalysatorer:

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.

Väte som oxidationsmedel(H 2 + 2e → 2H -) verkar i reaktioner med alkali- och jordalkalimetaller. I detta fall bildas hydrider - kristallina joniska föreningar i vilka väte uppvisar ett oxidationstillstånd på -1.

2Na + H2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H2 ↔ CaH2 (t, p).

Fysikaliska egenskaper hos väte

Väte är en lätt färglös gas, luktfri, densitet vid n.o. - 0,09 g/l, 14,5 gånger lättare än luft, t bal = -252,8C, t pl = -259,2C. Väte är dåligt lösligt i vatten och organiska lösningsmedel, det är mycket lösligt i vissa metaller: nickel, palladium, platina.

Enligt modern kosmokemi är väte det vanligaste grundämnet i universum. Den huvudsakliga formen av förekomst av väte i yttre rymdenär individuella atomer. Väte är det nionde vanligaste grundämnet på jorden. Den största mängden väte på jorden är i bundet tillstånd - i sammansättningen av vatten, olja, naturgas, kol, etc. I form av ett enkelt ämne finns väte sällan - i sammansättningen av vulkaniska gaser.

Får väte

Det finns laboratorie- och industrimetoder för att framställa väte. Laboratoriemetoder inkluderar interaktionen av metaller med syror (1), såväl som interaktionen av aluminium med vattenhaltiga lösningar av alkalier (2). Bland de industriella metoderna för att producera väte spelar elektrolysen av vattenlösningar av alkalier och salter (3) och omvandlingen av metan (4) en viktig roll:

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

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

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

CH4 + H2O ↔ CO + H2 (4).

Exempel på problemlösning

EXEMPEL 1

Träning	När 23,8 g metalliskt tenn interagerade med ett överskott av saltsyra frigjordes väte, i en mängd som var tillräcklig för att erhålla 12,8 g metallisk koppar Bestäm graden av oxidation av tenn i den resulterande föreningen.
Beslut	Baserat på tennatomens elektroniska struktur (...5s 2 5p 2) kan vi dra slutsatsen att tenn kännetecknas av två oxidationstillstånd - +2, +4. Utifrån detta kommer vi att sammanställa ekvationerna för möjliga reaktioner: Sn + 2HCl = H2 + SnCl2 (1); Sn + 4HCl = 2H2 + SnCl4 (2); CuO + H2 \u003d Cu + H2O (3). Hitta mängden kopparämne: v (Cu) \u003d m (Cu) / M (Cu) \u003d 12,8 / 64 \u003d 0,2 mol. Enligt ekvation 3, mängden väteämne: v (H 2) \u003d v (Cu) \u003d 0,2 mol. När vi känner till massan av tenn finner vi dess mängd ämne: v (Sn) \u003d m (Sn) / M (Sn) \u003d 23,8 / 119 \u003d 0,2 mol. Låt oss jämföra mängderna av tenn- och väteämnen enligt ekvationerna 1 och 2 och enligt problemets tillstånd: v1 (Sn): v1 (H2) = 1:1 (ekvation 1); v2 (Sn): v2 (H2) = 1:2 (ekvation 2); v(Sn): v(H2) = 0,2:0,2 = 1:1 (problemtillstånd). Därför reagerar tenn med saltsyra enligt ekvation 1 och tennets oxidationstillstånd är +2.
Svar	Tennets oxidationstillstånd är +2.

EXEMPEL 2

Träning	Gasen som frigjordes genom inverkan av 2,0 g zink per 18,7 ml 14,6% saltsyra (lösningstäthet 1,07 g/ml) fick passera genom upphettning över 4,0 g koppar(II)oxid. Vad är massan av den resulterande fasta blandningen?
Beslut	När zink verkar på saltsyra väte frigörs: Zn + 2HCl \u003d ZnCl2 + H2 (1), som vid upphettning reducerar koppar(II)oxid till koppar(2): CuO + H2 \u003d Cu + H2O. Hitta mängden ämnen i den första reaktionen: m (p-ra Hcl) = 18,7. 1,07 = 20,0 g; m(HCl) = 20,0. 0,146 = 2,92 g; v (HCl) \u003d 2,92 / 36,5 \u003d 0,08 mol; v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 mol. Zink är bristfälligt, så mängden väte som frigörs är: v (H 2) \u003d v (Zn) \u003d 0,031 mol. I den andra reaktionen är väte bristfällig eftersom: v (CuO) \u003d 4,0 / 80 \u003d 0,05 mol. Som ett resultat av reaktionen kommer 0,031 mol CuO att förvandlas till 0,031 mol Cu, och massförlusten blir: m (СuО) - m (Сu) \u003d 0,031 × 80 - 0,031 × 64 \u003d 0,50 g. Massan av den fasta blandningen av CuO med Cu efter att ha passerat väte kommer att vara: 4,0-0,5 = 3,5 g
Svar	Massan av den fasta blandningen av CuO med Cu är 3,5 g.

Väte (spårpapper från latin: lat. Hydrogenium - hydro = "vatten", gen = "genererande"; hydrogenium - "genererar vatten"; betecknat med symbolen H) - det första elementet i det periodiska systemet för grundämnen. Stort spridd i naturen. Katjonen (och kärnan) i den vanligaste isotopen av väte 1H är protonen. Egenskaperna hos 1H-kärnan gör det möjligt att i stor utsträckning använda NMR-spektroskopi vid analys av organiska ämnen.

Tre isotoper av väte har sina egna namn: 1 H - protium (H), 2 H - deuterium (D) och 3 H - tritium (radioaktivt) (T).

Det enkla ämnet väte - H 2 - är en lätt färglös gas. I en blandning med luft eller syre är det brännbart och explosivt. Giftfri. Låt oss lösa upp i etanol och ett antal metaller: järn, nickel, palladium, platina.

Berättelse

Utsläpp av brännbar gas under växelverkan mellan syror och metaller observerades på 16:e och XVII århundraden vid gryningen av bildandet av kemi som vetenskap. Mikhail Vasilyevich Lomonosov pekade också direkt på dess isolering, men insåg redan definitivt att detta inte var flogiston. Den engelske fysikern och kemisten Henry Cavendish studerade denna gas 1766 och kallade den "brännbar luft". När den brändes producerade "brännbar luft" vatten, men Cavendishs anslutning till teorin om flogiston hindrade honom från att dra de rätta slutsatserna. Den franske kemisten Antoine Lavoisier, tillsammans med ingenjören J. Meunier, med hjälp av speciella gasometrar, utförde 1783 syntesen av vatten, och sedan dess analys, och sönderdelade vattenånga med glödhett järn. Därmed slog han fast att "brännbar luft" är en del av vattnet och kan erhållas från det.

namnets ursprung

Lavoisier gav väte namnet hydrogène (från andra grekiska ὕδωρ - vatten och γεννάω - Jag föder) - "föder vatten". Det ryska namnet "väte" föreslogs av kemisten M.F. Solovyov 1824 - i analogi med "syre" av M.V. Lomonosov.

Utbredning

I universum
Väte är det vanligaste grundämnet i universum. Det står för cirka 92% av alla atomer (8% är heliumatomer, andelen av alla andra grundämnen tillsammans är mindre än 0,1%). Väte är alltså det viktigaste komponent stjärnor och interstellär gas. Under förhållanden med stjärntemperaturer (till exempel solens yttemperatur är ~ 6000 °C) finns väte i form av plasma; i det interstellära rymden existerar detta element i form av individuella molekyler, atomer och joner och kan bildar molekylära moln som varierar avsevärt i storlek, densitet och temperatur.

Jordskorpan och levande organismer
Massfraktionen av väte i jordskorpan är 1% - detta är det tionde vanligaste grundämnet. Dess roll i naturen bestäms dock inte av massan utan av antalet atomer, vars andel bland andra element är 17% (andra plats efter syre, vars andel atomer är ~ 52%). Därför är betydelsen av väte i de kemiska processer som sker på jorden nästan lika stor som syre. Till skillnad från syre, som finns på jorden i både bundet och fritt tillstånd, är nästan allt väte på jorden i form av föreningar; endast en mycket liten mängd väte i form av ett enkelt ämne finns i atmosfären (0,00005 volymprocent).
Väte är en beståndsdel i nästan alla organiska ämnen och finns i alla levande celler. I levande celler, med antalet atomer, står väte för nästan 50%.

Mottagande

Industriella metoder för att erhålla enkla ämnen beror på i vilken form motsvarande element är i naturen, det vill säga vad som kan vara råvaran för dess produktion. Så syre, tillgängligt i ett fritt tillstånd, erhålls på ett fysiskt sätt- utsläpp från flytande luft. Nästan allt väte är i form av föreningar, så kemiska metoder används för att få det. I synnerhet kan nedbrytningsreaktioner användas. Ett av sätten att producera väte är reaktionen av nedbrytning av vatten med elektrisk ström.
Den huvudsakliga industriella metoden för att producera väte är reaktionen med vatten av metan, som är en del av naturgas. Det utförs vid hög temperatur:
CH 4 + 2H 2 O \u003d CO 2 + 4H 2 −165 kJ

En av laboratoriemetoderna för att framställa väte, som ibland används inom industrin, är nedbrytning av vatten med elektrisk ström. Väte framställs vanligtvis i laboratoriet genom att zink reagerar med saltsyra.