Vesinik H on keemiline element, üks levinumaid meie universumis. Vesiniku kui elemendi mass ainete koostises moodustab 75% teist tüüpi aatomite kogusisaldusest. See sisaldub planeedi kõige olulisemas ja elutähtsamas ühenduses - vees. Vesiniku eripäraks on ka see, et see on esimene element D. I. Mendelejevi keemiliste elementide perioodilises süsteemis.
Avastamine ja uurimine
Esimesed viited vesinikule Paracelsuse kirjutistes pärinevad 16. sajandist. Kuid selle eraldamise õhugaasi segust ja põletusomadusi uuris juba XVII sajandil teadlane Lemery. Vesinikku uuris põhjalikult inglise keemik, füüsik ja loodusteadlane Henry Cavendish, kes katseliselt tõestas, et vesiniku mass on võrreldes teiste gaasidega väikseim. Teaduse arengu järgmistel etappidel töötasid temaga koos paljud teadlased, eriti Lavoisier, kes nimetas teda "vee sünnitajaks".
Iseloomulik vastav alt positsioonile PSHE-s
Element, mis avanebD. I. Mendelejevi perioodilisustabel, on vesinik. Aatomi füüsikalistes ja keemilistes omadustes on teatav duaalsus, kuna vesinik kuulub samaaegselt esimesse rühma, peamisse alarühma, kui see käitub nagu metall ja annab keemilise reaktsiooni käigus ära ühe elektroni. seitsmes - valentskesta täieliku täitmise korral, st vastuvõtu negatiivse osakese puhul, mis iseloomustab seda kui sarnast halogeenidega.
Elemendi elektroonilise struktuuri omadused
Vesinikuaatomi, keeruliste ainete, mille osa sees on, ja kõige lihtsama aine H2 omadused määratakse peamiselt vesiniku elektronkonfiguratsiooniga. Osakesel on üks elektron, mille Z=(-1), mis pöörleb oma orbiidil ümber tuuma, sisaldades üht massiühiku ja positiivse laenguga (+1) prootonit. Selle elektrooniline konfiguratsioon on kirjutatud kujul 1s1, mis tähendab ühe negatiivse osakese olemasolu vesiniku kõige esimeses ja ainsas s-orbitaalis.
Kui elektron eraldatakse või antakse ära ja selle elemendi aatomil on selline omadus, et see on seotud metallidega, saadakse katioon. Tegelikult on vesinikuioon positiivne elementaarosake. Seetõttu nimetatakse vesinikku, millel puudub elektron, lihts alt prootoniks.
Füüsikalised omadused
Kui kirjeldame lühid alt vesiniku füüsikalisi omadusi, siis on see värvitu, kergelt lahustuv gaas, mille suhteline aatommass on 2,14,5 korda õhust kergem ja mille temperatuur onveeldamine -252,8 kraadi Celsiuse järgi.
Kogemusest on lihtne aru saada, et H2 on kõige lihtsam. Selleks piisab, kui täita kolm palli erinevate ainetega - vesinik, süsihappegaas, tavaline õhk - ja vabastada need samaaegselt käest. CO2-ga täidetud jõuab maapinnale kiiremini kui keegi teine, pärast seda laskub täispuhutud õhusegu alla ja see, mis sisaldab H2 tõuseb lakke.
Vesinikuosakeste väike mass ja suurus õigustavad selle võimet tungida läbi erinevate ainete. Sama palli näitel on seda lihtne kontrollida, paari päevaga tühjeneb see ise, kuna gaas läheb lihts alt kummist läbi. Samuti võib vesinik koguneda mõne metalli (pallaadium või plaatina) struktuuri ja se alt aurustuda temperatuuri tõustes.
Vesiniku madala lahustuvuse omadust kasutatakse laboripraktikas selle eraldamiseks vee väljatõrjumise meetodil. Vesiniku füüsikalised omadused (allpool olev tabel sisaldab peamisi parameetreid) määravad ära selle kasutusala ja tootmismeetodid.
| Lihtaine aatomi või molekuli parameeter | Tähendus |
| Aatommass (moolmass) | 1,008 g/mol |
| Elektrooniline konfiguratsioon | 1s1 |
| Kristallvõre | Kuusnurkne |
| Soojusjuhtivus | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Tihedus n juures. y. | 0, 08987 g/l |
| Keemistemperatuur | -252, 76 °C |
| Konkreetne kütteväärtus | 120, 9 106 J/kg |
| Sulamistemperatuur | -259, 2 °C |
| Vees lahustuvus | 18, 8 ml/L |
Isotoopkoostis
Nagu paljudel teistel keemiliste elementide perioodilise süsteemi esindajatel, on vesinikul mitu looduslikku isotoopi, st aatomeid, mille tuumas on sama arv prootoneid, kuid erinev arv neutroneid - nulllaengu ja ühikuga osakesed mass. Selle omadusega aatomid on näiteks hapnik, süsinik, kloor, broom ja teised, sealhulgas radioaktiivsed.
Selle rühma kõige levinuma esindaja vesiniku füüsikalised omadused 1H erinevad oluliselt tema kolleegide samadest omadustest. Eelkõige erinevad ainete omadused, milles need sisalduvad. Niisiis on olemas tavaline ja deutereeritud vesi, mis sisaldab oma koostises ühe prootoniga vesinikuaatomi asemel deuteeriumi 2H - selle isotoopi kahe elementaarosakesega: positiivse ja laenguta. See isotoop on kaks korda raskem kui tavaline vesinik, mis seletab nendest moodustatavate ühendite omaduste põhimõttelist erinevust. Looduses on deuteerium 3200 korda haruldasem kui vesinik. Kolmas esindaja on triitium 3Н, selle tuumas on kaks neutronit ja üks prooton.
Hangimise ja valimise meetodid
Laboratoorsed ja tööstuslikud meetodid vesiniku tootmiseks on väga erinevad. Jah, väikestes kogustesgaasi toodetakse peamiselt mineraalidega seotud reaktsioonide kaudu, samas kui suuremahulises tootmises kasutatakse suuremal määral orgaanilist sünteesi.
Laboris kasutatakse järgmisi keemilisi koostoimeid:
- Leelis- ja leelismuldmetallide reaktsioon veega, moodustades leelise ja soovitud gaasi.
- Elektrolüüdi vesilahuse elektrolüüs, H2↑ vabaneb anoodil ja hapnik vabaneb katoodil.
- Leelismetallide hüdriidide lagunemine veega, saadused on leelised ja vastav alt H-gaas2↑.
- Lahjendatud hapete reaktsioon metallidega soolade ja H2↑.
- Leeliste toime ränile, alumiiniumile ja tsingile soodustab ka vesiniku vabanemist paralleelselt komplekssoolade moodustumisega.
Tööstushuvides saadakse gaasi järgmistel meetoditel:
- Metaani termiline lagunemine katalüsaatori juuresolekul selle koostisosadeks olevateks lihtaineteks (350 kraadi saavutab sellise indikaatori väärtuse nagu temperatuur) - vesinik H2↑ ja süsinik C.
- Aurulise vee juhtimine läbi koksi 1000 kraadi Celsiuse järgi, moodustades süsinikdioksiidi CO2 ja H2↑ (kõige levinum meetod)
- Gaasilise metaani muundamine nikkelkatalüsaatoril temperatuuril kuni 800 kraadi.
- Vesinik on kaalium- või naatriumkloriidi vesilahuste elektrolüüsi kõrvalsaadus.
Keemilineinteraktsioonid: üldistused
Vesiniku füüsikalised omadused seletavad suuresti selle käitumist reaktsiooniprotsessides ühe või teise ühendiga. Vesiniku valents on 1, kuna see asub perioodilisuse tabeli esimeses rühmas ja oksüdatsiooniaste näitab teistsugust. Kõigis ühendites, välja arvatud hüdriidides, on vesinik s.o.=(1+), sellistes molekulides nagu ХН, ХН2, ХН3 – (1 -).
Gaasi vesiniku molekul, mis moodustub üldistatud elektronpaari loomisel, koosneb kahest aatomist ja on energeetiliselt üsna stabiilne, mistõttu on see tavatingimustes mõnevõrra inertne ja läheb normaalsete tingimuste muutumisel reaktsioonidesse. Sõltuv alt vesiniku oksüdatsiooniastmest teiste ainete koostises võib see toimida nii oksüdeeriva ainena kui ka redutseerijana.
Ained, millega see reageerib ja moodustab vesinikku
Elementide vastastikmõju keerukate ainete moodustamiseks (sageli kõrgel temperatuuril):
- Leelis- ja leelismuldmetall + vesinik=hüdriid.
- Halogeen + H2=vesinikhalogeniid.
- Väävel + vesinik=vesiniksulfiid.
- Hapnik + H2=vesi.
- Süsinik + vesinik=metaan.
- Lämmastik + H2=ammoniaak.
Koosmõju keeruliste ainetega:
- Sünteesgaasi tootmine süsinikmonooksiidist ja vesinikust.
- Metallide eraldamine nende oksiididest, kasutades H2.
- Küllastumata alifaatsete ainete küllastumine vesinikugasüsivesinikud.
Vesinikside
Vesiniku füüsikalised omadused on sellised, et need võimaldavad tal koos elektronegatiivse elemendiga moodustada eri tüüpi sideme sama aatomiga naabermolekulidest, millel on jagamata elektronpaarid (näiteks hapnik, lämmastik ja fluor). Selgeim näide, mille põhjal sellist nähtust on parem käsitleda, on vesi. Võib öelda, et see on õmmeldud vesiniksidemetega, mis on nõrgemad kui kovalentsed või ioonsed, kuid tänu sellele, et neid on palju, mõjutavad need oluliselt aine omadusi. Põhimõtteliselt on vesiniksideme puhul tegemist elektrostaatilise interaktsiooniga, mis seob veemolekulid dimeerideks ja polümeerideks, põhjustades selle kõrge keemistemperatuuri.
Vesinik mineraalsetes ühendites
Kõigi anorgaaniliste hapete koostis sisaldab prootonit – aatomi, näiteks vesiniku, katiooni. Ainet, mille happejäägi oksüdatsiooniaste on suurem kui (-1), nimetatakse mitmealuseliseks ühendiks. See sisaldab mitut vesinikuaatomit, mis muudab dissotsiatsiooni vesilahustes mitmeastmeliseks. Iga järgnev prooton eraldub ülejäänud happest üha raskemini. Söötme happesus määratakse vesiniku kvantitatiivse sisalduse järgi.
Vesinik sisaldab ka aluste hüdroksüülrühmi. Nendes on vesinik ühendatud hapnikuaatomiga, mille tulemusena on selle leelisejäägi oksüdatsiooniaste alati võrdne (-1). Hüdroksüülide sisaldus söötmes määrab selle aluselisuse.
Kasutamine inimtegevuses
Ainega balloonid, aga ka muude veeldatud gaaside, näiteks hapnikuga mahutid, on spetsiifilise välimusega. Need on värvitud tumeroheliseks ja helepunase kirjaga "Hydrogen". Gaas pumbatakse silindrisse rõhu all umbes 150 atmosfääri. Vesiniku füüsikalisi omadusi, eriti gaasilise agregatsiooni oleku kergust, kasutatakse selle täitmiseks heeliumi õhupallide, õhupallide jne segus.
Vesinikku, mille füüsikalisi ja keemilisi omadusi õppisid inimesed kasutama aastaid tagasi, kasutatakse praegu paljudes tööstusharudes. Suurem osa sellest läheb ammoniaagi tootmiseks. Vesinik osaleb ka metallide (hafnium, germaanium, gallium, räni, molübdeen, volfram, tsirkoonium jt) tootmisel oksiididest, toimides reaktsioonis redutseeriva ainena, vesiniktsüaniid- ja vesinikkloriidhapetest, metüülalkoholist ja tehisvedelikust. kütust. Toiduainetööstus kasutab seda taimeõlide muutmiseks tahketeks rasvadeks.
Määras vesiniku keemilised omadused ja kasutuse mitmesugustes rasvade, söe, süsivesinike, õlide ja kütteõli hüdrogeenimise ja hüdrogeenimise protsessides. Selle abil toodetakse vääriskive, hõõglampe, sepistatakse ja keevitatakse metalltooteid hapniku-vesiniku leegi mõjul.
