Vodik H je kemijski element, jedan od najčešćih u našem Svemiru. Masa vodika kao elementa u sastavu tvari iznosi 75% ukupnog sadržaja atoma druge vrste. Uključen je u najvažniju i vitalnu vezu na planeti - vodu. Posebnost vodika je i to što je on prvi element u periodičnom sustavu kemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva.
Otkriće i istraživanje
Prva spominjanja vodika u Paracelsusovim spisima datiraju iz šesnaestog stoljeća. Ali njegovu izolaciju od plinske mješavine zraka i proučavanje zapaljivih svojstava već je u sedamnaestom stoljeću napravio znanstvenik Lemery. Vodik je temeljito proučavao engleski kemičar, fizičar i prirodoslovac Henry Cavendish, 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, posebno Lavoisier, koji ga je nazvao "rađanjem vode".
Karakteristika prema poziciji u PSHE
Element koji se otvaraperiodni sustav D. I. Mendeljejeva, je vodik. Fizička i kemijska svojstva atoma pokazuju izvjesnu dvojnost, budući da se vodik istovremeno pripisuje prvoj skupini, glavnoj podskupini, ako se ponaša poput metala i odustane od jednog elektrona u procesu kemijske reakcije, i sedmi - u slučaju potpunog punjenja valentne ljuske, odnosno prijemne negativne čestice, što je karakterizira sličnom halogenima.
Značajke elektroničke strukture elementa
Svojstva atoma vodika, složenih tvari čiji je dio i najjednostavnije tvari H2 prvenstveno su određena elektronskom konfiguracijom vodika. Čestica ima jedan elektron sa Z=(-1), koji rotira u svojoj orbiti oko jezgre, sadrži jedan proton jedinične mase i pozitivnog naboja (+1). Njegova elektronička konfiguracija zapisana je kao 1s1, 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 povezan s metalima, dobiva se kation. Zapravo, vodikov ion je pozitivna elementarna čestica. Stoga se vodik bez elektrona jednostavno naziva proton.
Fizička svojstva
Ako ukratko opišemo fizička svojstva vodika, onda je to bezbojan, slabo topiv plin s relativnom atomskom masom jednakom 2, 14,5 puta lakšom od zraka, s temperaturomukapljivanje od -252,8 stupnjeva Celzija.
Iz iskustva možete lako 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 ispunjen CO2 stići će do tla brže od bilo koga drugog, nakon njega će se napuhana zračna mješavina spustiti, a ona koja sadrži H2 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. Također, vodik se može akumulirati u strukturi nekih metala (paladija ili platine) i ispariti iz njega kada temperatura poraste.
Svojstvo niske topljivosti vodika koristi se u laboratorijskoj praksi za njegovu izolaciju metodom istiskivanja vode. Fizička svojstva vodika (tablica u nastavku 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 |
| Elektronska konfiguracija | 1s1 |
| Kristalna rešetka | šesterokutni |
| Toplinska vodljivost | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Gustoća na n. g. | 0, 08987 g/l |
| Vrelište | -252, 76 °C |
| Specifična kalorijska vrijednost | 120, 9 106 J/kg |
| Točka topljenja | -259, 2 °C |
| Topljivost u vodi | 18, 8ml/L |
Izotopski 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 - čestice s nultim nabojem i jedinicom masa. Primjeri atoma koji imaju ovo svojstvo su kisik, ugljik, klor, brom i drugi, uključujući i radioaktivne.
Fizička svojstva vodika 1H, najčešći od predstavnika ove skupine, značajno se razlikuju od istih karakteristika svojih kolega. Posebno se razlikuju karakteristike tvari u koje su uključene. Dakle, postoji obična i deuterirana voda, koja u svom sastavu umjesto atoma vodika s jednim protonom sadrži deuterij 2H - njegov izotop s dvije elementarne čestice: pozitivnom i nenabijenom. Ovaj izotop je 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 3N, u jezgri ima dva neutrona i jedan proton.
Metode dobivanja i odabira
Laboratorijske i industrijske metode za proizvodnju vodika vrlo su različite. Da, u malim količinamaplin se proizvodi prvenstveno reakcijama koje uključuju minerale, dok se u velikoj proizvodnji u većoj mjeri koristi organska sinteza.
U laboratoriju se koriste sljedeće kemijske interakcije:
- Reakcija alkalijskih i zemnoalkalijskih metala s vodom da nastane lužina i željeni plin.
- Elektroliza vodene otopine elektrolita, H2↑ se oslobađa na anodi, a kisik se oslobađa na katodi.
- Razgradnja hidrida alkalnih metala vodom, proizvodi su alkalni i, prema tome, H plin2↑.
- Reakcija razrijeđenih kiselina s metalima za stvaranje soli i H2↑.
- Djelovanje lužina na silicij, aluminij i cink također potiče oslobađanje vodika paralelno s stvaranjem kompleksnih soli.
U industrijskim interesima, plin se dobiva metodama kao što su:
- Termička razgradnja metana u prisutnosti katalizatora na njegove sastavne jednostavne tvari (350 stupnjeva dostiže vrijednost takvog pokazatelja kao što je temperatura) - vodik H2↑ i ugljik C.
- Propuštanje parne vode kroz koks na 1000 stupnjeva Celzija za stvaranje ugljičnog dioksida CO2 i H2↑ (najčešća metoda)
- Pretvorba plinovitog metana na nikalnom katalizatoru na temperaturama koje dosežu 800 stupnjeva.
- Vodik je nusproizvod elektrolize vodenih otopina kalijevih ili natrijevih klorida.
Kemijskainterakcije: općenitosti
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 periodnog sustava, a stupanj oksidacije pokazuje drugačiji. U svim spojevima, osim u hidridima, vodik u s.o.=(1+), u molekulama kao što su HN, HN2, HN3 – (1 -).
Molekula plina 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 ulazi u reakcije kada se normalni uvjeti promijene. Ovisno o stupnju oksidacije vodika u sastavu drugih tvari, može djelovati i kao oksidacijsko i kao redukcijsko sredstvo.
Tvari s kojima reagira i tvori vodik
Elementarne interakcije za stvaranje složenih tvari (često na povišenim temperaturama):
- Alkalijski i zemnoalkalijski metal + vodik=hidrid.
- Halogen + H2=halogen vodik.
- Sumpor + vodik=sumporovodik.
- Kisik + H2=voda.
- Ugljik + vodik=metan.
- Dušik + H2=amonijak.
Interakcija sa složenim tvarima:
- Proizvodnja sintetskog plina iz ugljičnog monoksida i vodika.
- Oporaba metala iz njihovih oksida pomoću H2.
- Zasićenost nezasićenog alifata vodikomugljikovodici.
vodikova veza
Fizička svojstva vodika su takva da mu omogućuju da, budući da je u kombinaciji s elektronegativnim elementom, formira posebnu vrstu 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 suštini, vodikova veza je elektrostatička interakcija koja veže molekule vode u dimere i polimere, što dovodi do visoke točke vrelišta.
Vodik u mineralnim spojevima
Sastav svih anorganskih kiselina uključuje 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 čini disocijaciju u vodenim otopinama višestupanjskom. Svaki sljedeći proton se sve teže odvaja od ostatka kiseline. Kvantitativnim sadržajem vodika u mediju određuje se njegova kiselost.
Vodik također sadrži hidroksilne skupine baza. U njima je vodik povezan s atomom kisika, zbog čega je oksidacijsko stanje ovog alkalnog ostatka uvijek jednako (-1). Sadržaj hidroksila u mediju određuje njegovu bazičnost.
Primjena u ljudskim aktivnostima
Cilindri s nekom tvari, kao i spremnici s drugim ukapljenim plinovima, poput kisika, imaju specifičan izgled. Oslikane su tamno zelenom bojom sa svijetlocrvenim natpisom "Hydrogen". Plin se pumpa u cilindar pod tlakom od oko 150 atmosfera. Fizička svojstva vodika, posebno lakoća plinovitog agregacijskog stanja, koriste se za njegovo punjenje u smjesi s helijevim balonima, balonima, itd.
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. Vodik također sudjeluje u proizvodnji metala (hafnij, germanij, galij, silicij, molibden, volfram, cirkonij i drugi) iz oksida, djelujući u reakciji kao redukcijski agens, cijanovodične i klorovodične kiseline, metilnog alkohola i umjetne tekućine gorivo. Prehrambena industrija ga koristi za pretvaranje biljnih ulja u čvrste masti.
Utvrđena kemijska svojstva i korištenje vodika u različitim procesima hidrogenacije i hidrogenacije masti, ugljena, ugljikovodika, ulja i loživog ulja. Uz pomoć njega se proizvode drago kamenje, žarulje sa žarnom niti, kovaju se i zavaruju metalni proizvodi pod utjecajem kisikovo-vodikovog plamena.
