Normaaltingimustes reageerib vesinik. Vesinik: füüsikalised ja keemilised omadused

Vesinik on lihtaine H 2 (divesinik, diprotium, kerge vesinik).

Lühidalt vesinikule iseloomulik:

• Mittemetallist.
• Värvitu gaas, mida on raske veeldada.
• Vees halvasti lahustuv.
• See lahustub paremini orgaanilistes lahustites.
• Keemisorbeeritud metallidega: raud, nikkel, plaatina, pallaadium.
• Tugev redutseerija.
• Interakteerub (kõrgetel temperatuuridel) mittemetallide, metallide, metallioksiididega.
• Suurim redutseerimisvõime on aatomvesinikul H 0, mis saadakse H 2 termilisel lagunemisel.
• Vesiniku isotoobid:
  • 1 H - protium
  • 2H – deuteerium (D)
  • 3H - triitium (T)
• Suhteline molekulmass = 2,016
• Tahke vesiniku suhteline tihedus (t = -260 °C) = 0,08667
• Vedela vesiniku suhteline tihedus (t = -253 °C) = 0,07108
• Ülerõhk (n.a.) = 0,08988 g / l
• sulamistemperatuur = -259,19 °C
• keemistemperatuur = -252,87 °C
• Vesiniku lahustuvuse mahutegur:
  • (t = 0 °C) = 2,15;
  • (t = 20 °C) = 1,82;
  • (t = 60 °C) = 1,60;

1. Vesiniku termiline lagunemine(t = 2000–3500 °C):
H 2 ↔ 2 H 0

2. Vesiniku interaktsioon koos mittemetallid:

• H 2 + F 2 = 2HF (t = -250 .. + 20 ° C)
• H 2 + Cl 2 = 2HCl (põlemisel või valguse käes toatemperatuuril):
  • Cl 2 = 2Cl 0
  • Cl 0 + H 2 = HCl + H 0
  • H 0 + Cl 2 = HCl + Cl 0
• H2 + Br2 = 2HBr (t = 350-500 °C, plaatina katalüsaator)
• H 2 + I 2 = 2HI (t = 350-500 ° C, plaatina katalüsaator)
• H2 + O2 = 2H2O:
  • 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)
• 3H2 + N2 = 2NH3 (t = 500 °C, raudkatalüsaator)
• 2H 2 + C (koks) = CH 4 (t = 600 ° C, plaatina katalüsaator)
• H 2 + 2C (koks) = C 2 H 2 (t = 1500...2000 ° C)
• H 2 + 2C (koks) + N 2 = 2HCN (t üle 1800 °C)

3. Vesiniku interaktsioon koos komplekssed ained:

• 4H 2 + (Fe II Fe 2 III) O 4 = 3Fe + 4H 2 O (t üle 570 ° C)
• H 2 + Ag 2 SO 4 = 2Ag + H 2 SO 4 (t üle 200 ° C)
• 4H 2 + 2Na 2 SO 4 = Na 2 S + 4H 2 O (t = 550-600 ° C, katalüsaator Fe 2 O 3)
• 3H2 + 2BCl3 = 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, katalüsaator CuO 2)
• H 2 + CaC 2 = Ca + C 2 H 2 (t rohkem kui 2200 ° C)
• H 2 + BaH 2 = Ba (H 2) 2 (t kuni 0 ° C, lahus)

4. Vesiniku osalemine redoksreaktsioonid:

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

Vesinikühendid

D 2 - diduterium:

• Raske vesinik.
• Värvitu gaas, mida on raske veeldada.
• Dideuteeriumi sisaldub looduslikus vesinikus 0,012-0,016% (massi järgi).
• Dideuteeriumi ja protiumi gaasisegus toimub isotoopide vahetus kõrgel temperatuuril.
• Halvasti lahustuv tavalises ja raskes vees.
• Tavalise veega on isotoobivahetus tühine.
• Keemilised omadused on sarnased kergele vesinikule, kuid dideuteerium on vähem reaktiivne.
• Suhteline molekulmass = 4,028
• Vedela dideuteeriumi suhteline tihedus (t = -253 ° C) = 0,17
• sulamistemperatuur = -254,5 °C
• keemistemperatuur = -249,49 °C

T 2 - ditriitium:

• Üliraske vesinik.
• Värvitu radioaktiivne gaas.
• Poolväärtusaeg on 12,34 aastat.
• Looduses tekib ditriitium 14 N tuumade pommitamisel kosmilise kiirgusega neutronite poolt, ditriitiumi jälgi leidub looduslikes vetes.
• Ditriitium saadakse tuumareaktoris liitiumi pommitamisel aeglaste neutronitega.
• Suhteline molekulmass = 6,032
• sulamistemperatuur = -252,52 °C
• keemistemperatuur = -248,12 °C

HD - deuteeriumvesinik:

• Värvitu gaas.
• Ei lahustu vees.
• Keemilised omadused on sarnased H2-ga.
• Suhteline molekulmass = 3,022
• Tahke vesinikdeuteriidi suhteline tihedus (t = -257 ° C) = 0,146
• Ülerõhk (n.o.) = 0,135 g / l
• sulamistemperatuur = -256,5 °C
• keemistemperatuur = -251,02 °C

Vesinikoksiidid

H 2 O - vesi:

• Värvitu vedelik.
• Vastavalt hapniku isotoopkoostisele koosneb vesi H 2 16 O ja H 2 18 O ja H 2 17 O lisanditest.
• Vesiniku isotoopkoostise järgi koosneb vesi 1 H 2 O-st koos HDO lisandiga.
• Vedel vesi läbib protolüüsi (H 3 O + ja OH -):
  • H 3 O + (oksooniumi katioon) on vesilahuses kõige tugevam hape;
  • OH - (hüdroksiidioon) on vesilahuse tugevaim alus;
  • Vesi on nõrgim konjugeeritud protoliit.
• Paljude ainetega moodustab vesi kristalseid hüdraate.
• Vesi on keemiliselt aktiivne aine.
• Vesi on anorgaaniliste ühendite mitmekülgne vedel lahusti.
• Vee suhteline molekulmass = 18,02
• Tahke vee (jää) suhteline tihedus (t = 0 ° C) = 0,917
• Vedela vee suhteline tihedus:
  • (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
• tihedus (n.o.) = 0,8652 g / l
• sulamistemperatuur = 0 °C
• keemistemperatuur = 100 °C
• Vee ioonprodukt (25 °C) = 1,008 10 -14

1. Vee termiline lagunemine:
2H 2 O ↔ 2H 2 + O 2 (üle 1000 ° C)

D 2 O - deuteeriumoksiid:

• Raske vesi.
• Värvitu hügroskoopne vedelik.
• Viskoossus on suurem kui vee viskoossus.
• Seguneb piiramatus koguses tavalise veega.
• Poolraske vesi HDO tekib isotoopide vahetuse käigus.
• Lahustumisvõime on madalam kui tavalisel veel.
• Deuteeriumoksiidi keemilised omadused on sarnased vee omadega, kuid kõik reaktsioonid on aeglasemad.
• Looduslikus vees esineb rasket vett (massi suhe tavalise veega 1:5500).
• Deuteeriumoksiid saadakse loodusliku vee korduval elektrolüüsil, mille käigus koguneb raske vesi ülejäänud elektrolüüti.
• Raske vee suhteline molekulmass = 20,03
• Vedela raske vee suhteline tihedus (t = 11,6 °C) = 1,1071
• Vedela raske vee suhteline tihedus (t = 25 ° C) = 1,1042
• sulamistemperatuur = 3,813 °C
• keemistemperatuur = 101,43 °C

T 2 O - triitiumoksiid:

• Superraske vesi.
• Värvitu vedelik.
• Viskoossus on kõrgem ja lahustumisvõime väiksem kui tavalisel ja raskel veel.
• Seguneb piiramatus koguses tavalise ja raske veega.
• Isotoopvahetus tavalise ja raske veega viib HTO, DTO moodustumiseni.
• Üliraske vee keemilised omadused on sarnased vee omadega, kuid kõik reaktsioonid kulgevad veelgi aeglasemalt kui raskes vees.
• Triitiumoksiidi jälgi leidub looduslikus vees ja atmosfääris.
• Üliraske vesi saadakse triitiumi juhtimisel üle kuuma vaskoksiidi CuO.
• Üliraske vee suhteline molekulmass = 22,03
• sulamistemperatuur = 4,5 °C

Vesinik (H) on väga kerge keemiline element, mille sisaldus maakoores on 0,9% ja vees 11,19%.

Vesiniku iseloomustus

Lihtsuse poolest on see gaaside seas esimene. Normaaltingimustes on see maitsetu, värvitu ja absoluutselt lõhnatu. Termosfääri sisenedes lendab ta oma väikese kaalu tõttu kosmosesse.

Kogu universumis on see kõige arvukam keemiline element (75% ainete kogumassist). Nii palju, et paljud tähed kosmoses koosnevad täielikult sellest. Näiteks päike. Selle põhikomponent on vesinik. Ja soojus ja valgus on energia vabanemise tulemus, kui materjali tuumad ühinevad. Ka kosmoses leidub terveid pilvi selle erineva suuruse, tiheduse ja temperatuuriga molekulidest.

Füüsikalised omadused

Kõrge temperatuur ja rõhk muudavad oluliselt selle omadusi, kuid tavatingimustes:

Sellel on teiste gaasidega võrreldes kõrge soojusjuhtivus,

Mittetoksiline ja vees halvasti lahustuv,

Tihedusega 0,0899 g / l temperatuuril 0 ° C ja 1 atm,

Temperatuuril -252,8 ° C muutub see vedelikuks

See muutub kõvaks temperatuuril -259,1 ° C,

Eripõlemissoojus 120.9.106 J / kg.

Vedelaks või tahkeks muutmiseks on vaja kõrget rõhku ja väga madalaid temperatuure. Veeldatud olekus on see vedel ja kerge.

Keemilised omadused

Rõhu all ja jahutamisel (-252,87 g. C) omandab vesinik vedela oleku, mis on kaalult kergem kui ükski analoog. See võtab selles vähem ruumi kui gaasilisel kujul.

Ta on tüüpiline mittemetall. Laborites toodetakse seda metallide (nt tsingi või raua) reageerimisel lahjendatud hapetega. Tavatingimustes on see passiivne ja reageerib ainult aktiivsete mittemetallidega. Vesinik võib eraldada hapnikku oksiididest ja redutseerida metalle ühenditest. Tema ja tema segud moodustavad mõnede elementidega vesiniksideme.

Gaas lahustub hästi etanoolis ja paljudes metallides, eriti pallaadiumis. Hõbe seda ei lahusta. Vesinik võib oksüdeeruda põlemisel hapnikus või õhus ning koostoimel halogeenidega.

Hapnikuga kombineerimisel moodustub vesi. Kui temperatuur on normaalne, on reaktsioon aeglane, kui üle 550 ° C - plahvatusega (muutub plahvatusohtlikuks gaasiks).

Vesiniku leidmine looduses

Kuigi meie planeedil on palju vesinikku, pole seda puhtal kujul lihtne leida. Vähe võib neid leida vulkaanipursete ajal, naftatootmise ajal ja orgaanilise aine lagunemise kohas.

Üle poole kogu kogusest on kompositsioonis veega. See sisaldub ka õli, mitmesuguste savi, põlevate gaaside, loomade ja taimede struktuuris (aatomite arvu järgi on igas elusrakus 50%).

Vesiniku ringkäik looduses

Igal aastal laguneb veekogudes ja pinnases kolossaalne kogus (miljardeid tonne) taimejääke ning see lagunemine pritsib atmosfääri tohutu massi vesinikku. Samuti vabaneb see igasuguse bakterite põhjustatud käärimise, põlemise käigus ning osaleb koos hapnikuga veeringes.

Vesiniku rakendused

Inimkond kasutab seda elementi oma tegevuses aktiivselt, seega oleme õppinud, kuidas seda tööstuslikus mastaabis hankida:

Meteoroloogia, keemia tootmine;

Margariini tootmine;

Rakettide kütusena (vedel vesinik);

Elektrienergiatööstus elektrigeneraatorite jahutamiseks;

Metallide keevitamine ja lõikamine.

Vesiniku massi kasutatakse sünteetilise bensiini (madala kvaliteediga kütuse kvaliteedi parandamiseks), ammoniaagi, vesinikkloriidi, alkoholide ja muude materjalide tootmiseks. Tuumaenergia kasutab aktiivselt oma isotoope.

Ravimit "vesinikperoksiid" kasutatakse laialdaselt metallurgias, elektroonikatööstuses, tselluloosi- ja paberitootmises, linase ja puuvillase riide pleegitamisel, juuksevärvide ja kosmeetikatoodete, polümeeride valmistamisel ning meditsiinis haavade raviks.

Selle gaasi "plahvatusohtlik" olemus võib saada hukatuslikuks relvaks – vesinikupommiks. Selle plahvatusega kaasneb tohutu hulga radioaktiivsete ainete eraldumine ja see on hävitav kõigile elusolenditele.

Vedela vesiniku ja naha kokkupuude võib põhjustada raskeid ja valusaid külmumist.

Vedelik

Vesinik(lat. Vesinik; tähistatud sümboliga H) - elementide perioodilisuse tabeli esimene element. Looduses laialt levinud. Kõige levinuma vesiniku isotoobi 1 H katioon (ja tuum) on prooton. 1H tuuma omadused võimaldavad NMR-spektroskoopiat laialdaselt kasutada orgaaniliste ainete analüüsimisel.

Kolmel vesiniku isotoobil on oma nimed: 1 H - protium (H), 2 H - deuteerium (D) ja 3 H - triitium (radioaktiivne) (T).

Lihtaine vesinik - H 2 - hele värvitu gaas. Õhu või hapnikuga segamisel on see tule- ja plahvatusohtlik. Mittetoksiline. Lahustagem etanoolis ja mitmetes metallides: raud, nikkel, pallaadium, plaatina.

Ajalugu

Põlevgaasi eraldumist hapete ja metallide koosmõjul täheldati 16. ja 17. sajandil keemia kui teaduse kujunemise koidikul. Ka Mihhail Vassiljevitš Lomonosov osutas otseselt selle eraldumisele, kuid sai juba kindlalt aru, et see pole flogiston. Inglise füüsik ja keemik Henry Cavendish uuris seda gaasi 1766. aastal ja nimetas seda "süttivaks õhuks". Põlemisel tekitas "põlev õhk" vett, kuid Cavendishi järgimine flogistoni teooriast ei võimaldanud tal teha õigeid järeldusi. Prantsuse keemik Antoine Lavoisier koos insener J. Meunieriga sünteesis 1783. aastal spetsiaalsete gaasimõõturite abil vett ja seejärel analüüsis seda, lagundades veeauru kuuma rauaga. Nii tegi ta kindlaks, et "põlevõhk" on osa veest ja seda saab sellest saada.

nime päritolu

Lavoisier andis vesinikule nime hüdrogène – "vee sünnitamine". Venekeelse nime "vesinik" pakkus välja keemik M.F.

Levimus

Vesinik on universumis kõige levinum element. See moodustab umbes 92% kõigist aatomitest (8% on heeliumi aatomid, kõigi teiste elementide osakaal kokku on alla 0,1%). Seega on vesinik tähtede ja tähtedevahelise gaasi peamine koostisosa. Tähtede temperatuuri tingimustes (näiteks Päikese pinnatemperatuur on ~ 6000 ° C) eksisteerib vesinik plasma kujul; tähtedevahelises ruumis eksisteerib see element üksikute molekulide, aatomite ja ioonide kujul ning võib tekkida molekulaarpilved, mis erinevad oluliselt suuruse, tiheduse ja temperatuuri poolest.

Maakoor ja elusorganismid

Vesiniku massiosa maakoores on 1% - see on kümnes kõige levinum element. Tema rolli looduses määrab aga mitte mass, vaid aatomite arv, mille osakaal teiste elementide hulgas on 17% (hapniku järel teisel kohal, mille aatomite osakaal on ~ 52%). Seetõttu on vesiniku tähtsus Maal toimuvates keemilistes protsessides peaaegu sama suur kui hapnikul. Erinevalt hapnikust, mis eksisteerib Maal nii seotud kui vabas olekus, on praktiliselt kogu vesinik Maal ühendite kujul; vesinikku leidub atmosfääris vaid väga väikeses koguses lihtaine kujul (0,00005 mahuprotsenti).

Vesinik on osa peaaegu kõigist orgaanilistest ainetest ja seda leidub kõigis elusrakkudes. Elusrakkudes moodustab vesinik peaaegu 50% aatomite arvust.

Vastuvõtmine

Lihtainete saamise tööstuslikud meetodid sõltuvad sellest, millisel kujul vastav element looduses leidub, see tähendab, milline võib olla selle tootmise tooraine. Niisiis, hapnik, mis on saadaval vabas olekus, saadakse füüsilisel meetodil - vedelast õhust eraldamise teel. Peaaegu kogu vesinik on ühendite kujul, seetõttu kasutatakse selle saamiseks keemilisi meetodeid. Eelkõige võib kasutada lagunemisreaktsioone. Üks vesiniku tootmise meetodeid on vee lagunemise reaktsioon elektrivoolu toimel.

Peamine tööstuslik meetod vesiniku tootmiseks on metaani reaktsioon veega, mis on osa maagaasist. See viiakse läbi kõrgel temperatuuril (lihtne on veenduda, et metaan juhitakse isegi läbi keeva vee reaktsiooni ei toimu):

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 -165 kJ

Laboris ei kasutata lihtsate ainete saamiseks ilmtingimata looduslikku toorainet, vaid valitakse need lähteained, millest on vajalikku ainet lihtsam eraldada. Näiteks laboris õhust hapnikku ei saa. Sama kehtib ka vesiniku tootmise kohta. Üks vesiniku tootmise laborimeetodeid, mida mõnikord kasutatakse ka tööstuses, on vee lagundamine elektrivooluga.

Tavaliselt saadakse laboris vesinikku tsingi ja vesinikkloriidhappe koosmõjul.

Tööstuses

1.Soolade vesilahuste elektrolüüs:

2NaCl + 2H2O → H2 + 2NaOH + Cl2

2. Veeauru läbimine üle kuuma koksi temperatuuril umbes 1000 °C:

H2O + C? H2 + CO

3.Maagaasist.

Steam konversioon:

CH4 + H20? CO + 3H 2 (1000 °C)

Katalüütiline oksüdatsioon hapnikuga:

2CH4 + O2? 2CO + 4H 2

4. Süsivesinike krakkimine ja reformimine nafta rafineerimise protsessis.

Laboris

1.Lahjendatud hapete toime metallidele. Sellise reaktsiooni läbiviimiseks kasutatakse kõige sagedamini tsinki ja lahjendatud vesinikkloriidhapet:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

2.Kaltsiumi koostoime veega:

Ca + 2H 2O → Ca (OH) 2 + H2

3.Hüdriidide hüdrolüüs:

NaH + H2O → NaOH + H2

4.Leeliste toime tsingile või alumiiniumile:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na + 3H 2

Zn + 2KOH + 2H2O → K2 + H2

5.Elektrolüüsi teel. Leeliste või hapete vesilahuste elektrolüüsil eraldub katoodil vesinik, näiteks:

2H 3O + + 2e - → H2 + 2H 2O

Füüsikalised omadused

Vesinik võib eksisteerida kahel kujul (modifikatsioonina) - orto- ja paravesiniku kujul. Ortovesiniku molekul o-H 2 (st -259,10 °C, bp. -252,56 °C) tuuma spinnid on suunatud samamoodi (paralleelselt), lk-H2 (st -259,32 °C, st -252,89 °C) - üksteise vastas (antiparalleelne). Tasakaaluline segu o-H 2 ja lk-H 2 antud temperatuuril nimetatakse tasakaalu vesinik e-H 2.

Vesiniku modifikatsioone saab eraldada adsorptsiooniga aktiivsöel vedela lämmastiku temperatuuril. Väga madalatel temperatuuridel nihkub tasakaal ortovesiniku ja paravesiniku vahel peaaegu täielikult viimase poole. 80 K juures on vormide suhe ligikaudu 1:1. Kuumutamisel desorbeeritud paravesinik muudetakse ortovesinikuks, kuni moodustub toatemperatuuril segu tasakaal (ortopaar: 75:25). Ilma katalüsaatorita toimub transformatsioon aeglaselt (tähtedevahelise keskkonna tingimustes - iseloomulike aegadega kuni kosmoloogiliseni), mis võimaldab uurida üksikute modifikatsioonide omadusi.

Vesinik on kõige kergem gaas, see on õhust 14,5 korda kergem. Ilmselgelt, mida väiksem on molekulide mass, seda suurem on nende kiirus samal temperatuuril. Kõige kergematena liiguvad vesiniku molekulid kiiremini kui mis tahes muu gaasi molekulid ja suudavad seega soojust kiiremini ühest kehast teise üle kanda. Sellest järeldub, et vesinikul on gaasiliste ainete seas kõrgeim soojusjuhtivus. Selle soojusjuhtivus on umbes seitse korda kõrgem kui õhu soojusjuhtivus.

Vesiniku molekul on kaheaatomiline - Н 2. Tavatingimustes on see värvitu, lõhnatu ja maitsetu gaas. Tihedus 0,08987 g / l (n.u.), keemistemperatuur -252,76 ° C, eripõlemissoojus 120,9 × 10 6 J / kg, vees vähelahustuv - 18,8 ml / l. Vesinik lahustub hästi paljudes metallides (Ni, Pt, Pd jne), eriti pallaadiumis (850 mahtu 1 mahuosa Pd kohta). Vesiniku lahustuvus metallides on seotud selle võimega nende kaudu difundeeruda; difusiooniga läbi süsiniku sulami (nt teras) kaasneb mõnikord sulami hävimine vesiniku ja süsiniku vastasmõju tõttu (nn dekarboniseerimine). Hõbedas praktiliselt lahustumatu.

Vedel vesinik eksisteerib väga kitsas temperatuurivahemikus -252,76 kuni -259,2 ° C. See on värvitu vedelik, väga kerge (tihedus -253 ° C juures 0,0708 g / cm 3) ja vedel (viskoossus -253 ° C juures 13,8 cpoise). Vesiniku kriitilised parameetrid on väga madalad: temperatuur on –240,2 °C ja rõhk 12,8 atm. See seletab raskusi vesiniku veeldamisel. Vedelas olekus koosneb tasakaalus olev vesinik 99,79% para-H2-st, 0,21% orto-H2-st.

Tahke vesinik, sulamistemperatuur -259,2 ° C, tihedus 0,0807 g / cm 3 (temperatuuril -262 ° C) - lumetaoline mass, kuusnurkse süsteemi kristallid, ruumirühm P6 / mmc, raku parameetrid a=3,75 c= 6,12. Kõrge rõhu all muutub vesinik metalliliseks olekuks.

Isotoobid

Vesinik esineb kolme isotoobi kujul, millel on individuaalsed nimetused: 1 H - protium (H), 2 H - deuteerium (D), 3 H - triitium (radioaktiivne) (T).

Protium ja deuteerium on stabiilsed isotoobid massinumbritega 1 ja 2. Nende sisaldus looduses on vastavalt 99,9885 ± 0,0070% ja 0,0115 ± 0,0070%. See suhe võib olenevalt vesiniku allikast ja tootmismeetodist veidi erineda.

Vesiniku isotoop 3H (triitium) on ebastabiilne. Selle poolväärtusaeg on 12,32 aastat. Triitiumi leidub looduses väga väikestes kogustes.

Kirjanduses on andmeid ka vesiniku isotoopide kohta massinumbritega 4–7 ja poolestusaega 10–22–10–23 s.

Looduslik vesinik koosneb H 2 ja HD (vesinikdeuteriidi) molekulidest vahekorras 3200:1. Puhta deuteeriumi vesiniku D 2 sisaldus on veelgi väiksem. HD ja D2 kontsentratsioonide suhe on ligikaudu 6400:1.

Kõigist keemiliste elementide isotoopidest erinevad üksteisest kõige enam vesiniku isotoopide füüsikalised ja keemilised omadused. Selle põhjuseks on suurim suhteline aatommasside muutus.

	Temperatuur sulamine, K	Temperatuur keetmine, K	Kolmekordne punkt, K / kPa	Kriitiline punkt, K / kPa	Tihedus vedelik/gaas, kg / m³

Deuteeriumil ja triitiumil on ka orto- ja para-modifikatsioonid: lk-D 2, o-D 2, lk-T 2, o-T 2. Heteroisotoopsel vesinikul (HD, HT, DT) ei ole orto- ja para-modifikatsioone.

Keemilised omadused

Dissotsieerunud vesiniku molekulide osa

Vesiniku molekulid H 2 on üsna tugevad ja vesiniku reageerimiseks tuleb kulutada palju energiat:

H2 = 2H - 432 kJ

Seetõttu reageerib vesinik tavatemperatuuril ainult väga aktiivsete metallidega, näiteks kaltsiumiga, moodustades kaltsiumhüdriidi:

Ca + H2 = CaH2

ja ainsa mittemetalliga - fluoriga, moodustades vesinikfluoriidi:

Enamiku metallide ja mittemetallide puhul reageerib vesinik kõrgel temperatuuril või muudel mõjudel, näiteks valguse käes:

О 2 + 2Н 2 = 2Н 2 О

See võib "võtta" hapnikku mõnelt oksiidilt, näiteks:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O

Kirjutatud võrrand peegeldab vesiniku redutseerivaid omadusi.

N2 + 3H2 → 2NH3

Moodustab halogeenidega vesinikhalogeniide:

F 2 + H 2 → 2HF, reaktsioon kulgeb plahvatusega pimedas ja mis tahes temperatuuril,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, reaktsioon kulgeb plahvatusega, ainult valguses.

Tugeval kuumutamisel reageerib tahmaga:

C + 2H2 → CH4

Koostoime leelis- ja leelismuldmetallidega

Aktiivsete metallidega suhtlemisel moodustab vesinik hüdriide:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H2 → CaH2

Mg + H2 → MgH 2

Hüdriidid- soolased, tahked ained, kergesti hüdrolüüsitavad:

CaH2 + 2H2O → Ca (OH)2 + 2H2

Koostoime metallioksiididega (tavaliselt d-elemendid)

Oksiidid redutseeritakse metallideks:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O

WO3 + 3H2 → W + 3H2O

Orgaaniliste ühendite hüdrogeenimine

Molekulaarset vesinikku kasutatakse laialdaselt orgaanilises sünteesis orgaaniliste ühendite redutseerimiseks. Neid protsesse nimetatakse hüdrogeenimisreaktsioonid... Need reaktsioonid viiakse läbi katalüsaatori juuresolekul kõrgendatud rõhul ja temperatuuril. Katalüsaator võib olla kas homogeenne (nt Wilkinsoni katalüsaator) või heterogeenne (nt Raney nikkel, pallaadium-süsinik).

Niisiis, eriti küllastumata ühendite, nagu alkeenid ja alküünid, katalüütilise hüdrogeenimise ajal tekivad küllastunud ühendid - alkaanid.

Vesiniku geokeemia

Vaba vesinik H 2 on maapealsetes gaasides suhteliselt haruldane, kuid vee kujul on sellel geokeemilistes protsessides äärmiselt oluline roll.

Vesinik võib olla osa mineraalidest ammooniumioonide, hüdroksüülioonide ja kristallvee kujul.

Atmosfääris tekib vee lagunemisel päikesekiirguse toimel pidevalt vesinikku. Väikese massiga vesiniku molekulidel on suur difusiooniliikumise kiirus (see on lähedal teisele kosmilisele kiirusele) ja atmosfääri ülemistesse kihtidesse kukkudes võivad nad kosmosesse lennata.

Ravi omadused

Õhuga segades moodustab vesinik plahvatusohtliku segu – nn plahvatusohtliku gaasi. See gaas on kõige plahvatusohtlikum, kui vesiniku ja hapniku mahusuhe on 2:1 või vesiniku ja õhu mahusuhe on ligikaudu 2:5, kuna õhk sisaldab umbes 21% hapnikku. Samuti on vesinik tuleohtlik. Vedel vesinik võib nahaga kokkupuutel põhjustada tõsiseid külmumist.

Vesiniku plahvatusohtlik kontsentratsioon hapnikuga on 4% kuni 96% mahust. Õhuga segamisel 4% kuni 75 (74)% mahust.

Majandus

Suuremahuliste hulgimüügitarnete vesiniku hind kõigub vahemikus 2–5 dollarit kilogrammi kohta.

Rakendus

Aatomvesinikku kasutatakse aatomvesinikkeevitamiseks.

Keemiatööstus

• Ammoniaagi, metanooli, seebi ja plastide tootmisel
• Vedelatest taimeõlidest margariini tootmisel
• Registreeritud toidu lisaainena E949(pakendigaas)

Toidutööstus

Lennundustööstus

Vesinik on väga kerge ja tõuseb alati õhku. Kunagi olid õhulaevad ja õhupallid vesinikuga täidetud. Aga 30ndatel. XX sajand toimus mitu katastroofi, mille käigus õhulaevad plahvatasid ja põlesid. Tänapäeval täidetakse õhulaevad heeliumiga, hoolimata selle oluliselt kõrgemast maksumusest.

Kütus

Raketikütusena kasutatakse vesinikku.

Käimas on uuringud vesiniku kasutamise kohta sõiduautode ja veokite kütusena. Vesinikmootorid ei saasta keskkonda ja eraldavad ainult veeauru.

Vesinik-hapnik kütuseelemendid kasutavad vesinikku keemilise reaktsiooni energia otseseks muundamiseks elektrienergiaks.

"Vedel vesinik"("LH") on vesiniku vedel agregaatolek, mille erikaal on 0,07 g / cm³ ja krüogeensed omadused külmumistemperatuuriga 14,01 K (-259,14 °C) ja keemistemperatuuriga 20,28 K (-252,87 °C). C). See on värvitu lõhnatu vedelik, mis õhuga segatuna klassifitseeritakse plahvatusohtlikuks süttivusvahemikuga 4–75%. Isomeeride pöörlemissuhe vedelas vesinikus on: 99,79% - paravesinik; 0,21% - ortovesinik. Vesiniku paisumistegur agregatsiooni oleku muutmisel gaasiliseks on 20 ° C juures 848: 1.

Nagu iga gaasi puhul, põhjustab vesiniku veeldamine selle mahu vähenemist. Pärast veeldamist hoitakse "LH" surve all termiliselt isoleeritud mahutites. Vedel vesinik (rus. Vedel vesinik, LH2, LH 2) kasutatakse aktiivselt tööstuses gaasihoidlatena ja kosmosetööstuses raketikütusena.

Ajalugu

Esimese dokumenteeritud kunstjahutuse kasutas 1756. aastal inglise teadlane William Cullen, Gaspard Monge sai esimesena 1784. aastal vääveloksiidi vedela oleku, Michael Faraday sai esimesena veeldatud ammoniaagi, Ameerika leiutaja Oliver Evans. oli esimene, kes töötas välja külmutuskompressori 1805. aastal, Jacob Perkins patenteeris esimesena jahutusmasina 1834. aastal ja John Gorey oli esimene USA patent, kes patenteeris 1851. aastal kliimaseadme. Werner Siemens pakkus välja regeneratiivjahutuse kontseptsiooni 1857. aastal, Karl Linde patenteeris 1876. aastal seadmed vedela õhu tootmiseks, kasutades Joule-Thomsoni paisumisefekti ja regeneratiivjahutust. 1885. aastal avaldas Poola füüsik ja keemik Sigmund Wrobblewski vesiniku kriitiliseks temperatuuriks 33 K ja kriitiliseks rõhuks 13,3 atm. ja keemistemperatuur 23 K. Esimest korda vedeldas vesiniku James Dewar 1898. aastal, kasutades regeneratiivset jahutust ja oma leiutist Dewari anumat. Vedela vesiniku stabiilse isomeeri – paravesiniku – esimese sünteesi viisid läbi Paul Hartek ja Karl Bonhoeffer 1929. aastal.

Vesiniku spin-isomeerid

Vesinik koosneb toatemperatuuril peamiselt spin-isomeerist, ortovesinikust. Pärast tootmist on vedel vesinik metastabiilses olekus ja see tuleb muuta parahüdrogeenseks, et vältida plahvatuslikku eksotermilist reaktsiooni, mis tekib selle muutumisel madalatel temperatuuridel. Paravesinikfaasi muundamisel kasutatakse tavaliselt katalüsaatoreid, nagu raudoksiid, kroomoksiid, aktiivsüsi, plaatinaga kaetud asbest, haruldased muldmetallid või uraani- või niklilisandeid.

Kasutamine

Vedelat vesinikku saab kasutada sisepõlemismootorite ja kütuseelementide kütusehoidlana. Seda vesiniku koondvormi kasutades on loodud mitmesuguseid allveelaevu (projektid 212A ja 214, Saksamaa) ja vesiniku transpordi kontseptsioone (vt näiteks "DeepC" või "BMW H2R"). Konstruktsioonide läheduse tõttu saavad "ZhV" seadmete loojad kasutada või muuta ainult veeldatud maagaasi ("LNG") kasutavaid süsteeme. Kuid väiksema puisteenergia tiheduse tõttu vajab põlemine suuremat kogust vesinikku kui maagaas. Kui kolbmootorites kasutatakse "CNG" asemel vedelat vesinikku, on tavaliselt vaja kohmakamat kütusesüsteemi. Otsesissepritse korral vähendavad suurenenud sisselaskekaod silindri täitmist.

Vedelat vesinikku kasutatakse ka neutronite jahutamiseks neutronite hajumise katsetes. Neutroni ja vesiniku tuuma massid on praktiliselt võrdsed, seetõttu on energiavahetus elastses kokkupõrkes kõige tõhusam.

Eelised

Vesiniku kasutamise eeliseks on selle kasutamise "nullheide". Selle õhuga suhtlemise produkt on vesi.

Takistused

Üks liiter "ZhV" kaalub vaid 0,07 kg. See tähendab, et selle erikaal on 20 K juures 70,99 g / l. Vedel vesinik nõuab krüogeenset säilitamistehnoloogiat, näiteks spetsiaalseid soojusisolatsiooniga mahuteid, ja nõuab erilist käsitsemist, mis on tüüpiline kõikidele krüogeensetele materjalidele. See on selles suhtes lähedane vedelale hapnikule, kuid nõuab tuleohu tõttu suuremat ettevaatust. Isegi soojusisolatsiooniga anumate puhul on seda raske hoida vedelana hoidmiseks vajalikul madalal temperatuuril (tavaliselt aurustub see kiirusega 1% päevas). Selle käsitsemisel tuleb järgida ka tavalisi ettevaatusabinõusid vesinikuga töötamisel – see on piisavalt külm, et õhku vedeldada, mis on plahvatusohtlik.

Raketikütus

Vedel vesinik on raketikütuste tavaline komponent, mida kasutatakse kanderakettide ja kosmoselaevade reaktiivi kiirendamiseks. Enamikus vesinikkütusel töötavate vedelkütusega rakettmootorite puhul kasutatakse seda esmalt düüsi ja muude mootoriosade regeneratiivseks jahutamiseks, enne kui see segatakse oksüdeerijaga ja põletatakse tõukejõu tekitamiseks. Kasutatud kaasaegsed H 2 / O 2 mootorid tarbivad uuesti rikastatud kütusesegu, mille tulemusena jääb heitgaasi veidi põlemata vesinikku. Lisaks mootori eriimpulsi suurendamisele molekulmassi vähendamise kaudu vähendab see veelgi düüsi ja põlemiskambri erosiooni.

Sellised takistused "LH" kasutamisel muudes valdkondades, nagu krüogeensus ja madal tihedus, on samuti antud juhul kasutamist piiravad tegurid. 2009. aastaks on ainult üks kanderakett (LV "Delta-4"), mis on täielikult vesinikrakett. Põhimõtteliselt kasutatakse "ZhV"-d kas rakettide ülemistel astmetel või plokkidel, mis täidavad olulise osa kasuliku koormuse vaakumis kosmosesse viimise tööst. Seda tüüpi kütuse tiheduse suurendamise ühe meetmena on tehtud ettepanekuid kasutada lörtsilist vesinikku, see tähendab poolkülmutatud "ZhV" vormi.

Vesinik on keemiliste elementide perioodilise tabeli esimene element, selle aatomnumber on 1 ja suhteline aatommass 1,0079. Millised on vesiniku füüsikalised omadused?

Vesiniku füüsikalised omadused

Ladina keelest tõlgituna tähendab vesinik "vee sünnitamist". Veel 1766. aastal kogus inglise teadlane G. Cavendish hapete toimel metallidele vabanenud "põlevõhku" ja asus selle omadusi uurima. Aastal 1787 määratles A. Lavoisier selle "põleva õhu" uue keemilise elemendina, mis on vee osa.

Riis. 1. A. Lavoisier.

Vesinikul on 2 stabiilset isotoopi – protium ja deuteerium, samuti radioaktiivsel – triitiumil, mille kogus meie planeedil on väga väike.

Vesinik on kosmose kõige levinum element. Päikese ja enamiku tähtede peamine element on vesinik. Samuti on see gaas osa veest, naftast ja maagaasist. Vesiniku kogusisaldus Maal on 1%.

Riis. 2. Vesiniku valem.

Selle aine aatom sisaldab tuuma ja ühte elektroni. Kui elektron kaob vesinikust, moodustab see positiivselt laetud iooni, see tähendab, et sellel on metallilised omadused. Kuid ka vesinikuaatom on võimeline mitte ainult kaotama, vaid ka kinnitama elektroni. Selles on see väga sarnane halogeenidega. Seetõttu kuulub perioodilises tabelis olev vesinik nii I kui VII rühma. Vesiniku mittemetallilised omadused väljenduvad suuremal määral.

Vesiniku molekul koosneb kahest aatomist, mis on omavahel seotud kovalentse sidemega

Tavalistes tingimustes on vesinik värvitu gaasiline element, mis on lõhnatu ja maitsetu. See on õhust 14 korda kergem ja selle keemistemperatuur on -252,8 kraadi Celsiuse järgi.

Tabel "Vesiniku füüsikalised omadused"

Lisaks füüsikalistele omadustele on vesinikul ka mitmeid keemilisi omadusi. Kuumutamisel või katalüsaatorite toimel reageerib vesinik metallide ja mittemetallide, väävli, seleeni, telluuriga ning võib redutseerida ka paljude metallide oksiide.

Vesiniku tootmine

Tööstuslikest vesiniku tootmise meetoditest (välja arvatud soolade vesilahuste elektrolüüs) tuleb märkida järgmist:

• veeauru juhtimine läbi kuuma kivisöe temperatuuril 1000 kraadi:

• metaani muundamine veeauruga temperatuuril 900 kraadi:

CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2

Vesiniku keemilised omadused

Normaalsetes tingimustes on molekulaarne vesinik suhteliselt väheaktiivne, ühinedes vahetult ainult kõige aktiivsemate mittemetallidega (fluori, valguse ja klooriga). Kuumutamisel reageerib see aga paljude elementidega.

Vesinik reageerib lihtsate ja keeruliste ainetega:

- Vesiniku koostoime metallidega viib keeruliste ainete - hüdriidide moodustumiseni, mille keemilistes valemites on metalliaatom alati esikohal:

Kõrgetel temperatuuridel reageerib vesinik otse mõne metalliga(leelis-, leelismuld- ja teised), moodustades valgeid kristalseid aineid - metallhüdriide (Li H, Na H, KH, CaH 2 jne):

H2 + 2Li = 2LiH

Metallhüdriidid lagunevad kergesti vee toimel, moodustades vastava leelise ja vesiniku:

Ca H2 + 2H2O = Ca (OH)2 + 2H2

- Kui vesinik interakteerub mittemetallidega tekivad lenduvad vesinikuühendid. Lenduva vesinikuühendi keemilises valemis võib vesinikuaatom olla esimesel või teisel kohal, olenevalt selle asukohast PSCE-s (vt plaati slaidil):

1). Hapnikuga Vesinik moodustab vett:

Video "Vesiniku põlemine"

2H2 + O2 = 2H2O + Q

Tavalistel temperatuuridel kulgeb reaktsioon äärmiselt aeglaselt, üle 550 ° C - plahvatusega (nimetatakse seguks, mis koosneb 2 mahust H 2 ja 1 mahuosast O 2 vesinikvesinikgaas) .

Video "Hapnikugaasi plahvatus"

Video "Plahvatusohtliku segu keetmine ja plahvatus"

2). Halogeenidega Vesinik moodustab vesinikhalogeniide, näiteks:

H2 + Cl2 = 2HCl

Samal ajal plahvatab vesinik fluoriga (isegi pimedas ja –252 ° C juures), reageerib kloori ja broomiga ainult valgustamisel või kuumutamisel ning joodiga ainult kuumutamisel.

3). Lämmastikuga Vesinik interakteerub ammoniaagi moodustumisega:

ЗН 2 + N 2 = 2NН 3

ainult katalüsaatoril ja kõrgendatud temperatuuridel ja rõhul.

4). Kuumutamisel reageerib vesinik intensiivselt halliga:

H2 + S = H2S (vesiniksulfiid),

palju keerulisem on seleeni ja telluuriga.

5). Puhta süsinikuga Vesinik võib ilma katalüsaatorita reageerida ainult kõrgetel temperatuuridel:

2H2 + C (amorfne) = CH4 (metaan)

- Vesinik astub asendusreaktsiooni metallioksiididega , samas kui toodetes tekib vesi ja metall redutseerub. Vesinik - omab redutseeriva aine omadusi:

Kasutatakse vesinikku paljude metallide taaskasutamiseks, kuna see võtab hapnikku nende oksiididest:

Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4H 2 O jne.

Vesiniku rakendamine

Video "Vesiniku kasutamine"

Praegu toodetakse vesinikku tohututes kogustes. Väga suur osa sellest kasutatakse ammoniaagi sünteesil, rasvade hüdrogeenimisel ning söe, õlide ja süsivesinike hüdrogeenimisel. Lisaks kasutatakse vesinikku vesinikkloriidhappe, metüülalkoholi, vesiniktsüaniidhappe sünteesiks, metallide keevitamisel ja sepistamisel, samuti hõõglampide ja vääriskivide valmistamisel. Vesinik tuleb müügile balloonides rõhuga üle 150 atm. Need on tumerohelist värvi ja punase kirjaga "Vesinik".

Vesinikku kasutatakse vedelate rasvade muundamiseks tahketeks (hüdrogeenimine), vedelkütuste tootmiseks söe ja kütteõli hüdrogeenimisel. Metallurgias kasutatakse vesinikku oksiidide või kloriidide redutseerijana metallide ja mittemetallide (germaanium, räni, gallium, tsirkoonium, hafnium, molübdeen, volfram jne) tootmiseks.

Vesiniku praktiline kasutusala on mitmekesine: see täidetakse tavaliselt õhupallide-sondidega, keemiatööstuses on see tooraine paljude väga oluliste toodete (ammoniaak jne) saamiseks, toidus - tahkete rasvade tootmiseks taimeõlid jne. Kõrget temperatuuri (kuni 2600 °C), mis tekib vesiniku põlemisel hapnikus, kasutatakse tulekindlate metallide, kvartsi jms sulatamiseks. Vedel vesinik on üks tõhusamaid lennukikütuseid. Vesiniku aastane tarbimine maailmas ületab 1 miljonit tonni.

Koolitajad

#2. Vesinik

ÜLESANDED ANKRUSTAMISEKS

Ülesanne number 1
Koostage võrrandid vesiniku ja järgmiste ainetega interaktsiooni reaktsioonide jaoks: F 2, Ca, Al 2 O 3, elavhõbe(II)oksiid, volfram(VI)oksiid. Nimetage reaktsiooniproduktid, märkige reaktsioonide liigid.

Ülesanne number 2
Tehke teisendused vastavalt skeemile:
H2O -> H2 -> H2S -> SO 2

Ülesanne number 3.
Arvutage välja vee mass, mida saab 8 g vesiniku põletamisel?