U normalnim uslovima, vodonik reaguje sa. Vodik: fizička i hemijska svojstva

Vodonik je jednostavna supstanca H 2 (dihironik, diprocijum, laki vodonik).

Brief karakteristika vodonika:

• Nemetalni.
• Bezbojni gas koji se teško pretvara u tečnost.
• Slabo rastvorljiv u vodi.
• Bolje se rastvara u organskim rastvaračima.
• Hemsorbuju metali: gvožđe, nikl, platina, paladijum.
• Snažan redukcijski agens.
• Interagira (na visokim temperaturama) sa nemetalima, metalima, metalnim oksidima.
• Atomski vodonik H 0, dobijen termičkom razgradnjom H 2, ima najveću redukcionu sposobnost.
• Izotopi vodonika:
  • 1 H - protij
  • 2 H - deuterijum (D)
  • 3 H - tricij (T)
• Relativna molekulska težina = 2,016
• Relativna gustina čvrstog vodonika (t = -260°C) = 0,08667
• Relativna gustina tečnog vodonika (t = -253°C) = 0,07108
• Nadtlak (n.a.) = 0,08988 g/l
• tačka topljenja = -259,19°C
• tačka ključanja = -252,87 °C
• Volumetrijski koeficijent rastvorljivosti vodonika:
  • (t = 0 °C) = 2,15;
  • (t = 20 °C) = 1,82;
  • (t = 60 °C) = 1,60;

1. Termička razgradnja vodonika(t = 2000-3500 °C):
H 2 ↔ 2H 0

2. Interakcija vodonika sa nemetali:

• H 2 + F 2 = 2HF (t = -250 .. + 20 ° C)
• H 2 + Cl 2 = 2HCl (na sagorevanju ili na svetlosti na sobnoj temperaturi):
  • Cl 2 = 2Cl 0
  • Cl 0 + H 2 = HCl + H 0
  • H 0 + Cl 2 = HCl + Cl 0
• H 2 + Br 2 = 2HBr (t = 350-500 ° C, platinasti katalizator)
• H 2 + I 2 = 2HI (t = 350-500 ° C, platinasti katalizator)
• H 2 + O 2 = 2H 2 O:
  • H 2 + O 2 = 2OH 0
  • OH 0 + H 2 = H 2 O + H 0
  • H 0 + O 2 = OH 0 + O 0
  • O 0 + H 2 = OH 0 + H 0
• H 2 + S = H 2 S (t = 150..200 °C)
• 3H 2 + N 2 = 2NH 3 (t = 500 °C, željezni katalizator)
• 2H 2 + C (koks) = CH 4 (t = 600°C, platinasti katalizator)
• H 2 + 2C (koks) = C 2 H 2 (t = 1500..2000 °C)
• H 2 + 2C (koks) + N 2 = 2HCN (t više od 1800 °C)

3. Interakcija vodonika sa složene supstance:

• 4H 2 + (Fe II Fe 2 III) O 4 = 3Fe + 4H 2 O (t više od 570 °C)
• H 2 + Ag 2 SO 4 = 2Ag + H 2 SO 4 (t više od 200 °C)
• 4H 2 + 2Na 2 SO 4 = Na 2 S + 4H 2 O (t = 550-600 °C, katalizator Fe 2 O 3)
• 3H 2 + 2BCl 3 = 2B + 6HCl (t = 800-1200 °C)
• H 2 + 2EuCl 3 = 2EuCl 2 + 2HCl (t = 270 °C)
• 4H 2 + CO 2 = CH 4 + 2H 2 O (t = 200 °C, katalizator CuO 2)
• H 2 + CaC 2 = Ca + C 2 H 2 (t više od 2200 °C)
• H 2 + BaH 2 = Ba (H 2) 2 (t do 0 °C, rastvor)

4. Učešće vodonika u redoks reakcije:

• 2H 0 (Zn, dil. HCl) + KNO 3 = KNO 2 + H 2 O
• 8H 0 (Al, konc. KOH) + KNO 3 = NH 3 + KOH + 2H 2 O
• 2H 0 (Zn, dil. HCl) + EuCl 3 = 2EuCl 2 + 2HCl
• 2H 0 (Al) + NaOH (konc.) + Ag 2 S = 2Ag ↓ + H 2 O + NaHS
• 2H 0 (Zn, dil. H 2 SO 4) + C 2 N 2 = 2HCN

Jedinjenja vodonika

D 2 - diduterijum:

• Teški vodonik.
• Bezbojni gas koji se teško pretvara u tečnost.
• Dideuterijum je sadržan u prirodnom vodoniku 0,012-0,016% (težinski).
• U plinskoj mješavini dideuterijuma i protijuma dolazi do izmjene izotopa na visokim temperaturama.
• Slabo rastvorljiv u običnoj i teškoj vodi.
• Sa običnom vodom izotopska izmjena je zanemarljiva.
• Hemijska svojstva su slična lakom vodiku, ali dideuterijum je manje reaktivan.
• Relativna molekulska težina = 4,028
• Relativna gustina tečnog dideuterijuma (t = -253°C) = 0,17
• tačka topljenja = -254,5°C
• tačka ključanja = -249,49 °C

T 2 - ditirij:

• Superteški vodonik.
• Bezbojni radioaktivni gas.
• Poluživot je 12,34 godine.
• U prirodi, ditricij nastaje kao rezultat bombardiranja 14 N jezgri kosmičkim zračenjem neutronima; tragovi ditirijuma nalaze se u prirodnim vodama.
• Ditricij se dobiva u nuklearnom reaktoru bombardiranjem litijuma sporim neutronima.
• Relativna molekulska težina = 6,032
• tačka topljenja = -252,52°C
• tačka ključanja = -248,12 °C

HD - deuterijum vodonik:

• Bezbojni gas.
• Ne rastvara se u vodi.
• Hemijska svojstva su slična H2.
• Relativna molekulska težina = 3,022
• Relativna gustina čvrstog vodikovog deuterida (t = -257°C) = 0,146
• Nadtlak (n.o.) = 0,135 g/l
• tačka topljenja = -256,5°C
• tačka ključanja = -251,02 °C

Vodikovi oksidi

H 2 O - voda:

• Bezbojna tečnost.
• Prema izotopskom sastavu kiseonika, voda se sastoji od H 2 16 O sa primesama H 2 18 O i H 2 17 O
• Prema izotopskom sastavu vodonika, voda se sastoji od 1 H 2 O sa primjesom HDO.
• Tečna voda prolazi kroz protolizu (H 3 O + i OH -):
  • H 3 O + (oksonijum kation) je najjača kiselina u vodenom rastvoru;
  • OH - (hidroksid ion) je najjača baza u vodenom rastvoru;
  • Voda je najslabiji konjugirani protolit.
• Uz mnoge tvari, voda formira kristalne hidrate.
• Voda je hemijski aktivna supstanca.
• Voda je svestrani tečni rastvarač za neorganska jedinjenja.
• Relativna molekulska težina vode = 18,02
• Relativna gustina čvrste vode (led) (t = 0°C) = 0,917
• Relativna gustina tečne vode:
  • (t = 0°C) = 0,999841
  • (t = 20 °C) = 0,998203
  • (t = 25 °C) = 0,997044
  • (t = 50 °C) = 0,97180
  • (t = 100 °C) = 0,95835
• gustina (n.o.) = 0,8652 g/l
• tačka topljenja = 0°C
• tačka ključanja = 100°C
• Jonski proizvod vode (25°C) = 1,008 10 -14

1. Termička razgradnja vode:
2H 2 O ↔ 2H 2 + O 2 (iznad 1000 °C)

D 2 O - deuterijum oksid:

• Teška voda.
• Bezbojna higroskopna tečnost.
• Viskozitet je veći od viskoziteta vode.
• Miješa se sa običnom vodom u neograničenim količinama.
• Poluteška voda HDO nastaje tokom razmene izotopa.
• Moć rastvaranja je niža od one obične vode.
• Hemijska svojstva deuterijum oksida su slična osobinama vode, ali su sve reakcije sporije.
• Teška voda je prisutna u prirodnoj vodi (maseni odnos prema običnoj vodi 1:5500).
• Deuterijum oksid se dobija ponovljenom elektrolizom prirodne vode, u kojoj se teška voda akumulira u ostatku elektrolita.
• Relativna molekulska težina teške vode = 20,03
• Relativna gustina tečne teške vode (t = 11,6 °C) = 1,1071
• Relativna gustina tečne teške vode (t = 25°C) = 1,1042
• tačka topljenja = 3,813°C
• tačka ključanja = 101,43 °C

T 2 O - tricijum oksid:

• Super teška voda.
• Bezbojna tečnost.
• Viskoznost je veća, a moć rastvaranja niža od one obične i teške vode.
• Miješa se sa običnom i teškom vodom u neograničenim količinama.
• Izotopska izmjena sa običnom i teškom vodom dovodi do stvaranja HTO, DTO.
• Hemijska svojstva superteške vode su slična onima vode, ali sve reakcije se odvijaju čak i sporije nego u teškoj vodi.
• Tragovi tricijum oksida nalaze se u prirodnoj vodi i atmosferi.
• Superteška voda se dobija propuštanjem tricijuma preko usijanog bakarnog oksida CuO.
• Relativna molekulska težina superteške vode = 22,03
• tačka topljenja = 4,5°C

Vodonik (H) je veoma lagan hemijski element, sa sadržajem od 0,9% mase u Zemljinoj kori i 11,19% u vodi.

Karakterizacija vodonika

Po lakoći je prvi među gasovima. U normalnim uslovima je bez ukusa, boje i apsolutno bez mirisa. Kada uđe u termosferu, zbog male težine leti u svemir.

U cijelom svemiru, to je najbrojniji kemijski element (75% ukupne mase tvari). Toliko da su mnoge zvijezde u svemiru sastavljene u potpunosti od njega. Na primjer, sunce. Njegova glavna komponenta je vodonik. A toplina i svjetlost su rezultat oslobađanja energije kada se jezgra materijala stapaju. Takođe u svemiru postoje čitavi oblaci njegovih molekula različitih veličina, gustina i temperatura.

Fizička svojstva

Visoka temperatura i pritisak značajno menjaju njegove kvalitete, ali u normalnim uslovima:

Ima visoku toplotnu provodljivost u poređenju sa drugim gasovima,

Netoksičan i slabo rastvorljiv u vodi,

Sa gustinom od 0,0899 g / l na 0 ° C i 1 atm.,

Pretvara se u tečnost na temperaturi od -252,8 °C

Postaje tvrd na -259,1 °C,

Specifična toplota sagorevanja 120.9.106 J/kg.

Prelazak u tečno ili čvrsto stanje zahteva visok pritisak i veoma niske temperature. U tečnom stanju je tečan i lagan.

Hemijska svojstva

Pod pritiskom i kada se ohladi (-252,87 g. C), vodonik poprima tečno stanje, koje je lakše po težini od bilo kog analoga. U njemu zauzima manje prostora nego u gasovitom obliku.

On je tipičan nemetal. U laboratorijima se proizvodi reakcijom metala (kao što su cink ili željezo) s razrijeđenim kiselinama. U normalnim uslovima je neaktivan i reaguje samo sa aktivnim nemetalima. Vodik može odvojiti kisik od oksida i reducirati metale iz spojeva. On i njegove mješavine formiraju vodikovu vezu sa nekim elementima.

Gas je lako rastvorljiv u etanolu i mnogim metalima, posebno paladijumu. Srebro ga ne rastvara. Vodonik se može oksidirati tokom sagorijevanja u kisiku ili u zraku, te interakcijom sa halogenima.

Kada se spoji sa kiseonikom, nastaje voda. Ako je temperatura normalna, onda je reakcija spora, ako je iznad 550 ° C - s eksplozijom (pretvara se u eksplozivni plin).

Pronalaženje vodonika u prirodi

Iako na našoj planeti ima puno vodonika, nije ga lako pronaći u čistom obliku. Malo se može naći tokom vulkanskih erupcija, tokom proizvodnje nafte i na mestu raspadanja organske materije.

Više od polovine ukupne količine je u sastavu sa vodom. Također je uključen u strukturu ulja, raznih glina, zapaljivih plinova, životinja i biljaka (prisustvo u svakoj živoj ćeliji je 50% po broju atoma).

Ciklus vodonika u prirodi

Svake godine, kolosalna količina (milijarde tona) biljnih ostataka se razgrađuje u vodenim tijelima i tlu, a ova razgradnja prska ogromnu masu vodonika u atmosferu. Oslobađa se i tokom fermentacije uzrokovane bakterijama, sagorevanjem i zajedno sa kiseonikom učestvuje u ciklusu vode.

Primjena vodonika

Čovječanstvo aktivno koristi element u svojim aktivnostima, pa smo naučili kako ga nabaviti u industrijskoj mjeri za:

Meteorologija, hemijska proizvodnja;

Proizvodnja margarina;

Kao gorivo za rakete (tečni vodonik);

Elektroprivreda za hlađenje električnih generatora;

Zavarivanje i rezanje metala.

Masa vodika se koristi u proizvodnji sintetičkog benzina (za poboljšanje kvaliteta goriva niske kvalitete), amonijaka, klorovodika, alkohola i drugih materijala. Nuklearna energija aktivno koristi svoje izotope.

Lijek "vodikov peroksid" ima široku primjenu u metalurgiji, elektronskoj industriji, industriji celuloze i papira, u izbjeljivanju lanenih i pamučnih tkanina, za proizvodnju boja za kosu i kozmetiku, polimera i u medicini za liječenje rana.

"Eksplozivna" priroda ovog gasa može postati katastrofalno oružje - hidrogenska bomba. Njegova eksplozija je praćena oslobađanjem ogromne količine radioaktivnih tvari i destruktivna je za sva živa bića.

Kontakt između tekućeg vodika i kože može dovesti do teških i bolnih promrzlina.

Tečnost

Vodonik(lat. Hidrogenijum; označena simbolom H) - prvi element periodnog sistema elemenata. Široko rasprostranjen u prirodi. Kation (i jezgro) najzastupljenijeg izotopa vodika, 1 H, je proton. Svojstva 1 H jezgra omogućavaju široku upotrebu NMR spektroskopije u analizi organskih supstanci.

Tri izotopa vodonika imaju svoja imena: 1 H - protij (H), 2 H - deuterijum (D) i 3 H - tricijum (radioaktivan) (T).

Prosta supstanca vodonik - H 2 - lagani bezbojni gas. Zapaljiv je i eksplozivan kada se pomeša sa vazduhom ili kiseonikom. Netoksičan. Otopimo u etanolu i nizu metala: gvožđe, nikl, paladijum, platina.

istorija

Oslobađanje zapaljivog gasa tokom interakcije kiselina i metala primećeno je u 16. i 17. veku u zoru formiranja hemije kao nauke. Mihail Vasiljevič Lomonosov je takođe direktno ukazao na njeno razdvajanje, ali već definitivno shvatajući da nije reč o flogistonu. Engleski fizičar i hemičar Henry Cavendish istražio je ovaj gas 1766. godine i nazvao ga "zapaljivim vazduhom". Kada je sagoreo, "zapaljivi vazduh" je proizvodio vodu, ali Cavendishovo privrženost teoriji flogistona ga je sprečilo da izvuče ispravne zaključke. Francuski hemičar Antoine Lavoisier je zajedno sa inženjerom J. Meunierom, koristeći specijalne plinomjere, 1783. godine sintetizirao vodu, a zatim je analizirao, razlažući vodenu paru vrućim željezom. Tako je ustanovio da je "zapaljivi vazduh" deo vode i da se iz nje može dobiti.

porijeklo imena

Lavoisier je vodoniku dao ime hydrogène - "rađanje vode". Ruski naziv "vodonik" predložio je hemičar M.F.

Prevalencija

Vodonik je najzastupljeniji element u svemiru. On čini oko 92% svih atoma (8% su atomi helija, udio svih ostalih elemenata zajedno je manji od 0,1%). Dakle, vodonik je glavni sastojak zvijezda i međuzvjezdanog plina. U uslovima zvjezdanih temperatura (na primjer, površinska temperatura Sunca je ~ 6000 ° C), vodik postoji u obliku plazme; u međuzvjezdanom prostoru ovaj element postoji u obliku pojedinačnih molekula, atoma i jona i može formirati molekularni oblaci koji se značajno razlikuju po veličini, gustoći i temperaturi.

Zemljina kora i živi organizmi

Maseni udio vodonika u zemljinoj kori je 1% - ovo je deseti najzastupljeniji element. Međutim, njegova uloga u prirodi nije određena masom, već brojem atoma, čiji je udio među ostalim elementima 17% (drugo mjesto nakon kisika, čiji je udio atoma ~ 52%). Stoga je važnost vodonika u hemijskim procesima koji se odvijaju na Zemlji gotovo jednako velika kao kiseonik. Za razliku od kiseonika, koji na Zemlji postoji iu vezanom iu slobodnom stanju, praktično sav vodonik na Zemlji je u obliku jedinjenja; samo vrlo mala količina vodonika u obliku jednostavne supstance sadržana je u atmosferi (0,00005% zapremine).

Vodik je dio gotovo svih organskih tvari i prisutan je u svim živim stanicama. U živim ćelijama, vodonik čini skoro 50% broja atoma.

Primanje

Industrijske metode dobivanja jednostavnih tvari zavise od oblika u kojem se odgovarajući element nalazi u prirodi, odnosno šta mogu biti sirovine za njegovu proizvodnju. Dakle, kiseonik, koji je dostupan u slobodnom stanju, dobija se fizičkom metodom - izdvajanjem iz tekućeg vazduha. Gotovo sav vodonik je u obliku spojeva, pa se za njegovo dobivanje koriste kemijske metode. Posebno se mogu koristiti reakcije razlaganja. Jedna od metoda za proizvodnju vodika je reakcija razgradnje vode električnom strujom.

Glavna industrijska metoda za proizvodnju vodika je reakcija metana s vodom, koja je dio prirodnog plina. Izvodi se na visokoj temperaturi (lako je osigurati da ne dođe do reakcije kada se metan propušta čak i kroz kipuću vodu):

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 −165 kJ

U laboratoriju, za dobivanje jednostavnih tvari, ne koriste nužno prirodne sirovine, već biraju one polazne materijale od kojih je lakše izolirati traženu tvar. Na primjer, u laboratoriji se kisik ne dobiva iz zraka. Isto se odnosi i na proizvodnju vodonika. Jedna od laboratorijskih metoda za proizvodnju vodika, koja se ponekad koristi u industriji, je razlaganje vode električnom strujom.

Obično u laboratoriji, vodonik se proizvodi interakcijom cinka sa hlorovodoničnom kiselinom.

U industriji

1.Elektroliza vodenih rastvora soli:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Prolaz vodene pare preko usijanog koksa na temperaturi od oko 1000°C:

H 2 O + C? H 2 + CO

3.Od prirodnog plina.

Steam konverzija:

CH 4 + H 2 O? CO + 3H 2 (1000 °C)

Katalitička oksidacija kisikom:

2CH 4 + O 2? 2CO + 4H 2

4. Krekiranje i reformiranje ugljovodonika u procesu prerade nafte.

U laboratoriji

1.Djelovanje razrijeđenih kiselina na metale. Za izvođenje takve reakcije najčešće se koriste cink i razrijeđena klorovodična kiselina:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Interakcija kalcijuma sa vodom:

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

3.Hidroliza hidrida:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Djelovanje alkalija na cink ili aluminij:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2

Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.Elektrolizom. Tokom elektrolize vodenih rastvora alkalija ili kiselina, na katodi se razvija vodonik, na primer:

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

Fizička svojstva

Vodonik može postojati u dva oblika (modifikacije) - u obliku orto- i para-vodonika. Molekula ortovodika o-H 2 (t.t. -259,10 °C, bp. -252,56 °C) nuklearni spinovi su usmjereni na isti način (paralelno), str-H 2 (talište -259,32 °C, bp. -252,89 °C) - jedno nasuprot drugom (antiparalelno). Ravnotežna mješavina o-H 2 i str-H 2 na datoj temperaturi se naziva ravnotežni vodonik e-H 2.

Modifikacije vodika se mogu razdvojiti adsorpcijom na aktivnom ugljenu na temperaturi tekućeg dušika. Na vrlo niskim temperaturama, ravnoteža između ortohidrogena i paravodonika je gotovo u potpunosti pomjerena prema ovom drugom. Na 80 K, odnos oblika je otprilike 1:1. Desorbirani paravodonik zagrijavanjem se pretvara u ortovodonik dok se ne formira ravnoteža smjese na sobnoj temperaturi (orto-par: 75:25). Bez katalizatora, transformacija se odvija sporo (u uslovima međuzvjezdanog medija - s karakterističnim vremenima do kosmoloških), što omogućava proučavanje svojstava pojedinačnih modifikacija.

Vodonik je najlakši gas, 14,5 puta je lakši od vazduha. Očigledno, što je manja masa molekula, to je veća njihova brzina na istoj temperaturi. Kao najlakši, molekuli vodonika kreću se brže od molekula bilo kojeg drugog plina i stoga mogu brže prenijeti toplinu s jednog tijela na drugo. Iz toga slijedi da vodik ima najveću toplinsku provodljivost među plinovitim tvarima. Njegova toplotna provodljivost je oko sedam puta veća od toplotne provodljivosti vazduha.

Molekul vodonika je dvoatomski - N 2. U normalnim uslovima, to je gas bez boje, mirisa i ukusa. Gustina 0,08987 g / l (n.u.), tačka ključanja -252,76 ° C, specifična toplota sagorevanja 120,9 × 10 6 J / kg, slabo rastvorljiv u vodi - 18,8 ml / l. Vodonik je lako rastvorljiv u mnogim metalima (Ni, Pt, Pd, itd.), posebno u paladijumu (850 zapremina na 1 zapreminu Pd). Rastvorljivost vodonika u metalima povezana je s njegovom sposobnošću da difundira kroz njih; difuzija kroz ugljičnu leguru (npr. čelik) ponekad je praćena destrukcijom legure zbog interakcije vodika s ugljikom (tzv. dekarbonizacija). Praktično nerastvorljiv u srebru.

Tečni vodonik postoji u vrlo uskom temperaturnom rasponu od -252,76 do -259,2 °C. To je bezbojna tečnost, vrlo lagana (gustina na -253 °C 0,0708 g/cm 3) i fluidna (viskozitet na -253 °C 13,8 cpoise). Kritični parametri vodonika su veoma niski: temperatura je -240,2 °C, a pritisak je 12,8 atm. Ovo objašnjava poteškoće u ukapljivanju vodonika. U tečnom stanju, ravnotežni vodonik se sastoji od 99,79% para-H2, 0,21% orto-H2.

Čvrsti vodonik, tačka topljenja −259,2°C, gustina 0,0807 g/cm3 (na −262°C) - masa nalik snegu, kristali heksagonalnog sistema, prostorna grupa P6/mmc, parametri ćelije a=3,75 c= 6.12. Pri visokom pritisku vodonik prelazi u metalno stanje.

Izotopi

Vodonik se javlja u obliku tri izotopa, koji imaju pojedinačna imena: 1 H - protij (H), 2 H - deuterijum (D), 3 H - tricijum (radioaktivan) (T).

Protijum i deuterijum su stabilni izotopi sa masenim brojevima 1 i 2. Njihov sadržaj u prirodi je 99,9885 ± 0,0070% i 0,0115 ± 0,0070%. Ovaj omjer može neznatno varirati ovisno o izvoru i načinu proizvodnje vodika.

Izotop vodonika 3 H (tricijum) je nestabilan. Njegovo poluvrijeme je 12,32 godine. Tricijum se u prirodi nalazi u vrlo malim količinama.

Literatura takođe sadrži podatke o izotopima vodonika sa masenim brojevima 4–7 i poluraspadom od 10–22–10–23 s.

Prirodni vodonik sastoji se od molekula H2 i HD (vodonik deuterida) u omjeru 3200:1. Sadržaj čistog deuterijum vodonika D 2 je još manji. Odnos koncentracija HD i D 2 je približno 6400:1.

Od svih izotopa kemijskih elemenata, fizička i kemijska svojstva izotopa vodika se međusobno najviše razlikuju. To je zbog najveće relativne promjene atomskih masa.

	Temperatura topljenje, K	Temperatura ključanje, K	Triple tačka, K / kPa	Kritično tačka, K / kPa	Gustina tečnost/gas, kg / m³

Deuterijum i tricijum takođe imaju orto i para modifikacije: str-D 2, o-D 2, str-T 2, o-T 2. Heteroizotopni vodonik (HD, HT, DT) nemaju orto i para modifikacije.

Hemijska svojstva

Frakcija disociranih molekula vodika

Molekule vodika H 2 su prilično jake i mora se potrošiti mnogo energije da bi vodonik reagirao:

H 2 = 2H - 432 kJ

Stoga, na uobičajenim temperaturama, vodik reagira samo s vrlo aktivnim metalima, na primjer s kalcijem, formirajući kalcijev hidrid:

Ca + H 2 = CaH 2

i sa jedinim nemetalom - fluorom, formirajući fluorovodonik:

S većinom metala i nemetala, vodik reagira na povišenim temperaturama ili pod drugim utjecajima, na primjer, pod svjetlom:

O 2 + 2N 2 = 2N 2 O

Može "uzeti" kisik iz nekih oksida, na primjer:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O

Napisana jednačina odražava redukciona svojstva vodonika.

N 2 + 3H 2 → 2NH 3

Sa halogenima stvara vodonik halogenide:

F 2 + H 2 → 2HF, reakcija se odvija eksplozijom u mraku i na bilo kojoj temperaturi,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, reakcija se odvija eksplozijom, samo na svjetlu.

Reaguje sa čađom pod jakim zagrijavanjem:

C + 2H 2 → CH 4

Interakcija sa alkalnim i zemnoalkalnim metalima

Kada je u interakciji s aktivnim metalima, vodik formira hidride:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H 2 → MgH 2

Hidridi- slane, čvrste supstance, koje se lako hidroliziraju:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + 2H 2

Interakcija sa metalnim oksidima (obično d-elementima)

Oksidi se redukuju u metale:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Hidrogenacija organskih jedinjenja

Molekularni vodonik se široko koristi u organskoj sintezi za redukciju organskih spojeva. Ovi procesi se nazivaju reakcije hidrogenacije... Ove reakcije se izvode u prisustvu katalizatora na povišenom pritisku i temperaturi. Katalizator može biti ili homogen (npr. Wilkinsonov katalizator) ili heterogen (npr. Raneyjev nikal, paladij-ugljik).

Tako, posebno, tokom katalitičke hidrogenacije nezasićenih jedinjenja kao što su alkeni i alkini, nastaju zasićena jedinjenja - alkani.

Hydrogen Geochemistry

Slobodni vodonik H 2 je relativno rijedak u kopnenim plinovima, ali u obliku vode igra izuzetno važnu ulogu u geohemijskim procesima.

Vodik može biti dio minerala u obliku amonijum jona, hidroksil jona i kristalne vode.

U atmosferi se vodik kontinuirano proizvodi razgradnjom vode sunčevim zračenjem. Imajući malu masu, molekule vodika imaju veliku brzinu difuzijskog kretanja (blizu drugoj kozmičkoj brzini) i, padajući u gornje slojeve atmosfere, mogu letjeti u svemir.

Karakteristike liječenja

Kada se pomiješa sa zrakom, vodonik stvara eksplozivnu smjesu - takozvani eksplozivni plin. Ovaj plin je najeksplozivniji kada je zapreminski omjer vodonika i kisika 2:1, odnosno vodonika i zraka otprilike 2:5, jer zrak sadrži oko 21% kisika. Vodonik je takođe opasan za požar. Tečni vodonik može izazvati ozbiljne promrzline ako dođe u dodir s kožom.

Eksplozivne koncentracije vodonika sa kiseonikom nastaju od 4% do 96% zapremine. Kada se pomeša sa vazduhom od 4% do 75 (74)% zapremine.

Ekonomija

Cijena vodonika za velike veleprodajne zalihe varira u rasponu od 2-5 dolara po kg.

Aplikacija

Atomski vodonik se koristi za zavarivanje atomskim vodonikom.

Hemijska industrija

• U proizvodnji amonijaka, metanola, sapuna i plastike
• U proizvodnji margarina od tečnih biljnih ulja
• Registrovan kao aditiv za hranu E949(gas za pakovanje)

Prehrambena industrija

Vazduhoplovna industrija

Vodonik je veoma lagan i uvek se diže u vazduh. Nekada su zračni brodovi i baloni bili napunjeni vodonikom. Ali 30-ih godina. XX vijek bilo je nekoliko katastrofa, tokom kojih su dirižabli eksplodirali i izgorjeli. Danas su vazdušni brodovi punjeni helijumom, uprkos znatno većoj ceni.

Gorivo

Kao pogonsko gorivo koristi se vodonik.

U toku su istraživanja o korištenju vodonika kao goriva za automobile i kamione. Motori na vodik ne zagađuju okolinu i emituju samo vodenu paru.

Vodik-kiseoničke gorive ćelije koriste vodonik za direktnu pretvorbu energije iz hemijske reakcije u električnu energiju.

"tečni vodonik"("LH") je tečno agregatno stanje vodonika, niske specifične težine od 0,07 g/cm³ i kriogenih svojstava sa tačkom smrzavanja od 14,01 K (−259,14 °C) i tačkom ključanja od 20,28 K (−252,87 °C) C). To je bezbojna tečnost bez mirisa koja se, kada se pomeša sa vazduhom, klasifikuje kao eksploziv sa opsegom zapaljivosti od 4-75%. Odnos spina izomera u tečnom vodoniku je: 99,79% - paravodonik; 0,21% - ortovodonik. Koeficijent ekspanzije vodika pri promjeni agregatnog stanja u plinovito je 848:1 na 20°C.

Kao i kod svakog plina, ukapljivanje vodika dovodi do smanjenja njegovog volumena. Nakon ukapljivanja, "LH" se skladišti u termoizolovanim posudama pod pritiskom. Tečni vodonik (rus. Tečni vodonik, LH2, LH 2) se aktivno koristi u industriji, kao oblik skladištenja gasa, iu svemirskoj industriji, kao raketno gorivo.

istorija

Prvu dokumentovanu upotrebu veštačkog hlađenja 1756. godine izveo je engleski naučnik William Cullen, Gaspard Monge je prvi dobio tečno stanje sumpor-oksida 1784. godine, Michael Faraday je prvi dobio tečni amonijak, američki pronalazač Oliver Evans bio je prvi koji je razvio kompresor za hlađenje 1805., Jacob Perkins je bio prvi koji je patentirao rashladnu mašinu 1834., a John Gorey je bio prvi patent u SAD koji je patentirao klima uređaj 1851. godine. Werner Siemens je predložio koncept regenerativnog hlađenja 1857. godine, Karl Linde je patentirao opremu za proizvodnju tekućeg zraka korištenjem kaskadnog Joule-Thomsonovog efekta ekspanzije i regenerativnog hlađenja 1876. godine. Godine 1885, poljski fizičar i hemičar Sigmund Wrobblewski objavio je kritičnu temperaturu od 33 K za vodonik i kritični pritisak od 13,3 atm. i tačku ključanja na 23 K. Vodik je prvi ukapnio James Dewar 1898. koristeći regenerativno hlađenje i njegov izum, Dewar posudu. Prvu sintezu stabilnog izomera tekućeg vodonika - paravodonika - izveli su Paul Hartek i Karl Bonhoeffer 1929. godine.

Spin izomeri vodonika

Vodik na sobnoj temperaturi sastoji se uglavnom od spin izomera, ortovodika. Nakon proizvodnje, tečni vodonik je u metastabilnom stanju i mora se pretvoriti u parahidrogeni oblik kako bi se izbjegla eksplozivna egzotermna reakcija koja se javlja kada se mijenja na niskim temperaturama. Konverzija u parahidrogen fazu se obično izvodi pomoću katalizatora kao što su željezni oksid, krom oksid, aktivni ugljen, azbest obložen platinom, rijetki zemni metali ili korištenjem aditiva uranijuma ili nikla.

Upotreba

Tečni vodonik se može koristiti kao oblik skladištenja goriva za motore sa unutrašnjim sagorevanjem i gorive ćelije. Različite podmornice (projekti 212A i 214, Njemačka) i koncepti transporta vodonika stvoreni su korištenjem ovog agregatnog oblika vodonika (vidi na primjer "DeepC" ili "BMW H2R"). Zbog blizine objekata, kreatori opreme na "ŽV" mogu koristiti ili samo modifikovati sisteme koji koriste tečni prirodni gas ("LNG"). Međutim, zbog manje zapreminske gustine energije, sagorevanje zahteva veću zapreminu vodonika nego prirodni gas. Ako se tečni vodonik koristi umjesto "CNG" u klipnim motorima, obično je potreban glomazniji sistem goriva. Sa direktnim ubrizgavanjem, povećani gubici pri usisu smanjuju punjenje cilindra.

Tečni vodonik se također koristi za hlađenje neutrona u eksperimentima raspršivanja neutrona. Mase neutrona i jezgra vodonika su praktično jednake, stoga je razmjena energije u elastičnom sudaru najefikasnija.

Prednosti

Prednost korištenja vodonika je "nulta emisija" njegove upotrebe. Proizvod njegove interakcije sa vazduhom je voda.

Prepreke

Jedna litra "ZhV" teži samo 0,07 kg. Odnosno, njegova specifična težina je 70,99 g/l na 20 K. Tečni vodonik zahtijeva kriogenu tehnologiju skladištenja, kao što su posebni termički izolirani kontejneri, i zahtijeva posebno rukovanje, što je tipično za sve kriogene materijale. U tom pogledu je blizak tekućem kiseoniku, ali zahteva veći oprez zbog opasnosti od požara. Čak i sa termoizolovanim posudama, teško ga je držati na niskoj temperaturi potrebnoj da bi se održao tečnost (obično isparava brzinom od 1% dnevno). Prilikom rukovanja s njim morate se pridržavati i uobičajenih mjera opreza pri radu s vodonikom - dovoljno je hladan da ukapni zrak, koji je eksplozivan.

Raketno gorivo

Tečni vodonik je uobičajena komponenta raketnih goriva koja se koristi za mlazno ubrzanje lansirnih vozila i svemirskih letjelica. U većini raketnih motora na tečno gorivo na vodik, prvo se koristi za regenerativno hlađenje mlaznice i drugih dijelova motora, prije nego što se pomiješa s oksidantom i spali da bi se proizveo potisak. Korišteni moderni H 2 / O 2 motori troše ponovo obogaćenu mješavinu goriva, što rezultira nekim neizgorjelim vodonikom u izduvnim gasovima. Osim povećanja specifičnog impulsa motora smanjenjem molekularne težine, dodatno smanjuje eroziju mlaznice i komore za sagorijevanje.

Takve prepreke za upotrebu "LH" u drugim oblastima, kao što su kriogena priroda i niska gustina, takođe su ograničavajući faktor za upotrebu u ovom slučaju. Za 2009. godinu postoji samo jedna lansirna raketa (LV „Delta-4“), koja je u potpunosti vodonična raketa. U osnovi, "ZhV" se koristi ili na gornjim stepenicama raketa, ili na blokovima, koji obavljaju značajan dio posla na postavljanju korisnog tereta u svemir u vakuumu. Kao jedna od mjera za povećanje gustine ove vrste goriva, postoje prijedlozi za korištenje bljuzgavog vodonika, odnosno poluzamrznutog oblika "ZhV".

Vodonik je prvi element u periodnom sistemu hemijskih elemenata, ima atomski broj 1 i relativnu atomsku masu od 1,0079. Koja su fizička svojstva vodonika?

Fizička svojstva vodonika

U prevodu sa latinskog, vodonik znači "rađanje vode". Davne 1766. godine engleski naučnik G. Cavendish sakupio je "zapaljivi zrak" oslobođen djelovanjem kiselina na metale i počeo proučavati njegova svojstva. Godine 1787. A. Lavoisier je definisao ovaj "zapaljivi vazduh" kao novi hemijski element koji je deo vode.

Rice. 1. A. Lavoisier.

Vodik ima 2 stabilna izotopa - protij i deuterijum, kao i radioaktivni - tricijum, čija je količina na našoj planeti vrlo mala.

Vodonik je najzastupljeniji element u svemiru. Sunce i većina zvijezda imaju vodonik kao primarni element. Takođe, ovaj gas je deo vode, nafte, prirodnog gasa. Ukupni sadržaj vodonika na Zemlji je 1%.

Rice. 2. Formula vodonika.

Atom ove supstance uključuje jezgro i jedan elektron. Kada se elektron izgubi iz vodonika, on formira pozitivno nabijeni ion, odnosno pokazuje metalna svojstva. Ali i atom vodika je sposoban ne samo izgubiti, već i vezati elektron. Po tome je vrlo sličan halogenima. Dakle, vodonik u periodnom sistemu pripada i I i VII grupi. Nemetalna svojstva vodonika su izražena u većoj mjeri.

Molekul vodonika sastoji se od dva atoma povezana kovalentnom vezom

U normalnim uslovima, vodonik je bezbojni gasoviti element bez mirisa i ukusa. 14 puta je lakši od vazduha, a tačka ključanja je -252,8 stepeni Celzijusa.

Tabela "Fizička svojstva vodonika"

Pored svojih fizičkih svojstava, vodonik posjeduje i niz hemijskih svojstava. Kada se zagrije ili pod djelovanjem katalizatora, vodik reagira s metalima i nemetalima, sumporom, selenom, telurom, a može reducirati i okside mnogih metala.

Proizvodnja vodonika

Od industrijskih metoda za proizvodnju vodika (osim elektrolize vodenih otopina soli) treba napomenuti sljedeće:

• propuštanje vodene pare kroz vrući ugalj na temperaturi od 1000 stepeni:

• konverzija metana u vodenu paru na temperaturi od 900 stepeni:

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2

Hemijska svojstva vodonika

U normalnim uslovima, molekularni vodonik je relativno malo aktivan, kombinujući se direktno samo sa najaktivnijim nemetalima (sa fluorom, i na svetlosti i sa hlorom). Međutim, kada se zagrije, reagira s mnogim elementima.

Vodik reagira s jednostavnim i složenim tvarima:

- Interakcija vodonika sa metalima dovodi do stvaranja složenih supstanci - hidrida, u čijim je hemijskim formulama atom metala uvijek na prvom mjestu:

Na visokim temperaturama vodonik direktno reaguje sa nekim metalima(alkalne, zemnoalkalne i druge), formirajući bijele kristalne supstance - metalne hidride (Li H, Na H, KH, CaH 2 itd.):

H 2 + 2Li = 2LiH

Metalni hidridi se lako razlažu vodom kako bi se formirale odgovarajuće alkalije i vodonik:

Ca H 2 + 2H 2 O = Ca (OH) 2 + 2H 2

- Kada je vodonik u interakciji sa nemetalima nastaju hlapljiva jedinjenja vodonika. U hemijskoj formuli hlapljivog jedinjenja vodika, atom vodika može biti na prvom ili drugom mestu, u zavisnosti od njegove lokacije u PSCE (pogledajte ploču na slajdu):

1). Sa kiseonikom Vodonik stvara vodu:

Video "Sagorevanje vodonika"

2H 2 + O 2 = 2H 2 O + Q

Na uobičajenim temperaturama, reakcija se odvija izuzetno sporo, iznad 550 ° C - uz eksploziju (mješavina 2 zapremine H 2 i 1 zapremine O 2 naziva se gas oksivodonik) .

Video "Eksplozija gasa oksivodonika"

Video "Kuvanje i eksplozija eksplozivne smjese"

2). Sa halogenima Vodik stvara halogenovodonike, na primjer:

H 2 + Cl 2 = 2HCl

Istovremeno, vodonik eksplodira s fluorom (čak i u mraku i na -252°C), reagira s hlorom i bromom samo kada je osvijetljen ili zagrijan, a s jodom samo kada se zagrije.

3). Sa azotom Vodik stupa u interakciju s stvaranjem amonijaka:

ZN 2 + N 2 = 2NN 3

samo na katalizatoru i na povišenim temperaturama i pritiscima.

4). Kada se zagreje, vodonik snažno reaguje sa sivom:

H 2 + S = H 2 S (vodonik sulfid),

mnogo je teže sa selenom i telurom.

5). Sa čistim ugljenikom Vodik može reagirati bez katalizatora samo na visokim temperaturama:

2H 2 + C (amorfni) = CH 4 (metan)

- Vodik ulazi u reakciju supstitucije sa metalnim oksidima , dok se u proizvodima formira voda i redukuje se metal. Vodik - pokazuje svojstva redukcijskog agensa:

Koristi se vodonik za oporavak mnogih metala, budući da uzima kisik iz njihovih oksida:

Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4H 2 O, itd.

Primena vodonika

Video "Primjena vodonika"

Trenutno se vodonik proizvodi u ogromnim količinama. Veliki dio se koristi u sintezi amonijaka, hidrogenaciji masti i hidrogenaciji uglja, ulja i ugljovodonika. Osim toga, vodik se koristi za sintezu hlorovodonične kiseline, metil alkohola, cijanovodične kiseline, u zavarivanju i kovanju metala, kao i u proizvodnji lampi sa žarnom niti i dragog kamenja. Vodonik se prodaje u bocama pod pritiskom od preko 150 atm. Obojene su tamno zelenom bojom i imaju crveni natpis "Hydrogen".

Vodik se koristi za pretvaranje tečnih masti u čvrste (hidrogenacija), proizvodnju tečnih goriva hidrogenizacijom uglja i lož ulja. U metalurgiji se vodik koristi kao reduktor oksida ili hlorida za dobijanje metala i nemetala (germanijum, silicijum, galijum, cirkonijum, hafnij, molibden, volfram itd.).

Praktična primena vodonika je raznolika: obično se puni balonima-sondama, u hemijskoj industriji služi kao sirovina za dobijanje mnogih veoma važnih proizvoda (amonijak i dr.), u hrani - za proizvodnju čvrstih masti iz biljna ulja i dr. Visoka temperatura (do 2600°C), koja nastaje sagorevanjem vodonika u kiseoniku, koristi se za topljenje vatrostalnih metala, kvarca itd. Tečni vodonik je jedno od najefikasnijih goriva za mlazne motore. Godišnja svjetska potrošnja vodonika prelazi 1 milion tona.

Treneri

# 2. Vodonik

ZADACI ZA SIDRENJE

Zadatak broj 1
Sastaviti jednačine za reakcije interakcije vodonika sa sljedećim supstancama: F 2, Ca, Al 2 O 3, živin (II) oksid, volfram (VI) oksid. Navedite produkte reakcije, navedite vrste reakcija.

Zadatak broj 2
Izvršite transformacije prema shemi:
H 2 O -> H 2 -> H 2 S -> SO 2

Zadatak broj 3.
Izračunajte masu vode koja se može dobiti sagorijevanjem 8 g vodonika?