Wodór H to pierwiastek chemiczny, jeden z najczęstszych we Wszechświecie. Masa wodoru jako pierwiastka w składzie substancji wynosi 75% całkowitej zawartości atomów innego typu. Zaliczana jest do najważniejszego i najistotniejszego połączenia na planecie – wody. Charakterystyczną cechą wodoru jest również to, że jest on pierwszym pierwiastkiem w układzie okresowym pierwiastków chemicznych D. I. Mendelejewa.
Odkrywanie i eksploracja
Pierwsze wzmianki o wodorze w pismach Paracelsusa pochodzą z XVI wieku. Ale jego izolację z mieszaniny gazowej powietrza i badanie właściwości palnych wykonał już w XVII wieku naukowiec Lemery. Wodór został dokładnie przebadany przez angielskiego chemika, fizyka i przyrodnika Henry'ego Cavendisha, który eksperymentalnie udowodnił, że masa wodoru jest najmniejsza w porównaniu z innymi gazami. W kolejnych etapach rozwoju nauki współpracowało z nim wielu naukowców, w szczególności Lavoisier, który nazwał go „rodzącym wodę”.
Charakterystyka według pozycji w PSHE
Element, który się otwieraUkład okresowy pierwiastków D. I. Mendelejewa to wodór. Właściwości fizyczne i chemiczne atomu wykazują pewną dwoistość, ponieważ wodór jest jednocześnie przypisany do pierwszej grupy, głównej podgrupy, jeśli zachowuje się jak metal i oddaje pojedynczy elektron w procesie reakcji chemicznej, a do siódme - w przypadku całkowitego wypełnienia powłoki walencyjnej, czyli odbiorczej cząstki ujemnej, która charakteryzuje ją jako zbliżoną do halogenów.
Cechy struktury elektronicznej elementu
Właściwości atomu wodoru, złożonych substancji, których jest częścią, oraz najprostszej substancji H2 są determinowane przede wszystkim przez konfigurację elektronową wodoru. Cząstka posiada jeden elektron o Z=(-1), który krąży po orbicie wokół jądra, zawierający jeden proton o masie jednostkowej i ładunku dodatnim (+1). Jego konfiguracja elektronowa jest zapisana jako 1s1, co oznacza obecność jednej ujemnej cząstki na pierwszym i jedynym orbicie s dla wodoru.
Kiedy elektron zostaje oderwany lub oddany, a atom tego pierwiastka ma taką właściwość, że jest spokrewniony z metalami, otrzymuje się kation. W rzeczywistości jon wodorowy jest dodatnią cząstką elementarną. Dlatego wodór pozbawiony elektronu nazywamy po prostu protonem.
Właściwości fizyczne
Jeśli krótko opiszemy fizyczne właściwości wodoru, to jest to bezbarwny, słabo rozpuszczalny gaz o względnej masie atomowej równej 2,14,5 razy lżejszy od powietrza, o temperaturzeupłynnienie -252,8 stopni Celsjusza.
Można łatwo zobaczyć z doświadczenia, że H2 jest najłatwiejszy. Aby to zrobić, wystarczy napełnić trzy kulki różnymi substancjami - wodorem, dwutlenkiem węgla, zwykłym powietrzem - i jednocześnie wypuścić je z dłoni. Ten wypełniony CO2 dotrze do ziemi szybciej niż ktokolwiek inny, po czym napompowana mieszanka powietrza opadnie, a ta zawierająca H2 podniesie się do sufitu.
Mała masa i rozmiar cząsteczek wodoru uzasadnia jego zdolność przenikania przez różne substancje. Na przykładzie tej samej piłki łatwo to zweryfikować, za kilka dni sama się opróżni, ponieważ gaz po prostu przejdzie przez gumę. Ponadto wodór może gromadzić się w strukturze niektórych metali (palladu lub platyny) i odparowywać z niego, gdy temperatura wzrasta.
Niska rozpuszczalność wodoru jest wykorzystywana w praktyce laboratoryjnej do jego izolacji metodą wypierania wody. Właściwości fizyczne wodoru (poniższa tabela zawiera główne parametry) określają zakres jego zastosowania i metody produkcji.
| Parametr atomu lub cząsteczki prostej substancji | Znaczenie |
| Masa atomowa (masa molowa) | 1.008 g/mol |
| Konfiguracja elektroniczna | 1s1 |
| Krystaliczna siatka | Heksagonalny |
| Przewodność cieplna | (300K) 0,1815 W/(m·K) |
| Gęstość przy n. r. | 0, 08987 g/l |
| Punkt wrzenia | -252, 76°C |
| Wartość kaloryczna | 120, 9 106 J/kg |
| Temperatura topnienia | -259, 2 °C |
| Rozpuszczalność w wodzie | 18, 8ml/L |
Skład izotopowy
Podobnie jak wielu innych przedstawicieli układu okresowego pierwiastków chemicznych, wodór ma kilka naturalnych izotopów, czyli atomów o tej samej liczbie protonów w jądrze, ale różnej liczbie neutronów - cząstki o zerowym ładunku i jednostce masa. Przykładami atomów, które mają tę właściwość, są tlen, węgiel, chlor, brom i inne, w tym radioaktywne.
Właściwości fizyczne wodoru 1H, najczęstszy z przedstawicieli tej grupy, różnią się znacznie od tych samych cech swoich odpowiedników. W szczególności różnią się właściwości substancji, w których są zawarte. Jest więc woda zwykła i deuterowana, zawierająca w swoim składzie zamiast atomu wodoru z pojedynczym protonem deuter 2H - jego izotop z dwiema cząstkami elementarnymi: dodatnią i nienaładowaną. Ten izotop jest dwa razy cięższy niż zwykły wodór, co wyjaśnia fundamentalną różnicę we właściwościach związków, które tworzą. W naturze deuter jest 3200 razy rzadszy niż wodór. Trzecim przedstawicielem jest tryt 3Н, w jądrze ma dwa neutrony i jeden proton.
Metody pozyskiwania i wybierania
Laboratoryjne i przemysłowe metody produkcji wodoru są bardzo różne. Tak, w małych ilościachGaz jest wytwarzany głównie w reakcjach z udziałem minerałów, podczas gdy produkcja na dużą skalę w większym stopniu wykorzystuje syntezę organiczną.
W laboratorium wykorzystywane są następujące interakcje chemiczne:
- Reakcja metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych z wodą w celu wytworzenia zasady i pożądanego gazu.
- Elektroliza wodnego roztworu elektrolitu, H2↑ jest uwalniany na anodzie, a tlen jest uwalniany na katodzie.
- Rozkład wodorków metali alkalicznych wodą, produkty są alkaliczne i odpowiednio gaz H2↑.
- Reakcja rozcieńczonych kwasów z metalami w celu utworzenia soli i H2↑.
- Działanie zasad na krzem, aluminium i cynk sprzyja również uwalnianiu wodoru równolegle z tworzeniem się złożonych soli.
W interesach przemysłowych gaz jest pozyskiwany metodami takimi jak:
- Termiczny rozkład metanu w obecności katalizatora na jego składniki proste (350 stopni osiąga wartość takiego wskaźnika jak temperatura) - wodór H2↑ i węgiel C.
- Przepuszczanie pary wodnej przez koks w temperaturze 1000 stopni Celsjusza w celu wytworzenia dwutlenku węgla CO2 i H2↑ (najczęstsza metoda)
- Konwersja gazowego metanu na katalizatorze niklowym w temperaturach sięgających 800 stopni.
- Wodór jest produktem ubocznym elektrolizy wodnych roztworów chlorków potasu lub sodu.
Chemiczneinterakcje: ogólniki
Właściwości fizyczne wodoru w dużej mierze wyjaśniają jego zachowanie w procesach reakcji z jednym lub drugim związkiem. Wartościowość wodoru wynosi 1, ponieważ znajduje się w pierwszej grupie w układzie okresowym, a stopień utlenienia wykazuje inny. We wszystkich związkach, z wyjątkiem wodorków, wodór w so.o.=(1+), w cząsteczkach takich jak ХН, ХН2, ХН3 – (1 -).
Cząsteczka gazowego wodoru, utworzona przez utworzenie uogólnionej pary elektronów, składa się z dwóch atomów i jest dość stabilna energetycznie, dlatego w normalnych warunkach jest nieco obojętna i wchodzi w reakcje, gdy normalne warunki się zmieniają. W zależności od stopnia utlenienia wodoru w składzie innych substancji może działać zarówno jako środek utleniający, jak i redukujący.
Substancje, z którymi reaguje i tworzy wodór
Oddziaływania pierwiastkowe w celu wytworzenia złożonych substancji (często w podwyższonych temperaturach):
- Metal alkaliczny i ziem alkalicznych + wodór=wodorek.
- Halogen + H2=halogenek wodoru.
- Siarka + wodór=siarkowodór.
- Tlen + H2=woda.
- Węgiel + wodór=metan.
- Azot + H2=amoniak.
Interakcja ze złożonymi substancjami:
- Wytwarzanie gazu syntezowego z tlenku węgla i wodoru.
- Odzyskiwanie metali z ich tlenków za pomocą H2.
- Nasycenie wodorem nienasyconych substancji alifatycznychwęglowodory.
Wiązanie wodorowe
Fizyczne właściwości wodoru pozwalają mu, w połączeniu z elektroujemnym pierwiastkiem, utworzyć specjalny rodzaj wiązania z tym samym atomem z sąsiednich cząsteczek, które mają niepodzielne pary elektronów (na przykład tlen, azot i fluor). Najwyraźniejszym przykładem, na którym lepiej rozważyć takie zjawisko, jest woda. Można powiedzieć, że jest zszyty wiązaniami wodorowymi, które są słabsze od kowalencyjnych czy jonowych, ale ze względu na to, że jest ich dużo, mają znaczący wpływ na właściwości substancji. Zasadniczo wiązanie wodorowe to oddziaływanie elektrostatyczne, które wiąże cząsteczki wody w dimery i polimery, powodując jej wysoką temperaturę wrzenia.
Wodór w związkach mineralnych
Skład wszystkich kwasów nieorganicznych zawiera proton – kation atomu takiego jak wodór. Substancja, której reszta kwasowa ma stopień utlenienia większy niż (-1) nazywana jest związkiem wielozasadowym. Zawiera kilka atomów wodoru, co powoduje, że dysocjacja w roztworach wodnych jest wieloetapowa. Każdy kolejny proton odrywa się od reszty kwasu coraz trudniej. Na podstawie ilościowej zawartości wodorów w pożywce określa się jej kwasowość.
Wodór zawiera również grupy hydroksylowe zasad. W nich wodór jest połączony z atomem tlenu, w wyniku czego stopień utlenienia tej pozostałości alkalicznej jest zawsze równy (-1). Zawartość grup hydroksylowych w pożywce decyduje o jej zasadowości.
Zastosowanie w działalności człowieka
Butle z substancją, a także pojemniki z innymi skroplonymi gazami, takimi jak tlen, mają specyficzny wygląd. Są pomalowane na ciemnozielono z jasnoczerwonym napisem „Hydrogen”. Gaz jest pompowany do butli pod ciśnieniem około 150 atmosfer. Właściwości fizyczne wodoru, w szczególności lekkość stanu skupienia w stanie gazowym, są wykorzystywane do wypełniania go mieszaniną balonów z helem, balonów itp.
Wodór, którego właściwości fizyczne i chemiczne ludzie nauczyli się używać wiele lat temu, jest obecnie wykorzystywany w wielu gałęziach przemysłu. Większość trafia do produkcji amoniaku. Wodór bierze również udział w produkcji metali (hafn, german, gal, krzem, molibden, wolfram, cyrkon i inne) z tlenków, działając w reakcji jako reduktor, kwasy cyjanowodorowy i chlorowodorowy, alkohol metylowy i sztuczna ciecz paliwo. Przemysł spożywczy wykorzystuje go do przekształcania olejów roślinnych w tłuszcze stałe.
Określono właściwości chemiczne i zastosowanie wodoru w różnych procesach uwodorniania i uwodorniania tłuszczów, węgli, węglowodorów, olejów i oleju opałowego. Za jego pomocą powstają kamienie szlachetne, lampy żarowe, wyroby metalowe są kute i spawane pod wpływem płomienia tlenowo-wodorowego.
