Vodik - što je to tvar? Kemijska i fizikalna svojstva vodika. Kemijska svojstva vodika: značajke i primjena Kemija vodika invite phtml
Pogledajmo što je vodik. Kemijska svojstva i proizvodnja ovog nemetala proučavaju se u tečaju anorganske kemije u školi. Upravo je ovaj element na čelu periodičnog sustava Mendelejeva i stoga zaslužuje detaljan opis.
Kratke informacije o otvaranju elementa
Prije razmatranja fizikalnih i kemijskih svojstava vodika, saznajmo kako je ovaj važan element pronađen.
Kemičari koji su radili u šesnaestom i sedamnaestom stoljeću opetovano su spominjali u svojim spisima zapaljivi plin koji se oslobađa kada su kiseline izložene aktivnim metalima. U drugoj polovici osamnaestog stoljeća G. Cavendish je uspio prikupiti i analizirati ovaj plin, dajući mu naziv "zapaljivi plin".
Fizikalna i kemijska svojstva vodika u to vrijeme nisu proučavana. Tek krajem osamnaestog stoljeća A. Lavoisier je analizom uspio utvrditi da se ovaj plin može dobiti analizom vode. Malo kasnije, počeo je zvati novi element hidrogen, što znači "rađanje vode". Svoje moderno rusko ime vodik duguje M. F. Solovjovu.
Biti u prirodi
Kemijska svojstva vodika mogu se analizirati samo na temelju njegove zastupljenosti u prirodi. Ovaj element je prisutan u hidro- i litosferi, a također je dio minerala: prirodni i prateći plin, treset, nafta, ugljen, uljni škriljevac. Teško je zamisliti odraslu osobu koja ne bi znala da je vodik sastavni dio vode.
Osim toga, ovaj nemetal se nalazi u životinjskim organizmima u obliku nukleinskih kiselina, proteina, ugljikohidrata i masti. Na našem planetu ovaj se element u slobodnom obliku nalazi prilično rijetko, možda samo u prirodnom i vulkanskom plinu.
U obliku plazme, vodik čini oko polovicu 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 kometima, pa čak i na nekim planetima.
Fizička svojstva
Prije razmatranja kemijskih svojstava vodika, napominjemo da je u normalnim uvjetima to plinovita tvar lakša od zraka, koja ima nekoliko izotopskih oblika. Gotovo je netopljiv u vodi i ima visoku toplinsku vodljivost. Procij, koji ima maseni broj 1, smatra se svojim najlakšim oblikom. Tricij, koji ima radioaktivna svojstva, nastaje u prirodi iz atmosferskog dušika kada ga neuroni izlože UV zrakama.
Značajke strukture molekule
Da bismo razmotrili kemijska svojstva vodika, reakcije karakteristične za njega, zadržimo se na značajkama njegove strukture. Ova dvoatomna molekula ima kovalentnu nepolarnu kemijsku vezu. Stvaranje atomskog vodika moguće je kada aktivni metali stupaju u interakciju s kiselim otopinama. Ali u ovom obliku, ovaj nemetal može postojati samo beznačajno vremensko razdoblje, gotovo odmah se rekombinira u molekularni oblik.
Kemijska svojstva
Razmotrite kemijska svojstva vodika. U većini spojeva koje tvori ovaj kemijski element pokazuje oksidacijsko stanje +1, što ga čini sličnim aktivnim (alkalijskim) metalima. Glavna kemijska svojstva vodika, koja ga karakteriziraju kao metal:
- interakcija s kisikom u obliku vode;
- reakcija s halogenima, popraćena stvaranjem halogenovodika;
- proizvodnja sumporovodika u kombinaciji sa sumporom.
Ispod je jednadžba reakcije koja karakterizira kemijska svojstva vodika. Skrećemo pozornost na činjenicu da kao nemetal (s oksidacijskim stanjem -1) djeluje samo u reakciji s aktivnim metalima, tvoreći s njima odgovarajuće hidride.
Vodik na uobičajenoj temperaturi ne stupa u aktivne interakcije s drugim tvarima, pa se većina reakcija provodi tek nakon prethodnog zagrijavanja.
Zadržimo se detaljnije na nekim kemijskim interakcijama elementa koji je na čelu periodnog sustava kemijskih elemenata Mendelejeva.
Reakcija stvaranja vode popraćena je oslobađanjem 285,937 kJ energije. Na povišenim temperaturama (više od 550 stupnjeva Celzijusa), ovaj proces je popraćen snažnom eksplozijom.
Među onim kemijskim svojstvima plinovitog vodika koja su našla značajnu primjenu u industriji, zanimljiva je njegova interakcija s metalnim oksidima. Upravo se katalitičkim hidrogeniranjem u suvremenoj industriji prerađuju metalni oksidi, na primjer, čisti metal se izolira iz željeznog kamenca (mješoviti željezni oksid). Ova metoda omogućuje učinkovitu obradu metalnog otpada.
Sinteza amonijaka, koja uključuje interakciju vodika s atmosferskim dušikom, također je tražena u modernoj kemijskoj industriji. Među uvjetima za pojavu ove kemijske interakcije bilježimo tlak i temperaturu.
Zaključak
Upravo je vodik neaktivna kemijska tvar u normalnim uvjetima. Kako temperatura raste, njegova aktivnost se značajno povećava. Ova tvar je tražena u organskoj sintezi. Na primjer, hidrogenacijom se ketoni mogu reducirati u sekundarne alkohole, a aldehidi se mogu pretvoriti u primarne alkohole. Osim toga, hidrogenacijom se nezasićeni ugljikovodici iz razreda etilena i acetilena mogu pretvoriti u zasićene spojeve iz niza metana. Vodik se s pravom smatra jednostavnom tvari koja se traži u modernoj kemijskoj proizvodnji.
Vodik H je kemijski element, jedan od najčešćih u našem svemiru. Masa vodika kao elementa u sastavu tvari je 75% ukupnog sadržaja atoma druge vrste. Uvršten je u najvažniju i vitalnu vezu na planetu – vodu. Posebnost vodika je također da je prvi element u periodnom sustavu kemijskih elemenata D. I. Mendelejeva.
Otkriće i istraživanje
Prva spominjanja vodika u spisima Paracelsusa datiraju iz šesnaestog stoljeća. Ali njegovu izolaciju iz plinske mješavine zraka i proučavanje zapaljivih svojstava već je u sedamnaestom stoljeću napravio znanstvenik Lemery. Vodik je temeljito proučavao engleski kemičar, fizičar i prirodoslovac koji je eksperimentalno dokazao da je masa vodika najmanja u usporedbi s drugim plinovima. U kasnijim fazama razvoja znanosti s njim su radili mnogi znanstvenici, posebice Lavoisier koji ga je nazvao "rađanjem vode".
Karakteristika prema poziciji u PSCE
Element koji otvara periodni sustav D. I. Mendeljejeva je vodik. Fizikalna i kemijska svojstva atoma pokazuju određenu dvojnost, budući da se vodik istovremeno svrstava u prvu skupinu, glavnu podskupinu, ako se ponaša kao metal i u procesu kemijske reakcije odaje jedan elektron, i u sedmi - u slučaju potpunog popunjavanja valentne ljuske, odnosno prijemne negativne čestice, što ga karakterizira kao sličnog halogenima.
Značajke elektroničke strukture elementa
Svojstva složenih tvari u koje se ubraja i najjednostavnije tvari H 2 prvenstveno su određena elektronskom konfiguracijom vodika. Čestica ima jedan elektron sa Z= (-1), koji se okreće u svojoj orbiti oko jezgre, sadrži jedan proton s jediničnom masom i pozitivnim nabojem (+1). Njegova elektronička konfiguracija zapisana je kao 1s 1, što znači prisutnost jedne negativne čestice u prvoj i jedinoj s-orbitali za vodik.
Kada se elektron odvoji ili preda, a atom ovog elementa ima takvo svojstvo da je srodan metalima, dobiva se kation. U stvari, vodikov ion je pozitivna elementarna čestica. Stoga se vodik bez elektrona jednostavno naziva proton.
Fizička svojstva
Ukratko, vodik je bezbojan, slabo topiv plin s relativnom atomskom masom od 2, 14,5 puta lakši od zraka, s temperaturom ukapljivanja od -252,8 stupnjeva Celzijusa.
Iz iskustva se lako vidi da je H2 najlakši. Da biste to učinili, dovoljno je napuniti tri kuglice različitim tvarima - vodikom, ugljičnim dioksidom, običnim zrakom - i istovremeno ih pustiti iz ruke. Onaj koji je ispunjen CO 2 brže će od svih stići do tla, nakon čega će pasti napuhan smjesom zraka, a onaj koji sadrži H 2 dići će se do stropa.
Mala masa i veličina čestica vodika opravdava njegovu sposobnost prodiranja kroz različite tvari. Na primjeru iste lopte, to je lako provjeriti, za nekoliko dana će se sama ispuhati, jer će plin jednostavno proći kroz gumu. Također, vodik se može nakupljati u strukturi nekih metala (paladija ili platine), te ispariti iz nje kada temperatura poraste.
Svojstvo niske topljivosti vodika koristi se u laboratorijskoj praksi za njegovu izolaciju metodom istiskivanja vodika (donja tablica sadrži glavne parametre) određuju opseg njegove primjene i metode proizvodnje.
| Parametar atoma ili molekule jednostavne tvari | Značenje |
| Atomska masa (molarna masa) | 1,008 g/mol |
| Elektronička konfiguracija | 1s 1 |
| Kristalna ćelija | Heksagonalni |
| Toplinska vodljivost | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Gustoća na n. g. | 0,08987 g/l |
| Temperatura vrenja | -252,76°C |
| Specifična toplina izgaranja | 120,9 106 J/kg |
| Temperatura topljenja | -259,2°C |
| Topivost u vodi | 18,8 ml/l |
Izotopni sastav
Kao i mnogi drugi predstavnici periodnog sustava kemijskih elemenata, vodik ima nekoliko prirodnih izotopa, odnosno atoma s istim brojem protona u jezgri, ali različitim brojem neutrona - čestica s nultim nabojem i jediničnom masom. Primjeri atoma koji imaju slična svojstva su kisik, ugljik, klor, brom i drugi, uključujući radioaktivne.
Fizička svojstva vodika 1 H, najčešćeg predstavnika ove skupine, značajno se razlikuju od istih karakteristika njegovih kolega. Posebno se razlikuju karakteristike tvari u koje su uključene. Dakle, postoji obična i deuterirana voda, koja sadrži u svom sastavu, umjesto atoma vodika s jednim protonom, deuterij 2 H - njegov izotop s dvije elementarne čestice: pozitivne i nenabijene. Ovaj je izotop dvostruko teži od običnog vodika, što objašnjava temeljnu razliku u svojstvima spojeva koje čine. U prirodi je deuterij 3200 puta rjeđi od vodika. Treći predstavnik je tricij 3 H, u jezgri ima dva neutrona i jedan proton.
Metode dobivanja i izolacije
Laboratorijske i industrijske metode vrlo su različite. Dakle, u malim količinama, plin se dobiva uglavnom reakcijama u kojima sudjeluju minerali, a velika proizvodnja u većoj mjeri koristi organsku sintezu.
U laboratoriju se koriste sljedeće kemijske interakcije:
U industrijskim interesima plin se dobiva metodama kao što su:
- Toplinska razgradnja metana u prisutnosti katalizatora na njegove sastavne jednostavne tvari (350 stupnjeva dostiže vrijednost takvog pokazatelja kao što je temperatura) - vodik H 2 i ugljik C.
- Prolazak vodene pare kroz koks na 1000 stupnjeva Celzijusa uz stvaranje ugljičnog dioksida CO 2 i H 2 (najčešća metoda).
- Pretvorba plinovitog metana na nikalnom katalizatoru na temperaturi koja doseže 800 stupnjeva.
- Vodik je nusprodukt u elektrolizi vodenih otopina kalijevih ili natrijevih klorida.
Kemijske interakcije: opće odredbe
Fizička svojstva vodika uvelike objašnjavaju njegovo ponašanje u reakcijskim procesima s jednim ili drugim spojem. Valencija vodika je 1, budući da se nalazi u prvoj skupini u periodnom sustavu, a stupanj oksidacije pokazuje drugačiji. U svim spojevima, osim u hidridima, vodik u s.o. = (1+), u molekulama kao što su XH, XH 2, XH 3 - (1-).
Molekula plinovitog vodika, nastala stvaranjem generaliziranog elektronskog para, sastoji se od dva atoma i energetski je prilično stabilna, zbog čega je u normalnim uvjetima donekle inertna i stupa u reakcije kada se normalni uvjeti promijene. Ovisno o stupnju oksidacije vodika u sastavu drugih tvari, može djelovati i kao oksidacijsko i redukcijsko sredstvo.
Tvari s kojima vodik reagira i nastaje
Interakcije elemenata za stvaranje složenih tvari (često na povišenim temperaturama):
- Alkalijski i zemnoalkalijski metal + vodik = hidrid.
- Halogen + H 2 = halogenovodik.
- Sumpor + vodik = sumporovodik.
- Kisik + H 2 = voda.
- Ugljik + vodik = metan.
- Dušik + H 2 = amonijak.
Interakcija sa složenim tvarima:
- Dobivanje sinteznog plina iz ugljičnog monoksida i vodika.
- Regeneracija metala iz njihovih oksida s H 2 .
- Zasićenost nezasićenih alifatskih ugljikovodika vodikom.
vodikova veza
Fizička svojstva vodika su takva da, kada se kombinira s elektronegativnim elementom, omogućuje stvaranje posebne vrste veze s istim atomom iz susjednih molekula koje 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 vodikovim vezama, koje su slabije od kovalentnih ili ionskih, ali zbog činjenice da ih ima mnogo, značajno utječu na svojstva tvari. U osnovi, vodikova veza je elektrostatska interakcija koja veže molekule vode u dimere i polimere, što dovodi do njezine visoke točke vrenja.
Vodik u sastavu mineralnih spojeva
Svi sadrže proton - kation atoma kao što je vodik. Tvar čiji kiselinski ostatak ima oksidacijsko stanje veće od (-1) naziva se polibazičnim spojem. Sadrži nekoliko atoma vodika, što disocijaciju u vodenim otopinama čini višestupanjskom. Svaki sljedeći proton se sve teže odvaja od ostatka kiseline. Prema kvantitativnom sadržaju vodika u mediju određuje se njegova kiselost.
Primjena u ljudskim djelatnostima
Cilindri s nekom tvari, kao i spremnici s drugim ukapljenim plinovima, poput kisika, imaju specifičan izgled. Obojeni su tamnozelenom bojom sa jarko crvenim natpisom "Hydrogen". Plin se upumpava u cilindar pod tlakom od oko 150 atmosfera. Fizička svojstva vodika, posebice lakoća plinovitog agregatnog stanja, koriste se za punjenje balona, balona itd. pomiješanih s helijem.
Vodik, čija su fizikalna i kemijska svojstva ljudi naučili koristiti prije mnogo godina, trenutno se koristi u mnogim industrijama. Najveći dio odlazi na proizvodnju amonijaka. Također, vodik je uključen (hafnij, germanij, galij, silicij, molibden, volfram, cirkonij i drugi) iz oksida, djelujući u reakciji kao redukcijski agens, cijanovodične i klorovodične kiseline, kao i umjetno tekuće gorivo. Prehrambena industrija ga koristi za pretvaranje biljnih ulja u čvrste masti.
Utvrdili smo kemijska svojstva i upotrebu vodika u različitim procesima hidrogenacije i hidrogenacije masti, ugljena, ugljikovodika, ulja i loživog ulja. Uz pomoć njega se proizvodi drago kamenje, žarulje sa žarnom niti, kovani i zavareni metalni proizvodi pod utjecajem plamena kisika i vodika.
Vodik je u drugoj polovici 18. stoljeća otkrio engleski znanstvenik na području fizike i kemije G. Cavendish. Uspio je izolirati tvar u čistom stanju, počeo ju je proučavati i opisao njezina svojstva.
Takva je povijest otkrića vodika. Tijekom pokusa, istraživač je utvrdio da je to zapaljivi plin, čijim izgaranjem u zraku nastaje voda. To je dovelo do određivanja kvalitativnog sastava vode.
Što je vodik
Vodik, kao jednostavnu tvar, prvi je proglasio francuski kemičar A. Lavoisier 1784. godine, jer je utvrdio da njegova molekula sadrži atome iste vrste.
Naziv kemijskog elementa na latinskom zvuči kao hidrogenij (čitaj "hidrogenij"), što znači "rađanje vode". Naziv se odnosi na reakciju izgaranja koja proizvodi vodu.
Karakterizacija vodika
Oznaka vodika N. Mendeleev dodijelio je ovom kemijskom elementu prvi serijski broj, stavljajući ga u glavnu podskupinu prve skupine i prvog razdoblja i uvjetno u glavnu podskupinu sedme skupine.
Atomska težina (atomska masa) vodika je 1,00797. Molekulska težina H 2 je 2 a. e. Molarna masa mu je brojčano jednaka.
Predstavljaju ga tri izotopa s posebnim nazivom: najčešći protij (H), teški deuterij (D) i radioaktivni tricij (T).
To je prvi element koji se može potpuno rastaviti na izotope na jednostavan način. Temelji se na velikoj razlici masa izotopa. Proces je prvi put proveden 1933. godine. To se objašnjava činjenicom da je tek 1932. godine otkriven izotop s masom 2.
Fizička svojstva
U normalnim uvjetima, jednostavna tvar vodik u obliku dvoatomnih molekula je plin, bez boje, koji nema okusa i mirisa. Slabo topljiv u vodi i drugim otapalima.
Temperatura kristalizacije - 259,2 o C, vrelište - 252,8 o C. Promjer molekula vodika toliko je malen da imaju sposobnost polagane difuzije kroz niz materijala (guma, staklo, metali). Ovo se svojstvo koristi kada je potrebno pročistiti vodik od plinovitih nečistoća. Na n. g. vodik ima gustoću 0,09 kg/m3.
Je li moguće pretvoriti vodik u metal po analogiji s elementima koji se nalaze u prvoj skupini? Znanstvenici su otkrili da vodik, u uvjetima kada se tlak približi 2 milijuna atmosfera, počinje apsorbirati infracrvene zrake, što ukazuje na polarizaciju molekula tvari. Možda će pri još višim tlakovima vodik postati metal.
Zanimljivo je: postoji pretpostavka da je na divovskim planetima, Jupiteru i Saturnu, vodik u obliku metala. Pretpostavlja se da je metalni čvrsti vodik također prisutan u sastavu zemljine jezgre, zbog ultravisokog tlaka koji stvara zemljin plašt.
Kemijska svojstva
I jednostavne i složene tvari stupaju u kemijsku interakciju s vodikom. Ali nisku aktivnost vodika potrebno je povećati stvaranjem odgovarajućih uvjeta - podizanjem temperature, korištenjem katalizatora itd.
Kada se zagrijavaju, jednostavne tvari kao što su kisik (O 2), klor (Cl 2), dušik (N 2), sumpor (S) reagiraju s vodikom.
Zapalite li čisti vodik na kraju plinske cijevi u zraku, gorjet će ravnomjerno, ali jedva primjetno. Ako se, međutim, izlazna cijev za plin postavi u atmosferu čistog kisika, tada će se izgaranje nastaviti uz stvaranje kapljica vode na stijenkama posude, kao rezultat reakcije:
Izgaranje vode prati oslobađanje velike količine topline. Ovo je egzotermna reakcija spoja u kojoj se vodik oksidira pomoću kisika da nastane oksid H 2 O. To je također redoks reakcija u kojoj se vodik oksidira, a kisik reducira.
Slično, reakcija s Cl 2 odvija se uz stvaranje klorovodika.
Interakcija dušika s vodikom zahtijeva visoku temperaturu i visoki tlak, kao i prisutnost katalizatora. Rezultat je amonijak.
Kao rezultat reakcije sa sumporom nastaje vodikov sulfid, čije prepoznavanje olakšava karakterističan miris pokvarenih jaja.
Oksidacijsko stanje vodika u ovim reakcijama je +1, au dolje opisanim hidridima je 1.
Prilikom reakcije s nekim metalima nastaju hidridi, na primjer, natrijev hidrid - NaH. Neki od ovih složenih spojeva koriste se kao gorivo za rakete, kao i u fuziji.
Vodik također reagira s tvarima iz kategorije kompleksa. Na primjer, s bakrovim (II) oksidom, formula CuO. Za izvođenje reakcije, bakreni vodik prolazi preko zagrijanog praškastog bakrovog (II) oksida. Tijekom interakcije reagens mijenja boju i postaje crveno-smeđi, a kapljice vode talože se na hladnim stijenkama epruvete.
Tijekom reakcije vodik se oksidira u vodu, a bakar se reducira iz oksida u jednostavnu tvar (Cu).
Područja upotrebe
Vodik je od velike važnosti za ljude i koristi se u raznim područjima:
- U kemijskoj industriji to su sirovine, u ostalim industrijama gorivo. Nemojte bez vodika i poduzeća petrokemije i rafiniranja nafte.
- U elektroprivredi ova jednostavna tvar djeluje kao rashladno sredstvo.
- U crnoj i obojenoj metalurgiji vodik ima ulogu redukcijskog sredstva.
- Uz tu pomoć stvara se inertno okruženje prilikom pakiranja proizvoda.
- Farmaceutska industrija koristi vodik kao reagens u proizvodnji vodikovog peroksida.
- Meteorološke sonde su napunjene ovim lakim plinom.
- Ovaj element je također poznat kao redukcijsko sredstvo za gorivo za raketne motore.
Znanstvenici jednoglasno predviđaju da će vodikovo gorivo biti vodeće u energetskom sektoru.
Prijem u industriji
U industriji se vodik proizvodi elektrolizom, koja se podvrgava kloridima ili hidroksidima alkalijskih metala otopljenih u vodi. Također je moguće dobiti vodik na ovaj način izravno iz vode.
U tu svrhu koristi se pretvorba koksa ili metana vodenom parom. Razgradnjom metana na povišenoj temperaturi također nastaje vodik. Ukapljivanje koksnog plina frakcijskom metodom također se koristi za industrijsku proizvodnju vodika.
Dobivanje u laboratoriju
U laboratoriju se za proizvodnju vodika koristi Kippov aparat.
Klorovodična ili sumporna kiselina i cink djeluju kao reagensi. Kao rezultat reakcije nastaje vodik.
Pronalaženje vodika u prirodi
Vodik je najčešći element u svemiru. Većina zvijezda, uključujući Sunce i druga kozmička tijela je vodik.
U zemljinoj kori ga ima svega 0,15%. Ima ga u mnogim mineralima, u svim organskim tvarima, kao i u vodi koja prekriva 3/4 površine našeg planeta.
U gornjoj atmosferi mogu se pronaći tragovi čistog vodika. Također se nalazi u nizu zapaljivih prirodnih plinova.
Plinoviti vodik je najtanji, a tekući vodik najgušća tvar na našem planetu. Uz pomoć hidrogena možete promijeniti boju glasa, ako ga udišete, i govoriti dok izdišete.
Najjača hidrogenska bomba temelji se na cijepanju najlakšeg atoma.
Atom vodika ima elektronsku formulu vanjske (i jedine) elektronske razine 1 s jedan . S jedne strane, zbog prisutnosti jednog elektrona u vanjskoj elektronskoj razini, atom vodika je sličan atomima alkalijskih metala. Međutim, kao i halogenima, nedostaje mu samo jedan elektron za popunjavanje vanjske elektroničke razine, budući da se na prvoj elektroničkoj razini ne mogu nalaziti više od 2 elektrona. Ispostavilo se da se vodik može smjestiti istovremeno i u prvu i u pretposljednju (sedmu) skupinu periodnog sustava, što se ponekad čini u različitim verzijama periodnog sustava:
S gledišta svojstava vodika kao jednostavne tvari, on ipak ima više zajedničkog s halogenima. Vodik je, kao i halogeni, nemetal i slično njima gradi dvoatomne molekule (H 2 ).
U normalnim uvjetima, vodik je plinovita, neaktivna tvar. Niska aktivnost vodika objašnjava se velikom čvrstoćom veze između vodikovih atoma u molekuli, koja zahtijeva ili jako zagrijavanje ili upotrebu katalizatora, ili oboje u isto vrijeme, da bi se razbila.
Međudjelovanje vodika s jednostavnim tvarima
s metalima
Od metala, vodik reagira samo sa alkalijama i zemnoalkalijama! Alkalijski metali uključuju metale glavne podskupine I. skupine (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), a zemnoalkalijski metali su metali glavne podskupine II. skupine, osim berilija i magnezija (Ca, Sr, Ba , Ra)
U interakciji s aktivnim metalima, vodik pokazuje oksidacijska svojstva, tj. smanjuje njegovo oksidacijsko stanje. U tom slučaju nastaju hidridi alkalnih i zemnoalkalijskih metala koji imaju ionsku strukturu. Reakcija se odvija zagrijavanjem:
Treba napomenuti da je interakcija s aktivnim metalima jedini slučaj kada je molekularni vodik H2 oksidacijsko sredstvo.
s nemetalima
Od nemetala, vodik reagira samo s ugljikom, dušikom, kisikom, sumporom, selenom i halogenima!
Ugljik treba shvatiti kao grafit ili amorfni ugljik, budući da je dijamant izrazito inertna alotropska modifikacija ugljika.
U interakciji s nemetalima, vodik može obavljati samo funkciju redukcijskog sredstva, odnosno može samo povećati svoje oksidacijsko stanje:
Međudjelovanje vodika sa složenim tvarima
s metalnim oksidima
Vodik ne reagira s metalnim oksidima koji su u nizu aktivnosti metala do aluminija (uključujući), međutim, može reducirati mnoge metalne okside desno od aluminija kada se zagrije:
s oksidima nemetala
Od oksida nemetala, vodik reagira zagrijavanjem s oksidima dušika, halogena i ugljika. Od svih interakcija vodika s oksidima nemetala posebno treba istaknuti njegovu reakciju s ugljikovim monoksidom CO.
Smjesa CO i H 2 ima čak i svoje ime - "sintetski plin", jer se iz nje, ovisno o uvjetima, mogu dobiti tako traženi industrijski proizvodi kao što su metanol, formaldehid, pa čak i sintetski ugljikovodici:
s kiselinama
Vodik ne reagira s anorganskim kiselinama!
Od organskih kiselina, vodik reagira samo s nezasićenim kiselinama, kao i s kiselinama koje sadrže funkcionalne skupine koje se mogu reducirati vodikom, posebice aldehidne, keto ili nitro skupine.
sa solima
U slučaju vodenih otopina soli ne dolazi do njihove interakcije s vodikom. Međutim, kada vodik prolazi preko čvrstih soli nekih metala srednje i niske aktivnosti, moguća je njihova djelomična ili potpuna redukcija, na primjer:
Kemijska svojstva halogena
Halogeni su kemijski elementi VIIA skupine (F, Cl, Br, I, At), kao i jednostavne tvari koje oni tvore. U nastavku, osim ako nije drugačije navedeno, halogeni će se shvatiti kao jednostavne tvari.
Svi halogeni imaju molekularnu strukturu, što dovodi do niskih tališta i vrelišta ovih tvari. Molekule halogena su dvoatomne, tj. njihova se formula može u općem obliku napisati kao Hal 2 .
Treba napomenuti takvo specifično fizičko svojstvo joda kao što je njegova sposobnost da sublimacija ili, drugim riječima, sublimacija. sublimacija, nazivaju pojavu u kojoj se tvar u krutom stanju ne topi zagrijavanjem, već, zaobilazeći tekuću fazu, odmah prelazi u plinovito stanje.
Elektronska struktura vanjske energetske razine atoma bilo kojeg halogena ima oblik ns 2 np 5, gdje je n broj perioda periodnog sustava u kojem se nalazi halogen. Kao što vidite, samo jedan elektron nedostaje u vanjskoj ljusci od osam elektrona atoma halogena. Iz ovoga je logično pretpostaviti pretežno oksidacijska svojstva slobodnih halogena, što se i u praksi potvrđuje. Kao što znate, elektronegativnost nemetala se smanjuje kada se kreće niz podskupinu, pa se stoga aktivnost halogena smanjuje u nizu:
F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2
Interakcija halogena s jednostavnim tvarima
Svi halogeni su vrlo 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 tvari uključuju kisik, ugljik (dijamant), dušik, platinu, zlato i neke plemenite plinove (ksenon i kripton). Oni. zapravo, fluor ne reagira samo s nekim plemenitim plinovima.
Preostali halogeni, tj. klor, brom i jod također su aktivne tvari, ali manje aktivne od fluora. Reagiraju s gotovo svim jednostavnim tvarima osim s kisikom, dušikom, ugljikom u obliku dijamanta, platinom, zlatom i plemenitim plinovima.
Interakcija halogena s nemetalima
vodik
Svi halogeni reagiraju s vodikom i nastaju vodikovi halogenidi s općom formulom HHal. Istodobno, reakcija fluora s vodikom počinje spontano čak iu mraku i odvija se eksplozijom u skladu s jednadžbom:
Reakcija klora s vodikom može se pokrenuti intenzivnim ultraljubičastim zračenjem ili zagrijavanjem. Također curi s eksplozijom:
Brom i jod reagiraju s vodikom samo pri zagrijavanju, au isto vrijeme reakcija s jodom je reverzibilna:
fosfor
Interakcija fluora s fosforom dovodi do oksidacije fosfora do najvišeg oksidacijskog stupnja (+5). U ovom slučaju dolazi do stvaranja fosfornog pentafluorida:
Kada klor i brom stupaju u interakciju s fosforom, moguće je dobiti fosforove halogenide i u oksidacijskom stanju + 3 i u oksidacijskom stanju + 5, što ovisi o udjelima reaktanata:
U slučaju bijelog fosfora u atmosferi fluora, klora ili tekućeg broma, reakcija počinje spontano.
Interakcija fosfora s jodom može dovesti do stvaranja samo fosfor trijodida zbog znatno manje oksidacijske sposobnosti od ostalih halogena:
siva
Fluor oksidira sumpor do najvišeg oksidacijskog stupnja +6, stvarajući sumporni heksafluorid:
Klor i brom reagiraju sa sumporom, tvoreći spojeve koji sadrže sumpor u oksidacijskim stanjima koja su za njega vrlo neuobičajena +1 i +2. Te su interakcije vrlo specifične, a za polaganje ispita iz kemije nije potrebna sposobnost pisanja jednadžbi tih interakcija. Stoga su sljedeće tri jednadžbe dane radije kao smjernica:
Interakcija halogena s metalima
Kao što je gore spomenuto, fluor može reagirati sa svim metalima, čak i s neaktivnim kao što su platina i zlato:
Preostali halogeni reagiraju sa svim metalima osim platine i zlata:
Reakcije halogena sa složenim tvarima
Reakcije supstitucije s halogenima
Aktivniji halogeni, tj. čiji se kemijski elementi nalaze više u periodnom sustavu, mogu istisnuti manje aktivne halogene iz halogenovodičnih kiselina i metalnih halogenida koje tvore:
Slično, brom i jod istiskuju sumpor iz otopina sulfida i/ili sumporovodika:
Klor je jače oksidacijsko sredstvo i oksidira vodikov sulfid u svojoj vodenoj otopini ne u sumpor, već u sumpornu kiselinu:
Interakcija halogena s vodom
Voda gori u fluoru plavim plamenom u skladu s reakcijskom jednadžbom:
Brom i klor drugačije reagiraju s vodom nego fluor. Ako je fluor djelovao kao oksidacijsko sredstvo, tada klor i brom u vodi nesrazmjerno stvaraju smjesu kiselina. U ovom slučaju, reakcije su reverzibilne:
Interakcija joda s vodom odvija se u tako neznatnom stupnju da se može zanemariti i smatrati da se reakcija uopće ne odvija.
Interakcija halogena s otopinama alkalija
Fluor, u interakciji s vodenom otopinom lužine, ponovno djeluje kao oksidacijsko sredstvo:
Sposobnost pisanja ove jednadžbe 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 u otopinama lužina disproporcioniraju, odnosno istodobno povećavaju i smanjuju svoj oksidacijski stupanj. Istodobno, kod klora i broma, ovisno o temperaturi, moguće je strujanje u dva različita smjera. Konkretno, na hladnoći, reakcije se odvijaju na sljedeći način:
a kada se zagrije:
Jod reagira s alkalijama isključivo prema drugoj opciji, tj. uz nastanak jodata, jer hipojodit je nestabilan ne samo kada se zagrijava, već i na običnim temperaturama, pa čak i na hladnoći.
DEFINICIJA
Vodik- prvi element periodnog sustava kemijskih elemenata D.I. Mendeljejev. Simbol je N.
Atomska masa - 1 a.m.u. Molekula vodika je dvoatomna - H 2.
Elektronska konfiguracija atoma vodika je 1s 1. Vodik pripada obitelji s-elemenata. U svojim spojevima pokazuje oksidacijska stanja -1, 0, +1. Prirodni vodik sastoji se od dva stabilna izotopa - protija 1 H (99,98%) i deuterija 2 H (D) (0,015%) - i radioaktivnog izotopa tricija 3 H (T) (količine u tragovima, vrijeme poluraspada - 12,5 godina).
Kemijska svojstva vodika
U normalnim uvjetima, molekularni vodik pokazuje relativno nisku reaktivnost, što se objašnjava velikom snagom veze u molekuli. Kada se zagrijava, stupa u interakciju s gotovo svim jednostavnim tvarima koje tvore elementi glavnih podskupina (osim plemenitih plinova, B, Si, P, Al). U kemijskim reakcijama može djelovati i kao redukcijsko sredstvo (češće) i kao oksidacijsko sredstvo (rjeđe).
Vodik se manifestira svojstva redukcijskog sredstva(H 2 0 -2e → 2H +) u sljedećim reakcijama:
1. Reakcije međudjelovanja s jednostavnim tvarima – nemetalima. Vodik reagira s halogenima, štoviše, reakcija interakcije s fluorom u normalnim uvjetima, u mraku, uz eksploziju, s klorom - pod osvjetljenjem (ili UV zračenjem) lančanim mehanizmom, s bromom i jodom samo kada se zagriju; kisik(smjesa kisika i vodika u volumnom omjeru 2:1 naziva se "eksplozivni plin"), siva, dušik i ugljik:
H2 + Hal2 \u003d 2HHal;
2H2 + O2 \u003d 2H20 + Q (t);
H2 + S \u003d H2S (t \u003d 150 - 300C);
3H2 + N2 ↔ 2NH3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);
2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat).
2. Reakcije međudjelovanja sa složenim tvarima. Vodik reagira s oksidima nisko aktivnih metala, i može reducirati samo metale koji su u nizu aktivnosti desno od cinka:
CuO + H2 \u003d Cu + H2O (t);
Fe203 + 3H2 \u003d 2Fe + 3H20 (t);
WO3 + 3H2 \u003d W + 3H20 (t).
Vodik reagira s oksidima nemetala:
H2 + CO2 ↔ CO + H2O (t);
2H 2 + CO ↔ CH 3 OH (t = 300 C, p = 250 - 300 atm., kat = ZnO, Cr 2 O 3).
Vodik ulazi u reakcije hidrogeniranja s organskim spojevima klase cikloalkana, alkena, arena, aldehida i ketona itd. Sve ove reakcije odvijaju se pod zagrijavanjem, pod tlakom, platina ili nikal se koriste kao katalizatori:
CH2 \u003d CH2 + H2 ↔ CH3-CH3;
C6H6 + 3H2 ↔ C6H12;
C3H6 + H2 ↔ C3H8;
CH3CHO + H2 ↔ CH3-CH2-OH;
CH 3 -CO-CH 3 + H 2 ↔ CH 3 -CH (OH) -CH 3.
Vodik kao oksidacijsko sredstvo(H 2 + 2e → 2H -) djeluje u reakcijama s alkalijskim i zemnoalkalijskim metalima. U tom slučaju nastaju hidridi - kristalni ionski spojevi u kojima vodik ima oksidacijsko stanje -1.
2Na + H 2 ↔ 2NaH (t, p).
Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).
Fizikalna svojstva vodika
Vodik je lagani bezbojni plin, bez mirisa, gustoće na n.o. - 0,09 g / l, 14,5 puta lakši od zraka, t bale = -252,8C, t pl = - 259,2C. Vodik je slabo topljiv u vodi i organskim otapalima, dobro je topiv u nekim metalima: niklu, paladiju, platini.
Prema suvremenoj kozmokemiji, vodik je najzastupljeniji element u svemiru. Glavni oblik postojanja vodika u svemiru su pojedinačni atomi. Vodik je deveti najzastupljeniji element na Zemlji. Glavna količina vodika na Zemlji je u vezanom stanju - u sastavu vode, nafte, prirodnog plina, ugljena itd. U obliku jednostavne tvari, vodik se rijetko nalazi - u sastavu vulkanskih plinova.
Dobivanje vodika
Postoje laboratorijske i industrijske metode za proizvodnju vodika. Laboratorijske metode uključuju interakciju metala s kiselinama (1), kao i interakciju aluminija s vodenim otopinama lužina (2). Među industrijskim metodama za proizvodnju vodika važnu ulogu ima elektroliza vodenih otopina lužina i soli (3) i konverzija metana (4):
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 (1);
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na +3H2 (2);
2NaCl + 2H2O = H2 + Cl2 + 2NaOH (3);
CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).
Primjeri rješavanja problema
PRIMJER 1
| Vježbajte | Prilikom interakcije 23,8 g metalnog kositra s viškom klorovodične kiseline, oslobodio se vodik, u količini dovoljnoj da se dobije 12,8 g metalnog bakra.Odredite oksidacijsko stanje kositra u nastalom spoju. |
| Riješenje | Na temelju elektronske strukture atoma kositra (...5s 2 5p 2) možemo zaključiti da kositar karakteriziraju dva oksidacijska stanja - +2, +4. Na temelju toga sastaviti ćemo jednadžbe mogućih reakcija: Sn + 2HCl = H2 + SnCl2 (1); Sn + 4HCl = 2H2 + SnCl4 (2); CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O (3). Odredite količinu bakrene tvari: v (Cu) \u003d m (Cu) / M (Cu) \u003d 12,8 / 64 \u003d 0,2 mol. Prema jednadžbi 3, količina vodikove tvari: v (H 2) \u003d v (Cu) \u003d 0,2 mol. Znajući masu kositra, nalazimo njegovu količinu tvari: v (Sn) \u003d m (Sn) / M (Sn) \u003d 23,8 / 119 \u003d 0,2 mol. Usporedimo količine tvari kositra i vodika prema jednadžbama 1 i 2 i prema uvjetu zadatka: vl (Sn): vl (H2) = 1:1 (jednadžba 1); v2 (Sn): v2 (H2) = 1:2 (jednadžba 2); v(Sn): v(H 2) = 0,2:0,2 = 1:1 (stanje problema). Stoga kositar reagira s klorovodičnom kiselinom prema jednadžbi 1 i oksidacijsko stanje kositra je +2. |
| Odgovor | Oksidacijsko stanje kositra je +2. |
PRIMJER 2
| Vježbajte | Plin koji se oslobađa djelovanjem 2,0 g cinka na 18,7 ml 14,6%-tne klorovodične kiseline (gustoća otopine 1,07 g/ml) propušten je zagrijavanjem preko 4,0 g bakrova (II) oksida. Kolika je masa nastale čvrste smjese? |
| Riješenje | Kada cink reagira s klorovodičnom kiselinom, oslobađa se vodik: Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H 2 (1), koji zagrijavanjem reducira bakrov (II) oksid u bakar (2): CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O. Odredite 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) \u003d 2,92 / 36,5 \u003d 0,08 mol; v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 mol. Nedostaje cink, pa je količina oslobođenog vodika: v (H 2) \u003d v (Zn) \u003d 0,031 mol. U drugoj reakciji vodik je manjkav jer: v (CuO) \u003d 4,0 / 80 \u003d 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 krute smjese CuO s Cu nakon prolaska vodika bit će: 4,0-0,5 = 3,5 g |
| Odgovor | Masa čvrste smjese CuO i Cu je 3,5 g. |
