Fizikalne lastnosti vodika. Lastnosti in uporaba vodika

Vodik H je kemični element, eden najpogostejših v našem vesolju. Masa vodika kot elementa v sestavi snovi je 75% celotne vsebnosti atomov drugega tipa. Vstopi v najpomembnejšo in vitalno povezavo na planetu - vodo. Posebnost vodika je tudi to, da je prvi element v periodičnem sistemu kemijskih elementov DI Mendelejev.

Odkritje in raziskave

Prva omemba vodika v zapisih Paracelsusa sega v 16. stoletje. Ampak njegova ločitev od plinske mešanice zraka in študije gorljivih lastnosti je že v sedemnajstem stoletju izvedla znanstvenik Lemery. Angleški kemik, fizik in naravoslovec Henry Cavendish, ki je z izkušnjami dokazal, da je masa vodika najmanjša v primerjavi z drugimi plini, je temeljito proučila vodik. V naslednjih stopnjah razvoja znanosti so mnogi znanstveniki delali z njim, še posebej Lavoisierjem, ki ga je imenoval »rojstvo vode«.

Karakterizacija po položaju v PSA

Element, ki odpira periodično tabelo DI Mendelejeva, je vodik. Fizikalne in kemijske lastnosti atomom kažejo določeno dvojnost ker vodik hkrati spadajo v prvo skupino, glavne podskupine, če se obnaša kot kovino in daje en elektron v procesu kemijske reakcije in sedmi - v primeru povsem napolnjenega valentno lupine, t.j. sprejem negativni delec, ki ga označuje kot podoben halogenom.

Značilnosti elektronske strukture elementa

Lastnosti atom vodika, kompleksne snovi, v katere vstopa, in najpreprostejšo snov H₂ ki je določena predvsem z elektronsko konfiguracijo vodika. Delec ima en elektron z Z = (-1), ki se vrti v svoji orbiti okoli jedra, ki vsebuje en proton z enoto mase in pozitiven naboj (+1). Njegova elektronska konfiguracija je napisana kot 1s¹, kar pomeni prisotnost ene negativne delce na prvih in edinih s-orbitalih za hidrogenogen.

Pri odvajanju ali odrivanju elektronov in atoma tega elementa ima tako lastnost, da je povezana s kovinami, dobimo kation. Dejansko je ion vodika pozitiven osnovni delec. Zato je elektron, ki je prikrajšan za vodik, preprosto imenoval proton.

Fizične lastnosti

Če opišemo fizične lastnosti vodik je kratek, to je brezbarvni, rahlo topen plin z relativno atomsko maso, ki je enaka 14,5 krat lažja od zraka, s temperaturo utekočinjenja -252,8 stopinj Celzija.

Iz izkušenj je enostavno videti, da je H₂ najbolj lahka. Da bi to naredili, je dovolj zapolniti tri krogle z različnimi snovmi - vodik, ogljikov dioksid, navaden zrak - in jih istočasno sprostiti iz roke. Najhitrejši bo tisti, ki je napolnjen s CO₂, Po njej se bo zmes zraka pihala z zrakom in H₂ sploh se dvigne na strop.

Majhna masa in velikost delcev vodika upravičujeta njegovo sposobnost prodiranja v različne snovi. Na primeru iste kroglice je po nekaj dneh enostavno prepričati, da bo sam odganjal, saj bo plin preprosto prečkal gumo. Tudi vodik se lahko kopiči v strukturi določenih kovin (paladija ali platina) in z naraščajočo temperaturo iz nje izhlapi.

Lastnost nizke topnosti vodika se uporablja v laboratorijski praksi za njegovo izolacijo s premikom voda. Fizične lastnosti vodik (spodnja tabela prikazuje glavne parametre) določa obseg uporabe in načinov proizvodnje.

Izotopska sestava

Kot veliko drugih članov periodnega sistema kemijskih elementov, Vodik ima več naravnih izotopov, t.j. atomi z enakim številom protonov v jedru, vendar različno število nevtronov - delci z maso nič in enoto naboja. Primeri atomov, ki imajo podobno lastnost, so kisik, ogljik, klor, brom in drugi, vključno z radioaktivnimi.

Fizikalne lastnosti vodika ¹H, ki so najpogostejši predstavniki te skupine, se bistveno razlikujejo od istih značilnosti svojih bližnjih ljudi. Zlasti značilnosti snovi, v katere so vključene, se razlikujejo. Torej, obstaja navadna in deuterirana voda, ki v svoji sestavi vsebuje namesto vodikovega atoma z enim samim protonskim devterijem ²H je njegov izotop z dvema elementarnima delcema: pozitiven in neizkrbljen. Ta izotop je dvakrat težji od običajnega vodika, kar pojasnjuje kardinalno razliko v lastnostih spojin, ki jih tvorijo. V naravi devterij najdemo 3200 krat manj kot vodik. Tretji predstavnik je tritij ³H, v jedru ima dva nevtrona in en proton.

Metode pridobivanja in ekstrakcije

Laboratorijske in industrijske metode proizvodnja vodika so precej drugačne. Tako se v majhnih količinah plin proizvaja predvsem reakcija z minerali, velika proizvodnja pa v večji meri uporablja organsko sintezo.

V laboratoriju se uporabljajo naslednje kemijske interakcije:

1. Reakcija alkalnih in zemeljskoalkalijskih kovin z vodo, da se oblikujejo alkalije in želeni plin.
2. Elektroliza vodne raztopine elektrolita, H se sprosti na anodi₂uarr- in na katodnem kisiku.
3. Razgradnja hidridov alkalne kovine voda, proizvodi so alkalijski in s tem plin H₂uarr-.
4. Interakcije razredčenih kislin s kovinami, da se tvorijo soli in H₂uarr-.
5. Delovanje alkalij na silicij, aluminij in cink prispeva tudi k sprostitvi vodika vzporedno s tvorbo kompleksnih soli.

V industrijskih interesih se plin proizvaja po metodah, kot so:

1. Termična razgradnja metana v prisotnosti katalizatorja do sestavnih preprostih snovi (350 stopinj doseže vrednost takšnega parametra kot temperatura) - vodik H₂uarr- in ogljik C.
2. Pretok hlapne vode skozi koks na 1000 stopinj Celzija s tvorbo ogljikovega dioksida CO₂ in H₂uarr- (najpogostejša metoda).
3. Pretvorba plinastega metana na katalizator niklja pri temperaturi, ki je dosegla 800 stopinj.
4. Vodik je stranski produkt pri elektrolizi vodnih raztopin kalijevega ali natrijevega klorida.

Kemijske interakcije: splošne določbe

Fizikalne lastnosti vodika v veliki meri pojasnjujejo njegovo vedenje v procesih reakcije s posebno spojino. Valenca vodika je enaka 1, saj se nahaja v prvi skupini v Mendelejevovi mizi, stopnja oksidacije pa je drugačna. V vseh spojinah, razen hidridov, vodika v soji = (1+), v molekulah tipa XH, XN₂, ХН₃ - (1-).

Molekula vodikovega plina, nastala z ustvarjanjem posplošenega elektronskega para, je sestavljena iz dveh atomov in je precej stabilna energijsko, zato je v normalnih pogojih nekoliko inertna in v reakcijo vstopa, ko se spremenijo normalni pogoji. Glede na stopnjo oksidacije vodika v sestavi drugih snovi lahko deluje kot oksidacijsko sredstvo in reducent.

Snovi, s katerimi reagira in ki tvorijo vodik

Elementne interakcije s tvorbo kompleksnih snovi (pogosto pri povišanih temperaturah):

1. Alkalna in zemeljskoalkalijska kovina + vodik = hidrid.
2. Halogen + H₂ = vodikov halid.
3. Žveplo + vodik = vodikov sulfid.
4. Kisik + H₂ = voda.
5. Ogljik + vodik = metan.
6. Dušik + H₂ = amonijak.

Interakcija s kompleksnimi snovmi:

1. Proizvodnja sinteznega plina iz ogljikovega monoksida in vodika.
2. Zmanjšanje kovin iz njihovih oksidov s H₂.
3. Nasičenje vodika z nenasičenimi alifatskimi ogljikovodiki.

Vodikova vez

Fizikalne lastnosti vodikom, tako da se omogoči, da v povezavi z elektro elementa, da se tvori posebna vrsta okviru isti atom sosednjih molekul ločene elektronske pare (npr kisika, dušika in fluor). Najjasnejši primer, na katerega je bolje obravnavati tak pojav, je voda. Lahko omenjene šivane vodikove vezi so šibkejše kot kovalentnimi ali ionske, temveč zaradi dejstva, da so mnogi izmed njih ima velik vpliv na lastnosti snovi. V bistvu je vodikova vez elektrostatična interakcija, ki veže molekule vode na dimere in polimere, kar upravičuje njegovo visoko vrelišče.

Vodik v sestavi mineralnih spojin

Sestava vseh anorganskih kislin vključuje protoncatat atoma, kot je vodik. Snov, katere kisli ostanek ima stopnjo oksidacije večjo od (-1), se imenuje polibazna spojina. Vsebuje več atomov vodika, zaradi česar se disociacija v vodnih raztopinah večstopenjska. Vsak nadaljnji proton se oddaljuje od preostale kisline bolj in bolj težko. Kvantitativna vsebnost vodika v mediju določa njegovo kislost.

Vodik vsebuje tudi hidroksilne skupine baz. V njih je vodik povezan z atomom kisika, zato je stopnja oksidacije tega ostanka alkalij vedno enaka (-1). Glede na vsebnost hidroksilov v mediju se določi njegova osnovnost.

Uporaba v človeških dejavnostih

Cilindri s snovjo, pa tudi posode z drugimi utekočinjenimi plini, na primer kisik, imajo poseben videz. Naslikane so v temno zeleni barvi s svetlo rdečim napisom "Vodik". Plin se pretaka v balon pri tlaku okoli 150 atmosfer. Fizične lastnosti vodika, zlasti enostavnost plinastega agregatnega stanja, se uporabljajo za polnjenje s helijskimi baloni, baloni itd. V mešanici s helijem.

Vodik, fizikalne in kemijske lastnosti, ki so se ljudje naučili uporabljati pred mnogimi leti, je zdaj vključen v številne panoge. Njena glavnina gre za proizvodnjo amoniaka. Sodeluje tudi vodik pridobivanje kovin (hafnij, germanij, galij, silicij, molibden, volfram, cirkonij in druge) oksidov, ki govorijo v reakcijo kot redukcijskim sredstvom in soli cianovodikove kisline, metil alkohol, kot tudi umetna tekoča goriva. Živilska industrija jo uporablja za pretvorbo rastlinskih olj v trdne maščobe.

Določal je kemične lastnosti in uporabo vodika v različnih procesih hidrogeniranja in hidrogeniranja maščob, premogov, ogljikovodikov, olj in kurilnega olja. S pomočjo tega se proizvajajo dragi kamni, žarnice z žarilno nitko, kovanje in varjenje kovinskih izdelkov se izvaja pod vplivom plamena kisika in vodika.