Vesiniku keemilised omadused. Vesiniku tähtsus looduses

Sellel on perioodilisuse tabelis oma konkreetne positsioon, mis peegeldab selle omadusi ja räägib selle elektroonilisest struktuurist. Kuid kõigi nende hulgas on üks eriline aatom, mis hõivab korraga kaks rakku. See paikneb kahes elementide rühmas, mis on oma omadustelt täiesti vastandlikud. See on vesinik. Sellised omadused muudavad selle ainulaadseks.

Vesinik pole mitte ainult element, vaid ka lihtne aine, aga ka paljude keerukate ühendite lahutamatu osa, biogeenne ja organogeenne element. Seetõttu kaalume selle omadusi ja omadusi üksikasjalikumalt.

Vesinik kui keemiline element

Vesinik on põhialarühma esimese rühma element, samuti esimesel alarühma seitsmenda rühma element. See periood koosneb ainult kahest aatomist: heeliumist ja elemendist, mida me käsitleme. Kirjeldame vesiniku positsiooni põhijooni perioodilisustabelis.

Vesiniku aatomarv on 1, elektronide arv on sama ja vastavalt prootonite arv on sama. Aatommass - 1,00795. Sellel elemendil on kolm isotoopi massinumbritega 1, 2, 3. Kuid igaühe omadused on väga erinevad, kuna vesiniku massi suurenemine isegi ühe võrra on kohe kahekordne.
Asjaolu, et selle välispinnal on ainult üks elektron, võimaldab sellel edukalt näidata nii oksüdeerivaid kui ka redutseerivaid omadusi. Lisaks jääb see pärast elektroni loovutamist vabale orbitaalile, mis osaleb keemiliste sidemete moodustamises vastavalt doonor-aktseptormehhanismile.
Vesinik on tugev redutseerija. Seetõttu peetakse selle peamiseks kohaks põhialarühma esimest rühma, kus see juhib kõige aktiivsemaid metalle - leelist.
Kuid koostoimel tugevate redutseerivate ainetega, näiteks metallidega, võib see olla ka oksüdeeriv aine, mis võtab vastu elektroni. Neid ühendeid nimetatakse hüdriidideks. Selle funktsiooni järgi juhib see halogeenide alarühma, millega see sarnaneb.
Väga väikese aatommassi tõttu peetakse vesinikku kõige kergemaks elemendiks. Lisaks on selle tihedus ka väga madal, seega on see ka kerguse etalon.

Seega on ilmne, et vesinikuaatom on erinevalt kõigist teistest elementidest täiesti ainulaadne element. Sellest tulenevalt on ka selle omadused erilised ning tekkivad lihtsad ja keerulised ained on väga olulised. Vaatleme neid lähemalt.

Lihtne aine

Kui me räägime sellest elemendist kui molekulist, siis peame ütlema, et see on kaheaatomiline. See tähendab, et vesinik (lihtne aine) on gaas. Selle empiiriline valem kirjutatakse kui H2 ja selle graafiline valem kirjutatakse ühe sigma H-H suhte kaudu. Aatomitevahelise sideme moodustumise mehhanism on kovalentne mittepolaarne.

Auru metaani reformimine.
Söe gaasistamine – protsess hõlmab kivisöe kuumutamist temperatuurini 1000 0 C, mille tulemusena moodustub vesinik ja suure süsinikusisaldusega kivisüsi.
Elektrolüüs. Seda meetodit saab kasutada ainult erinevate soolade vesilahuste jaoks, kuna sulandid ei põhjusta katoodil vee tühjenemist.

Laboratoorsed meetodid vesiniku tootmiseks:

Metallhüdriidide hüdrolüüs.
Lahjendatud hapete mõju aktiivsetele metallidele ja keskmisele aktiivsusele.
Leelis- ja leelismuldmetallide koostoime veega.

Toodetud vesiniku kogumiseks peate katseklaasi tagurpidi hoidma. Seda gaasi ei saa ju kokku koguda nii nagu näiteks süsihappegaasi. See on vesinik, see on õhust palju kergem. See aurustub kiiresti ja suurtes kogustes õhuga segades plahvatab. Seetõttu tuleks katseklaas ümber pöörata. Pärast selle täitmist tuleb see sulgeda kummikorgiga.

Kogutud vesiniku puhtuse kontrollimiseks tuleks kaela tuua süüdatud tikk. Kui plaks on tuhm ja vaikne, tähendab see, et gaas on puhas ja õhusaaste on minimaalselt. Kui see on vali ja vilistab, on see määrdunud, suure osa võõrkomponentidega.

Kasutusvaldkonnad

Vesiniku põletamisel eraldub nii palju energiat (soojust), et seda gaasi peetakse kõige tulusamaks kütuseks. Lisaks on see keskkonnasõbralik. Kuid siiani on selle rakendamine selles valdkonnas piiratud. Põhjuseks on läbimõtlemata ja lahendamata probleemid puhta vesiniku sünteesimisel, mis sobiks kütusena kasutamiseks reaktorites, mootorites ja kaasaskantavates seadmetes, aga ka elamute küttekateldes.

Lõppude lõpuks on selle gaasi tootmise meetodid üsna kallid, seega on kõigepealt vaja välja töötada spetsiaalne sünteesimeetod. Selline, mis võimaldab teil hankida toodet suurtes kogustes ja minimaalsete kuludega.

Vaadeldavat gaasi kasutatakse mitmes põhivaldkonnas.

Keemilised sünteesid. Hüdrogeenimist kasutatakse seepide, margariinide ja plastide tootmiseks. Vesiniku osalusel sünteesitakse metanooli ja ammoniaaki, aga ka muid ühendeid.
Toiduainetööstuses - lisandina E949.
Lennutööstus (raketiteadus, lennukite tootmine).
Elektrienergia tööstus.
Meteoroloogia.
Keskkonnasõbralik kütus.

Ilmselgelt on vesinik sama oluline kui looduses rohkesti. Erinevad ühendid, mida see moodustab, mängivad veelgi suuremat rolli.

Vesinikühendid

Need on keerulised ained, mis sisaldavad vesinikuaatomeid. Selliseid aineid on mitu peamist tüüpi.

Vesinikhalogeniidid. Üldvalem on HHal. Nende hulgas on eriti oluline vesinikkloriid. See on gaas, mis lahustub vees, moodustades vesinikkloriidhappe lahuse. Seda hapet kasutatakse laialdaselt peaaegu kõigis keemilistes sünteesides. Pealegi nii orgaaniline kui ka anorgaaniline. Vesinikkloriid on ühend empiirilise valemiga HCL ja on üks suurimaid meie riigis aastas toodetud. Vesinikhalogeniidide hulka kuuluvad ka vesinikjodiid, vesinikfluoriid ja vesinikbromiid. Kõik need moodustavad vastavad happed.
Lenduv Peaaegu kõik need on üsna mürgised gaasid. Näiteks vesiniksulfiid, metaan, silaan, fosfiin ja teised. Samal ajal on need väga tuleohtlikud.
Hüdriidid on ühendid metallidega. Need kuuluvad soolade klassi.
Hüdroksiidid: alused, happed ja amfoteersed ühendid. Need sisaldavad tingimata vesinikuaatomeid, ühte või mitut. Näide: NaOH, K 2, H 2 SO 4 ja teised.
Vesinikhüdroksiid. Seda ühendit tuntakse paremini kui vett. Teine nimi on vesinikoksiid. Empiiriline valem näeb välja selline - H2O.
Vesinikperoksiid. See on tugev oksüdeerija, mille valem on H 2 O 2.
Arvukad orgaanilised ühendid: süsivesinikud, valgud, rasvad, lipiidid, vitamiinid, hormoonid, eeterlikud õlid ja teised.

On ilmne, et vaadeldava elemendi ühendite valik on väga suur. See kinnitab veel kord selle suurt tähtsust loodusele ja inimestele, aga ka kõigile elusolenditele.

- see on parim lahusti

Nagu eespool mainitud, on selle aine üldnimetus vesi. Koosneb kahest vesinikuaatomist ja ühest hapnikuaatomist, mis on omavahel ühendatud kovalentsete polaarsete sidemetega. Veemolekul on dipool, mis seletab paljusid selle omadusi. Eelkõige on see universaalne lahusti.

Peaaegu kõik keemilised protsessid toimuvad veekeskkonnas. Vesinikoksiidi abil viiakse läbi ka elusorganismide plastilise ja energia metabolismi sisereaktsioonid.

Vett peetakse õigustatult planeedi kõige olulisemaks aineks. On teada, et ükski elusorganism ei saa ilma selleta elada. Maal võib see eksisteerida kolmes agregatsiooniseisundis:

vedelik;
gaas (aur);
tahke (jää).

Sõltuvalt molekulis sisalduvast vesiniku isotoobist eristatakse kolme tüüpi vett.

Kerge või prootium. Isotoop massiarvuga 1. Valem – H 2 O. See on tavaline vorm, mida kõik organismid kasutavad.
Deuteerium või raske, selle valem on D 2 O. Sisaldab isotoopi 2 H.
Üliraske või triitium. Valem näeb välja nagu T 3 O, isotoop - 3 H.

Maakera mageveevarud on väga olulised. Paljudes riikides on sellest juba puudus. Töötatakse välja meetodeid soolase vee töötlemiseks joogivee saamiseks.

Vesinikperoksiid on universaalne vahend

See ühend, nagu eespool mainitud, on suurepärane oksüdeerija. Tugevate esindajatega saab ta aga käituda ka restauraatorina. Lisaks on sellel väljendunud bakteritsiidne toime.

Selle ühendi teine nimi on peroksiid. Just sellisel kujul kasutatakse seda meditsiinis. Kõnealuse ühendi kristalse hüdraadi 3% lahus on meditsiiniline ravim, mida kasutatakse väikeste haavade raviks nende desinfitseerimiseks. Siiski on tõestatud, et see pikendab haava paranemisaega.

Vesinikperoksiidi kasutatakse ka raketikütuses, tööstuses desinfitseerimiseks ja pleegitamiseks ning vahuainena sobivate materjalide (näiteks vaht) tootmisel. Lisaks aitab peroksiid puhastada akvaariume, pleegitada juukseid ja valgendada hambaid. Kuid see kahjustab kudesid, seetõttu ei soovita spetsialistid seda nendel eesmärkidel kasutada.

Nimetus - H (vesinik);
Ladinakeelne nimetus - Hydrogenium;
Periood - I;
rühm - 1 (Ia);
Aatommass - 1,00794;
Aatomarv - 1;
Aatomi raadius = 53 pm;
kovalentne raadius = 32 pm;
Elektronide jaotus - 1s 1;
sulamistemperatuur = -259,14 °C;
keemistemperatuur = -252,87 °C;
Elektronegatiivsus (Paulingi järgi/Alredi ja Rochowi järgi) = 2,02/-;
Oksüdatsiooniaste: +1; 0; -1;
Tihedus (nr) = 0,0000899 g/cm3;
Molaarmaht = 14,1 cm 3 /mol.

Vesiniku binaarsed ühendid hapnikuga:

Vesiniku (“vee sünnitamine”) avastas inglise teadlane G. Cavendish 1766. aastal. Tegemist on kõige lihtsama elemendiga looduses – vesinikuaatomil on tuum ja üks elektron, ilmselt seetõttu on vesinik Universumis kõige levinum element (moodustab enam kui poole enamiku tähtede massist).

Vesiniku kohta võime öelda, et "pool on väike, kuid kallis." Hoolimata oma "lihtsusest" annab vesinik energiat kõigile Maal elavatele olenditele – Päikesel toimub pidev termotuumareaktsioon, mille käigus moodustub neljast vesinikuaatomist üks heeliumiaatom, millega kaasneb kolossaalse koguse energia vabanemine. (lisateabe saamiseks vt Tuumasünteesi).

Maakoores on vesiniku massiosa vaid 0,15%. Samal ajal sisaldab valdav enamus (95%) kõigist Maal teadaolevatest keemilistest ainetest ühte või mitut vesinikuaatomit.

Mittemetallidega ühendites (HCl, H 2 O, CH 4 ...) loovutab vesinik oma ainsa elektroni rohkematele elektronegatiivsetele elementidele, mille oksüdatsiooniaste on +1 (sagedamini), moodustades ainult kovalentseid sidemeid (vt Kovalentne). võlakiri).

Metallidega ühendites (NaH, CaH 2 ...) võtab vesinik vastupidi oma ainsasse s-orbitaali teise elektroni, püüdes seega oma elektroonilist kihti täiendada, oksüdatsiooniaste on -1 (harvemini), moodustades sageli ioonse sideme (vt Ioonside), sest vesinikuaatomi ja metalliaatomi elektronegatiivsuse erinevus võib olla päris suur.

H 2

Gaasilises olekus eksisteerib vesinik kaheaatomiliste molekulide kujul, moodustades mittepolaarse kovalentse sideme.

Vesiniku molekulidel on:

suur liikuvus;
suur tugevus;
madal polariseeritavus;
väike suurus ja kaal.

Gaasilise vesiniku omadused:

looduses kõige kergem gaas, värvitu ja lõhnatu;
vees ja orgaanilistes lahustites halvasti lahustuv;
lahustub väikestes kogustes vedelates ja tahketes metallides (eriti plaatina ja pallaadiumiga);
raskesti vedeldatav (väheda polariseeritavuse tõttu);
on kõigist teadaolevatest gaasidest kõrgeima soojusjuhtivusega;
kuumutamisel reageerib see paljude mittemetallidega, avaldades redutseeriva aine omadusi;
toatemperatuuril reageerib fluoriga (toimub plahvatus): H 2 + F 2 = 2HF;
reageerib metallidega, moodustades hüdriide, millel on oksüdeerivad omadused: H 2 + Ca = CaH 2 ;

Ühendites avaldab vesinik redutseerivaid omadusi palju tugevamini kui oksüdeerivaid omadusi. Vesinik on kivisöe, alumiiniumi ja kaltsiumi järel võimsaim redutseerija. Vesiniku redutseerivaid omadusi kasutatakse laialdaselt tööstuses metallide ja mittemetallide (lihtainete) saamiseks oksiididest ja galliididest.

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O

Vesiniku reaktsioonid lihtainetega

Vesinik võtab elektroni vastu, mängides rolli redutseerija, reaktsioonides:

Koos hapnikku(süütamisel või katalüsaatori juuresolekul) tekib vahekorras 2:1 (vesinik:hapnik) plahvatusohtlik detoneeriv gaas: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
Koos hall(kuumutamisel temperatuurini 150–300 °C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
Koos kloor(süttimisel või UV-kiirtega kiiritamisel): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
Koos fluor: H20 +F2 = 2H +1 F
Koos lämmastik(kuumutamisel katalüsaatorite juuresolekul või kõrgel rõhul): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

Vesinik loovutab elektroni, mängides rolli oksüdeeriv aine, reaktsioonides aluseline Ja leelismuld metallid koos metallihüdriidide moodustumisega - soolataolised ioonühendid, mis sisaldavad hüdriidiioone H - need on ebastabiilsed valged kristalsed ained.

Ca+H2 = CaH2-1 2Na+H20 = 2NaH-1

Vesiniku oksüdatsiooniaste ei ole tüüpiline -1. Veega reageerimisel hüdriidid lagunevad, redutseerides vee vesinikuks. Kaltsiumhüdriidi reaktsioon veega on järgmine:

CaH2-1 +2H2+10 = 2H20 +Ca(OH)2

Vesiniku reaktsioonid keeruliste ainetega

kõrgel temperatuuril redutseerib vesinik paljusid metallioksiide: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
metüülalkohol saadakse vesiniku reageerimisel süsinikmonooksiidiga (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
Hüdrogeenimisreaktsioonides reageerib vesinik paljude orgaaniliste ainetega.

Vesiniku ja selle ühendite keemiliste reaktsioonide võrrandeid käsitletakse üksikasjalikumalt lehel "Vesinik ja selle ühendid - vesinikku hõlmavate keemiliste reaktsioonide võrrandid".

Vesiniku rakendused

tuumaenergeetikas kasutatakse vesiniku isotoope - deuteeriumi ja triitiumi;
keemiatööstuses kasutatakse vesinikku paljude orgaaniliste ainete, ammoniaagi, vesinikkloriidi sünteesiks;
toiduainetööstuses kasutatakse vesinikku tahkete rasvade tootmisel taimeõlide hüdrogeenimise teel;
metallide keevitamiseks ja lõikamiseks kasutatakse vesiniku kõrget põlemistemperatuuri hapnikus (2600°C);
osade metallide tootmisel kasutatakse redutseerijana vesinikku (vt eespool);
kuna vesinik on kerge gaas, kasutatakse seda aeronautikas õhupallide, aerostaatide ja õhulaevade täiteainena;
Süsinikoksiidiga segatud kütusena kasutatakse vesinikku.

Viimasel ajal on teadlased pööranud palju tähelepanu alternatiivsete taastuvenergia allikate otsimisele. Üheks perspektiivikaks valdkonnaks on “vesiniku” energia, milles kütusena kasutatakse vesinikku, mille põlemissaaduseks on tavaline vesi.

Vesiniku tootmise meetodid

Tööstuslikud meetodid vesiniku tootmiseks:

metaani muundamine (veeauru katalüütiline redutseerimine) veeauruga kõrgel temperatuuril (800°C) nikkelkatalüsaatoril: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2;
süsinikmonooksiidi muundamine veeauruga (t=500°C) Fe 2 O 3 katalüsaatoril: CO + H 2 O = CO 2 + H 2;
metaani termiline lagunemine: CH 4 = C + 2H 2;
tahkete kütuste gaasistamine (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
vee elektrolüüs (väga kallis meetod, mis toodab väga puhast vesinikku): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Laboratoorsed meetodid vesiniku tootmiseks:

mõju metallidele (tavaliselt tsink) vesinikkloriid- või lahjendatud väävelhappega: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2;
veeauru vastastikmõju kuumade rauatükkidega: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

Vesiniku keemiliste ja füüsikaliste omadustega arvestama hakates tuleb märkida, et tavapärases olekus on see keemiline element gaasilises vormis. Värvitu vesinikgaas on lõhnatu ja maitsetu. Esimest korda nimetati see keemiline element vesinikuks pärast seda, kui teadlane A. Lavoisier viis läbi katseid veega, mille tulemusena sai maailmateadus teada, et vesi on mitmekomponentne vedelik, mis sisaldab vesinikku. See sündmus leidis aset 1787. aastal, kuid ammu enne seda kuupäeva tundsid teadlased vesinikku tuleohtliku gaasi nime all.

Vesinik looduses

Teadlaste sõnul leidub vesinikku maakoores ja vees (umbes 11,2% vee kogumahust). See gaas on osa paljudest mineraalidest, mida inimkond on sajandeid maa soolestikust ammutanud. Mõned vesiniku omadused on iseloomulikud õlile, maagaasidele ja savile ning looma- ja taimeorganismidele. Kuid puhtal kujul, st ilma perioodilisuse tabeli teiste keemiliste elementidega kombineerimata, on see gaas looduses äärmiselt haruldane. See gaas võib tulla maa pinnale vulkaanipursete ajal. Vaba vesinikku leidub atmosfääris tühistes kogustes.

Vesiniku keemilised omadused

Kuna vesiniku keemilised omadused on heterogeensed, kuulub see keemiline element nii Mendelejevi süsteemi I rühma kui ka süsteemi VII rühma. Esimese rühma liikmena on vesinik sisuliselt leelismetall, mille oksüdatsiooniaste on enamikus ühendites, milles seda leidub. Sama valents on iseloomulik naatriumile ja teistele leelismetallidele. Nende keemiliste omaduste tõttu peetakse vesinikku nende metallidega sarnaseks elemendiks.

Kui me räägime metallhüdriididest, siis vesinikioonil on negatiivne valents - selle oksüdatsiooniaste on -1. Na+H- ehitatakse sama skeemi järgi nagu Na+Cl-kloriid. See asjaolu on põhjus vesiniku omistamiseks perioodilise süsteemi VII rühma. Vesinik, olles molekuli olekus, eeldusel, et see on tavalises keskkonnas, on passiivne ja saab ühineda ainult mittemetallidega, mis on selle jaoks aktiivsemad. Nende metallide hulka kuuluvad fluor, valguse juuresolekul ühineb vesinik klooriga. Kui vesinikku kuumutatakse, muutub see aktiivsemaks, reageerides paljude Mendelejevi perioodilisuse tabeli elementidega.

Aatomi vesinikul on aktiivsemad keemilised omadused kui molekulaarsel vesinikul. Hapniku molekulid moodustavad vee - H2 + 1/2O2 = H2O. Vesiniku interaktsioonil halogeenidega tekivad vesinikhalogeniidid H2 + Cl2 = 2HCl ja vesinik siseneb sellesse reaktsiooni valguse puudumisel ja üsna kõrgel negatiivsel temperatuuril - kuni -252 °C. Vesiniku keemilised omadused võimaldavad seda kasutada paljude metallide redutseerimiseks, kuna reageerides neelab vesinik metallioksiididest hapnikku, näiteks CuO + H2 = Cu + H2O. Vesinik osaleb ammoniaagi moodustumisel reageerides lämmastikuga reaktsioonis ZH2 + N2 = 2NH3, kuid eeldusel, et kasutatakse katalüsaatorit ning tõstetakse temperatuuri ja rõhku.

Tugev reaktsioon tekib siis, kui vesinik reageerib väävliga reaktsioonis H2 + S = H2S, mille tulemusena tekib vesiniksulfiid. Vesiniku interaktsioon telluuri ja seleeniga on veidi vähem aktiivne. Kui katalüsaatorit pole, reageerib see puhta süsinikuga, vesinikuga ainult tingimusel, et tekib kõrge temperatuur. 2H2 + C (amorfne) = CH4 (metaan). Vesiniku toimel mõne leelise ja teiste metallidega saadakse hüdriide, näiteks H2 + 2Li = 2LiH.

Vesiniku füüsikalised omadused

Vesinik on väga kerge kemikaal. Vähemalt väidavad teadlased, et praegu pole vesinikust kergemat ainet. Selle mass on õhust 14,4 korda kergem, tihedus 0°C juures on 0,0899 g/l. Temperatuuril -259,1°C on vesinik võimeline sulama – see on väga kriitiline temperatuur, mis ei ole tüüpiline enamiku keemiliste ühendite muundumisel ühest olekust teise. Ainult selline element nagu heelium ületab selles osas vesiniku füüsikalisi omadusi. Vesiniku veeldamine on keeruline, kuna selle kriitiline temperatuur on (-240°C). Vesinik on kõige soojusjuhtivusega gaas, mis inimkonnale teada on. Kõik ülalkirjeldatud omadused on vesiniku kõige olulisemad füüsikalised omadused, mida inimesed kasutavad konkreetsetel eesmärkidel. Samuti on need omadused kaasaegse teaduse jaoks kõige olulisemad.

Vesiniku avastas 18. sajandi teisel poolel inglise füüsika ja keemia teadlane G. Cavendish. Tal õnnestus isoleerida aine puhtal kujul, ta hakkas seda uurima ja kirjeldas selle omadusi.

See on vesiniku avastamise lugu. Teadlane tegi katsete käigus kindlaks, et tegemist on tuleohtliku gaasiga, mille põlemisel õhus tekib vesi. See viis vee kvalitatiivse koostise määramiseni.

Mis on vesinik

Prantsuse keemik A. Lavoisier kuulutas vesiniku lihtsa ainena esmakordselt 1784. aastal, kuna ta tegi kindlaks, et selle molekul sisaldab sama tüüpi aatomeid.

Keemilise elemendi nimi ladina keeles kõlab nagu hüdrogeenium (loe "hydrogenium"), mis tähendab "vee andmist". Nimetus viitab põlemisreaktsioonile, mille käigus tekib vesi.

Vesiniku omadused

Vesiniku tähistus N. Mendelejev määras sellele keemilisele elemendile esimese aatomnumbri, paigutades selle esimese rühma ja esimese perioodi põhialarühma ning tinglikult seitsmenda rühma põhialarühma.

Vesiniku aatommass (aatommass) on 1,00797. H2 molekulmass on 2 a. e. molaarmass on sellega arvuliselt võrdne.

Seda esindavad kolm isotoopi, millel on eriline nimi: kõige tavalisem protium (H), raske deuteerium (D), radioaktiivne triitium (T).

See on esimene element, mida saab lihtsal viisil täielikult isotoopideks eraldada. See põhineb isotoopide masside suurel erinevusel. Protsess viidi esmakordselt läbi 1933. aastal. Seda seletatakse asjaoluga, et alles 1932. aastal avastati isotoop massiga 2.

Füüsikalised omadused

Tavalistes tingimustes on kaheaatomiliste molekulide kujul olev lihtaine vesinik gaas, värvitu, maitsetu ja lõhnatu. Vees ja teistes lahustites vähe lahustuv.

Kristallisatsioonitemperatuur - 259,2 o C, keemistemperatuur - 252,8 o C. Vesinikumolekulide läbimõõt on nii väike, et neil on võime aeglaselt difundeeruda läbi mitmete materjalide (kumm, klaas, metallid). Seda omadust kasutatakse siis, kui on vaja vesinikku puhastada gaasilistest lisanditest. Kui n. u. vesiniku tihedus on 0,09 kg/m3.

Kas vesinikku on võimalik muuta metalliks analoogselt esimeses rühmas olevate elementidega? Teadlased on leidnud, et vesinik hakkab tingimustes, mil rõhk läheneb 2 miljonile atmosfäärile, neelama infrapunakiiri, mis näitab aine molekulide polariseerumist. Võib-olla muutub vesinik veelgi kõrgemal rõhul metalliks.

See on huvitav: On oletatud, et hiidplaneetidel Jupiteril ja Saturnil leidub vesinikku metalli kujul. Eeldatakse, et maakera tekitatava ülikõrge rõhu tõttu leidub maa tuumas ka metallilist tahket vesinikku.

Keemilised omadused

Nii lihtsad kui ka keerulised ained interakteeruvad vesinikuga keemiliselt. Kuid vesiniku madalat aktiivsust tuleb suurendada sobivate tingimuste loomisega - temperatuuri tõstmisega, katalüsaatorite kasutamisega jne.

Kuumutamisel reageerivad vesinikuga lihtsad ained nagu hapnik (O 2), kloor (Cl 2), lämmastik (N 2), väävel (S).

Kui süüdate õhus gaasi väljalasketoru otsas puhast vesinikku, põleb see ühtlaselt, kuid vaevumärgatavalt. Kui asetate gaasi väljalasketoru puhta hapniku atmosfääri, jätkub põlemine reaktsiooni tulemusena anuma seintele veepiiskade moodustumisega:

Vee põlemisega kaasneb suure hulga soojuse eraldumine. See on eksotermiline ühendireaktsioon, milles vesinik oksüdeeritakse hapniku toimel, moodustades oksiidi H 2 O. See on ka redoksreaktsioon, mille käigus vesinik oksüdeerub ja hapnik redutseeritakse.

Reaktsioon Cl2-ga toimub sarnaselt, moodustades vesinikkloriidi.

Lämmastiku koostoime vesinikuga nõuab kõrget temperatuuri ja kõrget rõhku, samuti katalüsaatori olemasolu. Tulemuseks on ammoniaak.

Väävliga reageerimise tulemusena tekib vesiniksulfiid, mille äratundmist hõlbustab mädamunadele iseloomulik lõhn.

Vesiniku oksüdatsiooniaste nendes reaktsioonides on +1 ja allpool kirjeldatud hüdriidides – 1.

Mõne metalliga reageerimisel tekivad hüdriidid, näiteks naatriumhüdriid - NaH. Mõnda neist keerukatest ühenditest kasutatakse nii rakettide kütusena kui ka termotuumaenergias.

Vesinik reageerib ka komplekskategooria ainetega. Näiteks vask(II)oksiidiga, valemiga CuO. Reaktsiooni läbiviimiseks juhitakse vaskvesinikku üle kuumutatud pulbrilise vask(II)oksiidi. Interaktsiooni käigus muudab reaktiiv oma värvi ja muutub punakaspruuniks ning veepiisad settivad katseklaasi külmadele seintele.

Vesinik oksüdeerub reaktsiooni käigus, moodustades vee ja vask redutseeritakse oksiidist lihtaineks (Cu).

Rakendused

Vesinik on inimeste jaoks väga oluline ja seda kasutatakse erinevates valdkondades:

Keemiatootmises on selleks tooraine, teistes tööstusharudes kütus. Naftakeemia- ja naftatöötlemisettevõtted ei saa ilma vesinikuta hakkama.
Elektrienergiatööstuses toimib see lihtne aine jahutusainena.
Mustmetallide ja värviliste metallide metallurgias on vesinikul redutseerija roll.
See aitab luua toodete pakkimisel inertse keskkonna.
Farmaatsiatööstus – kasutab vesinikperoksiidi tootmisel reagendina vesinikku.
Ilmapallid on täidetud selle kerge gaasiga.
Seda elementi tuntakse ka rakettmootorite kütuse reduktorina.

Teadlased ennustavad üksmeelselt, et vesinikkütus võtab energiasektoris juhtpositsiooni.

Vastuvõtt tööstuses

Tööstuses toodetakse vesinikku elektrolüüsi teel, mis allutatakse vees lahustunud leelismetallide kloriididele või hüdroksiididele. Seda meetodit kasutades on võimalik vesinikku saada ka otse veest.

Nendel eesmärkidel kasutatakse koksi või metaani muundamist veeauruga. Metaani lagunemine kõrgel temperatuuril tekitab ka vesinikku. Vesiniku tööstuslikuks tootmiseks kasutatakse ka koksiahju gaasi veeldamist fraktsioneeriva meetodiga.

Saadud laboris

Laboris kasutatakse vesiniku tootmiseks Kippi aparaati.

Reaktiivid on vesinikkloriid- või väävelhape ja tsink. Reaktsiooni käigus tekib vesinik.

Vesiniku leidmine looduses

Vesinik on levinum kui ükski teine element universumis. Suurem osa tähtedest, sealhulgas Päike ja muud kosmilised kehad, on vesinik.

Maakoores on see vaid 0,15%. Seda leidub paljudes mineraalides, kõigis orgaanilistes ainetes, aga ka vees, mis katab 3/4 meie planeedi pinnast.

Ülemistest atmosfäärikihtidest võib leida jälgi puhtast vesinikust. Seda leidub ka paljudes tuleohtlikes maagaasides.

Gaasiline vesinik on kõige vähem tihe ja vedel vesinik on meie planeedi kõige tihedam aine. Vesiniku abil saate muuta oma hääle tämbrit, kui seda sisse hingate ja väljahingamisel räägite.

Kõige võimsam vesinikupomm põhineb kõige kergema aatomi poolitamisel.

Vesinik H on keemiline element, üks levinumaid meie universumis. Vesiniku kui elemendi mass ainete koostises moodustab 75% muud tüüpi aatomite kogusisaldusest. See on osa planeedi kõige olulisemast ja elutähtsamast ühendist – veest. Vesiniku eripäraks on ka see, et see on esimene element D. I. perioodilises keemiliste elementide süsteemis.

Avastamine ja uurimine

Esimene mainimine vesiniku kohta Paracelsuse kirjutistes pärineb kuueteistkümnendast sajandist. Kuid selle eraldamise õhugaasi segust ja tuleohtlike omaduste uurimist viis teadlane Lemery läbi juba XVII sajandil. Vesinikku uuris põhjalikult inglise keemik, füüsik ja loodusteadlane, kes katseliselt tõestas, et vesiniku mass on teiste gaasidega võrreldes väikseim. Teaduse arengu järgnevatel etappidel töötasid temaga koos paljud teadlased, eriti Lavoisier, kes nimetas teda "vee sünnitajaks".

Omadused positsiooni järgi PSHE-s

Element, mis avab D.I. Mendelejevi perioodilisustabeli, on vesinik. Aatomi füüsikalised ja keemilised omadused näitavad teatud duaalsust, kuna vesinik liigitatakse samaaegselt esimesse, põhialarühma kuuluvaks, kui see käitub nagu metall ja annab keemilise reaktsiooni käigus ära ühe elektroni. seitsmendani - valentskesta täieliku täitmise korral, see tähendab aktsepteerimisnegatiivse osakese, mis iseloomustab seda halogeenidega sarnasena.

Elemendi elektroonilise struktuuri tunnused

Keeruliste ainete, milles see sisaldub, ja kõige lihtsama aine H2 omadused määratakse peamiselt vesiniku elektroonilise konfiguratsiooniga. Osakesel on üks elektron, mille Z= (-1), mis pöörleb oma orbiidil ümber tuuma, mis sisaldab üht prootonit massiühiku ja positiivse laenguga (+1). Selle elektrooniline konfiguratsioon on kirjutatud kui 1s 1, mis tähendab ühe negatiivse osakese olemasolu vesiniku kõige esimeses ja ainsas s-orbitaalis.

Kui elektron eemaldatakse või loobutakse ja selle elemendi aatomil on selline omadus, et see on seotud metallidega, saadakse katioon. Sisuliselt on vesinikuioon positiivne elementaarosake. Seetõttu nimetatakse vesinikku, millelt elektron puudub, lihtsalt prootoniks.

Füüsikalised omadused

Vesiniku lühikirjelduseks võib öelda, et see on värvitu, kergelt lahustuv gaas, mille suhteline aatommass on 2, 14,5 korda õhust kergem ja mille veeldustemperatuur on -252,8 kraadi Celsiuse järgi.

Kogemuste põhjal saate hõlpsalt kontrollida, kas H 2 on kõige kergem. Selleks piisab, kui täita kolm palli erinevate ainetega - vesinik, süsihappegaas, tavaline õhk - ja vabastada need samaaegselt käest. Kõige kiiremini jõuab maapinnale CO 2 -ga täidetud, pärast seda õhuseguga täispuhutu laskub alla ja H 2 sisaldav tõuseb lakke.

Vesinikuosakeste väike mass ja suurus õigustavad selle võimet tungida erinevatesse ainetesse. Sama palli näitel on seda lihtne kontrollida paari päeva pärast, kuna gaas läheb lihtsalt läbi kummi. Vesinik võib akumuleeruda ka mõne metalli (pallaadium või plaatina) struktuuris ja sealt temperatuuri tõustes aurustuda.

Vesiniku vähese lahustuvuse omadust kasutatakse laboripraktikas selle isoleerimiseks vesiniku väljatõrjumise teel (allpool näidatud tabel sisaldab peamisi parameetreid), et määrata selle rakendusala ja tootmismeetodid.

Lihtaine aatomi või molekuli parameeter	Tähendus
Aatommass (moolmass)	1,008 g/mol
Elektrooniline konfiguratsioon	1s 1
Kristallvõre	Kuusnurkne
Soojusjuhtivus	(300 K) 0,1815 W/(m K)
Tihedus n juures. u.	0,08987 g/l
Keemistemperatuur	-252,76 °C
Eripõlemissoojus	120,9 10 6 J/kg
Sulamistemperatuur	-259,2 °C
Lahustuvus vees	18,8 ml/l

Isotoopne koostis

Nagu paljudel teistel keemiliste elementide perioodilise süsteemi esindajatel, on vesinikul mitu looduslikku isotoopi, see tähendab aatomeid, mille tuumas on sama arv prootoneid, kuid erinev arv neutroneid - nulllaengu ja ühikulise massiga osakesed. Sarnaste omadustega aatomite näideteks on hapnik, süsinik, kloor, broom ja teised, sealhulgas radioaktiivsed.

Selle rühma kõige tavalisema vesiniku 1H füüsikalised omadused erinevad oluliselt selle kolleegide samadest omadustest. Eelkõige erinevad neis sisalduvate ainete omadused. Seega on olemas tavaline ja deutereeritud vesi, mis sisaldab ühe prootoniga vesinikuaatomi asemel deuteeriumi 2 H - selle isotoopi kahe elementaarosakesega: positiivse ja laenguta. See isotoop on kaks korda raskem kui tavaline vesinik, mis seletab nendest moodustatud ühendite omaduste dramaatilist erinevust. Looduses leidub deuteeriumi 3200 korda harvemini kui vesinikku. Kolmas esindaja on triitium 3H, selle tuumas on kaks neutronit ja üks prooton.

Tootmis- ja isoleerimismeetodid

Laboratoorsed ja tööstuslikud meetodid on üsna erinevad. Seega toodetakse gaasi väikestes kogustes peamiselt mineraalainetega seotud reaktsioonide kaudu, suuremahulises tootmises kasutatakse aga suuremal määral orgaanilist sünteesi.

Laboris kasutatakse järgmisi keemilisi koostoimeid:

Tööstuslikel eesmärkidel toodetakse gaasi järgmistel meetoditel:

Metaani termiline lagunemine katalüsaatori juuresolekul selle koostisosadeks lihtsateks aineteks (sellise indikaatori väärtus, kui temperatuur ulatub 350 kraadini) - vesinik H2 ja süsinik C.
Auru vee juhtimine läbi koksi 1000 kraadi Celsiuse järgi, et moodustada süsinikdioksiid CO 2 ja H 2 (kõige levinum meetod).
Metaangaasi muundamine nikkelkatalüsaatoril temperatuuril kuni 800 kraadi.
Vesinik on kaalium- või naatriumkloriidi vesilahuste elektrolüüsi kõrvalsaadus.

Keemilised koostoimed: üldsätted

Vesiniku füüsikalised omadused selgitavad suuresti selle käitumist reaktsiooniprotsessides konkreetse ühendiga. Vesiniku valents on 1, kuna see asub perioodilisuse tabeli esimeses rühmas ja oksüdatsiooniaste on erinev. Kõigis ühendites, välja arvatud hüdriidid, vesinik d.o. = (1+), CN, CN 2, CN 3 - (1-) tüüpi molekulides.

Üldistatud elektronpaari loomisel tekkinud vesinikgaasi molekul koosneb kahest aatomist ja on energeetiliselt üsna stabiilne, mistõttu on tavatingimustes mõnevõrra inertne ja reageerib normaaltingimuste muutumisel. Sõltuvalt vesiniku oksüdatsiooniastmest teiste ainete koostises võib see toimida nii oksüdeeriva ainena kui ka redutseerijana.

Ained, millega vesinik reageerib ja moodustub

Elementide vastasmõju komplekssete ainete moodustamiseks (sageli kõrgendatud temperatuuridel):

Leelis- ja leelismuldmetall + vesinik = hüdriid.
Halogeen + H 2 = vesinikhalogeniid.
Väävel + vesinik = vesiniksulfiid.
Hapnik + H 2 = vesi.
Süsinik + vesinik = metaan.
Lämmastik + H 2 = ammoniaak.

Koostoime keeruliste ainetega:

Sünteesgaasi tootmine süsinikmonooksiidist ja vesinikust.
Metallide redutseerimine nende oksiididest H2 abil.
Küllastumata alifaatsete süsivesinike küllastumine vesinikuga.

Vesinikside

Vesiniku füüsikalised omadused on sellised, et need võimaldavad tal koos elektronegatiivse elemendiga moodustada eritüüpi sideme sama aatomiga naabermolekulidest, millel on üksikud elektronpaarid (näiteks hapnik, lämmastik ja fluor). Selgeim näide, milles seda nähtust on parem käsitleda, on vesi. Võib öelda, et see on õmmeldud vesiniksidemetega, mis on nõrgemad kui kovalentsed või ioonsed, kuid kuna neid on palju, mõjutavad need oluliselt aine omadusi. Põhimõtteliselt on vesiniksideme elektrostaatiline interaktsioon, mis seob veemolekulid dimeerideks ja polümeerideks, põhjustades selle kõrge keemistemperatuuri.

Vesinik mineraalsetes ühendites

Kõik sisaldavad prootonit – aatomi, näiteks vesiniku, katiooni. Ainet, mille happelise jäägi oksüdatsiooniaste on suurem kui (-1), nimetatakse mitmealuseliseks ühendiks. See sisaldab mitut vesinikuaatomit, mis muudab dissotsiatsiooni vesilahustes mitmeastmeliseks. Iga järgnevat prootonit on happejäägist järjest raskem eemaldada. Vesiniku kvantitatiivne sisaldus söötmes määrab selle happesuse.

Rakendus inimtegevuses

Aine balloonid, aga ka muude veeldatud gaaside, näiteks hapnikuga mahutid, on spetsiifilise välimusega. Need on värvitud tumeroheliseks ja helepunaseks on kirjutatud sõna "Hydrogen". Gaas pumbatakse silindrisse rõhu all umbes 150 atmosfääri. Vesiniku füüsikalisi omadusi, eelkõige gaasilise agregatsiooni oleku kergust, kasutatakse selleks, et sellega heeliumiga segatuna täita õhupalle, õhupalle jne.

Vesinik, mille füüsikalisi ja keemilisi omadusi õppisid kasutama aastaid tagasi, on praegu kasutusel paljudes tööstusharudes. Suurem osa sellest läheb ammoniaagi tootmiseks. Vesinik osaleb ka (hafnium, germaanium, gallium, räni, molübdeen, volfram, tsirkoonium jt) oksiidides, toimides reaktsioonis redutseerijana, vesiniktsüaniid- ja vesinikkloriidhapetes ning tehislikus vedelkütuses. Toiduainetööstus kasutab seda taimeõlide muundamiseks tahketeks rasvadeks.

Määrati vesiniku keemilised omadused ja kasutamine erinevates rasvade, söe, süsivesinike, õlide ja kütteõli hüdrogeenimise ja hüdrogeenimise protsessides. Seda kasutatakse vääriskivide, hõõglampide ning metalltoodete sepistamiseks ja keevitamiseks hapniku-vesiniku leegi mõjul.