Co je součástí vodíku? Vodík

VODÍK
N (lat. hydrogenium),
nejlehčí plynný chemický prvek je členem podskupiny IA periodické tabulky prvků, někdy je řazen do podskupiny VIIA. V zemské atmosféře existuje vodík v nevázaném stavu jen zlomek minuty, jeho množství je 1-2 díly na 1 500 000 dílů vzduchu. Obvykle se uvolňuje s dalšími plyny při sopečných erupcích, z ropných vrtů a v místech, kde se rozkládá velké množství organické hmoty. Vodík se slučuje s uhlíkem a/nebo kyslíkem v organických hmotách, jako jsou sacharidy, uhlovodíky, tuky a živočišné bílkoviny. V hydrosféře je vodík součástí vody, nejběžnější sloučeniny na Zemi. V horninách, půdách, půdách a dalších částech zemské kůry se vodík spojuje s kyslíkem za vzniku vody a hydroxidového iontu OH-. Vodík tvoří 16 % všech atomů v zemské kůře, ale pouze asi 1 % hmotnosti, protože je 16krát lehčí než kyslík. Hmotnost Slunce a hvězd tvoří 70 % vodíkové plazmy: jedná se o nejběžnější prvek ve vesmíru. Koncentrace vodíku v zemské atmosféře roste s nadmořskou výškou kvůli jeho nízké hustotě a schopnosti stoupat do vysokých nadmořských výšek. Meteority nalezené na povrchu Země obsahují 6-10 atomů vodíku na 100 atomů křemíku.
Historický odkaz. Další německý lékař a přírodovědec Paracelsus v 16. století. prokázala hořlavost vodíku. V roce 1700 N. Lemery zjistil, že plyn uvolněný působením kyseliny sírové na železo exploduje ve vzduchu. Vodík jako prvek identifikoval G. Cavendish v roce 1766 a nazval jej „hořlavý vzduch“ a v roce 1781 dokázal, že voda je produktem její interakce s kyslíkem. Latinské hydrogenium, které pochází z řeckého spojení „zrodit vodu“, tomuto prvku přiřadil A. Lavoisier.
Obecná charakteristika vodíku. Vodík je prvním prvkem v periodické tabulce prvků; jeho atom se skládá z jednoho protonu a jednoho elektronu rotujícího kolem něj
(viz také PERIODICKÁ SOUSTAVA PRVKŮ).
Jeden z 5000 atomů vodíku se vyznačuje přítomností jednoho neutronu v jádře, což zvyšuje hmotnost jádra z 1 na 2. Tento izotop vodíku se nazývá deuterium 21H nebo 21D. Další, vzácnější izotop vodíku obsahuje dva neutrony v jádře a nazývá se tritium 31H nebo 31T. Tritium je radioaktivní a rozkládá se za uvolňování hélia a elektronů. Jádra různých izotopů vodíku se liší spiny svých protonů. Vodík lze získat a) působením aktivního kovu na vodu, b) působením kyselin na určité kovy, c) působením zásad na křemík a některé amfoterní kovy, d) působením přehřáté páry na uhlí a metanu, jakož i na železe, e) elektrolytickým rozkladem vodou a tepelným rozkladem uhlovodíků. Chemická aktivita vodíku je určena jeho schopností darovat elektron jinému atomu nebo jej sdílet téměř rovnoměrně s jinými prvky při vytváření chemické vazby nebo připojit elektron jiného prvku v chemické sloučenině zvané hydrid. Vodík produkovaný průmyslem se používá ve velkém množství pro syntézu amoniaku, kyseliny dusičné a hydridů kovů. Potravinářský průmysl používá vodík k hydrogenaci (hydrogenaci) kapalných rostlinných olejů na pevné tuky (např. margarín). Během hydrogenace se nasycené organické oleje obsahující dvojné vazby mezi atomy uhlíku převádějí na nasycené s jednoduchými vazbami uhlík-uhlík. Vysoce čistý (99,9998 %) kapalný vodík se používá v kosmických raketách jako vysoce účinné palivo.
Fyzikální vlastnosti. Vodík vyžaduje ke zkapalnění a ztuhnutí velmi nízké teploty a vysoký tlak (viz tabulka vlastností). Za normálních podmínek je vodík bezbarvý plyn, bez zápachu a chuti, velmi lehký: 1 litr vodíku při 0 °C a atmosférickém tlaku má hmotnost 0,08987 g (srov. hustotu vzduchu a helia 1,2929 a 0,1785 g/l, proto by měl mít balónek naplněný heliem a se stejným zdvihem jako balónek naplněný vodíkem o 8 % větší objem). Tabulka ukazuje některé fyzikální a termodynamické vlastnosti vodíku. VLASTNOSTI OBYČEJNÉHO VODÍKU
(při 273,16 K nebo 0 °C)
Atomové číslo 1 Atomová hmotnost 11H 1,00797 Hustota, g/l

při normálním tlaku 0,08987 při 2,5*10 5 atm 0,66 při 2,7*10 18 atm 1,12*10 7

Kovalentní poloměr, 0,74 Bod tání, °C -259,14 Bod varu, °C -252,5 Kritická teplota, °C -239,92 (33,24 K) Kritický tlak, atm 12,8 (12,80 K) Tepelná kapacita, J/(molK) 28,8 (H2) Rozpustnost

ve vodě, objem/100 objemů H2O (za standardních podmínek) 2,148 v benzenu, ml/g (35,2 °C, 150,2 atm) 11,77 v amoniaku, ml/g (25 °C) při 50 atm 4,47 při 1000 atm 79,25

Oxidační stavy -1, +1
Struktura atomu. Obyčejný atom vodíku (protium) se skládá ze dvou základních částic (proton a elektron) a má atomovou hmotnost 1. Vzhledem k obrovské rychlosti elektronu (2,25 km/s nebo 7*1015 ot./min.) a jeho dualistické korpuskulární vlně přírody, je nemožné přesně určit souřadnici (polohu) elektronu v daném okamžiku, ale existují některé oblasti s vysokou pravděpodobností nalezení elektronu, které určují velikost atomu. Většina chemických a fyzikálních vlastností vodíku, zejména těch, které souvisejí s excitací (absorpcí energie), je přesně předpovězena matematicky (viz Spektroskopie). Vodík je podobný alkalickým kovům v tom, že všechny tyto prvky jsou schopny darovat elektron akceptorovému atomu za vzniku chemické vazby, která se může pohybovat od částečně iontových (sdílí elektron) až po kovalentní (sdílí elektronový pár). Se silným akceptorem elektronů tvoří vodík kladný iont H+, tzn. proton. Na elektronové dráze atomu vodíku mohou být 2 elektrony, takže vodík je také schopen přijmout elektron a vytvořit záporný ion H-, hydridový iont, a díky tomu je vodík podobný halogenům, které se vyznačují přijetím elektronu. za vzniku záporného halogenidového iontu, jako je Cl-. Dualismus vodíku se odráží v tom, že je v periodické tabulce prvků zařazen do podskupiny IA (alkalické kovy) a někdy do podskupiny VIIA (halogeny) (viz také CHEMIE).
Chemické vlastnosti. Chemické vlastnosti vodíku jsou určeny jeho jediným elektronem. Množství energie potřebné k odstranění tohoto elektronu je větší, než může poskytnout jakékoli známé chemické oxidační činidlo. Proto je chemická vazba vodíku s jinými atomy blíže kovalentní než iontové. Čistě kovalentní vazba vzniká, když vzniká molekula vodíku: H + H H2
Když se vytvoří jeden mol (tj. 2 g) H2, uvolní se 434 kJ. Dokonce i při 3000 K je stupeň disociace vodíku velmi malý a rovný 9,03 % při 5000 K dosahuje 94 % a teprve při 10 000 K je disociace úplná. Při vzniku dvou molů (36 g) vody z atomárního vodíku a kyslíku (4H + O2 -> 2H2O) se uvolní více než 1250 kJ a teplota dosáhne 3000-4000 °C, zatímco při spalování molekulárního vodíku (2H2 + O2 -> 2H2O) pouze 285,8 kJ a teplota plamene dosahuje pouze 2500 °C. Při pokojové teplotě je vodík méně reaktivní. K zahájení většiny reakcí musí být přerušena nebo oslabena silná vazba H-H, což vynakládá velké množství energie. Rychlost vodíkových reakcí se zvyšuje s použitím katalyzátoru (kovy skupiny platiny, oxidy přechodných nebo těžkých kovů) a způsoby buzení molekuly (světlo, elektrický výboj, elektrický oblouk, vysoké teploty). Za takových podmínek vodík reaguje s téměř jakýmkoli prvkem kromě vzácných plynů. Reaktivní prvky alkalických kovů a kovů alkalických zemin (jako lithium a vápník) reagují s vodíkem, darují elektrony a tvoří sloučeniny zvané hydridy solí (2Li + H2 -> 2LiH; Ca + H2 -> CaH2).
Obecně jsou hydridy sloučeniny obsahující vodík. Široká škála vlastností takových sloučenin (v závislosti na atomu vázaném na vodík) se vysvětluje schopností vodíku vykazovat náboj od -1 do téměř +1. To se jasně projevuje v podobnosti mezi LiH a CaH2 a solemi, jako je NaCl a CaCl2. V hydridech je vodík považován za záporně nabitý (H-); takový iont je redukční činidlo v kyselém vodném prostředí: 2H- H2 + 2e- + 2,25B. H- iont je schopen redukovat vodní proton H+ na plynný vodík: H- + H2O (r) H2 + OH-.
Sloučeniny vodíku s borem - borohydridy (borohydridy) - představují neobvyklou třídu látek nazývaných borany. Jejich nejjednodušším zástupcem je BH3, který existuje pouze ve stabilní formě diboranu B2H6. Sloučeniny s velkým počtem atomů boru se připravují různými způsoby. Známé jsou například tetraboran B4H10, stabilní pentaboran B5H9 a nestabilní pentaboran B5H11, hexaboran B6H10, dekaboran B10H14. Diboran lze získat z H2 a BCI3 přes meziprodukt B2H5Cl, který při 0 °C disproporcionuje k B2H6, stejně jako reakcí LiH nebo lithiumaluminiumhydridu LiAlH4 s BCI3. V lithiumaluminiumhydridu (komplexní sloučenina - solný hydrid) tvoří čtyři atomy vodíku kovalentní vazby s Al, ale mezi Li+ a []- je iontová vazba. Dalším příkladem iontu obsahujícího vodík je borohydridový iont BH4-. Níže je uvedena hrubá klasifikace hydridů podle jejich vlastností podle polohy prvků v periodické tabulce prvků. Hydridy přechodných kovů se nazývají kovové nebo meziprodukty a často netvoří stechiometrické sloučeniny, tzn. poměr atomů vodíku ke kovu není vyjádřen jako celé číslo, například hydrid vanadu VH0,6 a hydrid thoria ThH3,1. Kovy skupiny platiny (Ru, Rh, Pd, Os, Ir a Pt) aktivně absorbují vodík a slouží jako účinné katalyzátory hydrogenačních reakcí (např. hydrogenace kapalných olejů za vzniku tuků, přeměna dusíku na amoniak, syntéza methanolu CH3OH z CO). Hydridy Be, Mg, Al a podskupiny Cu, Zn, Ga jsou polární a tepelně nestabilní.

Nekovy tvoří těkavé hydridy obecného vzorce MHx (x je celé číslo) s relativně nízkým bodem varu a vysokým tlakem par. Tyto hydridy se výrazně liší od hydridů solí, ve kterých má vodík zápornější náboj. U těkavých hydridů (např. uhlovodíků) převládá kovalentní vazba mezi nekovy a vodíkem. S rostoucím nekovovým charakterem vznikají sloučeniny s částečně iontovými vazbami, například H+Cl-, (H2)2+O2-, N3-(H3)3+. Některé příklady tvorby různých hydridů jsou uvedeny níže (teplo tvorby hydridu je uvedeno v závorkách):

Izomerie a izotopy vodíku. Atomy izotopů vodíku nejsou stejné. Obyčejný vodík, protium, je vždy proton, kolem kterého rotuje jeden elektron, který se nachází v obrovské vzdálenosti od protonu (vzhledem k velikosti protonu). Obě částice mají spin, takže atomy vodíku se mohou lišit buď v elektronovém spinu, v protonovém spinu nebo v obou. Atomy vodíku, které se liší spinem protonu nebo elektronu, se nazývají izomery. Kombinace dvou atomů s paralelními rotacemi vede k vytvoření molekuly „ortovodíku“ a atomy s opačnými rotacemi protonů vedou k molekule „parahydrogenu“. Chemicky jsou obě molekuly totožné. Ortovodík má velmi slabý magnetický moment. Při pokojové nebo zvýšené teplotě jsou oba izomery, ortohydrogen a parahydrogen, obvykle v rovnováze v poměru 3:1. Při ochlazení na 20 K (-253° C) se obsah paravodíku zvýší na 99 %, protože je stabilnější. Při zkapalnění metodami průmyslového čištění se ortoforma přemění na paraformu s uvolněním tepla, což způsobuje ztrátu vodíku odpařováním. Rychlost přeměny ortoformy na paraformu se zvyšuje v přítomnosti katalyzátoru, jako je dřevěné uhlí, oxid niklu, oxid chrómu nanesený na oxidu hlinitém. Protium je neobvyklý prvek, protože ve svém jádru nemá žádné neutrony. Pokud se v jádře objeví neutron, pak se takový vodík nazývá deuterium 21D. Prvky se stejným počtem protonů a elektronů a různým počtem neutronů se nazývají izotopy. Přírodní vodík obsahuje malý podíl HD a D2. Podobně přírodní voda obsahuje nízké koncentrace (méně než 0,1 %) DOH a D2O. Těžká voda D2O, která má hmotnost větší než H2O, se liší fyzikálními a chemickými vlastnostmi, například hustota obyčejné vody je 0,9982 g/ml (20 °C) a hustota těžké vody je 1,105 g/ml , bod tání obyčejné vody je 0,0 °C a těžké - 3,82 °C, bod varu - 100 °C a 101,42 °C, v tomto pořadí Reakce zahrnující D2O probíhají při nižší rychlosti (například elektrolýza přírodní vody obsahující příměs D2O s přídavkem alkalického NaOH ). Rychlost elektrolytického rozkladu protium oxidu H2O je vyšší než u D2O (s přihlédnutím ke stálému nárůstu podílu D2O podléhajícího elektrolýze). Vzhledem k podobným vlastnostem protia a deuteria je možné nahradit protium deuteriem. Taková spojení se označují jako tzv. tagy. Smícháním sloučenin deuteria s běžnými látkami obsahujícími vodík je možné studovat dráhy, povahu a mechanismus mnoha reakcí. Tato metoda se používá ke studiu biologických a biochemických reakcí, jako jsou procesy trávení. Třetí izotop vodíku, tritium (31T), se přirozeně vyskytuje ve stopových množstvích. Na rozdíl od stabilního deuteria je tritium radioaktivní a má poločas rozpadu 12,26 let. Tritium se rozpadá na helium (32He) za uvolnění částice b (elektron). Tritium a kovové tritidy se používají k výrobě jaderné energie; například ve vodíkové bombě dochází k následující termonukleární fúzní reakci: 21H + 31H -> 42He + 10n + 17,6 MeV
Výroba vodíku.Často je další využití vodíku dáno charakterem samotné výroby. V některých případech, například při syntéze amoniaku, malá množství dusíku ve výchozím vodíku samozřejmě nejsou škodlivou nečistotou. Příměs oxidu uhelnatého také nebude problémem, pokud se jako redukční činidlo použije vodík. 1. Největší výroba vodíku je založena na katalytické přeměně uhlovodíků párou podle schématu CnH2n + 2 + nH2O (r) nCO + (2n + 1)H2 a CnH2n + 2 + 2nH2O (r) nCO2 + (3n + 1)H2. Teplota procesu závisí na složení katalyzátoru. Je známo, že reakční teplotu s propanem lze snížit na 370 °C za použití bauxitu jako katalyzátoru. Až 95 % vyprodukovaného CO se v tomto případě spotřebuje při další reakci s vodní párou: H2O + CO -> CO2 + H2
2. Metoda vodního plynu tvoří významnou část celkové produkce vodíku. Podstatou metody je reakce vodní páry s koksem za vzniku směsi CO a H2. Reakce je endotermická (DH° = 121,8 kJ/mol) a probíhá při 1000 °C. Zahřátý koks se zpracovává párou; Uvolněná směs vyčištěných plynů obsahuje určité množství vodíku, velké procento CO a malou příměs CO2. Pro zvýšení výtěžku H2 se oxid CO odstraňuje dalším zpracováním párou při 370 °C, což produkuje více CO2. Oxid uhličitý lze poměrně snadno odstranit průchodem plynné směsi přes pračku s protiproudem vody. 3. Elektrolýza. V elektrolytickém procesu je vodík vlastně vedlejším produktem výroby hlavních produktů, chlorové alkálie (NaOH). Elektrolýza se provádí v mírně alkalickém vodném prostředí při 80 °C a napětí asi 2V za použití železné katody a niklové anody:

4. Metoda železo-pára, při které se pára o 500-1000 °C vede přes železo: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 + 160,67 kJ. Vodík vyrobený touto metodou se obvykle používá k hydrogenaci tuků a olejů. Složení oxidu železa závisí na teplotě procesu; v nC+ (n + 1)H2
6. Dalším největším objemem výroby je metoda methanol-pára: CH3OH + H2O -> 3H2 + CO2. Reakce je endotermická a probíhá při VODÍKU 260 °C v běžných ocelových reaktorech při tlacích až 20 atm. 7. Katalytický rozklad amoniaku: 2NH3 -> Reakce je reverzibilní. Když jsou požadavky na vodík malé, je tento proces neekonomický. Existují také různé způsoby výroby vodíku, které, i když nemají velký průmyslový význam, se v některých případech mohou ukázat jako ekonomicky nejvýhodnější. Velmi čistý vodík se získává hydrolýzou přečištěných hydridů alkalických kovů; v tomto případě se z malého množství hydridu tvoří hodně vodíku: LiH + H2O -> LiOH + H2
(Tato metoda je vhodná při přímém použití výsledného vodíku.) Při interakci kyselin s aktivními kovy se také uvolňuje vodík, ale obvykle je kontaminován kyselými parami nebo jiným plynným produktem, například fosfinem PH3, sirovodíkem H2S, arsinem AsH3 . Nejaktivnější kovy, které reagují s vodou, vytěsňují vodík a tvoří alkalický roztok: 2H2O + 2Na -> H2 + 2NaOH Běžnou laboratorní metodou získávání H2 v Kippově aparatuře je reakce zinku s kyselinou chlorovodíkovou nebo sírovou:
Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2. Hydridy kovů alkalických zemin (například CaH2), hydridy komplexních solí (například LiAlH4 nebo NaBH4) a některé borohydridy (například B2H6) uvolňují vodík při reakci s vodou nebo během tepelné disociace. Hnědé uhlí a pára při vysokých teplotách také reagují a uvolňují vodík.
Čištění vodíkem. Stupeň požadované čistoty vodíku je určen oblastí jeho použití. Nečistoty oxidu uhličitého se odstraňují zmrazením nebo zkapalněním (například průchodem plynné směsi kapalným dusíkem). Stejnou nečistotu lze zcela odstranit probubláváním vodou. CO lze odstranit katalytickou konverzí na CH4 nebo CO2 nebo zkapalněním zpracováním kapalným dusíkem. Kyslíková nečistota vzniklá během procesu elektrolýzy je odstraněna ve formě vody po jiskrovém výboji.
Aplikace vodíku. Vodík se využívá především v chemickém průmyslu k výrobě chlorovodíku, čpavku, metanolu a dalších organických sloučenin. Používá se při hydrogenaci olejů, ale i uhlí a ropy (k přeměně nekvalitních paliv na vysoce kvalitní). V metalurgii se některé neželezné kovy redukují ze svých oxidů pomocí vodíku. Vodík se používá k chlazení výkonných elektrických generátorů. Izotopy vodíku se používají v jaderné energetice. Vodík-kyslíkový plamen se používá pro řezání a svařování kovů.
LITERATURA
Nekrasov B.V. Základy obecné chemie. M., 1973 Kapalný vodík. M., 1980 Vodík v kovech. M., 1981

Collierova encyklopedie. - Otevřená společnost. 2000 .

Synonyma:

Podívejte se, co je „HYDROGEN“ v jiných slovnících:

Tabulka nuklidů Obecné informace Název, značka Vodík 4, ​​4H Neutrony 3 Protony 1 Vlastnosti nuklidů Atomová hmotnost 4,027810(110) ... Wikipedia

Tabulka nuklidů Obecné informace Název, značka Vodík 5, 5H Neutrony 4 Protony 1 Vlastnosti nuklidů Atomová hmotnost 5,035310(110) ... Wikipedia

Tabulka nuklidů Obecné informace Název, značka Vodík 6, 6H Neutrony 5 Protony 1 Vlastnosti nuklidů Atomová hmotnost 6,044940(280) ... Wikipedia

Tabulka nuklidů Obecné informace Název, značka Vodík 7, 7H Neutrony 6 Protony 1 Vlastnosti nuklidu Atomová hmotnost 7,052750 (1080) ... Wikipedia

Vodík (Hydrogenium) objevil v první polovině 16. století německý lékař a přírodovědec Paracelsus. V roce 1776 G. Cavendish (Anglie) stanovil jeho vlastnosti a naznačil jeho odlišnosti od ostatních plynů. Lavoisier jako první získal vodík z vody a dokázal, že voda je chemická sloučenina vodíku a kyslíku (1783).

Vodík má tři izotopy: protium, deuterium nebo D a tritium nebo T. Jejich hmotnostní čísla jsou 1, 2 a 3. Protium a deuterium jsou stabilní, tritium je radioaktivní (poločas rozpadu 12,5 roku). V přírodních sloučeninách je deuterium a protium obsaženo v průměru v poměru 1:6800 (podle počtu atomů). Tritium se v přírodě vyskytuje v zanedbatelném množství.

Jádro atomu vodíku obsahuje jeden proton. Jádra deuteria a tritia zahrnují kromě protonu jeden a dva neutrony.

Molekula vodíku se skládá ze dvou atomů. Zde jsou některé vlastnosti charakterizující atom a molekulu vodíku:

Atomová ionizační energie, eV 13,60

Atomová elektronová afinita, eV 0,75

Relativní elektronegativita 2.1

Atomový poloměr, nm 0,046

Mezijaderná vzdálenost v molekule, nm 0,0741

Standardní eitalpie molekulární disociace při 436,1

115. Vodík v přírodě. Výroba vodíku.

Vodík ve volném stavu se na Zemi vyskytuje jen v malém množství. Někdy se uvolňuje spolu s dalšími plyny při sopečných erupcích a také z vrtů při těžbě ropy. Ale ve formě sloučenin je vodík velmi běžný. To je vidět z toho, že tvoří jednu devítinu hmotnosti vody. Vodík se nachází ve všech rostlinných a živočišných organismech, ropě, uhlí a hnědém uhlí, zemních plynech a řadě minerálů. Vodík tvoří asi 1 % celé hmoty zemské kůry, včetně vody a vzduchu. Po přepočtu na procenta z celkového počtu atomů je však obsah vodíku v zemské kůře 17 %.

Vodík je nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru. Představuje asi polovinu hmotnosti Slunce a většiny ostatních hvězd. Nachází se v plynových mlhovinách, v mezihvězdném plynu a je součástí hvězd. V nitru hvězd se jádra atomů vodíku přeměňují na jádra atomů helia. Tento proces nastává s uvolňováním energie pro mnoho hvězd, včetně Slunce, slouží jako hlavní zdroj energie. Rychlost procesu, tedy počet vodíkových jader přecházejících na jádra helia v jednom krychlovém metru za jednu sekundu, je malá. Proto je množství energie uvolněné za jednotku času na jednotku objemu malé. Vzhledem k obrovské hmotnosti Slunce je však celkové množství energie generované a emitované Sluncem velmi velké. To odpovídá poklesu hmotnosti Slunce přibližně za sekundu.

V průmyslu se vodík vyrábí především ze zemního plynu. Tento plyn sestávající převážně z metanu se mísí s vodní párou a kyslíkem. Při zahřívání směsi plynů v přítomnosti katalyzátoru dochází k reakci, kterou lze schematicky znázornit rovnicí:

Výsledná směs plynů se oddělí. Vodík se čistí a používá se buď v místě výroby, nebo se přepravuje v ocelových lahvích pod vysokým tlakem.

Důležitým průmyslovým způsobem výroby vodíku je také jeho separace z koksárenského plynu nebo z plynů z rafinace ropy. Provádí se hlubokým chlazením, při kterém jsou všechny plyny kromě vodíku zkapalněny.

V laboratořích se vodík vyrábí většinou elektrolýzou vodných roztoků. Koncentrace těchto roztoků se volí tak, aby odpovídala jejich maximální elektrické vodivosti. Elektrody jsou obvykle vyrobeny z niklových plechů. Tento kov nekoroduje v alkalických roztocích ani jako anoda. V případě potřeby se výsledný vodík čistí od vodní páry a stop kyslíku. Z dalších laboratorních metod je nejrozšířenější metodou separace vodíku z roztoků kyseliny sírové nebo chlorovodíkové působením zinku na ně. Reakce se obvykle provádí v Kippově přístroji (obr. 105).

Historie objevů:

Od 15. století mnozí badatelé zaznamenali uvolňování hořlavého plynu při interakci kyselin s kovy. První podrobný popis vodíku pod názvy „hořlavý vzduch“ a „deflogistický vzduch“ podal anglický chemik Henry Cavendish v roce 1766. V roce 1783 Antoine Lavoisier dokázal, že vodík je součástí vody, a zařadil jej do své tabulky chemických prvků zvaných vodík (zrodil vodu). Ruský název „vodík“ navrhl chemik M.F. Soloviev v roce 1824 – analogicky s „kyslíkem“ M.V. Lomonosov.

Hledání v přírodě a získávání:

Vodík tvoří asi 92 % všech atomů ve vesmíru. Je hlavní složkou hmoty hvězd a mezihvězdného plynu ve formě sloučenin tvoří atmosféru mnoha planet. Na Zemi je podíl atomů vodíku 17 % je součástí nejrozšířenější látky – vody a je součástí sloučenin tvořících živé organismy, kde podíl jeho atomů je asi 50 %. Zároveň je hmotnostní zlomek vodíku na Zemi (zemská kůra + hydrosféra) asi 1,5 %
Hlavní metodou výroby vodíku v laboratoři je interakce kovů (Zn, Fe) se zředěnými kyselinami a také elektrolýza alkalických roztoků. V průmyslu se vodík vyrábí elektrolýzou solných roztoků (NaCl), konverzí nebo katalytickou oxidací metanu, krakováním nebo reformováním uhlovodíků (rafinace ropy).
Konverze methanu: CH 4 + H 2 O CO + 3H 2

Fyzikální vlastnosti:

Vodík se vyskytuje ve formě tří izotopů, které mají jednotlivé názvy a symboly: 1 H - protium (H), 2 H - deuterium (D), 3 H - tritium (T). Přírodní vodík obsahuje 99,99 % protia a 0,01 % deuteria. Tritium se přirozeně vyskytuje ve velmi malých množstvích a je radioaktivní s poločasem rozpadu 12,32 let.
Jednoduchá hmota H2, nejlehčí plyn, bezbarvý, bez zápachu a chuti, bod tání -259,1, bod varu -252,8°C, mírně rozpustný ve vodě - 18,8 ml/l. Vodík je vysoce rozpustný v mnoha kovech (850 objemů na 1 objem Pd) a může snadno difundovat přes kovové membrány.
Těžký vodík D 2 má dvojnásobnou hustotu a mírně vyšší body tání a varu (-254,5 °C a -249,5 °C)

Chemické vlastnosti:

Za normální teploty reaguje vodík pouze s velmi aktivními kovy (např. vápníkem) a nekovy: fluorem (bez světla, s výbuchem), chlorem (na světle, s výbuchem). Při zahřátí reaguje s většinou nekovů (s kyslíkem k reakci dochází okamžitě při zapálení). Směs kyslíku a vodíku v poměru 1:2 se nazývá „výbušný plyn“. Má výrazné redukční vlastnosti, redukuje oxidy kovů: železo, měď, olovo, wolfram atd. V přítomnosti katalyzátorů (Pt, Ni) se přidává k násobným vazbám organických sloučenin (hydrogenační reakce).

Nejdůležitější spojení:

Oxid vodíku, H2O- voda je bezbarvá kapalina, bezbarvá, bez zápachu, chuti. Anomální fyzikální vlastnosti vody (Tm = 0 °C, Tbp = 100 °C) jsou způsobeny tvorbou mezimolekulárních vodíkových vazeb. Je to amfolyt, disociující za vzniku hydroniových a hydroxidových iontů, avšak stupeň disociace je 1,8 * 10 -16, takže čistá voda téměř nevede elektrický proud.
Voda je vysoce reaktivní látka. Hlavní reakce:
- reakce sloučenin s oxidy aktivních kovů a nekovů za vzniku odpovídajících hydroxidů zásadité nebo kyselé povahy;
- hydrolytické reakce (vratné a nevratné) mnoha anorganických a organických látek;
- hydratační reakce - adice vody na násobných vazbách organických sloučenin.

Peroxid vodíku - H 2 O 2- bezbarvá sirupovitá kapalina, bezbarvá, bez zápachu, s nepříjemnou kovovou chutí. Při maximální koncentraci - kapalina (o hustotě asi 1,5 g/cm3), bod tání -0,43°C, bod varu 150°C. Rozpouští se ve vodě, ethylalkoholu, ethyletheru v libovolném poměru.
V koncentrovaných roztocích je peroxid vodíku nestabilní a exploduje do vody a kyslíku. Způsobuje těžké popáleniny.
Obvykle se používá ve formě zředěných (3%-30%) roztoků. Oxidátor? jaké je jeho použití jako bělidla, dezinfekce atd. V přírodě se nachází ve spodních vrstvách atmosféry, ve srážkách.

Iontové hydridy - MH x- sloučeniny vodíku s alkalickými kovy a kovy alkalických zemin, kde vodík má oxidační stav -1. Pevné látky podobné soli. Restaurátoři. Rozkládají se vodou a kyselinami za uvolňování vodíku: NaH + H 2 O → NaOH + H 2

Kovalentní hydridy - H x X- sloučeniny vodíku s nekovy, kde vodík má oxidační stav +1. Plyny, mnohé jsou jedovaté. Redukce díky nekovu. Vlastnosti se liší od inertních (metan) po kyselé (halogenidy). Amoniak NH 3 a slabší fosfin PH 3 vykazují základní vlastnosti. S výjimkou halogenovodíků jsou hořlavé za vzniku odpovídajících oxidů.

Aplikace:

Jedno z prvních použití vodíku bylo v letadlech lehčích než vzduch: balónech a vzducholodí. Kvůli vysokému nebezpečí požáru vodíku bylo toto použití přerušeno, s výjimkou meteorologických balónů.

Atomový vodík se používá pro svařování atomárním vodíkem. Kapalný vodík je jedním z typů raketového paliva. Vodíkovo-kyslíkové palivové články využívají vodík k přímé přeměně energie chemické reakce na elektrickou energii.

Jako redukční činidlo při výrobě určitých kovů, pro výrobu pevných tuků hydrogenací rostlinných olejů. V chemickém průmyslu - výroba čpavku, chlorovodíku atd.

Peroxid vodíku: 3% roztok se používá v lékařství, kosmetologii a průmyslu k bělení slámy, peří, klihu, kožešiny, kůže atd., 60% roztok se používá k bělení tuků a olejů. Vysoce koncentrované roztoky (85-90%) smíchané s některými hořlavými látkami se používají k výrobě výbušných směsí, jako okysličovadlo v raketových a torpédových motorech.

Deuterid lithia-6: jako zdroj deuteria a tritia v termonukleárních zbraních (vodíková bomba).

Novikova O., Pasyuk E.
Tyumen State University, skupina 502, 2013

Prameny:
Vodík // Wikipedie. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=55655584
Vodík // Online encyklopedie kolem světa. URL: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/VODOROD.html (datum přístupu: 23.05.2013).
Pchyolkina G.V. Lekce #24. Hydrogen// Himula.com URL: https://sites.google.com/site/himulacom/ (datum přístupu: 23.05.2013).

VODÍK, H (lat. hydrogenium; a. vodík; n. Wasserstoff; f. hydrogene; i. hydrogen), je chemický prvek periodického systému Mendělejevových prvků, který je současně řazen do skupiny I a VII, atomové číslo 1. , atomová hmotnost 1,0079. Přírodní vodík má stabilní izotopy - protium (1 H), deuterium (2 H, nebo D) a radioaktivní - tritium (3 H, nebo T). Pro přírodní sloučeniny je průměrný poměr D/H = (158±2).10 -6 Rovnovážný obsah 3H na Zemi je ~5,10 27 atomů.

Fyzikální vlastnosti vodíku

Vodík byl poprvé popsán v roce 1766 anglickým vědcem G. Cavendishem. Za normálních podmínek je vodík bezbarvý plyn bez zápachu a chuti. V přírodě se nachází ve volném stavu ve formě molekul H2. Disociační energie molekuly H 2 je 4,776 eV; ionizační potenciál atomu vodíku je 13,595 eV. Vodík je nejlehčí známá látka, při 0 °C a 0,1 MPa 0,0899 kg/m 3 ; t varu - 252,6 °C, t tání - 259,1 °C; kritické parametry: t - 240°C, tlak 1,28 MPa, hustota 31,2 kg/m 3. Tepelně nejvíce vodivý ze všech plynů je 0,174 W/(m.K) při 0°C a 1 MPa, měrná tepelná kapacita 14,208,10 3 J(kg.K).

Chemické vlastnosti vodíku

Kapalný vodík je velmi lehký (hustota při -253 °C je 70,8 kg/m 3) a kapalný (při -253 °C je 13,8 cP). Ve většině sloučenin vodík vykazuje oxidační stav +1 (podobně jako alkalické kovy), méně často -1 (podobně jako hydridy kovů). Za normálních podmínek je molekulární vodík neaktivní; rozpustnost ve vodě při 20 °C a 1 MPa 0,0182 ml/g; vysoce rozpustný v kovech - Ni, Pt, Pd aj. S kyslíkem tvoří vodu s uvolňováním tepla 143,3 MJ/kg (při 25°C a 0,1 MPa); při 550 °C a vyšších je reakce doprovázena explozí. Při interakci s fluorem a chlorem dochází také k explozivním reakcím. Hlavní sloučeniny vodíku: H 2 O, amoniak NH 3, sirovodík H 2 S, CH 4, hydridy kovů a halogenů CaH 2, HBr, Hl, dále organické sloučeniny C 2 H 4, HCHO, CH 3 OH atd. .

Vodík v přírodě

Vodík je v přírodě rozšířený prvek, jeho obsah je 1 % (hmotnostní). Hlavní zásobárnou vodíku na Zemi je voda (11,19% hmotnosti). Vodík je jednou z hlavních složek všech přírodních organických sloučenin. Ve volném stavu je přítomen ve vulkanických a jiných zemních plynech v (0,0001 %, podle počtu atomů). Tvoří většinu hmoty Slunce, hvězd, mezihvězdného plynu a plynových mlhovin. V atmosférách planet je přítomen ve formě H 2, CH 4, NH 3, H 2 O, CH, NHOH aj. Je součástí korpuskulárního záření Slunce (protonové toky) a kosmického záření (elektron protéká).

Výroba a použití vodíku

Surovinou pro průmyslovou výrobu vodíku jsou plyny z ropných rafinérií, produkty zplyňování apod. Hlavní způsoby výroby vodíku jsou: reakce uhlovodíků s vodní párou, částečná oxidace uhlovodíků, konverze oxidů, elektrolýza vody. Vodík se používá k výrobě čpavku, alkoholů, syntetického benzínu, kyseliny chlorovodíkové, hydrogenační rafinaci ropných produktů a řezání kovů vodíkovo-kyslíkovým plamenem.

Vodík je perspektivní plynné palivo. Deuterium a tritium našly uplatnění v jaderné energetice.

Má své specifické postavení v periodické tabulce, které odráží vlastnosti, které vykazuje, a vypovídá o jeho elektronické struktuře. Mezi všemi je však jeden speciální atom, který zabírá dvě buňky najednou. Nachází se ve dvou skupinách prvků, které jsou svými vlastnostmi zcela opačné. Toto je vodík. Díky těmto vlastnostem je jedinečný.

Vodík není jen prvek, ale také jednoduchá látka, stejně jako nedílná součást mnoha komplexních sloučenin, biogenní a organogenní prvek. Podívejme se proto podrobněji na jeho vlastnosti a vlastnosti.

Vodík jako chemický prvek

Vodík je prvkem první skupiny hlavní podskupiny, stejně jako sedmé skupiny hlavní podskupiny v prvním vedlejším období. Toto období se skládá pouze ze dvou atomů: hélia a prvku, o kterém uvažujeme. Popišme hlavní rysy polohy vodíku v periodické tabulce.

1. Atomové číslo vodíku je 1, počet elektronů je stejný a počet protonů je tedy stejný. Atomová hmotnost - 1,00795. Existují tři izotopy tohoto prvku s hmotnostními čísly 1, 2, 3. Vlastnosti každého z nich jsou však velmi odlišné, protože nárůst hmotnosti i o jeden pro vodík je okamžitě dvojnásobný.
2. Skutečnost, že na vnějším povrchu obsahuje pouze jeden elektron, mu umožňuje úspěšně vykazovat oxidační i redukční vlastnosti. Po darování elektronu navíc zůstává u volného orbitalu, který se podílí na tvorbě chemických vazeb podle mechanismu donor-akceptor.
3. Vodík je silné redukční činidlo. Proto je za jeho hlavní místo považována první skupina hlavní podskupiny, kde vede nejaktivnější kovy – alkálie.
4. Při interakci se silnými redukčními činidly, jako jsou kovy, však může být také oxidačním činidlem, které přijímá elektron. Tyto sloučeniny se nazývají hydridy. Podle této vlastnosti vede podskupinu halogenů, se kterými je podobný.
5. Díky své velmi malé atomové hmotnosti je vodík považován za nejlehčí prvek. Jeho hustota je navíc také velmi nízká, takže je také měřítkem lehkosti.

Je tedy zřejmé, že atom vodíku je zcela unikátní prvek, na rozdíl od všech ostatních prvků. V důsledku toho jsou jeho vlastnosti také zvláštní a velmi důležité jsou vytvořené jednoduché a složité látky. Zvažme je dále.

Jednoduchá hmota

Pokud o tomto prvku mluvíme jako o molekule, pak musíme říci, že je dvouatomový. To znamená, že vodík (jednoduchá látka) je plyn. Jeho empirický vzorec bude zapsán jako H2 a jeho grafický vzorec bude zapsán prostřednictvím jediného vztahu sigma H-H. Mechanismus vzniku vazby mezi atomy je kovalentní nepolární.

1. Parní reformování metanu.
2. Zplyňování uhlí - proces zahrnuje zahřátí uhlí na 1000 0 C, výsledkem čehož je vznik vodíku a uhlí s vysokým obsahem uhlíku.
3. Elektrolýza. Tato metoda může být použita pouze pro vodné roztoky různých solí, protože taveniny nevedou k vypouštění vody na katodě.

Laboratorní metody výroby vodíku:

1. Hydrolýza hydridů kovů.
2. Vliv zředěných kyselin na aktivní kovy a střední aktivitu.
3. Interakce alkalických kovů a kovů alkalických zemin s vodou.

Abyste shromáždili vyrobený vodík, musíte držet zkumavku dnem vzhůru. Tento plyn totiž nelze sbírat stejně jako například oxid uhličitý. Toto je vodík, je mnohem lehčí než vzduch. Rychle se odpařuje a ve velkém množství při smíchání se vzduchem exploduje. Proto by měla být zkumavka obrácená. Po naplnění se musí uzavřít gumovou zátkou.

Chcete-li zkontrolovat čistotu nasbíraného vodíku, měli byste ke krku přinést zapálenou zápalku. Pokud je klapání tupé a tiché, znamená to, že plyn je čistý, s minimálními nečistotami ve vzduchu. Pokud je hlasitý a píská, je špinavý, s velkým podílem cizích složek.

Oblasti použití

Při spalování vodíku se uvolňuje takové množství energie (tepla), že je tento plyn považován za nejvýnosnější palivo. Navíc je šetrný k životnímu prostředí. Jeho použití v této oblasti je však zatím omezené. Důvodem jsou nedomyšlené a neřešené problémy syntézy čistého vodíku, který by byl vhodný pro použití jako palivo v reaktorech, motorech a přenosných zařízeních, ale i obytných topných kotlích.

Koneckonců, způsoby výroby tohoto plynu jsou poměrně drahé, takže nejprve je nutné vyvinout speciální metodu syntézy. Takový, který vám umožní získat produkt ve velkých objemech a s minimálními náklady.

Existuje několik hlavních oblastí, ve kterých se plyn, o kterém uvažujeme, používá.

1. Chemické syntézy. Hydrogenace se používá k výrobě mýdel, margarínů a plastů. Za účasti vodíku jsou syntetizovány methanol a amoniak, stejně jako další sloučeniny.
2. V potravinářském průmyslu - jako přísada E949.
3. Letecký průmysl (raketová věda, výroba letadel).
4. Elektroenergetika.
5. Meteorologie.
6. Ekologické palivo.

Je zřejmé, že vodík je stejně důležitý, jako je v přírodě hojný. Ještě větší roli hrají různé sloučeniny, které tvoří.

Sloučeniny vodíku

Jedná se o složité látky obsahující atomy vodíku. Existuje několik hlavních typů takových látek.

1. Halogenidy vodíku. Obecný vzorec je HHal. Zvláštní význam mezi nimi má chlorovodík. Je to plyn, který se rozpouští ve vodě za vzniku roztoku kyseliny chlorovodíkové. Tato kyselina je široce používána téměř ve všech chemických syntézách. Navíc organické i anorganické. Chlorovodík je sloučenina s empirickým vzorcem HCL a je jednou z největších, které se u nás ročně vyrábí. Halogenidy také zahrnují jodovodík, fluorovodík a bromovodík. Všechny tvoří odpovídající kyseliny.
2. Těkavé Téměř všechny jsou docela jedovaté plyny. Například sirovodík, metan, silan, fosfin a další. Zároveň jsou velmi hořlavé.
3. Hydridy jsou sloučeniny s kovy. Patří do třídy solí.
4. Hydroxidy: zásady, kyseliny a amfoterní sloučeniny. Nezbytně obsahují atomy vodíku, jeden nebo více. Příklad: NaOH, K 2, H 2 SO 4 a další.
5. Hydroxid vodíku. Tato sloučenina je známější jako voda. Dalším názvem je oxid vodíku. Empirický vzorec vypadá takto - H2O.
6. Peroxid vodíku. Jedná se o silné oxidační činidlo, jehož vzorec je H2O2.
7. Četné organické sloučeniny: uhlovodíky, bílkoviny, tuky, lipidy, vitamíny, hormony, silice a další.

Je zřejmé, že rozmanitost sloučenin prvku, o kterém uvažujeme, je velmi velká. To opět potvrzuje jeho velký význam pro přírodu a člověka, stejně jako pro všechny živé bytosti.

- to je nejlepší rozpouštědlo

Jak bylo uvedeno výše, obecný název této látky je voda. Skládá se ze dvou atomů vodíku a jednoho kyslíku, spojených kovalentními polárními vazbami. Molekula vody je dipól, což vysvětluje mnoho vlastností, které vykazuje. Zejména je to univerzální rozpouštědlo.

Právě ve vodním prostředí probíhají téměř všechny chemické procesy. Vnitřní reakce metabolismu plastů a energie v živých organismech se provádějí také pomocí oxidu vodíku.

Voda je právem považována za nejdůležitější látku na planetě. Je známo, že bez něj nemůže žít žádný živý organismus. Na Zemi může existovat ve třech stavech agregace:

• kapalina;
• plyn (pára);
• pevný (led).

V závislosti na izotopu vodíku obsaženém v molekule se rozlišují tři typy vody.

1. Světlo nebo protium. Izotop s hmotnostním číslem 1. Vzorec - H 2 O. Toto je obvyklá forma, kterou používají všechny organismy.
2. Deuterium nebo těžké, jeho vzorec je D2O. Obsahuje izotop 2H.
3. Super těžký nebo tritium. Vzorec vypadá jako T3O, izotop - 3H.

Zásoby čerstvé protium vody na planetě jsou velmi důležité. V mnoha zemích je ho již nyní nedostatek. Vyvíjejí se metody úpravy slané vody na výrobu pitné vody.

Peroxid vodíku je univerzální lék

Tato sloučenina, jak je uvedeno výše, je vynikajícím oxidačním činidlem. Se silnými představiteli se však dokáže chovat i jako restaurátor. Kromě toho má výrazný baktericidní účinek.

Dalším názvem této sloučeniny je peroxid. Právě v této podobě se používá v lékařství. 3% roztok krystalického hydrátu příslušné sloučeniny je lékařský lék, který se používá k léčbě malých ran za účelem jejich dezinfekce. Bylo však prokázáno, že se tím prodlužuje doba hojení rány.

Peroxid vodíku se také používá v raketovém palivu, v průmyslu pro dezinfekci a bělení a jako pěnidlo pro výrobu vhodných materiálů (například pěny). Kromě toho peroxid pomáhá čistit akvária, bělit vlasy a bělit zuby. Poškozuje však tkáně, proto jej odborníci pro tyto účely nedoporučují.