Vodonik H je hemijski element, jedan od najčešćih u našem univerzumu. Masa vodonika kao elementa u sastavu supstanci je 75% ukupnog sadržaja atoma druge vrste. Uključen je u najvažniju i vitalnu vezu na planeti - vodu. Posebnost vodonika je i to što je on prvi element u periodičnom sistemu hemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva.
Otkriće i istraživanje
Prva spominjanja vodonika u spisima Paracelzusa datiraju iz šesnaestog veka. Ali njegovo izolovanje od gasne mešavine vazduha i proučavanje zapaljivih svojstava već je u sedamnaestom veku napravio naučnik Lemeri. Vodonik je temeljno proučavao engleski hemičar, fizičar i prirodnjak Henry Cavendish, koji je eksperimentalno dokazao da je masa vodonika najmanja u poređenju s drugim plinovima. U kasnijim fazama razvoja nauke, mnogi naučnici su radili s njim, posebno Lavoisier, koji ga je nazvao "rađanje vode".
Karakteristika prema poziciji u PSHE
Element koji se otvaraperiodni sistem D. I. Mendeljejeva, je vodonik. Fizička i hemijska svojstva atoma pokazuju izvestan dualitet, budući da se vodik istovremeno pripisuje prvoj grupi, glavnoj podgrupi, ako se ponaša kao metal i odustaje od jednog elektrona u procesu hemijske reakcije, i sedmi - u slučaju potpunog punjenja valentne ljuske, odnosno prijemne negativne čestice, što je karakteriše sličnom halogenima.
Karakteristike elektronske strukture elementa
Svojstva atoma vodika, složenih supstanci čiji je dio i najjednostavnije supstance H2 prvenstveno su određene elektronskom konfiguracijom vodonika. Čestica ima jedan elektron sa Z=(-1), koji rotira u svojoj orbiti oko jezgra, koji sadrži jedan proton jedinične mase i pozitivnog naboja (+1). Njegova elektronska konfiguracija je napisana kao 1s1, što znači prisustvo jedne negativne čestice u prvoj i jedinoj s-orbitali za vodonik.
Kada se elektron odvoji ili preda, a atom ovog elementa ima takvo svojstvo da je povezan sa metalima, dobija se katjon. U stvari, jon vodonika je pozitivna elementarna čestica. Stoga se vodonik bez elektrona jednostavno naziva proton.
Fizička svojstva
Ako ukratko opišemo fizička svojstva vodonika, onda je to bezbojan, slabo rastvorljiv gas sa relativnom atomskom masom jednakom 2, 14,5 puta lakšom od vazduha, sa temperaturomukapljivanje od -252,8 stepeni Celzijusa.
Iz iskustva možete lako vidjeti da je H2 najlakši. Da biste to učinili, dovoljno je napuniti tri kuglice raznim tvarima - vodikom, ugljičnim dioksidom, običnim zrakom - i istovremeno ih pustiti iz ruke. Onaj koji je napunjen sa CO2 stići će do tla brže od bilo koga drugog, nakon njega će se spustiti napuhana mješavina zraka, a ona koja sadrži H2 podići će se do plafona.
Mala masa i veličina čestica vodonika opravdavaju njihovu sposobnost da prodiru kroz različite supstance. Na primjeru iste lopte to je lako provjeriti, za par dana će se sama ispuhati, jer će plin jednostavno proći kroz gumu. Takođe, vodonik se može akumulirati u strukturi nekih metala (paladija ili platine) i ispariti iz njega kada temperatura poraste.
Svojstvo niske rastvorljivosti vodonika koristi se u laboratorijskoj praksi za njegovo izolovanje metodom istiskivanja vode. Fizička svojstva vodonika (tabela ispod sadrži glavne parametre) određuju obim njegove primjene i metode proizvodnje.
| Parametar atoma ili molekula jednostavne supstance | Značenje |
| Atomska masa (molarna masa) | 1.008 g/mol |
| Elektronska konfiguracija | 1s1 |
| Kristalna rešetka | heksagonalni |
| Toplotna provodljivost | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Gustina na n. y. | 0, 08987 g/l |
| Tačka ključanja | -252, 76 °C |
| Specifična kalorijska vrijednost | 120, 9 106 J/kg |
| Tačka topljenja | -259, 2 °C |
| Rastvorljivost u vodi | 18, 8ml/L |
Izotopski sastav
Kao i mnogi drugi predstavnici periodnog sistema hemijskih elemenata, vodonik ima nekoliko prirodnih izotopa, odnosno atoma sa istim brojem protona u jezgru, ali različitim brojem neutrona - čestica sa nultim nabojem i jedinicom masa. Primjeri atoma koji imaju ovo svojstvo su kisik, ugljik, klor, brom i drugi, uključujući i radioaktivne.
Fizička svojstva vodonika 1H, najčešći od predstavnika ove grupe, značajno se razlikuju od istih karakteristika svojih kolega. Posebno se razlikuju karakteristike tvari u koje su uključene. Dakle, postoji obična i deuterirana voda, koja u svom sastavu umjesto atoma vodika sa jednim protonom sadrži deuterijum 2H - njegov izotop sa dvije elementarne čestice: pozitivnom i nenabijenom. Ovaj izotop je dvostruko teži od običnog vodonika, što objašnjava fundamentalnu razliku u svojstvima spojeva koje čine. U prirodi je deuterijum 3200 puta rjeđi od vodonika. Treći predstavnik je tricijum 3N, u jezgru ima dva neutrona i jedan proton.
Metode dobijanja i odabira
Laboratorijske i industrijske metode za proizvodnju vodonika su veoma različite. Da, u malim količinamaplin se proizvodi prvenstveno reakcijama koje uključuju minerale, dok proizvodnja velikih razmjera koristi organsku sintezu u većoj mjeri.
U laboratoriji se koriste sljedeće hemijske interakcije:
- Reakcija alkalnih i zemnoalkalnih metala sa vodom da bi se formirala alkalija i željeni gas.
- Elektroliza vodenog rastvora elektrolita, H2↑ se oslobađa na anodi, a kiseonik se oslobađa na katodi.
- Razlaganje hidrida alkalnih metala vodom, proizvodi su alkalni i, shodno tome, H gas2↑.
- Reakcija razrijeđenih kiselina sa metalima za stvaranje soli i H2↑.
- Dejstvo alkalija na silicijum, aluminijum i cink takođe podstiče oslobađanje vodonika paralelno sa stvaranjem kompleksnih soli.
U industrijskim interesima, gas se dobija metodama kao što su:
- Termičko razlaganje metana u prisustvu katalizatora na njegove sastavne jednostavne supstance (350 stepeni dostiže vrednost indikatora kao što je temperatura) - vodonik H2↑ i ugljenik C.
- Propuštanje pare vode kroz koks na 1000 stepeni Celzijusa da bi se formirao ugljen dioksid CO2 i H2↑ (najčešća metoda)
- Konverzija gasovitog metana na nikalnom katalizatoru na temperaturama koje dostižu 800 stepeni.
- Vodonik je nusproizvod elektrolize vodenih rastvora kalijum ili natrijum hlorida.
Chemicalinterakcije: općenitosti
Fizička svojstva vodonika u velikoj mjeri objašnjavaju njegovo ponašanje u reakcionim procesima s jednim ili drugim spojem. Valentnost vodonika je 1, pošto se nalazi u prvoj grupi periodnog sistema, a stepen oksidacije pokazuje drugačiji. U svim jedinjenjima, osim u hidridama, vodik u s.o.=(1+), u molekulima kao što su HN, HN2, HN3 – (1 -).
Molekul gasa vodonika, formiran stvaranjem generalizovanog elektronskog para, sastoji se od dva atoma i prilično je energetski stabilan, zbog čega je u normalnim uslovima donekle inertan i ulazi u reakcije kada se normalni uslovi promene. U zavisnosti od stepena oksidacije vodonika u sastavu drugih supstanci, može delovati i kao oksidaciono i kao redukciono sredstvo.
Supstance sa kojima reaguje i formira vodonik
Elementarne interakcije za formiranje složenih supstanci (često na povišenim temperaturama):
- Alkalni i zemnoalkalni metal + vodonik=hidrid.
- Halogen + H2=halogen vodonik.
- Sumpor + vodonik=sumporovodik.
- Kisik + H2=voda.
- Ugljik + vodonik=metan.
- Azot + H2=amonijak.
Interakcija sa složenim supstancama:
- Proizvodnja sintetskog gasa iz ugljen monoksida i vodonika.
- Oporavak metala iz njihovih oksida pomoću H2.
- Zasićenost nezasićenog alifata vodikomugljovodonici.
Vodična veza
Fizička svojstva vodika su takva da mu omogućavaju, budući da je u kombinaciji sa elektronegativnim elementom, da formira posebnu vrstu veze sa istim atomom od susjednih molekula koji imaju nepodijeljene elektronske parove (na primjer, kisik, azot i fluor). Najjasniji primjer na kojem je bolje razmotriti takav fenomen je voda. Može se reći da je prošivena vodoničnim vezama koje su slabije od kovalentnih ili jonskih, ali zbog činjenice da ih ima mnogo, one značajno utiču na svojstva supstance. U suštini, vodonična veza je elektrostatička interakcija koja vezuje molekule vode u dimere i polimere, što dovodi do njene visoke tačke ključanja.
Vodik u mineralnim jedinjenjima
Sastav svih neorganskih kiselina uključuje proton - katjon atoma kao što je vodonik. Supstanca čiji kiselinski ostatak ima oksidaciono stanje veće od (-1) naziva se polibazičnim spojem. Sadrži nekoliko atoma vodika, što čini disocijaciju u vodenim otopinama višestepenom. Svaki sljedeći proton se sve teže odvaja od ostatka kiseline. Kvantitativnim sadržajem vodonika u mediju određuje se njegova kiselost.
Vodonik takođe sadrži hidroksilne grupe baza. U njima je vodik povezan s atomom kisika, zbog čega je oksidacijsko stanje ovog alkalnog ostatka uvijek jednako (-1). Sadržaj hidroksila u mediju određuje njegovu bazičnost.
Primjena u ljudskim aktivnostima
Cilindri sa supstancom, kao i posude sa drugim tečnim gasovima, kao što je kiseonik, imaju specifičan izgled. Oslikane su tamno zelenom bojom sa jarko crvenim slovima "Hydrogen". Plin se pumpa u cilindar pod pritiskom od oko 150 atmosfera. Fizička svojstva vodonika, posebno lakoća plinovitog agregatnog stanja, koriste se za punjenje u mješavini s helijumskim balonima, balonima, itd.
Vodonik, čija su fizička i hemijska svojstva ljudi naučili da koriste pre mnogo godina, trenutno se koristi u mnogim industrijama. Najveći dio odlazi na proizvodnju amonijaka. Vodik takođe učestvuje u proizvodnji metala (hafnija, germanijuma, galija, silicijuma, molibdena, volframa, cirkonijuma i drugih) iz oksida, delujući u reakciji kao redukciono sredstvo, cijanovodonične i hlorovodonične kiseline, metil alkohola i veštačke tečnosti. gorivo. Prehrambena industrija ga koristi za pretvaranje biljnih ulja u čvrste masti.
Utvrđena hemijska svojstva i upotreba vodonika u različitim procesima hidrogenacije i hidrogenacije masti, uglja, ugljovodonika, ulja i lož ulja. Uz pomoć njega se proizvodi drago kamenje, žarulje sa žarnom niti, kovaju se i zavaruju metalni proizvodi pod uticajem kiseonika-vodikovog plamena.
