Vodonik je u drugoj polovini 18. veka otkrio engleski naučnik iz oblasti fizike i hemije G. Cavendish. Uspio je izolovati supstancu u čistom stanju, počeo je proučavati i opisao njena svojstva.

Ovo je priča o otkriću vodonika. Tokom eksperimenata, istraživač je utvrdio da se radi o zapaljivom gasu čijim sagorevanjem u vazduhu nastaje voda. To je dovelo do definicije kvalitetan sastav vode.

Šta je vodonik

Francuski hemičar A. Lavoisier prvi je objavio vodonik kao jednostavnu supstancu 1784. godine, pošto je utvrdio da njegov molekul sadrži atome istog tipa.

Naziv hemijskog elementa na latinskom zvuči kao hidrogenijum (čitaj „hidrogenijum“), što znači „daje vodu“. Naziv se odnosi na reakciju sagorijevanja koja proizvodi vodu.

Karakteristike vodonika

Oznakom vodonika N. Mendeljejev je ovom hemijskom elementu dodelio prvi atomski broj, svrstavajući ga u glavnu podgrupu prve grupe i prvog perioda i uslovno u glavnu podgrupu sedme grupe.

Atomska težina (atomska masa) vodonika je 1,00797. Molekularna težina H 2 je jednako 2 a. e. Molarna masa brojčano jednak tome.

Predstavljen je sa tri izotopa koji imaju poseban naziv: najčešći protij (H), teški deuterijum (D), radioaktivni tricijum (T).

To je prvi element koji se može potpuno razdvojiti na izotope na jednostavan način. Zasnovan je na visoka razlika mase izotopa. Proces je prvi put sproveden 1933. To se objašnjava činjenicom da je tek 1932. otkriven izotop mase 2.

Fizička svojstva

IN normalnim uslovima Jednostavna tvar vodonik u obliku dvoatomskih molekula je plin, bez boje, okusa i mirisa. Slabo rastvorljiv u vodi i drugim rastvaračima.

Temperatura kristalizacije - 259,2 o C, tačka ključanja - 252,8 o C. Prečnik molekula vodonika je toliko mali da imaju sposobnost da polako difunduju kroz brojne materijale (gumu, staklo, metale). Ovo svojstvo se koristi kada je potrebno očistiti vodonik od plinovitih nečistoća. Kada je n. u. vodonik ima gustinu od 0,09 kg/m3.

Da li je moguće pretvoriti vodonik u metal po analogiji sa elementima koji se nalaze u prvoj grupi? Naučnici su otkrili da vodonik, u uslovima kada se pritisak približi 2 miliona atmosfera, počinje da apsorbuje infracrvene zrake, što ukazuje na polarizaciju molekula supstance. Možda će, pri još većim pritiscima, vodonik postati metal.

ovo je zanimljivo: postoji pretpostavka da se na džinovskim planetama, Jupiteru i Saturnu, vodik nalazi u obliku metala. Pretpostavlja se da je metalni čvrsti vodonik takođe prisutan u Zemljinom jezgru, zbog ultravisokog pritiska koji stvara Zemljin omotač.

Hemijska svojstva

I jednostavne i složene tvari ulaze u kemijsku interakciju s vodonikom. Ali nisku aktivnost vodonika potrebno je povećati stvaranjem odgovarajućih uslova - povećanjem temperature, upotrebom katalizatora itd.

Kada se zagreju, jednostavne supstance kao što su kiseonik (O 2), hlor (Cl 2), azot (N 2), sumpor (S) reaguju sa vodonikom.

Ako zapalite čisti vodonik na kraju cijevi za izlaz plina u zraku, on će gorjeti ravnomjerno, ali jedva primjetno. Ako cijev za izlaz plina postavite u atmosferu čisti kiseonik, tada će se izgaranje nastaviti sa stvaranjem kapljica vode na zidovima posude, kao rezultat reakcije:

Sagorijevanje vode je praćeno oslobađanjem velike količine topline. To je egzotermna reakcija spoja u kojoj se vodik oksidira kisikom kako bi se formirao oksid H 2 O. To je također redoks reakcija u kojoj se vodik oksidira, a kisik reducira.

Reakcija sa Cl 2 se odvija na sličan način da nastane hlorovodonik.

Interakcija azota sa vodonikom zahteva visoku temperaturu i visok pritisak, kao i prisustvo katalizatora. Rezultat je amonijak.

Kao rezultat reakcije sa sumporom nastaje sumporovodik, čije prepoznavanje olakšava karakterističan miris pokvarenih jaja.

Oksidacijsko stanje vodonika u ovim reakcijama je +1, a u dolje opisanim hidridima – 1.

Pri reakciji s nekim metalima nastaju hidridi, na primjer, natrijev hidrid - NaH. Neka od ovih složenih jedinjenja se koriste kao gorivo za rakete, kao i u termonuklearnoj energiji.

Vodik također reagira sa supstancama iz kategorije kompleksa. Na primjer, sa bakar (II) oksidom, formula CuO. Za izvođenje reakcije, bakreni vodonik se propušta preko zagrijanog praškastog bakrenog (II) oksida. Tokom interakcije, reagens mijenja boju i postaje crveno-braon, a kapljice vode se talože na hladnim zidovima epruvete.

Vodik se oksidira tokom reakcije, formirajući vodu, a bakar se redukuje iz oksida u jednostavnu supstancu (Cu).

Prijave

Vodonik ima velika vrijednost za ljude i koristi se u raznim područjima:

1. U hemijskoj proizvodnji to je sirovina, u drugim industrijama gorivo. Preduzeća za petrohemiju i preradu nafte ne mogu bez vodonika.
2. U elektroenergetskoj industriji ova jednostavna tvar djeluje kao rashladno sredstvo.
3. U crnoj i obojenoj metalurgiji vodik igra ulogu redukcijskog sredstva.
4. Ovo pomaže u stvaranju inertnog okruženja prilikom pakiranja proizvoda.
5. Farmaceutska industrija - koristi vodonik kao reagens u proizvodnji vodikovog peroksida.
6. Vremenski baloni su punjeni ovim lakim gasom.
7. Ovaj element je poznat i kao reduktor goriva za raketne motore.

Naučnici jednoglasno predviđaju da će vodonično gorivo preuzeti vodeću ulogu u energetskom sektoru.

Prijem u industriji

U industriji se vodonik proizvodi elektrolizom, koja se podvrgava hloridima ili hidroksidima alkalnih metala otopljenih u vodi. Takođe je moguće dobiti vodonik direktno iz vode pomoću ove metode.

U ove svrhe koristi se pretvaranje koksa ili metana vodenom parom. Razgradnja metana na povišena temperatura takođe proizvodi vodonik. Ukapljivanje koksnog gasa frakcionom metodom koristi se i za industrijsku proizvodnju vodonika.

Dobijeno u laboratoriji

U laboratoriji se za proizvodnju vodika koristi Kipp aparat.

Reagensi su hlorovodonična kiselina ili sumporna kiselina i cink. Reakcija proizvodi vodonik.

Pronalaženje vodonika u prirodi

Vodonik je češći od bilo kojeg drugog elementa u svemiru. Većina zvijezda, uključujući Sunce i druge kosmička telačini vodonik.

IN zemljine kore iznosi samo 0,15%. Prisutan je u mnogim mineralima organske materije oh, i u vodi koja pokriva 3/4 površine naše planete.

Tragovi čistog vodonika mogu se naći u gornjim slojevima atmosfere. Takođe se nalazi u brojnim zapaljivim prirodnim gasovima.

Gasoviti vodonik je najmanje gustoće, a tekući vodonik je najgušća supstanca na našoj planeti. Uz pomoć vodonika možete promijeniti ton glasa ako ga udišete i govorite dok izdišete.

Najmoćnija hidrogenska bomba zasnovana je na cijepanju najlakšeg atoma.

Pogledajmo šta je vodonik. Hemijska svojstva a proizvodnja ovog nemetala se izučava u okviru neorganske hemije u školi. Upravo ovaj element vodi Mendeljejevljev periodni sistem i stoga zaslužuje detaljan opis.

Kratke informacije o otvaranju elementa

Prije nego što pogledamo fizička i kemijska svojstva vodonika, hajde da saznamo kako je pronađen ovaj važan element.

Hemičari koji su radili u šesnaestom i sedamnaestom vijeku više puta su u svojim spisima spominjali zapaljivi plin koji se oslobađa kada su kiseline izložene aktivnim metalima. U drugoj polovini osamnaestog veka, G. Cavendish je uspeo da prikupi i analizira ovaj gas, dajući mu naziv „zapaljivi gas“.

Fizička i hemijska svojstva vodonika u to vrijeme nisu proučavana. Tek krajem osamnaestog vijeka A. Lavoisier je mogao analizom utvrditi da se ovaj gas može dobiti analizom vode. Malo kasnije je počeo da zove novi element hidrogen, što u prijevodu znači "rađanje vode". Svoj moderni ruski naziv vodonik duguje M. F. Solovjovu.

Biti u prirodi

Hemijska svojstva vodonika mogu se analizirati samo na osnovu njegove pojave u prirodi. Ovaj element je prisutan u hidro- i litosferi, a također je dio minerala: prirodnog i pratećeg plina, treseta, nafte, uglja, uljnih škriljaca. Teško je zamisliti odraslu osobu koja ne bi znala da je vodonik sastavni dio vode.

Osim toga, ovaj nemetal se nalazi u životinjskim organizmima u obliku nukleinske kiseline, proteini, ugljikohidrati, masti. Na našoj planeti ovaj element se vrlo rijetko nalazi u slobodnom obliku, možda samo u prirodnom i vulkanskom plinu.

U obliku plazme, vodonik čini otprilike polovinu mase zvijezda i Sunca, a također je dio međuzvjezdanog plina. Na primjer, u slobodnom obliku, kao iu obliku metana i amonijaka, ovaj nemetal je prisutan u kometama, pa čak i na nekim planetama.

Fizička svojstva

Prije razmatranja hemijskih svojstava vodonika, napominjemo da u normalnim uslovima jeste gasovita materija lakši od vazduha, ima nekoliko izotopskih oblika. Gotovo je nerastvorljiv u vodi i ima visoku toplotnu provodljivost. Protium, koji ima maseni broj 1, smatra se njegovim najlakšim oblikom. Tricij, koji ima radioaktivna svojstva, nastaje u prirodi iz atmosferskog dušika kada ga neuroni izlažu UV zracima.

Karakteristike strukture molekula

Da bismo razmotrili hemijska svojstva vodika i reakcije karakteristične za njega, zadržimo se na karakteristikama njegove strukture. Ovaj dvoatomski molekul sadrži kovalentnu nepolarnu hemijsku vezu. Formiranje atomskog vodika moguće je interakcijom aktivnih metala sa kiselim rastvorima. Ali u ovom obliku, ovaj nemetal može postojati samo kratko vrijeme, gotovo odmah se rekombinuje u molekularni oblik.

Hemijska svojstva

Razmotrimo hemijska svojstva vodonika. U većini jedinjenja koje ovaj hemijski element formira, on pokazuje oksidaciono stanje od +1, što ga čini sličnim aktivnim (alkalnim) metalima. Glavna hemijska svojstva vodonika koja ga karakteriziraju kao metal:

• interakcija s kisikom za stvaranje vode;
• reakcija s halogenima, praćena stvaranjem halogen vodika;
• proizvodi vodonik sulfid kombinovanjem sa sumporom.

Ispod je jednadžba za reakcije koje karakterišu hemijska svojstva vodonika. Imajte na umu da kao nemetal (sa stanjem oksidacije -1) djeluje samo u reakciji s aktivnim metalima, formirajući s njima odgovarajuće hidride.

Vodik na uobičajenim temperaturama neaktivno reagira s drugim supstancama, pa se većina reakcija događa tek nakon predgrijavanja.

Pogledajmo bliže neke od hemijskih interakcija elementa koji je na čelu periodnog sistema hemijski elementi Mendeljejev.

Reakcija stvaranja vode je praćena oslobađanjem 285,937 kJ energije. Na povišenim temperaturama (više od 550 stepeni Celzijusa) ovaj proces prati snažna eksplozija.

Među onim hemijskim svojstvima gasovitog vodonika koja su našla značajnu primenu u industriji, interesantna je njegova interakcija sa metalnim oksidima. Upravo se katalitičkom hidrogenacijom u modernoj industriji prerađuju metalni oksidi, na primjer, čisti metal se izoluje iz željeznog kamenca (mješoviti željezni oksid). Ova metoda omogućava efikasnu reciklažu starog metala.

Sinteza amonijaka, koja uključuje interakciju vodonika s dušikom iz zraka, također je tražena u modernim hemijska industrija. Među uslovima za to hemijska interakcija Obratite pažnju na pritisak i temperaturu.

Zaključak

Vodonik je u normalnim uslovima hemijska supstanca sa malom aktivnošću. Kako temperatura raste, njegova aktivnost se značajno povećava. Ova supstanca je tražena u organskoj sintezi. Na primjer, hidrogenacijom, ketoni se mogu reducirati u sekundarne alkohole, a aldehidi se mogu pretvoriti u primarnih alkohola. Osim toga, hidrogenacijom je moguće pretvoriti nezasićene ugljovodonike klase etilena i acetilena u zasićena jedinjenja metanskog niza. Vodonik se s pravom smatra jednostavna supstanca, tražen u modernoj hemijskoj proizvodnji.

• Oznaka - H (vodonik);
• Latinski naziv - Hydrogenium;
• Razdoblje - I;
• Grupa - 1 (Ia);
• Atomska masa - 1,00794;
• Atomski broj - 1;
• Atomski radijus = 53 pm;
• Kovalentni radijus = 32 pm;
• Raspodjela elektrona - 1s 1;
• temperatura topljenja = -259,14°C;
• tačka ključanja = -252,87°C;
• Elektronegativnost (prema Paulingu/prema Alpredu i Rochowu) = 2,02/-;
• Oksidacijsko stanje: +1; 0; -1;
• Gustina (br.) = 0,0000899 g/cm 3 ;
• Molarni volumen = 14,1 cm 3 /mol.

Binarna jedinjenja vodonika sa kiseonikom:

Vodonik („rađanje vode“) otkrio je engleski naučnik G. Cavendish 1766. godine. To je najjednostavniji element u prirodi - atom vodonika ima jezgro i jedan elektron, što je vjerovatno razlog zašto je vodonik najzastupljeniji element u svemiru (koji čini više od polovine mase većine zvijezda).

Za vodonik možemo reći da je "kalem je mali, ali skup." Uprkos svojoj "jednostavnosti", vodonik daje energiju svim živim bićima na Zemlji - postoji kontinuirana termonuklearna reakcija tokom kojeg se od četiri atoma vodika formira jedan atom helija, ovaj proces je praćen oslobađanjem kolosalne količine energije (za više detalja pogledajte Nuklearna fuzija).

U zemljinoj kori maseni udio vodonika je samo 0,15%. U međuvremenu, ogroman broj (95%) svih poznatih na Zemlji hemikalije sadrže jedan ili više atoma vodika.

U jedinjenjima s nemetalima (HCl, H 2 O, CH 4 ...), vodik predaje svoj jedini elektron elektronegativnijim elementima, pokazujući oksidacijsko stanje +1 (češće), formirajući samo kovalentne veze(Vidi Kovalentna veza).

U jedinjenjima sa metalima (NaH, CaH 2 ...), vodonik, naprotiv, prihvata drugi elektron u svoju jedinu s-orbitalu, pokušavajući tako da dovrši svoj elektronski sloj, pokazujući oksidaciono stanje od -1 (rjeđe), često formiraju ionsku vezu (vidi Jonska veza), jer razlika u elektronegativnosti atoma vodika i atoma metala može biti prilično velika.

H 2

U gasovitom stanju, vodonik postoji u obliku dvoatomskih molekula, formirajući nepolarnu kovalentnu vezu.

Molekuli vodonika imaju:

• velika mobilnost;
• velika snaga;
• niska polarizabilnost;
• male veličine i težine.

Svojstva gasovitog vodonika:

• najlakši plin u prirodi, bez boje i mirisa;
• slabo topiv u vodi i organskim otapalima;
• rastvara se u malim količinama u tečnosti i tvrdi metali(posebno u platini i paladiju);
• teško se ukapljuje (zbog niske polarizabilnosti);
• ima najveću toplotnu provodljivost od svih poznatih gasova;
• kada se zagrije, reagira s mnogim nemetalima, pokazujući svojstva redukcijskog agensa;
• na sobnoj temperaturi reaguje sa fluorom (dolazi do eksplozije): H 2 + F 2 = 2HF;
• reaguje sa metalima i formira hidride, pokazujući oksidirajuća svojstva: H 2 + Ca = CaH 2;

U jedinjenjima, vodonik pokazuje svoja redukcijska svojstva mnogo jače od svojih oksidacijskih svojstava. Vodik je najmoćniji reduktor nakon uglja, aluminija i kalcija. Redukciona svojstva vodika se široko koriste u industriji za dobivanje metala i nemetala (jednostavnih tvari) iz oksida i galida.

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Reakcije vodika sa jednostavnim supstancama

Vodonik prihvata elektron, igrajući ulogu redukciono sredstvo, u reakcijama:

• With kiseonik(kada se zapali ili u prisustvu katalizatora), u omjeru 2:1 (vodik:kiseonik) nastaje eksplozivni detonirajući gas: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
• With siva(kada se zagrije na 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• With hlor(kada se zapali ili ozrači UV zracima): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
• With fluor: H 2 0 +F 2 = 2H +1 F
• With azot(kada se zagrijava u prisustvu katalizatora ili kada visok krvni pritisak): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

Vodonik donira elektron, igrajući ulogu oksidaciono sredstvo, u reakcijama sa alkalna I alkalna zemlja metali sa stvaranjem metalnih hidrida - sličnih soli jonska jedinjenja koji sadrže hidridne ione H - su nestabilne bijele kristalne tvari.

Ca+H 2 = CaH 2 -1 2Na+H 2 0 = 2NaH -1

Za vodonik nije tipično da pokazuje oksidacijsko stanje od -1. U reakciji s vodom, hidridi se raspadaju, redukujući vodu u vodik. Reakcija kalcijum hidrida sa vodom je sljedeća:

CaH 2 -1 +2H 2 +1 0 = 2H 2 0 +Ca(OH) 2

Reakcije vodonika sa složenim supstancama

• at visoka temperatura vodonik reducira mnoge metalne okside: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
• metil alkohol se dobija reakcijom vodonika sa ugljičnim monoksidom (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
• U reakcijama hidrogenacije, vodik reagira s mnogim organskim tvarima.

Detaljnije jednačine hemijske reakcije o vodoniku i njegovim jedinjenjima govori se na stranici "Vodonik i njegova jedinjenja - jednadžbe hemijskih reakcija koje uključuju vodonik."

Primjena vodonika

• u nuklearnoj energiji koriste se izotopi vodika - deuterijum i tricij;
• u hemijskoj industriji vodik se koristi za sintezu mnogih organskih supstanci, amonijaka, hlorovodonika;
• u prehrambenoj industriji vodonik se koristi u proizvodnji čvrstih masti hidrogenizacijom biljnih ulja;
• za zavarivanje i rezanje metala koristi se visoka temperatura sagorevanja vodonika u kiseoniku (2600°C);
• u proizvodnji nekih metala, vodonik se koristi kao redukciono sredstvo (vidi gore);
• Budući da je vodonik lagan plin, koristi se u aeronautici kao punilo baloni, baloni, zračni brodovi;
• Vodonik se koristi kao gorivo pomešano sa CO.

Naučnici u posljednje vrijeme posvećuju veliku pažnju potrazi za alternativnim izvorima obnovljive energije. Jedno od obećavajućih područja je energija "vodika", u kojoj se kao gorivo koristi vodonik, čiji je proizvod sagorijevanja obična voda.

Metode za proizvodnju vodonika

Industrijske metode za proizvodnju vodonika:

• konverzija metana (katalitička redukcija vodene pare) vodenom parom na visokoj temperaturi (800°C) na nikalnom katalizatoru: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
• konverzija ugljen monoksida vodenom parom (t=500°C) na Fe 2 O 3 katalizatoru: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
• termička razgradnja metana: CH 4 = C + 2H 2;
• gasifikacija čvrstih goriva (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• elektroliza vode (veoma skupa metoda koja proizvodi vrlo čist vodonik): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Laboratorijske metode za proizvodnju vodonika:

• djelovanje na metale (obično cink) sa hlorovodoničnom ili razblaženom sumpornom kiselinom: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2;
• interakcija vodene pare sa vrelim gvozdenim strugotinama: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

IN periodni sistem ima svoju specifičnu lokaciju, koja odražava svojstva koju ispoljava i govori o njegovoj elektronskoj strukturi. Međutim, među svima njima postoji jedan poseban atom koji zauzima dvije ćelije odjednom. Nalazi se u dvije grupe elemenata koji su potpuno suprotni po svojim svojstvima. Ovo je vodonik. Takve karakteristike ga čine jedinstvenim.

Vodik nije samo element, već i jednostavna tvar, kao i sastavni dio mnogih složenih spojeva, biogeni i organogeni element. Stoga, razmotrimo njegove karakteristike i svojstva detaljnije.

Vodonik kao hemijski element

Vodonik je element grupe 1 glavna podgrupa, kao i sedma grupa glavne podgrupe u prvom malom periodu. Ovaj period se sastoji od samo dva atoma: helijuma i elementa koji razmatramo. Hajde da opišemo glavne karakteristike položaja vodonika u periodnom sistemu.

1. Atomski broj vodika je 1, broj elektrona je isti i, shodno tome, broj protona je isti. Atomska masa - 1,00795. Postoje tri izotopa ovog elementa s masenim brojevima 1, 2, 3. Međutim, svojstva svakog od njih su vrlo različita, jer je povećanje mase čak i za jedan za vodonik odmah dvostruko.
2. Činjenica da sadrži samo jedan elektron na svojoj vanjskoj površini omogućava mu da uspješno pokazuje i oksidirajuća i redukcijska svojstva. Osim toga, nakon doniranja elektrona, on ostaje sa slobodnom orbitalom, koja učestvuje u formiranju hemijske veze prema mehanizmu donor-akceptor.
3. Vodik je jak redukcijski agens. Stoga se njegovo glavno mjesto smatra prvom grupom glavne podgrupe, gdje on najviše vodi aktivni metali- alkalna.
4. Međutim, kada je u interakciji s jakim redukcijskim agensima, kao što su metali, može biti i oksidacijski agens, prihvatajući elektron. Ova jedinjenja se nazivaju hidridi. Po ovoj osobini predvodi podgrupu halogena sa kojima je sličan.
5. Zbog svoje vrlo male atomske mase, vodonik se smatra najlakšim elementom. Osim toga, njegova gustina je također vrlo mala, tako da je također mjerilo za lakoću.

Dakle, očigledno je da je atom vodika potpuno jedinstven element, za razliku od svih ostalih elemenata. Samim tim i njegova svojstva su posebna, a veoma su važne i jednostavne i složene supstance koje se formiraju. Razmotrimo ih dalje.

Jednostavna supstanca

Ako govorimo o ovom elementu kao molekulu, onda moramo reći da je dvoatomski. Odnosno, vodonik (jednostavna supstanca) je gas. Njegova empirijska formula će biti napisana kao H 2, a grafička formula će biti napisana pomoću jednog sigma H-H veza. Mehanizam stvaranja veze između atoma je kovalentno nepolaran.

1. Parni reforming metana.
2. Gasifikacija uglja - proces uključuje zagrijavanje uglja na 1000 0 C, što rezultira stvaranjem vodonika i uglja s visokim udjelom ugljika.
3. Elektroliza. Ova metoda može se koristiti samo za vodeni rastvori razne soli, jer taline ne dovode do pražnjenja vode na katodi.

Laboratorijske metode za proizvodnju vodonika:

1. Hidroliza metalnih hidrida.
2. Utjecaj razrijeđenih kiselina na aktivne metale i srednju aktivnost.
3. Interakcija alkalnih i zemnoalkalnih metala sa vodom.

Da biste prikupili proizvedeni vodonik, morate držati epruvetu naopako. Uostalom, ovaj plin se ne može prikupiti na isti način kao, na primjer, ugljični dioksid. Ovo je vodonik, mnogo je lakši od vazduha. Brzo isparava i velike količine Eksplodira kada se pomeša sa vazduhom. Stoga epruvetu treba preokrenuti. Nakon punjenja, mora se zatvoriti gumenim čepom.

Da biste provjerili čistoću prikupljenog vodonika, treba prinijeti upaljenu šibicu na vrat. Ako je pljesak tup i tih, to znači da je plin čist, sa minimalnim nečistoćama zraka. Ako je glasan i zviždi, prljav je, sa velikim udjelom stranih komponenti.

Područja upotrebe

Kada se sagori vodonik, oslobađa se tako velika količina energije (topline) da se ovaj plin smatra najisplativijim gorivom. Štaviše, ekološki je prihvatljiv. Međutim, do danas je njegova primjena u ovoj oblasti ograničena. To je zbog loše osmišljenih i neriješenih problema sinteze čistog vodonika, koji bi bio pogodan za korištenje kao gorivo u reaktorima, motorima i prijenosnim uređajima, kao i kotlovima za grijanje stambenih objekata.

Uostalom, metode za proizvodnju ovog plina su prilično skupe, pa je prvo potrebno razviti posebnu metodu sinteze. Onaj koji će vam omogućiti da dobijete proizvod u velikim količinama i uz minimalne troškove.

Postoji nekoliko glavnih područja u kojima se koristi plin koji razmatramo.

1. Hemijske sinteze. Hidrogenacija se koristi za proizvodnju sapuna, margarina i plastike. Uz učešće vodonika sintetiziraju se metanol i amonijak, kao i druga jedinjenja.
2. U prehrambenoj industriji - kao aditiv E949.
3. Vazduhoplovna industrija (raketna nauka, proizvodnja aviona).
4. Elektroprivreda.
5. Meteorologija.
6. Ekološki prihvatljivo gorivo.

Očigledno, vodonik je važan koliko ga ima u prirodi. Različita jedinjenja koja ona formira igraju još veću ulogu.

Jedinjenja vodonika

To su složene tvari koje sadrže atome vodika. Postoji nekoliko glavnih vrsta takvih supstanci.

1. Halogenidi vodonika. Opća formula- HHal. Od posebnog značaja među njima je hlorovodonik. To je plin koji se rastvara u vodi i formira otopinu hlorovodonične kiseline. Ova kiselina se široko koristi u gotovo svim hemijske sinteze. Štaviše, i organski i neorganski. Hlorovodonik je spoj empirijske formule HCL i jedan je od najvećih proizvedenih u našoj zemlji godišnje. Halogenidi vodonika takođe uključuju jodid vodonik, fluorovodonik i bromovodonik. Svi oni formiraju odgovarajuće kiseline.
2. Isparljivi Gotovo svi su prilično otrovni plinovi. Na primjer, sumporovodik, metan, silan, fosfin i drugi. Istovremeno su veoma zapaljive.
3. Hidridi su jedinjenja sa metalima. Spadaju u klasu soli.
4. Hidroksidi: baze, kiseline i amfoterna jedinjenja. Oni nužno sadrže atome vodika, jedan ili više. Primjer: NaOH, K 2, H 2 SO 4 i drugi.
5. Vodonik hidroksid. Ovo jedinjenje je poznatije kao voda. Drugo ime je vodonik oksid. Empirijska formula izgleda ovako - H 2 O.
6. Vodikov peroksid. Ovo je jako oksidaciono sredstvo, čija je formula H 2 O 2.
7. Brojne organska jedinjenja: ugljovodonici, proteini, masti, lipidi, vitamini, hormoni, eterična ulja i drugi.

Očigledno je da je raznolikost spojeva elementa koji razmatramo veoma velika. Ovo još jednom potvrđuje njen veliki značaj za prirodu i ljude, kao i za sva živa bića.

- ovo je najbolji rastvarač

Kao što je gore spomenuto, uobičajeno ime za ovu supstancu je voda. Sastoji se od dva atoma vodika i jednog kisika, povezanih kovalentnim polarnim vezama. Molekul vode je dipol, što objašnjava mnoga svojstva koja pokazuje. Konkretno, to je univerzalni rastvarač.

Unutra je vodena sredina skoro sve se dešava hemijski procesi. Unutarnje reakcije plastičnog i energetskog metabolizma u živim organizmima također se provode pomoću vodikovog oksida.

Voda se s pravom smatra najvažnijom supstancom na planeti. Poznato je da nijedan živi organizam ne može živjeti bez njega. Na Zemlji može postojati u tri agregatna stanja:

• tekućina;
• plin (para);
• čvrsta (led).

Ovisno o izotopu vodika koji je uključen u molekulu, razlikuju se tri vrste vode.

1. Lagani ili protium. Izotop sa masenim brojem 1. Formula - H 2 O. Ovo je uobičajeni oblik koji koriste svi organizmi.
2. Deuterijum ili teški, njegova formula je D 2 O. Sadrži izotop 2 H.
3. Super teški ili tricij. Formula izgleda kao T 3 O, izotop - 3 H.

Rezerve svježe protiumske vode na planeti su veoma važne. Već postoji nedostatak istog u mnogim zemljama. Razvijaju se metode za prečišćavanje slane vode za proizvodnju vode za piće.

Vodikov peroksid je univerzalni lijek

Ovo jedinjenje, kao što je već spomenuto, odlično je oksidacijsko sredstvo. Međutim, sa jakim predstavnicima može se ponašati i kao restaurator. Osim toga, ima izražen baktericidni učinak.

Drugo ime ove veze- peroksid. U ovom obliku se koristi u medicini. 3% otopina kristalnog hidrata predmetnog spoja je medicinski lijek koji se koristi za liječenje malih rana u svrhu njihove dezinfekcije. Međutim, dokazano je da to produžava vrijeme zacjeljivanja rane.

Vodikov peroksid se također koristi u raketnom gorivu, u industriji za dezinfekciju i izbjeljivanje, te kao sredstvo za pjenjenje za proizvodnju odgovarajućih materijala (pjena, na primjer). Osim toga, peroksid pomaže u čišćenju akvarija, izbjeljivanju kose i izbjeljivanju zuba. Međutim, uzrokuje štetu tkivima, pa ga stručnjaci ne preporučuju za ove svrhe.

U periodnom sistemu vodonik se nalazi u dvije grupe elemenata koji su potpuno suprotni po svojim svojstvima. Ova karakteristika ga čini potpuno jedinstvenim. Vodik nije samo element ili supstanca, već je i sastavni dio mnogih složenih spojeva, organogeni i biogeni element. Stoga, pogledajmo njegova svojstva i karakteristike detaljnije.

Oslobađanje zapaljivog gasa tokom interakcije metala i kiselina primećeno je još u 16. veku, odnosno tokom formiranja hemije kao nauke. Čuveni engleski naučnik Henry Cavendish proučavao je supstancu počevši od 1766. godine i dao joj naziv "zapaljivi vazduh". Kada je sagoreo, ovaj gas je proizvodio vodu. Nažalost, naučnikova privrženost teoriji flogistona (hipotetička "ultrafina materija") spriječila ga je da dođe do pravih zaključaka.

Francuski hemičar i prirodnjak A. Lavoisier, zajedno sa inženjerom J. Meunierom i uz pomoć specijalnih gasometara, sintetizovao je vodu 1783. godine, a zatim je analizirao kroz razlaganje vodene pare vrelim gvožđem. Tako su naučnici uspjeli doći do pravih zaključaka. Otkrili su da "zapaljivi zrak" nije samo dio vode, već se može dobiti i iz nje.

Godine 1787. Lavoisier je sugerirao da je plin koji se proučava bio jednostavna supstanca i da je, prema tome, jedan od primarnih kemijskih elemenata. Nazvao ga je hidrogenom (od grčke riječi hydor - voda + gennao - rađam), tj. "rađanje vode".

Ruski naziv "vodonik" predložio je 1824. hemičar M. Solovjev. Određivanje sastava vode označilo je kraj „teorije flogistona“. Na prijelazu iz 18. u 19. stoljeće ustanovljeno je da je atom vodonika vrlo lagan (u poređenju sa atomima drugih elemenata) i njegova masa je uzeta kao osnovna jedinica za poređenje atomskih masa, koja je dobila vrijednost jednaku 1.

Fizička svojstva

Vodonik je najlakši od svih poznato nauci tvari (14,4 puta je lakši od zraka), njegova gustina je 0,0899 g/l (1 atm, 0 °C). Ovaj materijal se topi (učvršćuje) i ključa (ukapljuje), respektivno, na -259,1 °C i -252,8 °C (samo helijum ima niže temperature ključanja i topljenja).

Kritična temperatura vodonika je izuzetno niska (-240 °C). Iz tog razloga, njegovo ukapljivanje je prilično složen i skup proces. Kritični pritisak supstance je 12,8 kgf/cm², a kritična gustina je 0,0312 g/cm³. Od svih gasova, vodonik ima najveću toplotnu provodljivost: na 1 atm i 0 °C ona je jednaka 0,174 W/(mxK).

Specifični toplotni kapacitet supstance pod istim uslovima je 14,208 kJ/(kgxK) ili 3,394 cal/(gh°C). Ovaj element je slabo rastvorljiv u vodi (oko 0,0182 ml/g na 1 atm i 20 °C), ali dobro rastvorljiv u većini metala (Ni, Pt, Pa i drugi), posebno u paladijumu (oko 850 zapremina po zapremini Pd) .

Potonje svojstvo povezano je s njegovom sposobnošću difuzije, a difuzija kroz ugljičnu leguru (na primjer, čelik) može biti popraćena uništenjem legure zbog interakcije vodika s ugljikom (ovaj proces se naziva dekarbonizacija). IN tečno stanje supstanca je vrlo lagana (gustina - 0,0708 g/cm³ pri t° = -253 °C) i tečna (viskozitet - 13,8 spoise pod istim uslovima).

U mnogim jedinjenjima, ovaj element pokazuje valenciju +1 (oksidacijsko stanje), poput natrijuma i drugih alkalnih metala. Obično se smatra analogom ovih metala. Shodno tome, on vodi grupu I periodnog sistema. U metalnim hidridima, jon vodonika pokazuje negativan naboj (oksidaciono stanje je -1), odnosno Na+H- ima strukturu sličnu Na+Cl-hloridu. U skladu s ovim i nekim drugim činjenicama (blizina fizička svojstva element “H” i halogeni, sposobnost zamene halogenima u organskim jedinjenjima) Vodonik pripada VII grupi periodnog sistema.

U normalnim uslovima, molekularni vodonik ima nisku aktivnost, direktno se kombinujući samo sa najaktivnijim od nemetala (sa fluorom i hlorom, sa poslednjim na svetlosti). Zauzvrat, kada se zagrije, stupa u interakciju s mnogim kemijskim elementima.

Atomski vodonik ima povećanu hemijsku aktivnost (u poređenju sa molekularnim vodonikom). Sa kiseonikom formira vodu prema formuli:

N₂ + ½O₂ = N₂O,

oslobađajući 285,937 kJ/mol toplote ili 68,3174 kcal/mol (25 °C, 1 atm). U normalnim temperaturnim uslovima, reakcija se odvija prilično sporo, a na t° >= 550 °C je nekontrolisana. Granice eksplozivnosti smeše vodonika i kiseonika po zapremini su 4-94% H₂, a mešavine vodonika i vazduha 4-74% H₂ (mešavina dve zapremine H₂ i jedne zapremine O₂ naziva se detonirajući gas).

Ovaj element se koristi za redukciju većine metala, jer uklanja kisik iz oksida:

Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H₂O,

CuO + H₂ = Cu + H₂O, itd.

Vodik tvori vodikove halogenide s različitim halogenima, na primjer:

H₂ + Cl₂ = 2HCl.

Međutim, kada reagira s fluorom, vodik eksplodira (to se događa i u mraku, na -252 °C), s bromom i hlorom reagira samo kada se zagrije ili osvijetli, a s jodom - samo kada se zagrije. Prilikom interakcije s dušikom nastaje amonijak, ali samo na katalizatoru, pri povišenim pritiscima i temperaturama:

ZN₂ + N₂ = 2NN₃.

Kada se zagrije, vodik aktivno reagira sa sumporom:

H₂ + S = H₂S (vodonik sulfid),

i mnogo teže sa telurom ili selenom. Vodik reagira s čistim ugljikom bez katalizatora, ali na visokim temperaturama:

2H₂ + C (amorfni) = CH₄ (metan).

Ova supstanca direktno reaguje sa nekim od metala (alkalijski, zemnoalkalni i drugi), formirajući hidride, na primer:

H₂ + 2Li = 2LiH.

Važno praktični značaj imaju interakcije između vodonika i ugljik(II) monoksida. U tom slučaju, u zavisnosti od pritiska, temperature i katalizatora, nastaju različita organska jedinjenja: HCHO, CH₃OH, itd. Nezasićeni ugljovodonici tokom reakcije postaju zasićeni, na primer:

S n N₂ n + N₂ = S n N₂ n ₊₂.

Vodonik i njegovi spojevi igraju izuzetnu ulogu u hemiji. To uslovljava kiselinska svojstva tzv protonske kiseline, ima tendenciju stvaranja s različitim elementima vodoničnu vezu, koji ima značajan uticaj na svojstva mnogih neorganskih i organskih jedinjenja.

Proizvodnja vodonika

Glavne vrste sirovina za industrijsku proizvodnju ovog elementa su plinovi za preradu nafte, prirodni zapaljivi i koksni plinovi. Također se dobiva iz vode elektrolizom (na mjestima gdje je električna energija dostupna). Jedan od najvažnijim metodama proizvodnja materijala iz prirodni gas Razmatrana je katalitička interakcija ugljikovodika, uglavnom metana, s vodenom parom (tzv. konverzija). na primjer:

CH₄ + H₂O = CO + ZN₂.

Nepotpuna oksidacija ugljikovodika kisikom:

CH₄ + ½O₂ = CO + 2H₂.

Sintetizovani ugljen monoksid (II) prolazi kroz konverziju:

CO + H₂O = CO₂ + H₂.

Vodik proizveden iz prirodnog gasa je najjeftiniji.

Za elektrolizu vode koristi se jednosmjerna struja koja se propušta kroz otopinu NaOH ili KOH (kiseline se ne koriste da bi se izbjegla korozija opreme). U laboratorijskim uvjetima materijal se dobiva elektrolizom vode ili kao rezultat reakcije između hlorovodonične kiseline i cink. Međutim, češće se koristi gotov tvornički materijal u cilindrima.

Ovaj element je izolovan od gasova prerade nafte i koksnog gasa uklanjanjem svih ostalih komponenti gasne mešavine, jer se prilikom dubokog hlađenja lakše pretvaraju u tečnost.

Ovaj materijal se ponovo počeo industrijski proizvoditi kasno XVIII veka. Tada se koristio za punjenje balona. Trenutno se vodonik široko koristi u industriji, uglavnom u hemijskoj industriji, za proizvodnju amonijaka.

Masovni potrošači supstance su proizvođači metilnih i drugih alkohola, sintetičkog benzina i mnogih drugih proizvoda. Dobivaju se sintezom iz ugljičnog monoksida (II) i vodonika. Vodonik se koristi za hidrogenaciju teških i čvrstih tečnih goriva, masti i dr., za sintezu HCl, hidrotretman naftnih derivata, kao i u rezanju/zavarivanju metala. Najvažniji elementi Za nuklearna energija su njegovi izotopi - tricijum i deuterijum.

Biološka uloga vodonika

Oko 10% mase živih organizama (u prosjeku) dolazi od ovog elementa. Dio je vode i najvažnijih grupa prirodnih spojeva, uključujući proteine, nukleinske kiseline, lipide i ugljikohidrate. Za šta se koristi?

Ovaj materijal igra odlučujuću ulogu: u održavanju prostorne strukture proteina (kvaternarne), u implementaciji principa komplementarnosti nukleinskih kiselina (tj. u implementaciji i skladištenju genetskih informacija), i općenito u „prepoznavanju“ na molekularnom nivo.

Jon vodonika H+ učestvuje u važnim dinamičkim reakcijama/procesima u organizmu. Uključujući: u biološku oksidaciju koja daje energiju živim ćelijama, u reakcijama biosinteze, u fotosintezi u biljkama, u fotosintezi bakterija i fiksaciji dušika, u održavanju acido-bazne ravnoteže i homeostaze, u procesima membranskog transporta. Zajedno s ugljikom i kisikom, čini funkcionalnu i strukturnu osnovu životnih pojava.