Industrijske metode za proizvodnju jednostavnih supstanci zavise od oblika u kojem se odgovarajući element nalazi u prirodi, odnosno šta može biti sirovina za njegovu proizvodnju. Tako se kiseonik, koji je dostupan u slobodnom stanju, dobija fizički – odvajanjem od tečnog vazduha. Gotovo sav vodonik je u obliku spojeva, pa se za njegovo dobivanje koriste hemijske metode. Posebno se mogu koristiti reakcije razlaganja. Jedan od načina za proizvodnju vodika je razlaganje vode električnom strujom.

Basic industrijska metoda proizvodnja vodika - reakcija metana, koji je dio prirodnog plina, s vodom. Izvodi se na visokoj temperaturi (lako je provjeriti da pri prolasku metana čak i kroz kipuću vodu ne dolazi do reakcije):

CH 4 + 2H 2 0 = CO 2 + 4H 2 - 165 kJ

U laboratoriju za dobivanje jednostavnih tvari ne koriste nužno prirodne sirovine, već biraju one polazne materijale od kojih je lakše izolirati potrebnu tvar. Na primjer, u laboratoriji se kisik ne dobiva iz zraka. Isto se odnosi i na proizvodnju vodonika. Jedna od laboratorijskih metoda za proizvodnju vodika, koja se ponekad koristi u industriji, je razlaganje vode električnom strujom.

Tipično, vodonik se proizvodi u laboratoriji reakcijom cinka sa hlorovodoničnom kiselinom.

U industriji

1.Elektroliza vodeni rastvori soli:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Propuštanje vodene pare preko vrućeg koksa na temperaturama oko 1000°C:

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.Od prirodnog gasa.

Pretvorba pare: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Katalitička oksidacija kisikom: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Krekiranje i reformisanje ugljovodonika tokom prerade nafte.

U laboratoriji

1.Utjecaj razrijeđenih kiselina na metale. Za izvođenje ove reakcije najčešće se koriste cink i hlorovodonična kiselina:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Interakcija kalcijuma sa vodom:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Hidroliza hidrida:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Utjecaj alkalija na cink ili aluminij:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.Koristeći elektrolizu. Tokom elektrolize vodenih rastvora alkalija ili kiselina, na katodi se oslobađa vodik, na primer:

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

  • Bioreaktor za proizvodnju vodonika

Fizička svojstva

Gas vodonik može postojati u dva oblika (modifikacije) - u obliku orto - i paravodonika.

U molekuli ortovodonika (t.t. −259.10 °C, bp. −252.56 °C) nuklearni spinovi su usmjereni identično (paralelno), au paravodoniku (t.t. −259.32 °C, tačka ključanja -252.89 °C) - jedna naspram druge (antiparalelna).

Alotropni oblici vodonika mogu se odvojiti adsorpcijom na aktivnom ugljenu na temperaturi tekućeg dušika. Na vrlo niskim temperaturama, ravnoteža između ortohidrogena i paravodonika je gotovo u potpunosti pomjerena prema ovom drugom. Na 80 K odnos oblika je otprilike 1:1. Kada se zagrije, desorbirani paravodonik se pretvara u ortovodonik dok se ne uspostavi ravnoteža na sobnoj temperaturi mješavine (orto-para: 75:25). Bez katalizatora, transformacija se odvija sporo, što omogućava proučavanje svojstava pojedinačnih alotropnih oblika. Molekul vodonika je dvoatomski - H₂. U normalnim uslovima, to je gas bez boje, mirisa i ukusa. Vodonik je najlakši gas, njegova gustina je mnogo puta manja od gustine vazduha. Očigledno, što je manja masa molekula, to je veća njihova brzina na istoj temperaturi. Kao najlakši molekuli, molekuli vodonika kreću se brže od molekula bilo kojeg drugog plina i stoga mogu brže prenijeti toplinu s jednog tijela na drugo. Iz toga slijedi da vodik ima najveću toplinsku provodljivost među plinovitim tvarima. Njegova toplotna provodljivost je približno sedam puta veća od toplotne provodljivosti vazduha.

Hemijska svojstva

Molekule vodika H₂ su dosta jake, a da bi vodonik reagovao, mora se utrošiti dosta energije: H 2 = 2H - 432 kJ Dakle, na uobičajenim temperaturama, vodonik reaguje samo sa veoma aktivni metali, na primer, sa kalcijumom, formirajući kalcijum hidrid: Ca + H 2 = CaH 2 i sa jedinim nemetalom - fluorom, formirajući fluorovodonik: F 2 + H 2 = 2HF Sa većinom metala i nemetala, vodonik reaguje na povišene temperature ili pod drugim uticajima, na primer kada su osvetljeni. Može “oduzeti” kisik nekim oksidima, na primjer: CuO + H 2 = Cu + H 2 0 Napisana jednačina odražava reakciju redukcije. Reakcije redukcije su procesi u kojima se kisik uklanja iz spoja; Tvari koje oduzimaju kisik nazivaju se redukcijskim agensima (oni sami oksidiraju). Dalje će biti data još jedna definicija pojmova “oksidacija” i “redukcija”. A ovu definiciju, istorijski prvi, i danas ostaje važan, posebno u organskoj hemiji. Reakcija redukcije je suprotna reakciji oksidacije. Obje ove reakcije uvijek se odvijaju istovremeno kao jedan proces: kada se jedna tvar oksidira (reducira), redukcija (oksidacija) druge se nužno događa istovremeno.

N 2 + 3H 2 → 2 NH 3

Oblici sa halogenima vodonik halogenidi:

F 2 + H 2 → 2 HF, reakcija se odvija eksplozivno u mraku i na bilo kojoj temperaturi, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, reakcija se odvija eksplozivno, samo na svjetlu.

Interagira sa čađom pod visokim temperaturama:

C + 2H 2 → CH 4

Interakcija sa alkalnim i zemnoalkalnim metalima

Vodik nastaje sa aktivnim metalima hidridi:

Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2

Hidridi- poput soli, čvrste materije, lako se hidroliziraju:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Interakcija s metalnim oksidima (obično d-elementima)

Oksidi se redukuju u metale:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Hidrogenacija organskih jedinjenja

Kada vodik djeluje na nezasićene ugljovodonike u prisustvu nikalnog katalizatora i na povišenim temperaturama, dolazi do reakcije hidrogenacija:

CH 2 =CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

Vodik redukuje aldehide u alkohole:

CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.

Geohemija vodonika

Vodonik - osnovni građevinski materijal univerzum. To je najčešći element, a svi elementi nastaju iz njega kao rezultat termonuklearnih i nuklearnih reakcija.

Slobodni vodonik H2 je relativno rijedak u kopnenim plinovima, ali u obliku vode ima izuzetno važnu ulogu u geohemijskim procesima.

Vodik može biti prisutan u mineralima u obliku amonijum jona, hidroksil jona i kristalne vode.

U atmosferi se vodik kontinuirano proizvodi kao rezultat razgradnje vode sunčevim zračenjem. Migrira u gornju atmosferu i bježi u svemir.

Aplikacija

  • Energija vodonika

Atomski vodik se koristi za zavarivanje atomskim vodonikom.

IN Prehrambena industrija vodonik je registrovan kao aditivi za hranu E949, poput gasa za pakovanje.

Karakteristike liječenja

Vodonik, kada se pomiješa sa zrakom, stvara eksplozivnu smjesu - takozvani detonirajući plin. Ovaj plin je najeksplozivniji kada je volumni omjer vodonika i kisika 2:1, odnosno vodonika i zraka približno 2:5, jer zrak sadrži približno 21% kisika. Vodonik je takođe opasan od požara. Tečni vodonik može izazvati ozbiljne promrzline ako dođe u dodir s kožom.

Eksplozivne koncentracije vodonika i kiseonika javljaju se od 4% do 96% zapremine. Kada se pomeša sa vazduhom od 4% do 75(74)% zapremine.

Upotreba vodonika

U hemijskoj industriji vodonik se koristi u proizvodnji amonijaka, sapuna i plastike. U prehrambenoj industriji, margarin se proizvodi od tečnih biljnih ulja pomoću vodika. Vodonik je veoma lagan i uvek se diže u vazduhu. Nekada davno, zračni brodovi i Baloni ispunjen vodonikom. Ali 30-ih godina. XX vijek Nekoliko strašnih katastrofa dogodilo se kada su vazdušni brodovi eksplodirali i izgorjeli. Danas su vazdušni brodovi punjeni gasom helijuma. Vodonik se takođe koristi kao raketno gorivo. Jednog dana, vodonik bi se mogao naširoko koristiti kao gorivo za automobile i kamione. Motori na vodik ne zagađuju okruženje i ispuštaju samo vodenu paru (iako sama proizvodnja vodonika dovodi do određenog zagađenja životne sredine). Naše Sunce je uglavnom napravljeno od vodonika. Sunčeva toplina i svjetlost su rezultat oslobađanja nuklearne energije iz fuzije jezgri vodika.

Korištenje vodonika kao goriva (isplativo)

Najvažnija karakteristika tvari koje se koriste kao gorivo je njihova toplina sagorijevanja. Sa kursa opšta hemija Poznato je da se reakcija između vodika i kisika događa oslobađanjem topline. Ako uzmemo 1 mol H 2 (2 g) i 0,5 mol O 2 (16 g) pod standardnim uslovima i pobudimo reakciju, onda prema jednačini

H 2 + 0,5 O 2 = H 2 O

nakon završetka reakcije nastaje 1 mol H 2 O (18 g) sa oslobađanjem energije 285,8 kJ/mol (za poređenje: toplina sagorijevanja acetilena je 1300 kJ/mol, propana - 2200 kJ/mol) . 1 m³ vodonika teži 89,8 g (44,9 mola). Dakle, za proizvodnju 1 m³ vodonika utrošit će se 12832,4 kJ energije. Uzimajući u obzir činjenicu da je 1 kWh = 3600 kJ, dobijamo 3,56 kWh električne energije. Poznavajući tarifu za 1 kWh električne energije i cijenu 1 m³ plina, možemo zaključiti da je preporučljivo preći na vodonično gorivo.

Na primjer, eksperimentalni model Honda FCX 3. generacije sa rezervoarom za vodonik od 156 litara (sadrži 3,12 kg vodonika pod pritiskom od 25 MPa) putuje 355 km. Shodno tome, od 3,12 kg H2 dobija se 123,8 kWh. Na 100 km potrošnja energije iznosit će 36,97 kWh. Poznavajući cijenu električne energije, cijenu plina ili benzina i njihovu potrošnju za automobil na 100 km, lako je izračunati negativan ekonomski učinak prebacivanja automobila na vodonično gorivo. Recimo (Rusija 2008), 10 centi po kWh električne energije dovodi do toga da 1 m³ vodonika dovodi do cijene od 35,6 centi, a uzimajući u obzir efikasnost razlaganja vode od 40-45 centi, isto toliko kWh od sagorevanja benzina košta 12832,4 kJ/42000 kJ/0,7 kg/l*80 centi/l=34 centa po maloprodajnim cenama, dok smo za vodonik izračunali idealnu opciju, ne uzimajući u obzir transport, amortizaciju opreme i sl. Za metan sa energija sagorevanja od oko 39 MJ po m³ rezultat će biti dva do četiri puta manji zbog razlike u ceni (1 m³ za Ukrajinu košta 179 dolara, a za Evropu 350 dolara). Odnosno, ekvivalentna količina metana koštaće 10-20 centi.

Međutim, ne treba zaboraviti da kada sagorijevamo vodonik, dobijamo čistu vodu iz koje je izvučen. Odnosno, imamo obnovljivi izvor energije hoarder energije bez štete po okoliš, za razliku od plina ili benzina, koji su primarni izvori energije.

PHP na liniji 377 Upozorenje: require(http://www..php): nije uspjelo otvoriti stream: nije pronađen odgovarajući omot u /hsphere/local/home/winexins/site/tab/vodorod.php na liniji 377 Fatal greška: require(): Neuspješno otvaranje je potrebno "http://www..php" (include_path="..php na liniji 377

Vodonik je jednostavna supstanca H2 (dihonik, diprocijum, laki vodonik).

Brief karakteristika vodonika:

  • Nemetalni.
  • Bezbojan gas, teško se rastvara u tečnost.
  • Slabo rastvorljiv u vodi.
  • Bolje se rastvara u organskim rastvaračima.
  • Hemisorpcija metala: gvožđe, nikl, platina, paladijum.
  • Snažno redukciono sredstvo.
  • Interagira (na visokim temperaturama) sa nemetalima, metalima, metalnim oksidima.
  • Atomski vodonik H0, dobijen termičkom razgradnjom H2, ima najveću redukcionu sposobnost.
  • Izotopi vodonika:
    • 1 H - protij
    • 2 H - deuterijum (D)
    • 3 H - tricij (T)
  • Relativna molekulska težina = 2,016
  • Relativna gustina čvrstog vodonika (t=-260°C) = 0,08667
  • Relativna gustina tečnog vodonika (t=-253°C) = 0,07108
  • Nadpritisak (br.) = 0,08988 g/l
  • temperatura topljenja = -259,19°C
  • tačka ključanja = -252,87°C
  • Volumetrijski koeficijent rastvorljivosti vodonika:
    • (t=0°C) = 2,15;
    • (t=20°C) = 1,82;
    • (t=60°C) = 1,60;

1. Termička razgradnja vodonika(t=2000-3500°C):
H 2 ↔ 2H 0

2. Interakcija vodonika sa nemetali:

  • H 2 +F 2 = 2HF (t=-250..+20°C)
  • H 2 +Cl 2 = 2HCl (kada se spali ili izloži svjetlosti na sobnoj temperaturi):
    • Cl 2 = 2Cl 0
    • Cl 0 +H 2 = HCl+H 0
    • H 0 +Cl 2 = HCl+Cl 0
  • H 2 +Br 2 = 2HBr (t=350-500°C, platinasti katalizator)
  • H 2 +I 2 = 2HI (t=350-500°C, platinasti katalizator)
  • H 2 +O 2 = 2H 2 O:
    • H 2 + O 2 = 2OH 0
    • OH 0 +H 2 = H 2 O+H 0
    • H 0 +O 2 = OH 0 +O 0
    • O 0 +H 2 = OH 0 +H 0
  • H 2 +S = H 2 S (t=150..200°C)
  • 3H 2 +N 2 = 2NH 3 (t=500°C, željezni katalizator)
  • 2H 2 +C (koks) = CH 4 (t=600°C, platinasti katalizator)
  • H 2 +2C (koks) = C 2 H 2 (t=1500..2000°C)
  • H 2 +2C(koks)+N2 = 2HCN (t više od 1800°C)

3. Interakcija vodonika sa složene supstance:

  • 4H 2 +(Fe II Fe 2 III)O 4 = 3Fe+4H 2 O (t više od 570°C)
  • H 2 +Ag 2 SO 4 = 2Ag+H 2 SO 4 (t više od 200°C)
  • 4H 2 +2Na 2 SO 4 = Na 2 S + 4H 2 O (t = 550-600°C, katalizator Fe 2 O 3)
  • 3H 2 +2BCl 3 = 2B+6HCl (t = 800-1200°C)
  • H 2 +2EuCl 3 = 2EuCl 2 +2HCl (t = 270°C)
  • 4H 2 +CO 2 = CH 4 +2H 2 O (t = 200°C, CuO 2 katalizator)
  • H 2 +CaC 2 = Ca+C 2 H 2 (t preko 2200°C)
  • H 2 +BaH 2 = Ba(H 2) 2 (t do 0°C, rastvor)

4. Učešće vodonika u redoks reakcije:

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

Jedinjenja vodonika

D 2 - dideuterijum:

  • Teški vodonik.
  • Bezbojan gas, teško se rastvara u tečnost.
  • Dideuterijum je sadržan u prirodnom vodoniku od 0,012-0,016% (težinski).
  • U plinskoj mješavini dideuterijuma i protijuma dolazi do izmjene izotopa na visokim temperaturama.
  • Slabo rastvorljiv u običnoj i teškoj vodi.
  • Sa običnom vodom izmjena izotopa je zanemarljiva.
  • Hemijska svojstva sličan lakom vodoniku, ali dideuterijum je manje reaktivan.
  • Relativna molekulska težina = 4,028
  • Relativna gustina tečnog dideuterijuma (t=-253°C) = 0,17
  • temperatura topljenja = -254,5°C
  • tačka ključanja = -249,49°C

T 2 - ditirij:

  • Superteški vodonik.
  • Bezbojni radioaktivni gas.
  • Poluživot 12,34 godine.
  • U prirodi, dititrij nastaje kao rezultat bombardiranja 14 N jezgara neutronima iz kosmičkog zračenja; tragovi ditirijuma pronađeni su u prirodnim vodama.
  • Ditricij se proizvodi u nuklearnom reaktoru bombardiranjem litija sporim neutronima.
  • Relativna molekulska težina = 6,032
  • temperatura topljenja = -252,52°C
  • tačka ključanja = -248,12°C

HD - deuterijum vodonik:

  • Bezbojni gas.
  • Ne rastvara se u vodi.
  • Hemijska svojstva slična H2.
  • Relativna molekulska težina = 3,022
  • Relativna gustina čvrstog deuterijum vodonika (t=-257°C) = 0,146
  • Nadtlak (br.) = 0,135 g/l
  • temperatura topljenja = -256,5°C
  • tačka ključanja = -251,02°C

Vodikovi oksidi

H 2 O - voda:

  • Bezbojna tečnost.
  • Prema izotopskom sastavu kiseonika, voda se sastoji od H 2 16 O sa primesama H 2 18 O i H 2 17 O
  • Prema izotopskom sastavu vodonika, voda se sastoji od 1 H 2 O sa primjesom HDO.
  • Tečna voda prolazi kroz protolizu (H 3 O + i OH -):
    • H 3 O + (oksonijum kation) je najviše jaka kiselina u vodenom rastvoru;
    • OH - (hidroksid ion) je najjača baza u vodenom rastvoru;
    • Voda je najslabiji konjugirani protolit.
  • Uz mnoge tvari, voda stvara kristalne hidrate.
  • Voda je hemijski aktivna supstanca.
  • Voda je univerzalni tečni rastvarač za neorganska jedinjenja.
  • Relativna molekulska težina vode = 18,02
  • Relativna gustina čvrste vode (led) (t=0°C) = 0,917
  • Relativna gustina tečne vode:
    • (t=0°C) = 0,999841
    • (t=20°C) = 0,998203
    • (t=25°C) = 0,997044
    • (t=50°C) = 0,97180
    • (t=100°C) = 0,95835
  • gustina (n.s.) = 0,8652 g/l
  • tačka topljenja = 0°C
  • tačka ključanja = 100°C
  • Jonski proizvod vode (25°C) = 1,008·10 -14

1. Termička razgradnja vode:
2H 2 O ↔ 2H 2 +O 2 (iznad 1000°C)

D 2 O - deuterijum oksid:

  • Teška voda.
  • Bezbojna higroskopna tečnost.
  • Viskoznost je veća od viskoznosti vode.
  • Miješa se sa običnom vodom u neograničenim količinama.
  • Izotopska izmjena proizvodi polutešku vodu HDO.
  • Snaga rastvarača je niža od one obične vode.
  • Hemijska svojstva deuterijum oksida su slična hemijskim svojstvima vode, ali sve reakcije se odvijaju sporije.
  • Teška voda je prisutna u prirodna voda(maseni odnos prema običnoj vodi 1:5500).
  • Deuterijum oksid se dobija ponovljenom elektrolizom prirodne vode, u kojoj se teška voda akumulira u ostatku elektrolita.
  • Relativna molekulska težina teške vode = 20,03
  • Relativna gustina tečne teške vode (t=11,6°C) = 1,1071
  • Relativna gustina tečne teške vode (t=25°C) = 1,1042
  • temperatura topljenja = 3,813°C
  • tačka ključanja = 101,43°C

T 2 O - tricijum oksid:

  • Super teška voda.
  • Bezbojna tečnost.
  • Viskoznost je veća, a moć rastvaranja niža od one obične i teške vode.
  • Miješa se sa običnom i teškom vodom u neograničenim količinama.
  • Izotopska izmjena sa običnom i teškom vodom dovodi do stvaranja HTO, DTO.
  • Hemijska svojstva superteške vode su slična hemijskim svojstvima vode, ali sve reakcije se odvijaju čak i sporije nego u teškoj vodi.
  • Tragovi tricijum oksida nalaze se u prirodnoj vodi i atmosferi.
  • Superteška voda se dobija propuštanjem tricijuma preko vrućeg bakrenog oksida CuO.
  • Relativna molekulska težina superteške vode = 22,03
  • tačka topljenja = 4,5°C

Vodonik (H) je veoma lagan hemijski element, sa sadržajem od 0,9% masenog udjela u Zemljinoj kori i 11,19% u vodi.

Karakteristike vodonika

Prvi je među gasovima po lakoći. At normalnim uslovima bez ukusa, boje i apsolutno bez mirisa. Kada uđe u termosferu, odleti u svemir zbog svoje male težine.

U cijelom svemiru, to je najbrojniji kemijski element (75% ukupne mase tvari). Toliko toliko zvijezda vanjski prostor sastoje se u potpunosti od toga. Na primjer, Sunce. Njegova glavna komponenta je vodonik. A toplina i svjetlost su rezultat oslobađanja energije kada se jezgra materijala stapaju. Takođe u svemiru postoje čitavi oblaci njegovih molekula različitih veličina, gustina i temperatura.

Fizička svojstva

Visoka temperatura i pritisak značajno menjaju njegove kvalitete, ali u normalnim uslovima:

Ima visoku toplotnu provodljivost u poređenju sa drugim gasovima,

Netoksičan i slabo rastvorljiv u vodi,

Sa gustinom od 0,0899 g/l na 0°C i 1 atm.,

Pretvara se u tečnost na temperaturi od -252,8°C

Postaje tvrdo na -259,1°C,

Specifična toplota sagorevanja 120.9.106 J/kg.

Za transformaciju u tečno ili čvrsto stanje, visok pritisak i vrlo niske temperature. U tečnom stanju je tečan i lagan.

Hemijska svojstva

Pod pritiskom i hlađenjem (-252,87 stepeni C), vodonik dobija tečno stanje, koje je lakše po težini od bilo kog analoga. U njemu zauzima manje prostora nego u gasovitom obliku.

To je tipičan nemetal. U laboratorijima se proizvodi reakcijom metala (kao što su cink ili željezo) s razrijeđenim kiselinama. U normalnim uslovima je neaktivan i reaguje samo sa aktivnim nemetalima. Vodik može odvojiti kisik od oksida i reducirati metale iz spojeva. On i njegove mješavine stvaraju vodikove veze s određenim elementima.

Gas je visoko rastvorljiv u etanolu i mnogim metalima, posebno paladijumu. Srebro ga ne rastvara. Vodonik se može oksidirati tokom sagorijevanja u kisiku ili zraku, te pri interakciji sa halogenima.

Kada se spoji sa kiseonikom, nastaje voda. Ako je temperatura normalna, onda reakcija teče sporo; ako je iznad 550°C, eksplodira (pretvara se u detonirajući plin).

Pronalaženje vodonika u prirodi

Iako na našoj planeti ima puno vodonika, nije ga lako pronaći u čistom obliku. Malo se može naći tokom vulkanskih erupcija, tokom proizvodnje nafte i gde se organska materija raspada.

Više od polovine ukupne količine je u sastavu sa vodom. Takođe je uključen u strukturu ulja, raznih glina, zapaljivih gasova, životinja i biljaka (prisustvo u svakoj živoj ćeliji je 50% po broju atoma).

Ciklus vodonika u prirodi

Svake godine, kolosalna količina (milijarde tona) biljnih ostataka se razgrađuje u vodenim tijelima i tlu, a ova razgradnja oslobađa ogromnu masu vodika u atmosferu. Oslobađa se i tokom svake fermentacije uzrokovane bakterijama, sagorijevanjem i zajedno s kisikom sudjeluje u ciklusu vode.

Primjena vodonika

Čovječanstvo aktivno koristi element u svojim aktivnostima, pa smo naučili da ga dobijemo u industrijskoj mjeri za:

Meteorologija, hemijska proizvodnja;

Proizvodnja margarina;

Kao raketno gorivo (tečni vodonik);

Elektroprivreda za hlađenje električnih generatora;

Zavarivanje i rezanje metala.

Mnogo se vodika koristi u proizvodnji sintetičkog benzina (za poboljšanje kvaliteta nekvalitetnog goriva), amonijaka, hlorovodonika, alkohola i drugih materijala. Nuklearna energija aktivno koristi svoje izotope.

Lijek "vodikov peroksid" ima široku primjenu u metalurgiji, elektronskoj industriji, proizvodnji celuloze i papira, za izbjeljivanje lanenih i pamučnih tkanina, za proizvodnju boja za kosu i kozmetiku, polimera i u medicini za liječenje rana.

"Eksplozivna" priroda ovog gasa može postati smrtonosno oružje - hidrogenska bomba. Njegova eksplozija je praćena oslobađanjem ogromne količine radioaktivnih tvari i destruktivna je za sva živa bića.

Kontakt tekućeg vodika i kože može uzrokovati teške i bolne promrzline.

Predavanje 29

Vodonik. Voda

Pregled predavanja:

Voda. Hemijska i fizička svojstva

Uloga vodonika i vode u prirodi

Vodonik kao hemijski element

Vodonik je jedini element periodni sistem D.I. Mendelejev, čija je lokacija dvosmislena. Njegovo hemijski simbol u periodnom sistemu se bilježi dva puta: u IA i VIIA grupi. Ovo se objašnjava činjenicom da vodonik ima niz svojstava koja ga ujedinjuju i sa alkalnim metalima i sa halogenima (tabela 14).

Tabela 14

Poređenje svojstava vodonika sa svojstvima alkalni metali i halogeni

Sličnosti sa alkalnim metalima Sličnost sa halogenima
Napolju nivo energije Atomi vodika sadrže jedan elektron. Vodonik je s element Prije završetka vanjskog i jedinog nivoa, atomima vodonika, kao i atomima halogena, nedostaje jedan elektron
Vodonik pokazuje redukujuća svojstva. Kao rezultat oksidacije, vodik dobiva oksidacijsko stanje koje se najčešće nalazi u njegovim spojevima +1 Vodik, kao i halogeni, u spojevima sa alkalnim i zemnoalkalnim metalima ima oksidaciono stanje -1, što potvrđuje njegova oksidaciona svojstva.
Pretpostavlja se da u svemiru postoji čvrsti vodonik sa metalnom kristalnom rešetkom. Poput fluora i hlora, vodonik je gas u normalnim uslovima. Njegovi su molekuli, poput molekula halogena, dvoatomni i formirani su kovalentnom nepolarnom vezom

U prirodi vodonik postoji u obliku tri izotopa sa masenim brojevima 1, 2 i 3: protij 1 1 H, deuterijum 2 1 D i tricijum 3 1 T. Prva dva su stabilni izotopi, a treći je radioaktivan. Procijum preovlađuje u prirodnoj mješavini izotopa. Kvantitativni odnosi između izotopa H:D:T su 1:1,46 10 -5: 4,00 10 -15.

Jedinjenja izotopa vodika međusobno se razlikuju po svojstvima. Na primjer, tačke ključanja i smrzavanja lake protijumske vode (H 2 O) su respektivno jednake – 100 o C i 0 o C, a deuterijum vode (D 2 O) – 101,4 o C i 3,8 o C. Brzina reakcije koja uključuje laka voda je viša od teške vode.



U Univerzumu, vodonik je najčešći element – ​​čini oko 75% mase svemira ili preko 90% svih njegovih atoma. Vodonik je dio vode u njenoj najvažnijoj geološkoj ljusci Zemlje - hidrosferi.

Vodik formira, zajedno s ugljikom, sve organske tvari, odnosno dio je žive ljuske Zemlje - biosfere. IN zemljine kore- litosfera - maseni sadržaj vodonika je samo 0,88%, odnosno zauzima 9. mjesto među svim elementima. Vazdušni omotač Zemljina atmosfera sadrži manje od milionitog dijela ukupne zapremine koja se može pripisati molekularnom vodoniku. Nalazi se samo u gornjim slojevima atmosfere.

Proizvodnja i upotreba vodonika

Vodonik je prvi put dobio u 16. veku srednjovekovni lekar i alhemičar Paracelzus, potapanjem gvozdene ploče u sumporna kiselina, a 1766. godine engleski hemičar Henry Cavendish dokazao je da se vodonik ne proizvodi samo interakcijom željeza sa sumpornom kiselinom, već i drugih metala s drugim kiselinama. Cavendish je također po prvi put opisao svojstva vodonika.

IN laboratorija uslovima vodonik se dobija:

1. Interakcija metala sa kiselinom:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2. Interakcija alkalnih i zemnoalkalnih metala sa vodom

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

IN industrija Vodik se dobija na sledeće načine:

1. Elektroliza vodenih rastvora soli, kiselina i lužina. Najčešće korišteno rješenje je kuhinjska sol:

2NaCl + 2H 2 O →el. struja H 2 + Cl 2 + NaOH

2. Redukcija vodene pare vrućim koksom:

C + H 2 O → t CO + H 2

Dobivena mješavina ugljičnog monoksida i vodika naziva se vodeni gas (sintetski gas), i široko se koristi za sintezu raznih hemijskih proizvoda (amonijak, metanol, itd.). Za odvajanje vodika od vodenog plina, ugljični monoksid se pretvara u ugljični dioksid kada se zagrije vodenom parom:

CO + H 2 → t CO 2 + H 2

3. Grijanje na metan u prisustvu vodene pare i kiseonika. Ova metoda je trenutno glavna:

2CH 4 + O 2 + 2H 2 O → t 2CO 2 + 6H 2

Vodik se široko koristi za:

1. industrijska sinteza amonijaka i hlorovodonika;

2. dobijanje metanola i sintetičkog tečnog goriva u sastavu sintetskog gasa (2 zapremine vodonika i 1 zapremina CO);

3. hidrotretman i hidrokreking naftnih frakcija;

4. hidrogenizacija tečnih masti;

5. rezanje i zavarivanje metala;

6. dobijanje volframa, molibdena i renija iz njihovih oksida;

7. svemirski motori kao gorivo.

8. U termonuklearnim reaktorima izotopi vodonika se koriste kao gorivo.

Fizička i hemijska svojstva vodonika

Vodonik je gas bez boje, ukusa i mirisa. Gustina na br. 0,09 g/l (14 puta lakši od vazduha). Vodik je slabo rastvorljiv u vodi (samo 2 zapremine gasa na 100 zapremina vode), ali ga dobro apsorbuju d-metali - nikl, platina, paladijum (do 900 zapremina vodonika je rastvoreno u jednoj zapremini paladijuma).

IN hemijske reakcije Vodik ispoljava i redukcijska i oksidirajuća svojstva. Vodik najčešće djeluje kao redukcijski agens.

1. Interakcija sa nemetalima. Vodik sa nemetalima formira isparljiva vodonikova jedinjenja (videti predavanje 25).

Sa halogenima brzina i uslovi reakcije variraju od fluora do joda: kod fluora vodonik reaguje eksplozivno čak i u mraku, kod hlora reakcija teče sasvim mirno uz malo ozračivanja svetlošću, kod broma i joda reakcije su reverzibilne i javljaju se samo kada se zagreju:

H 2 + F 2 → 2HF

H 2 + Cl 2 → hν 2HCl

H 2 + I 2 → t 2HI

Sa kiseonikom i sumpor vodonik reaguju uz blago zagrijavanje. Zove se mješavina kisika i vodonika u omjeru 1:2 eksplozivni gas:

H 2 + O 2 → t H 2 O

H 2 + S → t H 2 S

Sa dušikom, fosforom i ugljikom reakcija se odvija pod toplotom, povišenim pritiskom i u prisustvu katalizatora. Reakcije su reverzibilne:

3H 2 + N 2 → kat., p, t2NH 3

2H 2 + 3P → kat., p, t3PH 3

H 2 + C → kat., p, t CH 4

2. Interakcija sa složenim supstancama. Na visokim temperaturama, vodonik reducira metale iz njihovih oksida:

CuO + H 2 → t Cu + H 2 O

3. At interakcija sa alkalnim i zemnoalkalnim metalima Vodik pokazuje oksidirajuća svojstva:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

4. Interakcija sa Organske materije. Vodik aktivno stupa u interakciju s mnogim organskim tvarima; takve reakcije se nazivaju reakcije hidrogenacije. O ovakvim reakcijama biće detaljnije reči u III delu zbirke „Organska hemija”.

Kada počnemo da razmatramo hemijska i fizička svojstva vodonika, treba napomenuti da je u svom uobičajenom stanju ovaj hemijski element u gasovitom obliku. Bezbojni gas vodonik je bez mirisa i ukusa. Po prvi put ovaj hemijski element je dobio ime vodonik po naučniku A. Lavoisieru koji je sproveo eksperimente sa vodom, usled čega je svetska nauka saznala da je voda višekomponentna tečnost koja sadrži vodonik. Ovaj događaj se dogodio 1787. godine, ali mnogo prije ovog datuma, vodonik je naučnicima bio poznat pod nazivom "zapaljivi plin".

Vodonik u prirodi

Prema naučnicima, vodonik se nalazi u zemljinoj kori i u vodi (otprilike 11,2% ukupne zapremine vode). Ovaj plin je dio mnogih minerala koje je čovječanstvo vekovima vadilo iz utrobe zemlje. Neka svojstva vodonika karakteristična su za naftu, prirodne plinove i glinu, te za životinjske i biljne organizme. Ali u svom čistom obliku, odnosno ne u kombinaciji s drugim kemijskim elementima periodnog sistema, ovaj plin je izuzetno rijedak u prirodi. Ovaj gas može doći na površinu zemlje tokom vulkanskih erupcija. Slobodni vodonik je prisutan u atmosferi u zanemarljivim količinama.

Hemijska svojstva vodonika

Pošto su hemijska svojstva vodonika heterogena, ovaj hemijski element pripada i grupi I Mendeljejevskog sistema i grupi VII sistema. Kao član prve grupe, vodonik je u suštini alkalni metal koji ima oksidaciono stanje +1 u većini jedinjenja u kojima se nalazi. Ista valencija je karakteristična za natrijum i druge alkalne metale. Zbog ovih hemijskih svojstava, vodonik se smatra elementom sličnim ovim metalima.

Ako govorimo o metalnim hidridima, onda vodikov ion ima negativnu valenciju - njegovo oksidacijsko stanje je -1. Na+H- se gradi po istoj shemi kao i Na+Cl-hlorid. Ova činjenica je razlog da se vodonik dodeli grupi VII periodnog sistema. Vodik je, u stanju molekule, pod uslovom da je u običnom okruženju, neaktivan i može se kombinovati isključivo sa nemetalima koji su za njega aktivniji. Ovi metali uključuju fluor; u prisustvu svetlosti, vodonik se kombinuje sa hlorom. Ako se vodonik zagrije, on postaje aktivniji, reagirajući s mnogim elementima periodnog sistema Mendeljejeva.

Atomski vodonik pokazuje aktivnija hemijska svojstva od molekularnog vodonika. Molekuli kiseonika formiraju vodu - H2 + 1/2O2 = H2O. Kada vodik stupa u interakciju s halogenima, nastaju vodonik-halogenidi H2 + Cl2 = 2HCl, a vodik ulazi u ovu reakciju u odsustvu svjetlosti i na prilično visokim negativnim temperaturama - do - 252°C. Hemijska svojstva vodika omogućavaju da se koristi za redukciju mnogih metala, jer kada reagira, vodonik apsorbira kisik iz metalnih oksida, na primjer, CuO + H2 = Cu + H2O. Vodonik učestvuje u stvaranju amonijaka interakcijom sa azotom u reakciji ZH2 + N2 = 2NH3, ali pod uslovom da se koristi katalizator i da se poveća temperatura i pritisak.

Snažna reakcija nastaje kada vodonik reaguje sa sumporom u reakciji H2 + S = H2S, što dovodi do vodonik sulfida. Interakcija vodika sa telurom i selenom je nešto manje aktivna. Ako nema katalizatora, onda on reaguje sa čistim ugljenikom, vodonikom samo pod uslovom da se stvore visoke temperature. 2H2 + C (amorfni) = CH4 (metan). Tokom aktivnosti vodonika sa nekim alkalnim i drugim metalima dobijaju se hidridi, na primer H2 + 2Li = 2LiH.

Fizička svojstva vodonika

Vodonik je veoma lagan hemijski. Tako barem kažu naučnici ovog trenutka, nema lakše supstance od vodonika. Njegova masa je 14,4 puta lakša od vazduha, a gustina mu je 0,0899 g/l na 0°C. Na temperaturama od -259,1°C, vodik je sposoban da se topi - ovo je vrlo kritična temperatura, koja nije tipična za transformaciju većine hemijska jedinjenja iz jedne države u drugu. Samo element kao što je helijum premašuje fizička svojstva vodonika u ovom pogledu. Ukapljivanje vodonika je teško, jer je njegova kritična temperatura (-240°C). Vodonik je plin koji najviše provodi toplinu poznat čovječanstvu. Sva gore opisana svojstva su najznačajnija fizička svojstva vodonika, koje ljudi koriste u posebne svrhe. Takođe, ova svojstva su najrelevantnija za savremenu nauku.