Vodik - šta je ovo supstanca? Hemijska i fizička svojstva vodonika. Hemijska svojstva vodonika: karakteristike i primjena Hemija vodika poziva phtml
Hajde da pogledamo šta je vodonik. Hemijska svojstva i proizvodnja ovog nemetala izučavaju se u okviru neorganske hemije u školi. Upravo ovaj element vodi periodični sistem Mendeljejeva i stoga zaslužuje detaljan opis.
Kratke informacije o otvaranju elementa
Prije razmatranja fizičkih i kemijskih svojstava vodika, hajde da saznamo kako je pronađen ovaj važan element.
Hemičari koji su radili u šesnaestom i sedamnaestom vijeku više puta su u svojim spisima spominjali zapaljivi plin koji se oslobađa kada su kiseline izložene aktivnim metalima. U drugoj polovini osamnaestog veka, G. Cavendish je uspeo da prikupi i analizira ovaj gas, dajući mu naziv "zapaljivi gas".
Fizička i hemijska svojstva vodonika u to vreme nisu proučavana. Tek krajem osamnaestog veka A. Lavoisier je uspeo analizom da ustanovi da se ovaj gas može dobiti analizom vode. Nešto kasnije, novi element je počeo zvati hidrogen, što znači "rađanje vode". Svoj moderni ruski naziv vodonik duguje M.F. Solovjovu.
Biti u prirodi
Hemijska svojstva vodonika mogu se analizirati samo na osnovu njegovog obilja u prirodi. Ovaj element je prisutan u hidro- i litosferi, a također je dio minerala: prirodnog i pratećeg plina, treseta, nafte, uglja, uljnih škriljaca. Teško je zamisliti odraslu osobu koja ne bi znala da je vodonik sastavni dio vode.
Osim toga, ovaj nemetal se nalazi u životinjskim organizmima u obliku nukleinskih kiselina, proteina, ugljikohidrata i masti. Na našoj planeti ovaj element se vrlo rijetko nalazi u slobodnom obliku, možda samo u prirodnom i vulkanskom plinu.
U obliku plazme, vodonik čini oko polovinu mase zvijezda i Sunca, a također je dio međuzvjezdanog plina. Na primjer, u slobodnom obliku, kao iu obliku metana, amonijaka, ovaj nemetal je prisutan u kometama, pa čak i na nekim planetama.
Fizička svojstva
Prije razmatranja kemijskih svojstava vodonika, napominjemo da je u normalnim uvjetima plinovita tvar lakša od zraka, koja ima nekoliko izotopskih oblika. Gotovo je nerastvorljiv u vodi i ima visoku toplotnu provodljivost. Protium, koji ima maseni broj 1, smatra se njegovim najlakšim oblikom. Tritij, koji ima radioaktivna svojstva, nastaje u prirodi iz atmosferskog dušika kada ga neuroni izlažu UV zracima.
Karakteristike strukture molekula
Da bismo razmotrili hemijska svojstva vodika, reakcije karakteristične za njega, zadržimo se na karakteristikama njegove strukture. Ovaj dvoatomski molekul ima kovalentnu nepolarnu hemijsku vezu. Formiranje atomskog vodika je moguće kada aktivni metali stupe u interakciju s kiselim otopinama. Ali u ovom obliku, ovaj nemetal može postojati samo beznačajan vremenski period, gotovo odmah se rekombinuje u molekularni oblik.
Hemijska svojstva
Razmotrite hemijska svojstva vodonika. U većini jedinjenja koje ovaj hemijski element formira, on pokazuje oksidaciono stanje od +1, što ga čini sličnim aktivnim (alkalnim) metalima. Glavna hemijska svojstva vodonika, koja ga karakteriziraju kao metal:
- interakcija s kisikom za stvaranje vode;
- reakcija s halogenima, praćena stvaranjem halogen vodika;
- proizvodnja vodonik sulfida u kombinaciji sa sumporom.
Ispod je jednačina reakcije koja karakteriše hemijska svojstva vodonika. Skrećemo pažnju da kao nemetal (sa oksidacijskim stanjem -1) djeluje samo u reakciji s aktivnim metalima, formirajući s njima odgovarajuće hidride.
Vodik na običnoj temperaturi ne stupa u aktivnu interakciju s drugim tvarima, tako da se većina reakcija odvija tek nakon predgrijavanja.
Zaustavimo se detaljnije na nekim hemijskim interakcijama elementa koji vodi periodični sistem hemijskih elemenata Mendeljejeva.
Reakcija stvaranja vode je praćena oslobađanjem 285,937 kJ energije. Na povišenim temperaturama (više od 550 stepeni Celzijusa) ovaj proces prati snažna eksplozija.
Među onim hemijskim svojstvima gasovitog vodonika koja su našla značajnu primenu u industriji, interesantna je njegova interakcija sa metalnim oksidima. Katalitičkom hidrogenacijom u modernoj industriji se prerađuju oksidi metala, na primjer, čisti metal se izoluje iz željeznog kamenca (mješoviti željezni oksid). Ova metoda omogućava efikasnu obradu starog metalnog otpada.
Sinteza amonijaka, koja uključuje interakciju vodonika s atmosferskim dušikom, također je tražena u modernoj kemijskoj industriji. Među uslovima za nastanak ove hemijske interakcije ističemo pritisak i temperaturu.
Zaključak
Vodonik je neaktivna hemijska supstanca u normalnim uslovima. Kako temperatura raste, njegova aktivnost se značajno povećava. Ova supstanca je tražena u organskoj sintezi. Na primjer, hidrogenacijom, ketoni se mogu reducirati u sekundarne alkohole, a aldehidi se mogu pretvoriti u primarne alkohole. Osim toga, hidrogenacijom se nezasićeni ugljovodonici klase etilena i acetilena mogu pretvoriti u zasićena jedinjenja metanskog niza. Vodik se s pravom smatra jednostavnom supstancom traženom u modernoj hemijskoj proizvodnji.
Vodonik H je hemijski element, jedan od najčešćih u našem svemiru. Masa vodika kao elementa u sastavu supstanci je 75% ukupnog sadržaja atoma druge vrste. Uključen je u najvažniju i vitalnu vezu na planeti - vodu. Posebnost vodonika je i to što je prvi element u periodičnom sistemu hemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva.
Otkriće i istraživanje
Prva spominjanja vodonika u Paracelsusovim spisima datiraju iz šesnaestog veka. Ali njegovo izolovanje od gasne mešavine vazduha i proučavanje zapaljivih svojstava već je u sedamnaestom veku napravio naučnik Lemeri. Vodonik je detaljno proučavao engleski hemičar, fizičar i prirodnjak koji je eksperimentalno dokazao da je masa vodonika najmanja u poređenju sa drugim gasovima. U kasnijim fazama razvoja nauke, mnogi naučnici su radili s njim, posebno Lavoisier, koji ga je nazvao "rađanjem vode".
Karakteristika prema poziciji u PSCE
Element koji otvara periodni sistem D. I. Mendeljejeva je vodonik. Fizička i hemijska svojstva atoma pokazuju izvestan dualitet, budući da se vodik istovremeno pripisuje prvoj grupi, glavnoj podgrupi, ako se ponaša kao metal i odustaje od jednog elektrona u procesu hemijske reakcije, i sedmi - u slučaju potpunog punjenja valentne ljuske, odnosno prijemne negativne čestice, što je karakterizira sličnom halogenima.
Karakteristike elektronske strukture elementa
Svojstva složenih supstanci u koje je uključen i najjednostavnije supstance H 2 prvenstveno su određene elektronskom konfiguracijom vodonika. Čestica ima jedan elektron sa Z= (-1), koji rotira u svojoj orbiti oko jezgra, koji sadrži jedan proton jedinične mase i pozitivnog naboja (+1). Njegova elektronska konfiguracija je zapisana kao 1s 1, što znači prisustvo jedne negativne čestice u prvoj i jedinoj s-orbitali za vodonik.
Kada se elektron odvoji ili preda, a atom ovog elementa ima takvo svojstvo da je povezan s metalima, dobije se kation. U stvari, jon vodonika je pozitivna elementarna čestica. Stoga se vodonik bez elektrona jednostavno naziva proton.
Fizička svojstva
Ukratko opisujući vodonik, to je bezbojan, slabo rastvorljiv gas sa relativnom atomskom masom od 2, 14,5 puta lakšim od vazduha, sa temperaturom ukapljivanja od -252,8 stepeni Celzijusa.
Iz iskustva se lako može vidjeti da je H2 najlakši. Da biste to učinili, dovoljno je napuniti tri kuglice raznim tvarima - vodikom, ugljičnim dioksidom, običnim zrakom - i istovremeno ih pustiti iz ruke. Onaj koji je ispunjen CO 2 brže će dospjeti do tla, nakon čega će pasti naduvan mješavinom zraka, a onaj koji sadrži H 2 podići će se do stropa.
Mala masa i veličina čestica vodika opravdavaju njegovu sposobnost prodiranja kroz različite tvari. Na primjeru iste lopte to je lako provjeriti, za par dana će se sama ispuhati, jer će plin jednostavno proći kroz gumu. Takođe, vodonik se može akumulirati u strukturi nekih metala (paladija ili platine), i ispariti iz njega kada temperatura poraste.
Svojstvo niske rastvorljivosti vodika koristi se u laboratorijskoj praksi za njegovo izdvajanje metodom istiskivanja vodika (tabela ispod sadrži glavne parametre) koji određuju opseg njegove primene i metode proizvodnje.
| Parametar atoma ili molekula jednostavne supstance | Značenje |
| Atomska masa (molarna masa) | 1,008 g/mol |
| Elektronska konfiguracija | 1s 1 |
| Kristalna ćelija | Hexagonal |
| Toplotna provodljivost | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Gustina na n. y. | 0,08987 g/l |
| Temperatura ključanja | -252,76°C |
| Specifična toplota sagorevanja | 120,9 10 6 J/kg |
| Temperatura topljenja | -259,2°C |
| Rastvorljivost u vodi | 18,8 ml/l |
Izotopski sastav
Kao i mnogi drugi predstavnici periodnog sistema hemijskih elemenata, vodonik ima nekoliko prirodnih izotopa, odnosno atoma sa istim brojem protona u jezgru, ali različitim brojem neutrona - čestica sa nultim nabojem i jediničnom masom. Primjeri atoma koji imaju slična svojstva su kisik, ugljik, klor, brom i drugi, uključujući i radioaktivne.
Fizička svojstva vodika 1 H, najčešćeg od predstavnika ove grupe, značajno se razlikuju od istih karakteristika njegovih kolega. Posebno se razlikuju karakteristike tvari u koje su uključene. Dakle, postoji obična i deuterirana voda, koja u svom sastavu sadrži, umjesto atoma vodika s jednim protonom, deuterijum 2 H - njegov izotop s dvije elementarne čestice: pozitivnom i nenabijenom. Ovaj izotop je dvostruko teži od običnog vodonika, što objašnjava fundamentalnu razliku u svojstvima spojeva koje čine. U prirodi je deuterijum 3200 puta rjeđi od vodonika. Treći predstavnik je tricijum 3 H, u jezgru ima dva neutrona i jedan proton.
Metode dobijanja i izolacije
Laboratorijske i industrijske metode su veoma različite. Dakle, u malim količinama plin se dobiva uglavnom kroz reakcije u kojima su uključeni minerali, a u velikoj proizvodnji se u većoj mjeri koristi organska sinteza.
U laboratoriji se koriste sljedeće hemijske interakcije:
U industrijskim interesima, plin se dobiva sljedećim metodama:
- Termička razgradnja metana u prisustvu katalizatora na njegove sastavne jednostavne supstance (350 stepeni dostiže vrednost takvog indikatora kao što je temperatura) - vodik H 2 i ugljenik C.
- Propuštanje parne vode kroz koks na 1000 stepeni Celzijusa sa stvaranjem ugljen-dioksida CO 2 i H 2 (najčešća metoda).
- Konverzija gasovitog metana na nikalnom katalizatoru na temperaturi koja dostiže 800 stepeni.
- Vodik je nusproizvod u elektrolizi vodenih otopina kalijevih ili natrijum hlorida.
Hemijske interakcije: opšte odredbe
Fizička svojstva vodika u velikoj mjeri objašnjavaju njegovo ponašanje u reakcionim procesima s jednim ili drugim spojem. Valentnost vodonika je 1, jer se nalazi u prvoj grupi periodnog sistema, a stepen oksidacije pokazuje drugačiji. U svim jedinjenjima, osim u hidridima, vodonik u s.o. = (1+), u molekulima kao što su XH, XH 2, XH 3 - (1-).
Molekul plina vodika, nastao stvaranjem generaliziranog elektronskog para, sastoji se od dva atoma i energetski je prilično stabilan, zbog čega je u normalnim uvjetima donekle inertan i ulazi u reakcije kada se normalni uvjeti mijenjaju. U zavisnosti od stepena oksidacije vodika u sastavu drugih supstanci, može delovati i kao oksidaciono i kao redukciono sredstvo.
Tvari sa kojima vodonik reaguje i nastaje
Elementarne interakcije za formiranje složenih supstanci (često na povišenim temperaturama):
- Alkalni i zemnoalkalni metal + vodonik = hidrid.
- Halogen + H 2 = halogen vodonik.
- Sumpor + vodonik = vodonik sulfid.
- Kiseonik + H 2 = voda.
- Ugljik + vodonik = metan.
- Azot + H 2 = amonijak.
Interakcija sa složenim supstancama:
- Dobivanje sintetskog plina iz ugljičnog monoksida i vodonika.
- Obnavljanje metala iz njihovih oksida sa H 2 .
- Zasićenje nezasićenih alifatskih ugljovodonika vodikom.
vodoničnu vezu
Fizička svojstva vodika su takva da, u kombinaciji s elektronegativnim elementom, omogućavaju stvaranje posebne vrste veze sa istim atomom od susjednih molekula koji imaju nepodijeljene elektronske parove (na primjer, kisik, dušik i fluor). Najjasniji primjer na kojem je bolje razmotriti takav fenomen je voda. Može se reći da je prošivena vodoničnim vezama, koje su slabije od kovalentnih ili jonskih, ali zbog činjenice da ih ima mnogo, one značajno utiču na svojstva supstance. U suštini, vodikova veza je elektrostatička interakcija koja veže molekule vode u dimere i polimere, što dovodi do njene visoke tačke ključanja.
Vodonik u sastavu mineralnih jedinjenja
Svi sadrže proton - katjon atoma kao što je vodonik. Supstanca čiji kiselinski ostatak ima oksidaciono stanje veće od (-1) naziva se polibazičnim spojem. Sadrži nekoliko atoma vodika, što čini disocijaciju u vodenim otopinama višestepenom. Svaki sljedeći proton se sve teže odvaja od ostatka kiseline. Prema kvantitativnom sadržaju vodonika u mediju, određuje se njegova kiselost.
Primjena u ljudskim aktivnostima
Boce sa supstancom, kao i posude sa drugim tečnim gasovima, kao što je kiseonik, imaju specifičan izgled. Oslikane su tamno zelenom bojom sa jarko crvenim slovima "Hydrogen". Plin se pumpa u cilindar pod pritiskom od oko 150 atmosfera. Fizička svojstva vodonika, posebno lakoća plinovitog agregatnog stanja, koriste se za punjenje balona, balona itd. pomiješanih sa helijumom.
Vodik, čija su fizička i kemijska svojstva ljudi naučili koristiti prije mnogo godina, trenutno se koristi u mnogim industrijama. Najveći dio odlazi na proizvodnju amonijaka. Takođe, vodik je uključen u (hafnij, germanijum, galijum, silicijum, molibden, volfram, cirkonijum i drugi) iz oksida, delujući u reakciji kao redukciono sredstvo, cijanovodonične i hlorovodonične kiseline, kao i veštačko tečno gorivo. Prehrambena industrija ga koristi za pretvaranje biljnih ulja u čvrste masti.
Utvrdili smo hemijska svojstva i upotrebu vodonika u različitim procesima hidrogenacije i hidrogenacije masti, uglja, ugljovodonika, ulja i lož ulja. Uz pomoć njega proizvodi se drago kamenje, žarulje sa žarnom niti, metalni proizvodi se kovaju i zavaruju pod utjecajem plamena kisika i vodika.
Vodonik je u drugoj polovini 18. veka otkrio engleski naučnik iz oblasti fizike i hemije G. Cavendish. Uspio je izolirati supstancu u čistom stanju, počeo je proučavati i opisao njena svojstva.
Takva je istorija otkrića vodonika. Tokom eksperimenata, istraživač je utvrdio da se radi o zapaljivom gasu čije sagorevanje na vazduhu daje vodu. To je dovelo do određivanja kvalitativnog sastava vode.
Šta je vodonik
Vodonik, kao jednostavnu supstancu, prvi je proglasio francuski hemičar A. Lavoisier 1784. godine, pošto je utvrdio da njegov molekul sadrži atome istog tipa.
Naziv hemijskog elementa na latinskom zvuči kao hidrogenijum (čitaj "hidrogenijum"), što znači "rađanje vode". Naziv se odnosi na reakciju sagorijevanja koja proizvodi vodu.
Karakterizacija vodonika
Oznakom vodonika N. Mendeljejev je ovom hemijskom elementu dodelio prvi serijski broj, stavljajući ga u glavnu podgrupu prve grupe i prvog perioda i uslovno u glavnu podgrupu sedme grupe.
Atomska težina (atomska masa) vodonika je 1,00797. Molekularna težina H 2 je 2 a. e. Molarna masa mu je brojčano jednaka.
Predstavljaju ga tri izotopa sa posebnim imenom: najčešći protij (H), teški deuterijum (D) i radioaktivni tricijum (T).
To je prvi element koji se na jednostavan način može potpuno razdvojiti na izotope. Zasnovan je na velikoj razlici mase izotopa. Proces je prvi put sproveden 1933. To se objašnjava činjenicom da je tek 1932. otkriven izotop s masom 2.
Fizička svojstva
U normalnim uslovima, prosta supstanca vodonik u obliku dvoatomskih molekula je gas, bez boje, koji nema ukus i miris. Slabo rastvorljiv u vodi i drugim rastvaračima.
Temperatura kristalizacije - 259,2 o C, tačka ključanja - 252,8 o C. Prečnik molekula vodonika je toliko mali da imaju sposobnost da polako difunduju kroz brojne materijale (gumu, staklo, metale). Ovo svojstvo se koristi kada je potrebno očistiti vodonik od plinovitih nečistoća. Na br. y. vodonik ima gustinu od 0,09 kg/m3.
Da li je moguće pretvoriti vodonik u metal po analogiji sa elementima koji se nalaze u prvoj grupi? Naučnici su otkrili da vodonik, u uslovima kada se pritisak približi 2 miliona atmosfera, počinje da apsorbuje infracrvene zrake, što ukazuje na polarizaciju molekula supstance. Možda će pri još većim pritiscima vodonik postati metal.
zanimljivo je: postoji pretpostavka da je na džinovskim planetama, Jupiteru i Saturnu, vodonik u obliku metala. Pretpostavlja se da je metalni čvrsti vodonik takođe prisutan u sastavu Zemljinog jezgra, zbog ultravisokog pritiska koji stvara Zemljin omotač.
Hemijska svojstva
I jednostavne i složene tvari ulaze u kemijsku interakciju s vodonikom. Ali nisku aktivnost vodonika potrebno je povećati stvaranjem odgovarajućih uslova - podizanjem temperature, upotrebom katalizatora itd.
Kada se zagreju, jednostavne supstance kao što su kiseonik (O 2), hlor (Cl 2), azot (N 2), sumpor (S) reaguju sa vodonikom.
Ako zapalite čisti vodonik na kraju plinske cijevi u zraku, gorit će ravnomjerno, ali jedva primjetno. Međutim, ako se cijev za izlaz plina stavi u atmosferu čistog kisika, tada će se izgaranje nastaviti sa stvaranjem kapi vode na zidovima posude, kao rezultat reakcije:
Sagorijevanje vode je praćeno oslobađanjem velike količine topline. Ovo je egzotermna reakcija spoja u kojoj se vodik oksidira kisikom kako bi se formirao oksid H 2 O. To je također redoks reakcija u kojoj se vodik oksidira, a kisik reducira.
Slično, reakcija sa Cl 2 se dešava sa stvaranjem hlorovodonika.
Interakcija azota sa vodonikom zahteva visoku temperaturu i visok pritisak, kao i prisustvo katalizatora. Rezultat je amonijak.
Kao rezultat reakcije sa sumporom nastaje sumporovodik, čije prepoznavanje olakšava karakterističan miris pokvarenih jaja.
Oksidacijsko stanje vodika u ovim reakcijama je +1, au dolje opisanim hidridima je 1.
Pri reakciji s nekim metalima nastaju hidridi, na primjer, natrijev hidrid - NaH. Neka od ovih složenih jedinjenja se koriste kao gorivo za rakete, kao i u fuzionoj snazi.
Vodonik reaguje i sa supstancama iz kategorije kompleksa. Na primjer, sa bakar (II) oksidom, formula CuO. Za izvođenje reakcije, bakreni vodonik se propušta preko zagrijanog praškastog bakrenog (II) oksida. U toku interakcije, reagens mijenja boju i postaje crveno-braon, a kapljice vode se talože na hladnim stijenkama epruvete.
Tokom reakcije, vodonik se oksidira u vodu, a bakar se reducira iz oksida u jednostavnu supstancu (Cu).
Područja upotrebe
Vodik je od velike važnosti za ljude i koristi se u raznim oblastima:
- U hemijskoj industriji to je sirovina, u drugim industrijama gorivo. Ne bez vodonika i preduzeća petrohemije i prerade nafte.
- U elektroenergetskoj industriji ova jednostavna tvar djeluje kao rashladno sredstvo.
- U crnoj i obojenoj metalurgiji vodik igra ulogu redukcijskog sredstva.
- Uz ovu pomoć stvara se inertno okruženje prilikom pakiranja proizvoda.
- Farmaceutska industrija koristi vodonik kao reagens u proizvodnji vodikovog peroksida.
- Meteorološke sonde su punjene ovim lakim gasom.
- Ovaj element je također poznat kao sredstvo za redukciju goriva za raketne motore.
Naučnici jednoglasno predviđaju da će vodonično gorivo biti lider u energetskom sektoru.
Prijem u industriji
U industriji se vodonik proizvodi elektrolizom, koja se podvrgava hloridima ili hidroksidima alkalnih metala otopljenih u vodi. Također je moguće dobiti vodonik na ovaj način direktno iz vode.
U tu svrhu koristi se konverzija koksa ili metana parom. Razlaganje metana na povišenoj temperaturi također proizvodi vodonik. Ukapljivanje koksnog gasa frakcionom metodom se takođe koristi za industrijsku proizvodnju vodonika.
Dobivanje u laboratoriji
U laboratoriji se za proizvodnju vodika koristi Kipp aparat.
Kao reagensi djeluju hlorovodonična ili sumporna kiselina i cink. Kao rezultat reakcije nastaje vodonik.
Pronalaženje vodonika u prirodi
Vodonik je najčešći element u svemiru. Većina zvijezda, uključujući Sunce i druga kosmička tijela, je vodonik.
Ima ga samo 0,15% u zemljinoj kori. Prisutan je u mnogim mineralima, u svim organskim materijama, kao iu vodi koja pokriva 3/4 površine naše planete.
U gornjim slojevima atmosfere mogu se naći tragovi čistog vodonika. Takođe se nalazi u brojnim zapaljivim prirodnim gasovima.
Gasni vodonik je najtanji, a tečni vodonik je najgušća supstanca na našoj planeti. Uz pomoć vodonika možete promijeniti ton glasa, ako ga udišete, i govoriti dok izdišete.
Najmoćnija hidrogenska bomba zasnovana je na cijepanju najlakšeg atoma.
Atom vodonika ima elektronsku formulu vanjskog (i jedinog) elektronskog nivoa 1 s jedan . S jedne strane, prisustvom jednog elektrona na vanjskom elektronskom nivou, atom vodonika je sličan atomima alkalnog metala. Međutim, kao i halogenima, nedostaje mu samo jedan elektron da popuni eksterni elektronski nivo, jer se na prvom elektronskom nivou ne mogu nalaziti više od 2 elektrona. Ispostavilo se da se vodonik može istovremeno smjestiti i u prvu i u pretposljednju (sedmu) grupu periodnog sistema, što se ponekad radi u različitim verzijama periodnog sistema:
Sa stanovišta svojstava vodika kao jednostavne supstance, on ipak ima više zajedničkog sa halogenima. Vodik, kao i halogeni, je nemetal i tvori dvoatomske molekule (H 2) slično njima.
U normalnim uslovima, vodonik je gasovita, neaktivna supstanca. Niska aktivnost vodika objašnjava se visokom čvrstoćom veze između atoma vodika u molekuli, koja zahtijeva ili snažno zagrijavanje ili korištenje katalizatora, ili oboje u isto vrijeme, da bi se prekinula.
Interakcija vodika sa jednostavnim supstancama
sa metalima
Od metala, vodonik reaguje samo sa alkalnom i zemnoalkalnom! U alkalne metale spadaju metali glavne podgrupe I grupe (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), a zemnoalkalni metali su metali glavne podgrupe II grupe, osim berilija i magnezijuma (Ca, Sr, Ba , Ra)
U interakciji s aktivnim metalima, vodik pokazuje oksidirajuća svojstva, tj. smanjuje njegovo oksidacijsko stanje. U ovom slučaju nastaju hidridi alkalnih i zemnoalkalnih metala, koji imaju ionsku strukturu. Reakcija se nastavlja kada se zagrije:
Treba napomenuti da je interakcija sa aktivnim metalima jedini slučaj kada je molekularni vodonik H2 oksidant.
sa nemetalima
Od nemetala, vodonik reaguje samo sa ugljenikom, azotom, kiseonikom, sumporom, selenom i halogenima!
Ugljik treba shvatiti kao grafit ili amorfni ugljik, budući da je dijamant izuzetno inertna alotropna modifikacija ugljika.
U interakciji s nemetalima, vodik može obavljati samo funkciju redukcijskog agensa, odnosno može samo povećati svoje oksidacijsko stanje:
Interakcija vodika sa složenim supstancama
sa metalnim oksidima
Vodik ne reagira s metalnim oksidima koji su u nizu aktivnosti metala do aluminija (uključivo), međutim, on je u stanju reducirati mnoge metalne okside desno od aluminija kada se zagrijava:
sa nemetalnim oksidima
Od nemetalnih oksida, vodik reagira kada se zagrije s oksidima dušika, halogenima i ugljikom. Od svih interakcija vodika sa oksidima nemetala, posebno treba istaći njegovu reakciju sa ugljen monoksidom CO.
Mješavina CO i H 2 čak ima i svoje ime - "sintetski plin", jer se, ovisno o uvjetima, iz nje mogu dobiti tako traženi industrijski proizvodi kao što su metanol, formaldehid, pa čak i sintetički ugljovodonici:
sa kiselinama
Vodonik ne reaguje sa neorganskim kiselinama!
Od organskih kiselina, vodik reagira samo sa nezasićenim kiselinama, kao i sa kiselinama koje sadrže funkcionalne grupe koje se mogu reducirati vodonikom, posebno aldehidne, keto ili nitro grupe.
sa solima
U slučaju vodenih rastvora soli ne dolazi do njihove interakcije sa vodonikom. Međutim, kada se vodik propušta preko čvrstih soli nekih metala srednje i niske aktivnosti, moguća je njihova djelomična ili potpuna redukcija, na primjer:
Hemijska svojstva halogena
Halogeni su hemijski elementi VIIA grupe (F, Cl, Br, I, At), kao i jednostavne supstance koje formiraju. U daljnjem tekstu, osim ako nije drugačije navedeno, halogeni će se smatrati jednostavnim tvarima.
Svi halogeni imaju molekularnu strukturu, što dovodi do niskih tačaka topljenja i ključanja ovih supstanci. Molekuli halogena su dvoatomni, tj. njihova formula se može zapisati u opštem obliku kao Hal 2 .
Treba napomenuti tako specifično fizičko svojstvo joda kao što je njegova sposobnost sublimacija ili, drugim riječima, sublimacija. sublimacija, oni nazivaju fenomen u kojem se supstanca u čvrstom stanju ne topi kada se zagrije, već, zaobilazeći tečnu fazu, odmah prelazi u plinovito stanje.
Elektronska struktura vanjskog energetskog nivoa atoma bilo kojeg halogena ima oblik ns 2 np 5, gdje je n broj perioda periodnog sistema u kojem se halogen nalazi. Kao što vidite, samo jedan elektron nedostaje u vanjskoj ljusci atoma halogena od osam elektrona. Iz ovoga je logično pretpostaviti pretežno oksidaciona svojstva slobodnih halogena, što se potvrđuje i u praksi. Kao što znate, elektronegativnost nemetala opada kada se kreće niz podgrupu, pa se aktivnost halogena smanjuje u nizu:
F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2
Interakcija halogena sa jednostavnim supstancama
Svi halogeni su visoko reaktivni i reagiraju s većinom jednostavnih tvari. Međutim, treba napomenuti da fluor, zbog svoje izuzetno visoke reaktivnosti, može reagirati čak i s onim jednostavnim tvarima s kojima drugi halogeni ne mogu reagirati. Takve jednostavne supstance uključuju kiseonik, ugljenik (dijamant), azot, platinu, zlato i neke plemenite gasove (ksenon i kripton). One. zapravo, fluor ne reaguje samo sa nekim plemenitim gasovima.
Preostali halogeni, tj. hlor, brom i jod su takođe aktivne supstance, ali manje aktivne od fluora. Reaguju s gotovo svim jednostavnim tvarima osim kisika, dušika, ugljika u obliku dijamanta, platine, zlata i plemenitih plinova.
Interakcija halogena sa nemetalima
vodonik
Svi halogeni reaguju sa vodonikom i nastaju vodonik halogenidi sa opštom formulom HHal. Istovremeno, reakcija fluora sa vodikom počinje spontano čak i u mraku i nastavlja se eksplozijom u skladu sa jednadžbom:
Reakcija hlora sa vodonikom može se pokrenuti intenzivnim ultraljubičastim zračenjem ili zagrijavanjem. Također curi uz eksploziju:
Brom i jod reaguju sa vodikom samo kada se zagreju, a u isto vreme reakcija sa jodom je reverzibilna:
fosfor
Interakcija fluora sa fosforom dovodi do oksidacije fosfora do najvišeg oksidacionog stanja (+5). U ovom slučaju dolazi do stvaranja fosfor pentafluorida:
Kada klor i brom stupaju u interakciju s fosforom, moguće je dobiti fosforne halogenide i u oksidacijskom stanju + 3 i u oksidacijskom stanju + 5, što ovisi o proporcijama reaktanata:
U slučaju bijelog fosfora u atmosferi fluora, hlora ili tekućeg broma, reakcija počinje spontano.
Interakcija fosfora s jodom može dovesti do stvaranja samo fosfornog trijodida zbog znatno niže oksidacijske sposobnosti od ostalih halogena:
siva
Fluor oksidira sumpor do najvišeg oksidacionog stanja +6, formirajući sumpor heksafluorid:
Klor i brom reagiraju sa sumporom, formirajući spojeve koji sadrže sumpor u oksidacijskim stanjima koja su za njega izuzetno neuobičajena +1 i +2. Ove interakcije su vrlo specifične, a za polaganje ispita iz hemije nije potrebna sposobnost zapisivanja jednačina tih interakcija. Stoga su sljedeće tri jednadžbe date radije kao smjernica:
Interakcija halogena sa metalima
Kao što je gore spomenuto, fluor može reagirati sa svim metalima, čak i sa neaktivnim kao što su platina i zlato:
Preostali halogeni reagiraju sa svim metalima osim platine i zlata:
Reakcije halogena sa složenim supstancama
Reakcije supstitucije sa halogenima
Aktivniji halogeni, tj. hemijski elementi koji se nalaze više u periodnom sistemu, u stanju su da istisnu manje aktivne halogene iz halogenovodoničnih kiselina i metalnih halogenida koje formiraju:
Slično, brom i jod istiskuju sumpor iz rastvora sulfida i/ili vodonik sulfida:
Klor je jači oksidant i oksidira sumporovodik u svojoj vodenoj otopini ne u sumpor, već u sumpornu kiselinu:
Interakcija halogena sa vodom
Voda gori u fluoru s plavim plamenom u skladu s jednačinom reakcije:
Brom i hlor drugačije reaguju sa vodom nego fluor. Ako je fluor djelovao kao oksidacijsko sredstvo, tada su klor i brom nesrazmjerni u vodi, formirajući mješavinu kiselina. U ovom slučaju, reakcije su reverzibilne:
Interakcija joda sa vodom ide do toliko beznačajnog stepena da se može zanemariti i smatrati da se reakcija uopšte ne odvija.
Interakcija halogena sa alkalnim rastvorima
Fluor, kada je u interakciji s vodenom otopinom alkalija, opet djeluje kao oksidant:
Sposobnost pisanja ove jednačine nije potrebna za polaganje ispita. Dovoljno je znati činjenicu o mogućnosti takve interakcije i oksidirajućoj ulozi fluora u ovoj reakciji.
Za razliku od fluora, preostali halogeni su nesrazmjerni u alkalnim otopinama, odnosno istovremeno povećavaju i smanjuju svoje oksidacijsko stanje. Istovremeno, u slučaju hlora i broma, u zavisnosti od temperature, moguće je strujanje u dva različita smera. Konkretno, na hladnoći, reakcije se odvijaju na sljedeći način:
a kada se zagrije:
Jod sa alkalijama reaguje isključivo po drugoj opciji, tj. sa stvaranjem jodata, jer hipojodit je nestabilan ne samo kada se zagreje, već i na uobičajenim temperaturama, pa čak i na hladnoći.
DEFINICIJA
Vodonik- prvi element Periodnog sistema hemijskih elemenata D.I. Mendeljejev. Simbol je N.
Atomska masa - 1 am.u. Molekul vodonika je dvoatomski - H 2.
Elektronska konfiguracija atoma vodika je 1s 1. Vodonik pripada porodici s-elemenata. U svojim jedinjenjima pokazuje oksidaciona stanja -1, 0, +1. Prirodni vodonik se sastoji od dva stabilna izotopa - protijuma 1 H (99,98%) i deuterijuma 2 H (D) (0,015%) - i radioaktivnog izotopa tricijuma 3 H (T) (količine u tragovima, poluživot - 12,5 godina).
Hemijska svojstva vodonika
U normalnim uslovima, molekularni vodonik pokazuje relativno nisku reaktivnost, što se objašnjava velikom snagom veze u molekulu. Kada se zagrije, stupa u interakciju s gotovo svim jednostavnim tvarima formiranim od elemenata glavnih podgrupa (osim plemenitih plinova, B, Si, P, Al). U kemijskim reakcijama može djelovati i kao redukcijsko sredstvo (češće) i kao oksidacijsko sredstvo (rjeđe).
Vodonik se manifestuje svojstva redukujućeg agensa(H 2 0 -2e → 2H +) u sljedećim reakcijama:
1. Reakcije interakcije sa jednostavnim supstancama - nemetalima. Vodonik reaguje sa halogenima, štaviše, reakcija interakcije sa fluorom u normalnim uslovima, u mraku, sa eksplozijom, sa hlorom - pod osvetljenjem (ili UV zračenjem) lančanim mehanizmom, sa bromom i jodom samo kada se zagreju; kiseonik(mješavina kisika i vodonika u volumnom omjeru 2:1 naziva se "eksplozivni plin"), siva, nitrogen i ugljenik:
H 2 + Hal 2 \u003d 2HHal;
2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O + Q (t);
H 2 + S \u003d H 2 S (t = 150 - 300C);
3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);
2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat).
2. Reakcije interakcije sa složenim supstancama. Vodonik reaguje sa oksidima niskoaktivnih metala, a može reducirati samo metale koji se nalaze u nizu aktivnosti desno od cinka:
CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O (t);
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O (t);
WO 3 + 3H 2 \u003d W + 3H 2 O (t).
Vodonik reaguje sa nemetalnim oksidima:
H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O (t);
2H 2 + CO ↔ CH 3 OH (t = 300C, p = 250 - 300 atm., kat = ZnO, Cr 2 O 3).
Vodik ulazi u reakcije hidrogenacije sa organskim jedinjenjima iz klase cikloalkana, alkena, arena, aldehida i ketona itd. Sve ove reakcije se odvijaju pod zagrevanjem, pod pritiskom, kao katalizator koristi se platina ili nikl:
CH 2 \u003d CH 2 + H 2 ↔ CH 3 -CH 3;
C 6 H 6 + 3H 2 ↔ C 6 H 12;
C 3 H 6 + H 2 ↔ C 3 H 8;
CH 3 CHO + H 2 ↔ CH 3 -CH 2 -OH;
CH 3 -CO-CH 3 + H 2 ↔ CH 3 -CH (OH) -CH 3.
Vodonik kao oksidaciono sredstvo(H 2 + 2e → 2H -) djeluje u reakcijama sa alkalnim i zemnoalkalnim metalima. U tom slučaju nastaju hidridi - kristalna jonska jedinjenja u kojima vodonik pokazuje oksidaciono stanje -1.
2Na + H 2 ↔ 2NaH (t, p).
Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).
Fizička svojstva vodonika
Vodonik je lagan gas bez boje, bez mirisa, gustine na n.o. - 0,09 g/l, 14,5 puta lakši od zraka, t bala = -252,8 C, t pl = - 259,2 C. Vodonik je slabo rastvorljiv u vodi i organskim rastvaračima, veoma je rastvorljiv u nekim metalima: nikal, paladijum, platina.
Prema modernoj kosmohemiji, vodonik je najzastupljeniji element u svemiru. Glavni oblik postojanja vodonika u svemiru su pojedinačni atomi. Vodonik je 9. najzastupljeniji element na Zemlji. Glavna količina vodonika na Zemlji je u vezanom stanju - u sastavu vode, nafte, prirodnog gasa, uglja itd. U obliku jednostavne tvari, vodonik se rijetko nalazi - u sastavu vulkanskih plinova.
Dobivanje vodonika
Postoje laboratorijske i industrijske metode za proizvodnju vodonika. Laboratorijske metode uključuju interakciju metala sa kiselinama (1), kao i interakciju aluminijuma sa vodenim rastvorima alkalija (2). Među industrijskim metodama za proizvodnju vodika, važnu ulogu imaju elektroliza vodenih otopina lužina i soli (3) i konverzija metana (4):
Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (1);
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na +3 H 2 (2);
2NaCl + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2NaOH (3);
CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).
Primjeri rješavanja problema
PRIMJER 1
| Vježbajte | Kada je 23,8 g metalnog kalaja stupilo u interakciju sa viškom hlorovodonične kiseline, oslobodio se vodonik, u količini dovoljnoj da se dobije 12,8 g metalnog bakra Odrediti oksidaciono stanje kalaja u rezultirajućem jedinjenju. |
| Rješenje | Na osnovu elektronske strukture atoma kalaja (...5s 2 5p 2), možemo zaključiti da kalaj karakterišu dva oksidaciona stanja - +2, +4. Na osnovu toga ćemo sastaviti jednadžbe mogućih reakcija: Sn + 2HCl = H 2 + SnCl 2 (1); Sn + 4HCl = 2H 2 + SnCl 4 (2); CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O (3). Pronađite količinu bakrene supstance: v (Cu) = m (Cu) / M (Cu) = 12,8 / 64 = 0,2 mol. Prema jednačini 3, količina vodonikove supstance: v (H 2) = v (Cu) = 0,2 mol. Znajući masu kalaja, nalazimo njegovu količinu supstance: v (Sn) = m (Sn) / M (Sn) = 23,8 / 119 = 0,2 mol. Uporedimo količine kalaja i vodonika prema jednadžbi 1 i 2 i prema uslovu zadatka: v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (jednačina 1); v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1:2 (jednačina 2); v(Sn): v(H 2) = 0,2:0,2 = 1:1 (problemski uvjet). Prema tome, kositar reaguje sa hlorovodoničnom kiselinom prema jednačini 1 i oksidaciono stanje kositra je +2. |
| Odgovori | Oksidacijsko stanje kalaja je +2. |
PRIMJER 2
| Vježbajte | Gas oslobođen djelovanjem 2,0 g cinka na 18,7 ml 14,6% hlorovodonične kiseline (gustina rastvora 1,07 g/ml) propušta se zagrijavanjem preko 4,0 g bakar (II) oksida. Kolika je masa dobivene čvrste smjese? |
| Rješenje | Kada cink reaguje sa hlorovodoničnom kiselinom, oslobađa se vodik: Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H 2 (1), koji, kada se zagrije, reducira bakrov (II) oksid u bakar (2): CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O. Pronađite količinu tvari u prvoj reakciji: m (p-ra Hcl) = 18,7. 1,07 = 20,0 g; m(HCl) = 20,0. 0,146 = 2,92 g; v (HCl) = 2,92 / 36,5 = 0,08 mol; v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 mol. Cink nedostaje, pa je količina vodonika koja se oslobađa je: v (H 2) = v (Zn) = 0,031 mol. U drugoj reakciji, vodik nedostaje jer: v (CuO) = 4,0 / 80 = 0,05 mol. Kao rezultat reakcije, 0,031 mol CuO će se pretvoriti u 0,031 mol Cu, a gubitak mase će biti: m (SuO) - m (Su) \u003d 0,031 × 80 - 0,031 × 64 \u003d 0,50 g. Masa čvrste mešavine CuO sa Cu nakon prolaska vodonika biće: 4,0-0,5 = 3,5 g |
| Odgovori | Masa čvrste mešavine CuO sa Cu je 3,5 g. |
