Najpopularniejszym pierwiastkiem we wszechświecie jest wodór. W materii gwiazd ma postać jąder – protonów – i jest materiałem do procesów termojądrowych. Prawie połowa masy Słońca składa się również z cząsteczek H2. Jego treść w skorupa Ziemska osiąga 0,15%, a atomy występują w ropie, gazie ziemnym i wodzie. Razem z tlenem, azotem i węglem jest pierwiastkiem organogennym, występującym we wszystkich organizmach żywych na Ziemi. W naszym artykule zbadamy fizyczne i Właściwości chemiczne wodór, określimy główne obszary jego zastosowań w przemyśle i jego znaczenie w przyrodzie.

Pozycja w układzie okresowym pierwiastków chemicznych Mendelejewa

Pierwszym pierwiastkiem, który odkrył układ okresowy, jest wodór. Jego masa atomowa wynosi 1,0079. Ma dwa stabilne izotopy (prot i deuter) oraz jeden izotop radioaktywny (tryt). Właściwości fizyczne zależą od miejsca niemetalu w tabeli pierwiastków chemicznych. W normalnych warunkach wodór (jego wzór to H2) jest gazem prawie 15 razy lżejszym od powietrza. Struktura atomu pierwiastka jest wyjątkowa: składa się tylko z jądra i jednego elektronu. Cząsteczka substancji jest dwuatomowa, cząsteczki w niej są połączone kowalencyjnie wiązanie niepolarne. Jego energochłonność jest dość wysoka - 431 kJ. To wyjaśnia niski poziom aktywność chemiczna połączeń w normalnych warunkach. Wzór elektroniczny wodoru to: H:H.

Substancja ma również szereg właściwości, które nie mają odpowiedników wśród innych niemetali. Przyjrzyjmy się niektórym z nich.

Rozpuszczalność i przewodność cieplna

Metale najlepiej przewodzą ciepło, ale wodór jest do nich zbliżony pod względem przewodności cieplnej. Wyjaśnieniem tego zjawiska jest bardzo duża prędkość ruchu termicznego lekkich cząsteczek substancji, dlatego w atmosferze wodorowej nagrzany przedmiot wychładza się 6 razy szybciej niż w powietrzu. Związek może być dobrze rozpuszczalny w metalach, na przykład prawie 900 objętości wodoru może zostać wchłonięte przez jedną objętość palladu. Metale mogą wchodzić w reakcje chemiczne z H2, w których objawiają się właściwości utleniające wodoru. W tym przypadku powstają wodorki:

2Na + H2 = 2 NaH.

W tej reakcji atomy pierwiastka przyjmują elektrony z cząstek metalu, stając się anionami z pojedynczym ładunkiem ujemnym. Prosta substancja H2 jest w tym przypadku utleniaczem, co zwykle dla niej nie jest typowe.

Wodór jako reduktor

Tym, co łączy metale i wodór, jest nie tylko wysoka przewodność cieplna, ale także zdolność ich atomów w procesach chemicznych do oddawania własnych elektronów, czyli utleniania. Na przykład zasadowe tlenki reagują z wodorem. Reakcja redoks kończy się uwolnieniem czystego metalu i utworzeniem cząsteczek wody:

CuO + H2 = Cu + H2O.

Oddziaływanie substancji z tlenem po podgrzaniu prowadzi również do powstawania cząsteczek wody. Proces jest egzotermiczny i towarzyszy mu wydzielanie duża ilość energia cieplna. Jeśli mieszanina gazów H 2 i O 2 reaguje w stosunku 2:1, nazywa się to, ponieważ wybucha po zapaleniu:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O.

Woda jest i odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu hydrosfery, klimatu i pogody na Ziemi. Zapewnia obieg pierwiastków w przyrodzie, wspomaga wszystkie procesy życiowe organizmów – mieszkańców naszej planety.

Oddziaływanie z niemetalami

Najważniejszymi właściwościami chemicznymi wodoru są jego reakcje z pierwiastkami niemetalicznymi. Na normalne warunki są dość obojętne chemicznie, więc substancja może reagować tylko z halogenami, na przykład z fluorem lub chlorem, które są najbardziej aktywne spośród wszystkich niemetali. Zatem mieszanina fluoru i wodoru wybucha w ciemności lub na zimno, a z chlorem - po podgrzaniu lub w świetle. Produktami reakcji będą halogenowodory, których wodne roztwory znane są jako kwasy fluorkowe i chlorkowe. C oddziałuje w temperaturze 450-500 stopni, pod ciśnieniem 30-100 mPa i w obecności katalizatora:

N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH₃.

Rozważane właściwości chemiczne wodoru mają bardzo ważne dla przemysłu. Można na przykład pozyskać cenny produkt chemiczny – amoniak. Jest głównym surowcem do produkcji kwasu azotowego i nawozów azotowych: mocznika, saletry amonowej.

Materia organiczna

Pomiędzy węglem a wodorem powstaje najprostszy węglowodór – metan:

C + 2H 2 = CH 4.

Substancja jest najważniejszym składnikiem naturalnym i są one stosowane jako cenne gatunki paliwa i surowce dla przemysłu syntezy organicznej.

W chemii związków węgla pierwiastek jest częścią ogromnej liczby substancji: alkanów, alkenów, węglowodanów, alkoholi itp. Znanych jest wiele reakcji związki organiczne z cząsteczkami H2. Mają wspólną nazwę - uwodornienie lub uwodornienie. W ten sposób aldehydy można zredukować wodorem do alkoholi, nienasycone węglowodory - do alkanów. Na przykład etylen przekształca się w etan:

do 2 H. 4 + H. 2 = do 2 H. 6.

Duże znaczenie praktyczne mają właściwości chemiczne wodoru, takie jak np. uwodornienie ciekłych olejów: słonecznikowego, kukurydzianego, rzepakowego. Prowadzi to do produkcji stałego tłuszczu – smalcu, który wykorzystuje się do produkcji gliceryny, mydła, stearyny i twardej margaryny. Dla ulepszenia wygląd i smaku produktu spożywczego dodaje się do niego mleko, tłuszcze zwierzęce, cukier i witaminy.

W naszym artykule zbadaliśmy właściwości wodoru i poznaliśmy jego rolę w przyrodzie i życiu człowieka.

DEFINICJA

Wodór– pierwszy element układu okresowego pierwiastków chemicznych D.I. Mendelejew. Symbol - N.

Masa atomowa – 1 urn. Cząsteczka wodoru jest dwuatomowa – H2.

Konfiguracja elektronowa atomu wodoru to 1s 1. Wodór należy do rodziny pierwiastków S. W swoich związkach wykazuje stopnie utlenienia -1, 0, +1. Naturalny wodór składa się z dwóch stabilnych izotopów - protu 1H (99,98%) i deuteru 2H (D) (0,015%) - oraz radioaktywnego izotopu trytu 3H (T) (śladowe ilości, okres półtrwania - 12,5 lat).

Właściwości chemiczne wodoru

W zwykłych warunkach wodór cząsteczkowy wykazuje stosunkowo niski poziom reaktywność, co tłumaczy się dużą siłą wiązań w cząsteczce. Po podgrzaniu oddziałuje z prawie wszystkimi prostymi substancjami utworzonymi przez pierwiastki głównych podgrup (z wyjątkiem gazów szlachetnych, B, Si, P, Al). W reakcjach chemicznych może pełnić funkcję zarówno reduktora (częściej), jak i utleniacza (rzadziej).

Eksponaty wodorowe Właściwości środka redukującego(H 2 0 -2e → 2H +) w następujących reakcjach:

1. Reakcje oddziaływania z substancjami prostymi - niemetalami. Wodór reaguje z halogenami ponadto reakcja interakcji z fluorem w normalnych warunkach, w ciemności, z eksplozją, z chlorem - pod oświetleniem (lub promieniowaniem UV) zgodnie z mechanizmem łańcuchowym, z bromem i jodem tylko po podgrzaniu; tlen(mieszanina tlenu i wodoru w stosunku objętościowym 2:1 nazywana jest „gazem wybuchowym”), szary, azot I węgiel:

H2 + Hal2 = 2HHal;

2H2 + O2 = 2H2O + Q (t);

H2 + S = H2S (t = 150 – 300C);

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);

2H2 + C ↔ CH4 (t, p, kat).

2. Reakcje interakcji z substancje złożone. Wodór reaguje za mało tlenków metale aktywne i jest w stanie redukować tylko metale znajdujące się w szeregu aktywności na prawo od cynku:

CuO + H2 = Cu + H2O (t);

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O (t);

WO 3 + 3H 2 = W + 3H 2O (t).

Wodór reaguje z tlenkami niemetali:

H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O (t);

2H 2 + CO ↔ CH 3OH (t = 300C, p = 250 – 300 atm., kat = ZnO, Cr 2 O 3).

Wodór wchodzi w reakcje uwodornienia ze związkami organicznymi z klasy cykloalkanów, alkenów, arenów, aldehydów i ketonów itp. Wszystkie te reakcje prowadzi się przez ogrzewanie, pod ciśnieniem, stosując platynę lub nikiel jako katalizatory:

CH 2 = CH 2 + H 2 ↔ CH 3 -CH 3;

C 6 H 6 + 3 H 2 ↔ C 6 H 12;

C 3 H 6 + H 2 ↔ C 3 H 8;

CH3CHO + H2 ↔ CH3-CH2-OH;

CH3-CO-CH3 + H2 ↔ CH3-CH(OH)-CH3.

Wodór jako środek utleniający(H 2 +2e → 2H -) pojawia się w reakcjach z zasadą i metale ziem alkalicznych. W tym przypadku powstają wodorki - krystaliczne związki jonowe, w których wodór wykazuje stopień utlenienia -1.

2Na +H2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

Właściwości fizyczne wodoru

Wodór jest lekkim, bezbarwnym i bezwonnym gazem, o gęstości w warunkach otoczenia. – 0,09 g/l, 14,5 razy lżejszy od powietrza, t wrzenia = -252,8C, tpl = -259,2C. Wodór jest słabo rozpuszczalny w wodzie i rozpuszczalnikach organicznych, dobrze rozpuszcza się w niektórych metalach: niklu, palladzie, platynie.

Według współczesnej kosmochemii wodór jest najpowszechniejszym pierwiastkiem we Wszechświecie. Główną formą istnienia wodoru w przestrzeń kosmiczna– pojedyncze atomy. Wodór jest dziewiątym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem na Ziemi spośród wszystkich pierwiastków. Główna ilość wodoru na Ziemi występuje w stanie związanym – w składzie wody, ropy naftowej, gazu ziemnego, węgiel itp. Wodór rzadko występuje w postaci prostej substancji - w składzie gazów wulkanicznych.

Produkcja wodoru

Istnieją laboratoryjne i przemysłowe metody wytwarzania wodoru. Metody laboratoryjne obejmują oddziaływanie metali z kwasami (1), a także oddziaływanie glinu z wodnymi roztworami zasad (2). Wśród metody przemysłowe w produkcji wodoru ważną rolę odgrywa elektroliza wodnych roztworów zasad i soli (3) oraz konwersja metanu (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).

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ćwiczenia	Gdy 23,8 g cyny metalicznej reaguje z nadmiarem kwasu solnego wydzielono wodór w ilości wystarczającej do otrzymania 12,8 g miedzi metalicznej.Określ stopień utlenienia cyny w otrzymanym związku.
Rozwiązanie	Na podstawie struktura elektroniczna atom cyny (...5s 2 5p 2), możemy stwierdzić, że cyna charakteryzuje się dwoma stopniami utlenienia - +2, +4. Na tej podstawie tworzymy równania możliwych reakcji: Sn + 2HCl = H2 + SnCl2 (1); Sn + 4HCl = 2H2 + SnCl4 (2); CuO + H2 = Cu + H2O (3). Znajdźmy ilość substancji miedzianej: v(Cu) = m(Cu)/M(Cu) = 12,8/64 = 0,2 mol. Zgodnie z równaniem 3 ilość substancji wodorowej: v(H2) = v(Cu) = 0,2 mol. Znając masę cyny, wyznaczamy jej zawartość substancji: v(Sn) = m(Sn)/M(Sn) = 23,8/119 = 0,2 mol. Porównajmy ilości substancji cyny i wodoru zgodnie z równaniami 1 i 2 oraz zgodnie z warunkami zadania: v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (równanie 1); v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1:2 (równanie 2); v(Sn): v(H2) = 0,2:0,2 = 1:1 (stan problemowy). Dlatego cyna reaguje z kwasem solnym zgodnie z równaniem 1, a stopień utlenienia cyny wynosi +2.
Odpowiedź	Stopień utlenienia cyny wynosi +2.

PRZYKŁAD 2

Ćwiczenia	Gaz uwolniony w wyniku działania 2,0 g cynku na 18,7 ml 14,6% kwasu solnego (gęstość roztworu 1,07 g/ml) przepuszczono przez ogrzewanie nad 4,0 g tlenku miedzi(II). Jaka jest masa otrzymanej stałej mieszaniny?
Rozwiązanie	Kiedy cynk reaguje z kwasem solnym, wydziela się wodór: Zn + 2HCl = ZnСl 2 + H 2 (1), który po podgrzaniu redukuje tlenek miedzi (II) do miedzi (2): CuO + H2 = Cu + H2O. Znajdźmy ilości substancji w pierwszej reakcji: m(roztwór HCl) = 18,7. 1,07 = 20,0 g; m(HCl) = 20,0. 0,146 = 2,92 g; v(HCl) = 2,92/36,5 = 0,08 mola; v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 mola. Cynk jest deficytowy, dlatego ilość uwolnionego wodoru wynosi: v(H2) = v(Zn) = 0,031 mol. W drugiej reakcji brakuje wodoru, ponieważ: v(СuО) = 4,0/80 = 0,05 mol. W wyniku reakcji 0,031 mol CuO zamieni się w 0,031 mol Cu, a ubytek masy wyniesie: m(СuО) – m(Сu) = 0,031×80 – 0,031×64 = 0,50 g. Masa stałej mieszaniny CuO i Cu po przejściu wodoru będzie wynosić: 4,0-0,5 = 3,5 g.
Odpowiedź	Masa stałej mieszaniny CuO i Cu wynosi 3,5 g.

Wodór jest pierwszym pierwiastkiem w Układ okresowy pierwiastki chemiczne, ma liczbę atomową 1 i względną masa atomowa 1.0079. Jakie są właściwości fizyczne wodoru?

Właściwości fizyczne wodoru

W tłumaczeniu z łaciny wodór oznacza „rodzić wodę”. Już w 1766 roku angielski naukowiec G. Cavendish zebrał „palne powietrze” uwalniane podczas działania kwasów na metale i zaczął badać jego właściwości. W 1787 r. A. Lavoisier określił to „palne powietrze” jako nowe pierwiastek chemiczny, który jest częścią wody.

Ryż. 1. A. Lavoisier.

Wodór posiada 2 stabilne izotopy – prot i deuter oraz radioaktywny – tryt, których ilość na naszej planecie jest bardzo mała.

Wodór jest najobficiej występującym pierwiastkiem w kosmosie. Głównym pierwiastkiem Słońca i większości gwiazd jest wodór. Gaz ten występuje także w wodzie, ropie i gazie ziemnym. Całkowita zawartość wodoru na Ziemi wynosi 1%.

Ryż. 2. Wzór wodoru.

Atom tej substancji zawiera jądro i jeden elektron. Kiedy wodór traci elektron, tworzy dodatnio naładowany jon, to znaczy wykazuje właściwości metaliczne. Ale atom wodoru może nie tylko stracić, ale także zyskać elektron. Pod tym względem jest bardzo podobny do halogenów. Dlatego wodór w układzie okresowym należy do obu grup I i ​​VII. Niemetaliczne właściwości wodoru są bardziej wyraźne.

Cząsteczka wodoru składa się z dwóch atomów połączonych wiązaniem kowalencyjnym

W normalnych warunkach wodór jest bezbarwnym pierwiastkiem gazowym, który jest bezwonny i pozbawiony smaku. Jest 14 razy lżejszy od powietrza, a jego temperatura wrzenia wynosi -252,8 stopnia Celsjusza.

Tabela „Właściwości fizyczne wodoru”

Z wyjątkiem właściwości fizyczne Wodór ma także szereg właściwości chemicznych. Wodór po podgrzaniu lub pod wpływem katalizatorów reaguje z metalami i niemetalami, siarką, selenem, tellurem, a także może redukować tlenki wielu metali.

Produkcja wodoru

Spośród przemysłowych metod wytwarzania wodoru (z wyjątkiem elektrolizy wodnych roztworów soli) należy zwrócić uwagę na:

• przepuszczanie pary wodnej przez rozżarzony węgiel o temperaturze 1000 stopni:

• konwersja metanu parą wodną w temperaturze 900 stopni:

CH4+2H2O=CO2+4H2

Uogólniający schemat „WODÓR”

I. Wodór jest pierwiastkiem chemicznym

a) Stanowisko w PSHE

• numer seryjny nr 1
• okres 1
• grupa I (główna podgrupa „A”)
• masa względna Ar(H)=1
• Nazwa łacińska Hydrogenium (rodząca wodę)

b) Występowanie wodoru w przyrodzie

Wodór jest pierwiastkiem chemicznym.	W skorupie ziemskiej(litosfera i hydrosfera) – 1% wagowo (10 miejsce wśród wszystkich elementów)
	ATMOSFERA - 0,0001% liczby atomów
	Najczęstszy pierwiastek we wszechświecie – 92% wszystkich atomów (główny część gwiazdy i gaz międzygwiazdowy)

Wodór jest substancją chemiczną element	W połączeniach	H2O - woda(11% wagowo)
		CH 4 – metan(25% wagowo)
		Materia organiczna (ropa, palne gazy ziemne i inne) W organizmach zwierzęcych i roślinnych(to jest w skład białka, kwasy nukleinowe, tłuszcze, węglowodany i inne) W ludzkim cieleśrednio zawiera około 7 kilogramów wodoru.

c) Wartościowość wodoru w związkach

II. Wodór jest substancją prostą (H2)

Paragon

1. Laboratorium (aparat Kippa) A) Oddziaływanie metali z kwasami: Zn+ 2HCl = ZnCl2 + H2 sól B) Oddziaływanie metali aktywnych z wodą: 2Na + 2H 2 O = 2 NaOH + H 2 baza

2. Przemysł · Elektroliza wody e-mail aktualny 2H2O =2H2 + O2 · Z gazu ziemnego t, Ni CH4 + 2H2O=4H2+CO2

Znalezienie wodoru w przyrodzie.

Wodór jest szeroko rozpowszechniony w przyrodzie, jego zawartość w skorupie ziemskiej (litosferze i hydrosferze) wynosi 1% masowy i 16% liczby atomów. Wodór jest częścią najpowszechniejszej substancji na Ziemi – wody (11,19% masowych wodoru), w składzie związków tworzących węgiel, ropę naftową, gazy ziemne, gliny, a także organizmów zwierzęcych i roślinnych (tj. skład białek, kwasów nukleinowych, tłuszczów, węglowodanów i innych). Wodór występuje niezwykle rzadko w postaci wolnej; występuje w małych ilościach w gazach wulkanicznych i innych gazach naturalnych. W atmosferze obecne są niewielkie ilości wolnego wodoru (0,0001% liczby atomów). W przestrzeni bliskiej Ziemi wodór w postaci strumienia protonów tworzy wewnętrzny („protonowy”) pas radiacyjny Ziemi. W kosmosie najpowszechniej występującym pierwiastkiem jest wodór. W postaci plazmy stanowi około połowę masy Słońca i większości gwiazd, większość gazów ośrodka międzygwiazdowego i mgławic gazowych. Wodór występuje w atmosferze wielu planet i komet w postaci wolnego H 2, metanu CH 4, amoniaku NH 3, wody H 2 O i rodników. Wodór w postaci strumienia protonów wchodzi w skład promieniowania korpuskularnego Słońca i promieni kosmicznych.

Istnieją trzy izotopy wodoru:
a) lekki wodór - prot,
b) wodór ciężki – deuter (D),
c) superciężki wodór – tryt (T).

Tryt jest izotopem niestabilnym (radioaktywnym), dlatego praktycznie nigdy nie występuje w przyrodzie. Deuter jest stabilny, ale jest bardzo mały: 0,015% (masy całego ziemskiego wodoru).

Wartościowość wodoru w związkach

W związkach wodór wykazuje wartościowość I.

Właściwości fizyczne wodoru

Prosta substancja wodór (H 2) jest gazem lżejszym od powietrza, bezbarwnym, bez zapachu, bez smaku, o temperaturze wrzenia = – 253 0 C, wodór jest nierozpuszczalny w wodzie, palny. Wodór można zebrać wypierając powietrze z probówki lub wody. W takim przypadku probówkę należy odwrócić do góry nogami.

Produkcja wodoru

W laboratorium w wyniku reakcji powstaje wodór

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2.

Zamiast cynku można użyć żelaza, aluminium i niektórych innych metali, a zamiast kwasu siarkowego można użyć innych rozcieńczonych kwasów. Powstały wodór zbiera się w probówce poprzez wyparcie wody (patrz ryc. 10.2 b) lub po prostu w odwróconej kolbie (ryc. 10.2 a).

W przemyśle wodór produkowany jest w dużych ilościach z gazu ziemnego (głównie metanu) w drodze reakcji z parą wodną w temperaturze 800°C w obecności katalizatora niklowego:

CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 (t, Ni)

lub obróbka węgla w wysokiej temperaturze parą wodną:

2H 2 O + C = 2H 2 + CO 2. (T)

Czysty wodór otrzymuje się z wody poprzez jej rozkład wstrząs elektryczny(podlegające elektrolizie):

2H 2 O = 2H 2 + O 2 (elektroliza).

Charakterystyka s-elementów

Blok s-elementów obejmuje 13 elementów, których cechą wspólną jest budowanie zewnętrznego poziomu energii w ich atomach podpoziomu s.

Choć wodór i hel zaliczane są do pierwiastków S, to ze względu na specyfikę ich właściwości należy je rozpatrywać oddzielnie. Wodór, sód, potas, magnez, wapń są niezbędnymi pierwiastkami.

Związki pierwiastków s wykazują ogólne wzorce swoich właściwości, co tłumaczy się podobieństwem struktury elektronowej ich atomów. Wszystkie elektrony zewnętrzne są elektronami walencyjnymi i biorą udział w tworzeniu wiązań chemicznych. Dlatego maksymalny stopień utlenienia tych pierwiastków w związkach jest równy numer elektronów w warstwie zewnętrznej i jest odpowiednio równa numerowi grupy, w której znajduje się pierwiastek. Stopień utlenienia metali pierwiastków S jest zawsze dodatni. Inną cechą jest to, że po oddzieleniu elektronów warstwy zewnętrznej pozostaje jon z powłoką gazu szlachetnego. Kiedy wzrasta numer seryjny pierwiastka, promień atomowy, energia jonizacji maleje (z 5,39 eV y Li do 3,83 eV y Fr), a aktywność redukcyjna pierwiastków wzrasta.

Zdecydowana większość związków s-pierwiastków jest bezbarwna (w przeciwieństwie do związków d-pierwiastków), ponieważ przejście d-elektronów z niskich poziomy energii na wyższy poziom energii.

Związki pierwiastków z grup IA - IIA są typowymi solami, w roztworze wodnym prawie całkowicie dysocjują na jony i nie ulegają hydrolizie kationowej (z wyjątkiem soli Be 2+ i Mg 2+).

kowalencyjny jonowy wodorowodoru

Kompleksowanie nie jest typowe dla jonów pierwiastka s. Krystaliczne kompleksy s - pierwiastków z ligandami H 2 O-krystaliczne hydraty znane są już od czasów starożytnych, np.: Na 2 B 4 O 7 10H 2 O-boraks, KAl (SO 4) 2 12H 2 O-alun. Cząsteczki wody w krystalicznych hydratach są zgrupowane wokół kationu, ale czasami całkowicie otaczają anion. Ze względu na mały ładunek jonowy i duży promień jonów metale alkaliczne są najmniej podatne na tworzenie kompleksów, w tym kompleksów wodnych. Jako środki kompleksujące w złożone związki Jony litu, berylu i magnezu mają niską stabilność.

Wodór. Właściwości chemiczne wodoru

Wodór jest najlżejszym pierwiastkiem S. Jego elektroniczna Konfiguracja w stanie podstawowym 1S 1. Atom wodoru składa się z jednego protonu i jednego elektronu. Osobliwością wodoru jest to, że jego elektron walencyjny znajduje się bezpośrednio w sferze działania jądra atomowego. Wodór nie ma pośredniej warstwy elektronowej, dlatego wodoru nie można uznać za elektroniczny analog metali alkalicznych.

Podobnie jak metale alkaliczne, wodór jest środkiem redukującym i wykazuje stopień utlenienia +1. Widma wodoru są podobne do widm metali alkalicznych. Tym, co upodabnia wodór do metali alkalicznych, jest jego zdolność do wytwarzania uwodnionego, dodatnio naładowanego jonu H+ w roztworach.

Podobnie jak halogen, atomowi wodoru brakuje jednego elektronu. To określa istnienie jonu wodorkowego H.

Dodatkowo, podobnie jak atomy halogenu, atomy wodoru charakteryzują się wysoką energią jonizacji (1312 kJ/mol). Zatem wodór zajmuje szczególną pozycję w układzie okresowym pierwiastków.

Wodór jest najobficiej występującym pierwiastkiem we wszechświecie, stanowiącym nawet połowę masy Słońca i większości gwiazd.

Na Słońcu i innych planetach wodór występuje w stanie atomowym, w ośrodku międzygwiazdowym w postaci częściowo zjonizowanych cząsteczek dwuatomowych.

Wodór ma trzy izotopy; prot 1 H, deuter 2 D i tryt 3 T, a tryt jest izotopem radioaktywnym.

Cząsteczki wodoru wyróżniają się dużą wytrzymałością i niską polaryzowalnością, niewielkimi rozmiarami i małą masą oraz dużą ruchliwością. Dlatego wodór ma bardzo niskie temperatury topnienie (-259,2 o C) i wrzenie (-252,8 o C). Ze względu na wysoką energię dysocjacji (436 kJ/mol) rozpad cząsteczek na atomy zachodzi w temperaturach powyżej 2000 o C. Wodór jest gazem bezbarwnym, bezwonnym i bez smaku. Ma niską gęstość - 8,99·10 -5 g/cm. Pod bardzo wysokim ciśnieniem wodór przechodzi w stan metaliczny. Uważa się, że na odległych planetach Układ Słoneczny- Na Jowiszu i Saturnie wodór występuje w stanie metalicznym. Zakłada się, że w składzie jądra Ziemi znajduje się także wodór metaliczny, który występuje pod ultrawysokim ciśnieniem wytwarzanym przez płaszcz Ziemi.

Właściwości chemiczne. W temperaturze pokojowej wodór cząsteczkowy reaguje tylko z fluorem, po napromieniowaniu światłem - z chlorem i bromem oraz po podgrzaniu z O 2, S, Se, N 2, C, I 2.

Reakcje wodoru z tlenem i halogenami przebiegają według mechanizmu radykalnego.

Oddziaływanie z chlorem jest przykładem reakcji nierozgałęzionej po naświetleniu światłem (aktywacja fotochemiczna) lub po podgrzaniu (aktywacja termiczna).

Сl+ H2 = HCl + H (rozwój łańcucha)

H+ Cl2 = HCl + Cl

Wybuch gazu detonującego – mieszaniny wodoru i tlenu – jest przykładem procesu o łańcuchu rozgałęzionym, gdy inicjacja łańcucha obejmuje nie jeden, ale kilka etapów:

H2 + O2 = 2OH

H+O2 = OH+O

O+ H2 = OH+ H

OH + H. 2 = H. 2O + H

Procesu eksplozji można uniknąć, jeśli pracuje się z czystym wodorem.

Ponieważ wodór charakteryzuje się dodatnim (+1) i ujemnym (-1) stopniem utlenienia, wodór może wykazywać zarówno właściwości redukujące, jak i utleniające.

Właściwości redukujące wodoru objawiają się podczas interakcji z niemetalami:

H 2 (g) + Cl 2 (g) = 2HCl (g),

2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (g),

Reakcje te przebiegają z wydzieleniem dużej ilości ciepła, co świadczy o dużej energii (wytrzymałości) wiązań H-Cl, H-O. Dlatego wodór wykazuje właściwości redukujące w stosunku do wielu tlenków i halogenków, np.:

Jest to podstawa do wykorzystania wodoru jako środka redukującego do uzyskania proste substancje z tlenków halogenków.

Jeszcze silniejszym środkiem redukującym jest wodór atomowy. Powstaje w wyniku molekularnego wyładowania elektronów w warunkach niskiego ciśnienia.

Wodór ma wysoką aktywność redukującą w momencie uwolnienia podczas oddziaływania metalu z kwasem. Wodór ten redukuje CrCl 3 do CrCl 2:

2CrCl 3 + 2HCl + 2Zn = 2CrCl 2 + 2ZnCl 2 +H 2 ^

Ważna jest interakcja wodoru z tlenkiem azotu (II):

2NO + 2H2 = N2 + H2O

Stosowany w układach oczyszczania do produkcji kwasu azotowego.

Jako utleniacz wodór oddziałuje z aktywnymi metalami:

W tym przypadku wodór zachowuje się jak halogen, tworząc podobnie do halogenków wodorki.

Wodorki pierwiastków s grupy I mają strukturę jonową typu NaCl. Chemicznie wodorki jonowe zachowują się jak związki zasadowe.

Wodorki kowalencyjne obejmują wodorki pierwiastków niemetalicznych, które są mniej elektroujemne niż sam wodór, na przykład wodorki o składzie SiH4, BH3, CH4. Z natury chemicznej wodorki niemetali są związkami kwasowymi.

Cechą charakterystyczną hydrolizy wodorków jest wydzielanie się wodoru, reakcja przebiega poprzez mechanizm redoks.

Zasadowy wodorek

Wodorek kwasowy

W wyniku uwolnienia wodoru hydroliza przebiega całkowicie i nieodwracalnie (?H<0, ?S>0). W tym przypadku zasadowe wodorki tworzą zasadę, a wodorki kwasowe tworzą kwas.

Potencjał standardowy układu wynosi B. Dlatego jon H jest silnym czynnikiem redukującym.

W laboratorium wodór wytwarza się w wyniku reakcji cynku z 20% kwasem siarkowym w aparacie Kippa.

Cynk techniczny często zawiera drobne domieszki arsenu i antymonu, które w momencie uwolnienia się pod wpływem wodoru ulegają redukcji do trujących gazów: arsyny SbH 3 i stabiny SbH. Wodór ten może zatruć. W przypadku chemicznie czystego cynku reakcja przebiega powoli z powodu przepięcia i nie można uzyskać dobrego prądu wodoru. Szybkość tej reakcji zwiększa się przez dodanie kryształów siarczanu miedzi; reakcję przyspiesza się przez utworzenie pary galwanicznej Cu-Zn.

Bardziej czysty wodór powstaje w wyniku działania zasad na krzem lub aluminium po podgrzaniu:

W przemyśle czysty wodór wytwarza się poprzez elektrolizę wody zawierającej elektrolity (Na 2 SO 4, Ba (OH) 2).

Podczas elektrolizy powstają duże ilości wodoru jako produktu ubocznego roztwór wodny chlorek sodu z przeponą oddzielającą przestrzeń katodową i anodową,

Największą ilość wodoru uzyskuje się poprzez zgazowanie paliwa stałego (antracytu) przegrzaną parą wodną:

Lub przez konwersję gazu ziemnego (metanu) parą przegrzaną:

Powstała mieszanina (gaz syntezowy) wykorzystywana jest do produkcji wielu związków organicznych. Wydajność wodoru można zwiększyć przepuszczając gaz syntezowy przez katalizator, który przekształca CO w CO2.

Aplikacja. Do syntezy amoniaku zużywane są duże ilości wodoru. Do produkcji chlorowodoru i kwasu solnego, do uwodornienia tłuszczów roślinnych, do redukcji metali (Mo, W, Fe) z tlenków. Płomień wodorowo-tlenowy służy do spawania, cięcia i topienia metali.

Ciekły wodór wykorzystywany jest jako paliwo rakietowe. Paliwo wodorowe jest przyjazny dla środowiska i bardziej energochłonny niż benzyna, dzięki czemu w przyszłości może zastąpić produkty naftowe. Już kilkaset samochodów na świecie napędzanych jest wodorem. Problematyka energii wodorowej wiąże się z magazynowaniem i transportem wodoru. Wodór magazynowany jest w podziemnych cysternach w stanie ciekłym pod ciśnieniem 100 atm. Transport dużych ilości ciekłego wodoru stwarza poważne ryzyko.