Wodór – co to jest? Właściwości i znaczenie. Elementarne formy molekularne

Najbardziej powszechnym pierwiastkiem chemicznym we Wszechświecie jest wodór. Jest to osobny punkt wyjścia, ponieważ w układzie okresowym tak jest Liczba atomowa równa się jeden. Ludzkość ma nadzieję, że będzie mogła dowiedzieć się o nim więcej jako o jednym z najbardziej możliwych wehikułów przyszłości. Wodór jest najprostszym, najlżejszym, najpowszechniejszym pierwiastkiem, wszędzie jest go dużo – siedemdziesiąt pięć procent całkowitej masy materii. Występuje w każdej gwieździe, zwłaszcza w gazowych olbrzymach. Jego rola w reakcjach syntezy gwiazd jest kluczowa. Bez wodoru nie ma wody, co oznacza, że ​​nie ma życia. Wszyscy pamiętają, że cząsteczka wody zawiera jeden atom tlenu, a dwa atomy to wodór. Jest to dobrze znany wzór H 2 O.

Jak go używamy

Wodór został odkryty w 1766 roku przez Henry'ego Cavendisha podczas analizy reakcji utleniania metalu. Po kilku latach obserwacji zdał sobie sprawę, że podczas spalania wodoru powstaje woda. Wcześniej naukowcy izolowali ten pierwiastek, ale nie uważali go za niezależny. W 1783 r. wodór otrzymał nazwę wodór (przetłumaczoną z greckiego „hydro” – woda i „gen” – rodzić). Pierwiastkiem wytwarzającym wodę jest wodór. Jest to gaz, którego wzór cząsteczkowy to H2. Jeśli temperatura jest zbliżona do temperatury pokojowej, a ciśnienie jest w normie, element ten jest niezauważalny. Wodór może być nawet niewyczuwalny przez ludzkie zmysły – jest bez smaku, bezbarwny i bezwonny. Jednak pod ciśnieniem i w temperaturze -252,87 C (bardzo zimno!) gaz ten ulega skropleniu. W ten sposób jest przechowywany, ponieważ w postaci gazu zajmuje znacznie więcej miejsca. Ciekły wodór wykorzystywany jest jako paliwo rakietowe.

Wodór może stać się stały, metaliczny, ale wymaga to bardzo wysokiego ciśnienia i właśnie tym zajmują się obecnie najwybitniejsi naukowcy - fizycy i chemicy. Już teraz pierwiastek ten służy jako paliwo alternatywne w transporcie. Jego zastosowanie jest podobne do działania silnika spalinowego: podczas spalania wodoru uwalniana jest jego duża ilość energia chemiczna. Opracowano również w praktyce sposób budowy ogniwa paliwowego na jego bazie: w połączeniu z tlenem zachodzi reakcja, w wyniku której powstaje woda i prąd. Być może wkrótce transport „przełączy się” z benzyny na wodór - wielu producentów samochodów jest zainteresowanych tworzeniem alternatywnych materiałów palnych i są sukcesy. Jednak silnik wyłącznie wodorowy to dopiero przyszłość, wiąże się to z wieloma trudnościami. Jednak zalety są takie, że tworzenie zbiornika paliwa na stały wodór idzie pełną parą, a naukowcy i inżynierowie nie zamierzają się cofać.

Podstawowe informacje

Wodór (łac.) - najpierw wodór numer seryjny w układzie okresowym, oznaczony jako H. Atom wodoru ma masę 1,0079, jest to gaz, który nie ma normalne warunki bez smaku, bez zapachu, bez koloru. Chemicy już od XVI wieku opisali pewne palny gaz, oznaczając to inaczej. Ale zadziałało dla wszystkich w tych samych warunkach – kiedy metal został wystawiony na działanie kwasu. Wodór, nawet sam Cavendish, przez wiele lat nazywany był po prostu „łatwopalnym powietrzem”. Dopiero w 1783 roku Lavoisier poprzez syntezę i analizę udowodnił, że woda ma złożony skład, a cztery lata później nadał „palnemu powietrzu” współczesną nazwę. Korzeń tego słowo złożone jest szeroko stosowany, gdy konieczne jest nazwanie związków wodoru i wszelkich procesów, w których bierze udział. Na przykład uwodornienie, wodorek i tym podobne. A Imię rosyjskie zaproponowany w 1824 r. przez M. Sołowjowa.

W naturze rozkład tego pierwiastka nie ma sobie równych. W litosferze i hydrosferze skorupy ziemskiej jej masa wynosi jeden procent, ale atomy wodoru aż szesnaście procent. Na Ziemi występuje najwięcej wody, a 11,19% jej masy stanowi wodór. Z pewnością jest również obecny w prawie wszystkich związkach tworzących ropę naftową, węgiel, wszystkie gazy ziemne i glinę. Wodór występuje we wszystkich organizmach roślin i zwierząt - w białkach, tłuszczach, kwasach nukleinowych, węglowodanach i tak dalej. Stan wolny nie jest typowy dla wodoru i prawie nigdy nie występuje – w gazach naturalnych i wulkanicznych jest go bardzo mało. Bardzo niewielka ilość wodoru w atmosferze wynosi 0,0001% w przeliczeniu na liczbę atomów. Jednak całe strumienie protonów reprezentują wodór w przestrzeni bliskiej Ziemi, która tworzy wewnętrzny pas radiacyjny naszej planety.

Przestrzeń

Żaden pierwiastek nie jest tak powszechny w kosmosie jak wodór. Objętość wodoru w pierwiastkach Słońca stanowi ponad połowę jego masy. Większość gwiazd wytwarza wodór w postaci plazmy. Większość różnych gazów mgławic i ośrodka międzygwiazdowego również składa się z wodoru. Występuje w kometach i atmosferach wielu planet. Naturalnie, że nie czysta forma, - czasami jako wolny H 2 , czasami jako metan CH 4 , czasami jako amoniak NH 3 , nawet jak woda H 2 O. Rodniki CH, NH, SiN, OH, PH i tym podobne są bardzo powszechne. Jako strumień protonów wodór jest częścią korpuskularnego promieniowania słonecznego promieniowanie kosmiczne.

W zwykłym wodorze mieszaniną dwóch stabilnych izotopów jest lekki wodór (lub prot 1H) i ciężki wodór (lub deuter - 2H lub D). Istnieją inne izotopy: radioaktywny tryt - 3H lub T, w przeciwnym razie - superciężki wodór. A także bardzo niestabilny 4 N. W naturze związek wodoru zawiera izotopy w następujących proporcjach: na jeden atom deuteru przypada 6800 atomów protu. Tryt powstaje w atmosferze z azotu, na który wpływają neutrony promieni kosmicznych, ale w znikomych ilościach. Co oznaczają liczby masowe izotopów? Liczba wskazuje, że jądro protu ma tylko jeden proton, podczas gdy deuter ma w jądrze atomowym nie tylko proton, ale także neutron. Tryt w swoim jądrze ma już dwa neutrony na każdy proton. Ale 4H zawiera trzy neutrony na proton. Dlatego właściwości fizyczne i chemiczne izotopów wodoru są bardzo odmienne w porównaniu z izotopami wszystkich pozostałych pierwiastków - różnica w masach jest zbyt duża.

Struktura i właściwości fizyczne

Budowa atomu wodoru jest najprostsza w porównaniu ze wszystkimi innymi pierwiastkami: jedno jądro - jeden elektron. Potencjał jonizacji - energia wiązania jądra z elektronem - 13,595 elektronowoltów (eV). Właśnie ze względu na prostotę tej struktury atom wodoru jest wygodnym modelem mechanika kwantowa kiedy trzeba obliczyć poziomy energii bardziej złożonych atomów. W cząsteczce H2 znajdują się dwa atomy połączone chemicznym wiązaniem kowalencyjnym. Energia rozpadu jest bardzo wysoka. Wodór atomowy może powstawać w reakcjach chemicznych, takich jak cynk i kwas solny. Jednak praktycznie nie zachodzi żadna interakcja z wodorem - stan atomowy wodoru jest bardzo krótki, atomy natychmiast łączą się ponownie w cząsteczki H2.

Z fizycznego punktu widzenia wodór jest najlżejszy znane substancje- ponad czternaście razy lżejsze od powietrza (pamiętajcie o balonach odlatujących w czasie wakacji - mają w sobie wodór). Może jednak wrzeć, upłynniać, topić się, zestalać i tylko hel wrze i topi się w temperaturze większej niż niskie temperatury. Trudno go upłynnić, potrzebna jest temperatura poniżej -240 stopni Celsjusza. Ale ma bardzo wysoką przewodność cieplną. Jest prawie nierozpuszczalny w wodzie, ale dobrze oddziałuje z wodorem metali - rozpuszcza się prawie we wszystkich, najlepiej w palladzie (jedna objętość wodoru zajmuje osiemset pięćdziesiąt objętości). Ciekły wodór jest lekki i płynny, a po rozpuszczeniu w metalach często niszczy stopy w wyniku interakcji z węglem (na przykład stalą), następuje dyfuzja i dekarbonizacja.

Właściwości chemiczne

W związkach przeważnie wodór wykazuje stopień utlenienia (wartościowość) +1, podobnie jak sód i inne metale alkaliczne. Uważany jest za ich odpowiednik, stojący na czele pierwszej grupy układu okresowego. Ale jon wodoru w wodorkach metali jest naładowany ujemnie, a stopień utlenienia wynosi -1. Pierwiastek ten jest również zbliżony do halogenów, które są w stanie zastąpić go nawet w związkach organicznych. Oznacza to, że wodór można przypisać również do siódmej grupy układu okresowego. W normalnych warunkach cząsteczki wodoru nie różnią się aktywnością, łącząc się tylko z najbardziej aktywnymi niemetalami: dobrze z fluorem, a jeśli lekkie - z chlorem. Ale po podgrzaniu wodór staje się inny - reaguje z wieloma pierwiastkami. Wodór atomowy w porównaniu z wodorem cząsteczkowym jest bardzo aktywny chemicznie, dlatego w połączeniu z tlenem powstaje woda, przy czym wydziela się jednocześnie energia i ciepło. W temperaturze pokojowej reakcja ta jest bardzo powolna, ale po podgrzaniu powyżej pięciuset pięćdziesięciu stopni następuje eksplozja.

Wodór służy do redukcji metali, ponieważ usuwa tlen z ich tlenków. W przypadku fluoru wodór wybucha nawet w ciemności i w temperaturze minus dwieście pięćdziesiąt dwa stopnie Celsjusza. Chlor i brom wzbudzają wodór tylko po podgrzaniu lub oświetleniu, a jod tylko po podgrzaniu. Wodór i azot tworzą amoniak (tak powstaje większość nawozów). Po podgrzaniu reaguje bardzo aktywnie z siarką i powstaje siarkowodór. Trudno jest wywołać reakcję wodoru z tellurem i selenem, ale z czystym węglem reakcja zachodzi w bardzo wysokiej temperaturze wysokie temperatury i powstaje metan. Wodór tworzy z tlenkiem węgla różne związki organiczne, na co wpływa ciśnienie, temperatura, katalizatory, a wszystko to ma ogromne znaczenie praktyczne. Ogólnie rzecz biorąc, rola wodoru i jego związków jest niezwykle ważna, ponieważ nadaje kwasom protonowym właściwości kwasowe. Z wieloma pierwiastkami tworzy się wiązanie wodorowe, wpływające na właściwości zarówno związków nieorganicznych, jak i organicznych.

Odbiór i użycie

Wodór produkowany jest na skalę przemysłową z gazów naturalnych – gazów palnych, gazu koksowniczego i gazów rafinacyjnych. Można go również wytwarzać metodą elektrolizy, gdzie energia elektryczna nie jest zbyt droga. Jednakże w najważniejszy sposób Produkcja wodoru to katalityczne oddziaływanie węglowodorów, głównie metanu, z parą wodną, ​​podczas którego następuje konwersja. Szeroko stosowana jest również metoda utleniania węglowodorów tlenem. Produkcja wodoru z gazu ziemnego jest najtańszym sposobem. Pozostałe dwa to wykorzystanie gazu koksowniczego i gazu rafineryjnego – podczas skroplenia pozostałych składników wydziela się wodór. Łatwiej je skroplić, a do wodoru, jak pamiętamy, potrzeba -252 stopni.

Nadtlenek wodoru jest bardzo popularny w użyciu. Leczenie tym roztworem jest stosowane bardzo często. Jest mało prawdopodobne, aby wzór molekularny H 2 O 2 wymieniły te wszystkie miliony ludzi, którzy chcą być blondynami i rozjaśnić włosy, a także ci, którzy kochają czystość w kuchni. Nawet ci, którzy leczą zadrapania powstałe podczas zabawy z kotkiem, najczęściej nie zdają sobie sprawy, że stosują terapię wodorową. Ale historię znają wszyscy: od 1852 roku wodór jest od dawna stosowany w aeronautyce. Sterowiec, wynaleziony przez Henry'ego Giffarda, powstał w oparciu o wodór. Nazywano je zeppelinami. Zeppeliny wyrzucone z nieba szybki rozwój produkcja samolotów. W 1937 roku doszło do poważnego wypadku, gdy spłonął sterowiec Hindenburg. Po tym incydencie zeppeliny nigdy więcej nie zostały użyte. Jednak pod koniec XVIII wieku rozprzestrzenił się balony wypełniony wodorem, był wszechobecny. Oprócz produkcji amoniaku wodór jest obecnie potrzebny do produkcji alkoholu metylowego i innych alkoholi, benzyny, uwodornionych paliw ciekłych i paliw stałych. Podczas spawania, cięcia metali nie można obejść się bez wodoru - może to być tlen-wodór i atomowo-wodór. A tryt i deuter dają życie energii jądrowej. Są to, jak pamiętamy, izotopy wodoru.

Neumywakin

Wodór jest na tyle dobrym pierwiastkiem chemicznym, że ma swoich fanów. Iwan Pawłowicz Neumyvakin – lekarz Nauki medyczne, profesor, laureat Nagrody Państwowej, a wśród nich ma wiele innych tytułów i nagród. Będąc lekarzem medycyny tradycyjnej, uznawany jest za najlepszego uzdrowiciela ludowego w Rosji. To on opracował wiele metod i zasad udzielania opieki medycznej astronautom w locie. To on stworzył wyjątkowy szpital – szpital na pokładzie statku kosmicznego. Jednocześnie pełnił funkcję koordynatora państwowego ds. medycyny kosmetycznej. Przestrzeń i kosmetyki. Jego pasja do wodoru nie ma na celu zarabiania dużych pieniędzy, jak ma to miejsce obecnie w domowej medycynie, ale wręcz przeciwnie, nauczenie ludzi, jak dosłownie za grosze wyleczyć wszystko, bez dodatkowej wizyty w aptece.

Promuje leczenie lekiem, który jest obecny dosłownie w każdym domu. To jest nadtlenek wodoru. Możesz krytykować Neumyvakina, ile chcesz, nadal będzie nalegał na siebie: tak, rzeczywiście, dosłownie wszystko można wyleczyć nadtlenkiem wodoru, ponieważ nasyca on wewnętrzne komórki organizmu tlenem, niszczy toksyny, normalizuje kwasowość i równowaga alkaliczna, i stąd regenerują się tkanki, odmładza się cały organizm. Nikt jeszcze nie widział nikogo wyleczonego nadtlenkiem wodoru, a tym bardziej go nie badał, ale Neumyvakin twierdzi, że stosując ten środek, można całkowicie pozbyć się chorób wirusowych, bakteryjnych i grzybiczych, zapobiec rozwojowi nowotworów i miażdżycy, pokonać depresję, odmłodzić organizm i nigdy nie zachoruj na ARVI i przeziębienia.

Panaceum

Iwan Pawłowicz jest przekonany, że przy właściwym stosowaniu tego prostego leku i przestrzeganiu wszystkich prostych instrukcji można pokonać wiele chorób, w tym bardzo poważne. Lista jest ogromna: od chorób przyzębia i zapalenia migdałków po zawał mięśnia sercowego, udary mózgu i cukrzycę. Takie drobiazgi jak zapalenie zatok czy osteochondroza znikają z pierwszych sesji zabiegowych. Nawet guzy nowotworowe boją się i uciekają przed nadtlenkiem wodoru, ponieważ zostaje pobudzony układ odpornościowy, aktywowane jest życie organizmu i jego obrona.

W ten sposób można leczyć nawet dzieci, z tą różnicą, że dla kobiet w ciąży lepiej jest na razie powstrzymać się od spożywania nadtlenku wodoru. Metody tej nie zaleca się także osobom po przeszczepieniu narządów ze względu na możliwą niezgodność tkankową. Należy ściśle przestrzegać dawkowania: od jednej kropli do dziesięciu, dodając jedną codziennie. Trzy razy dziennie (trzydzieści kropli trzyprocentowego roztworu nadtlenku wodoru dziennie, wow!) pół godziny przed posiłkiem. Roztwór można podawać dożylnie i pod nadzorem lekarza. Czasami nadtlenek wodoru łączy się z innymi lekami, aby uzyskać bardziej skuteczny efekt. Roztwór stosuje się wewnętrznie wyłącznie w postaci rozcieńczonej – z czystą wodą.

Zewnętrznie

Jeszcze zanim profesor Neumyvakin stworzył swoją metodę, dużą popularnością cieszyły się okłady i płukanki. Każdy wie, że podobnie jak okłady alkoholowe, nadtlenku wodoru nie można stosować w czystej postaci, bo powoduje oparzenia tkanek, natomiast brodawki czy infekcje grzybicze smaruje się miejscowo mocnym roztworem – do piętnastu procent.

W przypadku wysypek skórnych i bólów głowy wykonuje się również zabiegi z użyciem nadtlenku wodoru. Kompres należy wykonać za pomocą bawełnianej szmatki nasączonej roztworem dwóch łyżeczek trzyprocentowego nadtlenku wodoru i pięćdziesięciu miligramów czysta woda. Przykryj tkaninę folią i owiń ją wełną lub ręcznikiem. Kompres trwa od kwadransa do półtorej godziny rano i wieczorem, aż do wyzdrowienia.

Opinia lekarzy

Zdania są podzielone, nie wszyscy są zachwyceni właściwościami nadtlenku wodoru, co więcej, nie tylko im nie wierzą, ale się z nich śmieją. Wśród lekarzy są też tacy, którzy wspierali Neumyvakina, a nawet podjęli się rozwijania jego teorii, ale są oni w mniejszości. Większość Lekarze uważają ten rodzaj leczenia za nie tylko nieskuteczny, ale często wręcz katastrofalny.

Rzeczywiście nie ma jeszcze ani jednego oficjalnie udowodnionego przypadku, w którym pacjent zostałby wyleczony nadtlenkiem wodoru. Jednocześnie nie ma informacji o pogorszeniu się stanu zdrowia w związku ze stosowaniem tej metody. Ale traci się cenny czas, a osoba, która zachorowała na jedną z poważnych chorób i całkowicie polega na panaceum Neumyvakina, ryzykuje, że spóźni się na rozpoczęcie prawdziwego, tradycyjnego leczenia.

W układzie okresowym wodór znajduje się w dwóch grupach pierwiastków, które mają zupełnie przeciwne właściwości. Ta cecha uczynić go całkowicie wyjątkowym. Wodór to nie tylko pierwiastek czy substancja, ale jest także integralną częścią wielu złożonych związków organogennych i pierwiastek biogenny. Dlatego przyjrzyjmy się jego właściwościom i cechom bardziej szczegółowo.

Uwolnienie łatwopalnego gazu podczas interakcji metali i kwasów zaobserwowano już w XVI wieku, czyli w okresie kształtowania się chemii jako nauki. Słynny angielski naukowiec Henry Cavendish badał tę substancję od 1766 roku i nadał jej nazwę „palne powietrze”. Podczas spalania gazu tego wytwarzała się woda. Niestety, trzymanie się przez naukowca teorii flogistonu (hipotetycznej „materii ultradrobnej”) nie pozwoliło mu na wyciągnięcie właściwych wniosków.

Francuski chemik i przyrodnik A. Lavoisier wraz z inżynierem J. Meunierem i przy pomocy specjalnych gazometrów zsyntetyzowali wodę w 1783 roku, a następnie poddali ją analizie poprzez rozkład pary wodnej za pomocą gorącego żelaza. W ten sposób naukowcy byli w stanie dojść do właściwych wniosków. Odkryli, że „palne powietrze” nie tylko jest częścią wody, ale można je również z niej pozyskać.

W 1787 r. Lavoisier zasugerował, że badany gaz jest substancją prostą i dlatego należy do podstawowych pierwiastki chemiczne. Nazwał go wodorem (od Greckie słowa hydor – woda + gennao – rodzę), czyli „rodzę wodę”.

Rosyjską nazwę „wodór” zaproponował w 1824 r. chemik M. Sołowiew. Określenie składu wody oznaczało koniec „teorii flogistonu”. Na przełomie XVIII i XIX w. ustalono, że atom wodoru jest bardzo lekki (w porównaniu z atomami innych pierwiastków) i za podstawową jednostkę porównywania mas atomowych przyjęto jego masę, otrzymując wartość równą 1.

Właściwości fizyczne

Wodór jest najlżejszą znaną nauce substancją (jest 14,4 razy lżejszy od powietrza), a jego gęstość wynosi 0,0899 g/l (1 atm, 0°C). Ten materiał topi się (zestala) i wrze (upłynnia) odpowiednio w temperaturach -259,1°C i -252,8°C (tylko hel ma niższą temperaturę wrzenia i topnienia).

Temperatura krytyczna wodoru jest wyjątkowo niska (-240°C). Z tego powodu jego upłynnianie jest procesem dość złożonym i kosztownym. Ciśnienie krytyczne substancji wynosi 12,8 kgf/cm², a gęstość krytyczna wynosi 0,0312 g/cm³. Spośród wszystkich gazów wodór ma najwyższą przewodność cieplną: przy 1 atmosferze i 0 °C wynosi 0,174 W/(mxK).

Ciepło właściwe substancji w tych samych warunkach wynosi 14,208 kJ/(kgxK) lub 3,394 cal/(gh°C). Pierwiastek ten jest słabo rozpuszczalny w wodzie (około 0,0182 ml/g przy 1 atmosferze i 20°C), ale dobrze rozpuszczalny w większości metali (Ni, Pt, Pa i inne), zwłaszcza w palladzie (około 850 objętości na objętość Pd) .

Ta ostatnia właściwość wiąże się z jego zdolnością do dyfuzji, a dyfuzji przez stop węgla (na przykład stal) może towarzyszyć zniszczenie stopu w wyniku interakcji wodoru z węglem (proces ten nazywa się dekarbonizacją). W stanie ciekłym substancja jest bardzo lekka (gęstość - 0,0708 g/cm3 w t° = -253°C) i płynna (lepkość - 13,8 g/cm3 w tych samych warunkach).

W wielu związkach pierwiastek ten wykazuje wartościowość +1 (stan utlenienia), podobnie jak sód i inne metale alkaliczne. Zwykle uważany jest za analog tych metali. W związku z tym kieruje grupą I układu okresowego. W wodorkach metali jon wodoru ma ładunek ujemny (stopień utlenienia -1), czyli Na+H- ma budowę podobną do chlorku Na+Cl-. Zgodnie z tym i kilkoma innymi faktami (podobieństwo właściwości fizycznych pierwiastka „H” i halogenów, możliwość zastąpienia go halogenami w związkach organicznych), wodór zalicza się do VII grupy układu okresowego.

W normalnych warunkach wodór molekularny ma niską aktywność, łącząc się bezpośrednio tylko z najbardziej aktywnymi niemetalami (z fluorem i chlorem, ten ostatni w świetle). Z kolei po podgrzaniu oddziałuje z wieloma pierwiastkami chemicznymi.

Wzrósł poziom wodoru atomowego aktywność chemiczna(w porównaniu z molekularnym). Z tlenem tworzy wodę według wzoru:

Н₂ + ½О₂ = Н₂О,

uwalniając 285,937 kJ/mol ciepła lub 68,3174 kcal/mol (25 ° C, 1 atm). W normalnych warunkach temperaturowych reakcja przebiega raczej powoli, a przy t° >= 550°C jest niekontrolowana. Granica wybuchowości objętościowej mieszaniny wodoru i tlenu wynosi 4–94% H₂, a mieszaniny wodoru i powietrza 4–74% H₂ (mieszanina dwóch objętości H₂ i jednej objętości O₂ nazywana jest gazem detonującym).

Pierwiastek ten służy do redukcji większości metali, ponieważ usuwa tlen z tlenków:

Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H₂O,

CuO + H₂ = Cu + H₂O itd.

Wodór tworzy halogenowodory z różnymi halogenami, na przykład:

H₂ + Cl₂ = 2HCl.

Jednak podczas reakcji z fluorem wybucha wodór (dzieje się to również w ciemności, w temperaturze -252 ° C), z bromem i chlorem reaguje tylko po podgrzaniu lub oświetleniu, a z jodem - tylko po podgrzaniu. Podczas interakcji z azotem powstaje amoniak, ale tylko na katalizatorze, przy podwyższonych ciśnieniach i temperaturach:

ЗН₂ + N₂ = 2NN₃.

Po podgrzaniu wodór aktywnie reaguje z siarką:

H₂ + S = H₂S (siarkowodór),

i znacznie trudniejsze w przypadku telluru lub selenu. Wodór reaguje z czystym węglem bez katalizatora, ale w wysokich temperaturach:

2H₂ + C (bezpostaciowy) = CH₄ (metan).

Substancja ta reaguje bezpośrednio z niektórymi metalami (alkalicznymi, ziem alkalicznych i innymi), tworząc wodorki, na przykład:

H₂ + 2Li = 2LiH.

Oddziaływania wodoru i tlenku węgla (II) mają duże znaczenie praktyczne. W tym przypadku, w zależności od ciśnienia, temperatury i katalizatora, powstają różne związki organiczne: HCHO, CH₃OH itp. Węglowodory nienasycone w trakcie reakcji ulegają nasyceniu, np.:

С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.

Wodór i jego związki odgrywają w chemii wyjątkową rolę. Określa właściwości kwasowe tzw. kwasy protonowe, mają tendencję do tworzenia wiązań wodorowych z różnymi pierwiastkami, które mają istotny wpływ na właściwości wielu związków nieorganicznych i organicznych.

Produkcja wodoru

Głównymi rodzajami surowców do przemysłowej produkcji tego pierwiastka są gazy rafinacyjne, naturalne gazy palne i koksownicze. Uzyskuje się go także z wody poprzez elektrolizę (w miejscach, gdzie dostępna jest energia elektryczna). Jedną z najważniejszych metod wytwarzania materiału z gazu ziemnego jest katalityczne oddziaływanie węglowodorów, głównie metanu, z parą wodną (tzw. konwersja). Na przykład:

CH₄ + H₂O = CO + ZN₂.

Niecałkowite utlenianie węglowodorów tlenem:

CH₄ + ½O₂ = CO + 2H₂.

Zsyntetyzowany tlenek węgla (II) ulega przemianie:

CO + H₂O = CO₂ + H₂.

Wodór produkowany z gazu ziemnego jest najtańszy.

Stosowany do elektrolizy wody DC, który przepuszcza się przez roztwór NaOH lub KOH (nie stosuje się kwasów, aby uniknąć korozji sprzętu). W warunkach laboratoryjnych materiał otrzymuje się poprzez elektrolizę wody lub w wyniku reakcji kwasu solnego z cynkiem. Częściej jednak stosuje się gotowy materiał fabryczny w cylindrach.

Pierwiastek ten jest izolowany od gazów rafinacyjnych i gazu koksowniczego poprzez usunięcie wszystkich pozostałych składników mieszaniny gazów, ponieważ łatwiej ulegają one upłynnieniu podczas głębokiego chłodzenia.

Materiał ten zaczęto wytwarzać na skalę przemysłową pod koniec XVIII wieku. Dawniej używano go do napełniania balonów. Obecnie wodór znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle, głównie chemicznym, do produkcji amoniaku.

Masowymi konsumentami tej substancji są producenci metylu i innych alkoholi, benzyny syntetycznej i wielu innych produktów. Otrzymuje się je w drodze syntezy z tlenku węgla (II) i wodoru. Wodór wykorzystuje się do uwodornienia ciężkich i stałych paliw ciekłych, tłuszczów itp., do syntezy HCl, hydrorafinacji produktów naftowych, a także do cięcia/spawania metali. Najważniejszymi pierwiastkami dla energii jądrowej są jej izotopy – tryt i deuter.

Biologiczna rola wodoru

Z tego pierwiastka pochodzi średnio około 10% masy organizmów żywych. Wchodzi w skład wody i najważniejszych grup związków naturalnych, do których należą białka, kwasy nukleinowe, lipidy i węglowodany. Do czego jest to używane?

To coś gra rola decydująca: w utrzymaniu struktury przestrzennej białek (czwartorzędowej), w realizacji zasady komplementarności kwasów nukleinowych (tj. w realizacji i przechowywaniu Informacja genetyczna), ogólnie w „uznaniu” na Poziom molekularny.

Jon wodorowy H+ bierze udział w ważnych reakcjach/procesach dynamicznych zachodzących w organizmie. M.in.: w utlenianiu biologicznym, które dostarcza energii żywym komórkom, w reakcjach biosyntezy, w fotosyntezie u roślin, w fotosyntezie bakteryjnej i wiązaniu azotu, w utrzymaniu równowagi kwasowo-zasadowej i homeostazie, w procesach transportu przez błonę. Wraz z węglem i tlenem stanowi funkcjonalną i strukturalną podstawę zjawisk życiowych.

Wodór jest najprostszym ze wszystkich pierwiastków i jednocześnie najobficiej występującym w przyrodzie. Starsi uczniowie już wiedzą, że reakcje metali takich jak magnez i cynk z rozcieńczeniem kwasy nieorganiczne prowadzić do powstania wodoru. Wiedzą także o teście na obecność wodoru z charakterystycznym „trzaskiem”. Wodór jest zawarty w formułach większości proste połączenia, od którego rozpoczyna się nauka chemii w szkole, takie jak woda metanowa Kwas Siarkowy amoniak i etanol

Wodór jest najobficiej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie. Według aktualnych szacunków wodór stanowi ponad 90% atomów i około 75% masy Wszechświata. Wśród pierwiastków występujących na Ziemi wodór jest dziewiątym pod względem liczebności. Stanowi 0,76% masy Ziemi i występuje w prawie tylu różnych związkach co węgiel. Najważniejszym związkiem wodoru występującym w przyrodzie jest woda. Wodór występuje także w związkach organicznych, takich jak węgiel i ropa naftowa.

Wodór jest nie tylko jednym z najpowszechniejszych pierwiastków, ale także całkowicie różni się od wszystkich innych pierwiastków szeregiem swoich właściwości chemicznych i fizycznych. Ponadto tworzy specjalną serię związków. Jest to jedyny pierwiastek, dla którego nazwany jest unikalny rodzaj wiązania chemicznego (patrz sekcja 2.1). Istnieją takie koncepcje, jak bomba wodorowa (patrz sekcja 1.3), bakterie wodorowe, a nawet energia wodorowa (patrz poniżej).

Bakterie wodorowe są zdolne do wytwarzania energii poprzez utlenianie wodoru do wody. Energia ta jest niezbędna bakteriom wodorowym do asymilacji dwutlenku węgla. W pewnych warunkach są one również zdolne do utleniania niektórych związków organicznych.

Wodór jest jedynym pierwiastkiem będącym gazem palnym. Dlatego flamandzki chemik I. B. Van Helmont (1579-1644), który jako pierwszy wyizolował wodór, nazwał go „gazem łatwopalnym”. W warunkach laboratoryjnych wodór otrzymywał najpierw przez działanie kwasu na żelazo T. Mayern, a później (w 1672 r.) R. Boyle. W 1766 r. wodór został szczegółowo zbadany przez angielskiego chemika i fizyka G. Cavendisha, który nazwał go „łatwopalnym powietrzem”. Nazwę „wodór” wprowadził Lavoisier, tworząc łaciński termin „wodór” z greckich słów „hydro” (woda) i „geny” (rodzić).

Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794)

Lavoisier uważany jest za twórcę nowoczesnej chemii. Jego główny wkład w chemii jest obalenie błędnej teorii flogistonu. Zgodnie z tą teorią wszystkie substancje łatwopalne składają się z dwóch składników - flogistonu i kamienia. Podczas spalania substancja łatwopalna traci flogiston i zamienia się w kamień („popiół” lub „wapno”). Lavoisier wykazał doświadczalnie, że w procesie spalania bierze udział tlen z powietrza. Ustalił także rolę tlenu w oddychaniu i jako pierwszy rozróżnił pierwiastki i związki.

Antoine Lavoisier (z obrazu Thalstrupa).

Struktura atomu wodoru

Atom wodoru ma najprostszą budowę: składa się z jądra, w którym znajduje się jeden proton, oraz jednego elektronu, który znajduje się na orbicie ls otaczającej jądro (patrz rozdział 1.2). Taki prosta konstrukcja decyduje o wielu unikalne właściwości wodór. Po pierwsze, atom wodoru ma tylko wartościowość powłoka elektronowa. Dlatego jego jedyny elektron nie jest osłonięty przed działaniem ładunku jądrowego przez elektrony wewnętrzne. Po drugie, ta zewnętrzna powłoka musi jedynie zyskać lub stracić jeden elektron, aby osiągnąć stabilność elektroniczna Konfiguracja. Wreszcie, ponieważ atom wodoru składa się tylko z jednego elektronu i jednego protonu, jest on bardzo mały. W rzeczywistości jego promień kowalencyjny (0,029 nm) i promień van der Waalsa (0,12 nm) mają wartości minimalne pomiędzy wszystkimi elementami (patrz sekcja 2.2). Te cechy wyjaśniają wiele charakterystyczne właściwości wodór i jego szczególna pozycja w układ okresowy.

Pozycja w układzie okresowym

Ponieważ atom wodoru traci swój pojedynczy elektron, tworząc pojedynczo naładowany jon dodatni, pierwiastek ten znajduje się na szczycie grupy 1 układu okresowego. Jednak chociaż wodór pod pewnymi warunkami może zostać pozyskany

Tabela 12.1. Energie jonizacji wodoru, litu i sodu

Tabela 12.2. Powinowactwa elektronowe wodoru, fluoru i chloru

Tabela 12.3. Średnie entalpie wiązań w cząsteczkach wodoru, fluoru i chloru

właściwości metaliczne (patrz rys. 2.15), w normalnych warunkach wykazuje jedynie właściwości niemetaliczne. Porównanie jego energii jonizacji z energią jonizacji litu i sodu (tabela 12.1) pokazuje, że wodór bardzo różni się od pozostałych pierwiastków grupy I metale alkaliczne.

Atom wodoru ma również zdolność, choć z trudem, do przyłączenia elektronu w celu utworzenia jonu. Ze względu na tę właściwość wydaje się, że można go umieścić na górze grupa VII razem z halogenami. Wodór nie jest jednak pierwiastkiem p i porównanie jego powinowactwa elektronowego (patrz rozdział 2.1) z powinowactwem elektronowym fluoru i chloru (tabela 12.2) pokazuje, że nie ma go w grupie VII.

Należy również zauważyć, że chociaż wodór, podobnie jak halogeny, tworzy cząsteczki dwuatomowe, wiązanie w cząsteczce wodoru jest znacznie silniejsze niż w cząsteczkach fluoru lub chloru. Można to zweryfikować porównując entalpie ich wiązań (patrz sekcja 5.3) wskazane w tabeli. 12.3.

Wodór jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu H i Liczba atomowa 1. Przy standardowej masie atomowej wynoszącej około 1,008 wodór jest najlżejszym pierwiastkiem w układzie okresowym. Jego forma jednoatomowa (H) jest najpowszechniejsza chemiczny we Wszechświecie, stanowiąc około 75% całkowitej masy barionu. Gwiazdy składają się głównie z wodoru w stanie plazmy. Najpopularniejszy izotop wodoru, zwany protem (ta nazwa jest rzadko używana, symbol 1H), ma jeden proton i nie ma neutronów. Powszechne pojawienie się wodoru atomowego miało miejsce po raz pierwszy w epoce rekombinacji. W standardowych temperaturach i ciśnieniach wodór jest bezbarwnym, bezwonnym, bez smaku, nietoksycznym, niemetalicznym, palnym gazem dwuatomowym o formuła molekularna H2. Ponieważ wodór łatwo tworzy wiązania kowalencyjne z większością pierwiastków niemetalicznych, większość wodoru na Ziemi występuje w postaciach molekularnych, takich jak woda lub związki organiczne. Wodór odgrywa szczególnie ważną rolę w reakcjach kwasowo-zasadowych, ponieważ większość reakcji kwasowych polega na wymianie protonów pomiędzy rozpuszczalnymi cząsteczkami. W związkach jonowych wodór może przyjmować postać ładunku ujemnego (tj. anionu), gdzie jest znany jako wodorek, lub w formie naładowanej dodatnio (tj. kationu), co jest oznaczone symbolem H+. Opisuje się, że kation wodoru składa się z prostego protonu, ale w rzeczywistości kationy wodoru w związkach jonowych są zawsze bardziej złożone. Jako jedyny neutralny atom, dla którego równanie Schrödingera można rozwiązać analitycznie, wodór (a mianowicie badanie energetyki i wiązania jego atomu) odegrał kluczową rolę w rozwoju mechaniki kwantowej. Wodór został po raz pierwszy wyprodukowany sztucznie na początku XVI wieku w wyniku reakcji kwasów z metalami. W latach 1766-81. Henry Cavendish jako pierwszy uznał, że wodór jest substancją odrębną i że podczas spalania wytwarza wodę, nadając mu nazwę: po grecku wodór oznacza „producenta wody”. Produkcja przemysłowa Produkcja wodoru wiąże się przede wszystkim z reformingiem parowym gazu ziemnego, a rzadziej z bardziej energochłonnymi metodami, takimi jak elektroliza wody. Większość wodoru wykorzystuje się w pobliżu miejsc jego produkcji, przy czym dwa najczęstsze zastosowania to przetwarzanie paliw kopalnych (np. hydrokraking) i produkcja amoniaku, głównie na potrzeby rynku nawozów. Wodór budzi obawy w metalurgii, ponieważ może powodować kruchość wielu metali, co utrudnia projektowanie rurociągów i zbiorników magazynowych.

Nieruchomości

Spalanie

Wodór gazowy (diwodór lub wodór molekularny) jest gazem palnym, który pali się w powietrzu w bardzo szerokim zakresie stężeń od 4% do 75% objętościowych. Entalpia spalania wynosi 286 kJ/mol:

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

Wodór gazowy tworzy mieszaniny wybuchowe z powietrzem w stężeniach od 4-74% i chlorem w stężeniach do 5,95%. Reakcje wybuchowe mogą być spowodowane iskrami, ciepłem lub światło słoneczne. Temperatura samozapłonu wodoru, czyli temperatura, w której ulega on samozapłonowi w powietrzu, wynosi 500 °C (932 °F). Płomienie czystego wodoru i tlenu emitują promieniowanie ultrafioletowe, a przy dużej zawartości tlenu są prawie niewidoczne gołym okiem, o czym świadczy słaby pióropusz głównego silnika promu kosmicznego w porównaniu z dobrze widocznym pióropuszem wzmacniacza rakiet na paliwo stałe promu kosmicznego, który wykorzystuje kompozyt nadchloranu amonu. Do wykrycia wycieku płonącego wodoru może być wymagany czujnik płomienia; takie wycieki mogą być bardzo niebezpieczne. W innych warunkach płomień wodoru jest niebieski i przypomina niebieski płomień gazu ziemnego. Zatonięcie sterowca Hindenburg jest niesławnym przykładem spalania wodoru i kwestia ta jest nadal przedmiotem dyskusji. Widoczne pomarańczowe płomienie powstałe w wyniku wystawienia na działanie mieszaniny wodoru i tlenu w połączeniu ze związkami węgla z poszycia sterowca. H2 reaguje z każdym pierwiastkiem utleniającym. Wodór może spontanicznie reagować w temperaturze pokojowej z chlorem i fluorem, tworząc odpowiednie halogenowodory, chlorek wodoru i fluorowodór, które są również potencjalnie niebezpiecznymi kwasami.

Poziomy energii elektronów

Poziom energii stanu podstawowego elektronu w atomie wodoru wynosi -13,6 eV, co odpowiada fotonowi ultrafioletowemu o długości fali około 91 nm. Poziomy energii wodór można obliczyć dość dokładnie, korzystając z modelu atomu Bohra, który konceptualizuje elektron jako „orbitalny” proton, analogiczny do ziemskiej orbity Słońca. Jednakże elektron i proton atomowy są utrzymywane razem przez siłę elektromagnetyczną, podczas gdy planety i ciała niebieskie są utrzymywane razem przez grawitację. Ze względu na dyskretyzację momentu pędu postulowaną we wczesnej mechanice kwantowej przez Bohra, elektron w modelu Bohra może zajmować tylko określone dopuszczalne odległości od protonu, a zatem tylko określone dopuszczalne energie. Dokładniejszy opis atomu wodoru pochodzi z czysto kwantowej obróbki mechanicznej, która wykorzystuje równanie Schrödingera, równanie Diraca, a nawet układ scalony Feynmana do obliczenia rozkładu gęstości prawdopodobieństwa elektronu wokół protonu. Najbardziej złożone metody przetwarzania dają niewielkie efekty specjalna teoria teoria względności i polaryzacja próżni. W obróbce kwantowej elektron w atomie wodoru w stanie podstawowym nie ma żadnego momentu obrotowego, co ilustruje, w jaki sposób „orbita planetarna” różni się od ruchu elektronu.

Elementarne formy molekularne

Istnieją dwa różne izomery spinowe dwuatomowych cząsteczek wodoru, które różnią się względnym spinem ich jąder. W formie ortowodoru spiny dwóch protonów są równoległe i tworzą stan trypletowy ze spinem molekularnym Liczba kwantowa 1 (1/2 + 1/2); w postaci parawodoru spiny są antyrównoległe i tworzą singlet o liczbie kwantowej spinu molekularnego wynoszącej 0 (1/2 1/2). W standardowej temperaturze i ciśnieniu wodór zawiera około 25% formy para i 75% formy orto, znanej również jako „postać normalna”. Stosunek równowagi ortowodoru do parawodoru zależy od temperatury, ale ponieważ forma orto jest stanem wzbudzonym i ma wyższą energię niż forma para, jest niestabilna i nie można jej oczyścić. W bardzo niskich temperaturach stan równowagi składa się prawie wyłącznie z postaci para. Właściwości cieplne fazy ciekłej i gazowej czystego parawodoru znacznie różnią się od właściwości postaci normalnej ze względu na różnice w obrotowych pojemnościach cieplnych, omówione szerzej w izomerach spinowych wodoru. Rozróżnienie orto/pary występuje również w innych cząsteczkach zawierających wodór lub grupy funkcyjne, takie jak woda i metylen, ale ma to niewielkie znaczenie dla ich właściwości termicznych. Niekatalizowana wzajemna konwersja pomiędzy para i orto H2 wzrasta wraz ze wzrostem temperatury; Zatem szybko skondensowany H2 zawiera duże ilości ortogonalnej formy o wysokiej energii, która bardzo powoli przekształca się w formę para. Współczynnik orto/para w skondensowanym H2 wynosi ważny czynnik podczas przygotowywania i przechowywania ciekłego wodoru: przemiana orto w parę jest egzotermiczna i zapewnia ciepło wystarczające do odparowania części ciekłego wodoru, co powoduje utratę skroplonego materiału. Katalizatory do konwersji orto-para, takie jak tlenek żelaza, węgiel aktywny, platynowany azbest, metale ziem rzadkich do chłodzenia wodoru stosuje się związki uranu, tlenek chromu lub niektóre związki niklu.

Fazy

Wodór

Ciekły wodór

Wodór osadowy

Stały wodór

Wodór metaliczny

Znajomości

Związki kowalencyjne i organiczne

Chociaż H2 nie jest bardzo reaktywny w standardowych warunkach, tworzy związki z większością pierwiastków. Wodór może tworzyć związki z pierwiastkami bardziej elektroujemnymi, takimi jak halogeny (np. F, Cl, Br, I) lub tlen; w tych związkach wodór przyjmuje częściowy ładunek dodatni. Podczas wiązania z fluorem, tlenem lub azotem wodór może uczestniczyć w postaci wiązania niekowalencyjnego średnia siła z wodorem innych podobnych cząsteczek, zjawisko zwane wiązaniem wodorowym, które ma kluczowy dla stabilności wielu cząsteczek biologicznych. Wodór tworzy również związki z pierwiastkami mniej elektroujemnymi, takimi jak metale i niemetale, gdzie przyjmuje częściowy ładunek ujemny. Związki te są często znane jako wodorki. Wodór tworzy z węglem szeroką gamę związków zwanych węglowodorami i jeszcze większą różnorodność związków z heteroatomami, które ze względu na ich ogólna komunikacja z żywymi organizmami nazywane są związkami organicznymi. Badanie ich właściwości jest przedmiotem chemii organicznej, a badanie ich w kontekście organizmów żywych nazywa się biochemią. Według niektórych definicji związki „organiczne” muszą zawierać tylko węgiel. Jednak większość z nich zawiera również wodór, a ponieważ to wiązanie węgiel-wodór nadaje tej klasie związków większość ich specyficznych właściwości chemicznych, w niektórych definicjach słowa „organiczny” w chemii wymagane są wiązania węgiel-wodór. Znane są miliony węglowodorów, które zwykle powstają w wyniku złożonych szlaków syntezy, w których rzadko wykorzystuje się wodór elementarny.

Wodorki

Związki wodoru często nazywane są wodorkami. Termin „wodorek” zakłada, że ​​atom H przyjął charakter ujemny lub anionowy, oznaczony jako H-, i jest używany, gdy wodór tworzy związek z pierwiastkiem bardziej elektrododatnim. Istnienie anionu wodorkowego, zaproponowane przez Gilberta N. Lewisa w 1916 r. dla wodorków zawierających sól z grup 1 i 2, zostało wykazane przez Moersa w 1920 r. poprzez elektrolizę stopionego wodorku litu (LiH), wytwarzając stechiometryczną ilość wodoru w temperaturze anoda. W przypadku wodorków innych niż metale z grupy 1 i 2 termin ten wprowadza w błąd, biorąc pod uwagę niską elektroujemność wodoru. Wyjątkiem wodorków z grupy 2 jest BeH2, który jest polimerem. W wodorku litowo-glinowym anion AlH-4 ma centra wodorkowe mocno związane z Al (III). Chociaż wodorki mogą tworzyć się w prawie wszystkich pierwiastkach z grupy głównej, liczba i kombinacja możliwych związków jest bardzo zróżnicowana; na przykład znanych jest ponad 100 binarnych wodorków boranu i tylko jeden binarny wodorek glinu. Nie zidentyfikowano jeszcze binarnego wodorku indu, chociaż istnieją duże kompleksy. W chemia nieorganiczna wodorki mogą również służyć jako ligandy mostkujące, które łączą dwa centra metali w kompleksie koordynacyjnym. Funkcja ta jest szczególnie charakterystyczna dla pierwiastków grupy 13, szczególnie w boranach (wodorkach boru) i kompleksach glinu, a także w zgrupowanych karboranach.

Protony i kwasy

Utlenianie wodoru usuwa jego elektron i wytwarza H+, który nie zawiera elektronów i jądro, które zwykle składa się z pojedynczego protonu. Dlatego H+ często nazywany jest protonem. Gatunek ten ma kluczowe znaczenie w dyskusji na temat kwasów. Według teorii Bronsteda-Lowry’ego kwasy są donorami protonów, a zasady akceptorami protonów. Nagi proton H+ nie może istnieć w roztworze ani w kryształach jonowych ze względu na jego nieodparte przyciąganie do innych atomów lub cząsteczek zawierających elektrony. Z wyjątkiem wysokich temperatur związanych z plazmą, takie protony nie mogą zostać usunięte z chmur elektronowych atomów i cząsteczek i pozostaną z nimi związane. Jednakże termin „proton” jest czasami używany metaforycznie w odniesieniu do dodatnio naładowanego lub kationowego wodoru przyłączonego w ten sposób do innych form i jako taki jest określany jako „H+” bez żadnej sugestii, że jakiekolwiek pojedyncze protony istnieją swobodnie jako gatunek. Aby uniknąć pojawienia się nagiego „solwatowanego protonu” w roztworze, czasami uważa się, że kwaśne roztwory wodne zawierają mniej nieprawdopodobną fikcyjną substancję zwaną „jonem hydroniowym” (H3O+). Jednak nawet w tym przypadku takie solwatowane kationy wodoru są bardziej realistycznie postrzegane jako zorganizowane skupiska tworzące formy zbliżone do H9O+4. Inne jony oksoniowe występują, gdy woda znajduje się w kwaśnym roztworze z innymi rozpuszczalnikami. Pomimo egzotycznego wyglądu na Ziemi, jednym z najpowszechniejszych jonów we Wszechświecie jest H+3, znany jako protonowany wodór cząsteczkowy lub kation triwodorowy.

Izotopy

Wodór ma trzy naturalnie występujące izotopy, oznaczone jako 1H, 2H i 3H. Inne, wysoce niestabilne jądra (4H do 7H) zsyntetyzowano w laboratorium, ale nie zaobserwowano ich w naturze. 1H jest najobficiej występującym izotopem wodoru, którego zawartość wynosi ponad 99,98%. Ponieważ jądro tego izotopu składa się tylko z jednego protonu, nadano mu opisową, ale rzadko używaną formalną nazwę protium. 2H, inny stabilny izotop wodoru, znany jest jako deuter i zawiera w swoim jądrze jeden proton i jeden neutron. Uważa się, że cały deuter we Wszechświecie powstał podczas Wielkiego Wybuchu i istnieje od tego czasu aż do chwili obecnej. Deuter nie jest pierwiastkiem radioaktywnym i nie stwarza znaczącego ryzyka toksyczności. Woda wzbogacona w cząsteczki zawierające deuter zamiast zwykłego wodoru nazywana jest ciężką wodą. Deuter i jego związki są stosowane jako nieradioaktywny znacznik w Eksperymenty chemiczne oraz w rozpuszczalnikach do spektroskopii 1H-NMR. Ciężka woda stosowana jest jako moderator neutronów i chłodziwo w reaktorach jądrowych. Deuter jest także potencjalnym paliwem do zastosowań komercyjnych fuzja nuklearna. 3H jest znany jako tryt i zawiera w jądrze jeden proton i dwa neutrony. Jest radioaktywny, rozpada się do helu-3 w drodze rozpadu beta, a okres półtrwania wynosi 12,32 lat. Jest tak radioaktywny, że można go stosować w farbach luminescencyjnych, co czyni go przydatnym na przykład do produkcji zegarków ze świecącymi tarczami. Szkło uniemożliwia ucieczkę duża ilość promieniowanie. Wytwarzana jest niewielka ilość trytu naturalnie podczas oddziaływania promieni kosmicznych z gazami atmosferycznymi; tryt został również uwolniony podczas testów broni jądrowej. Jest stosowany w reakcjach syntezy jądrowej jako wskaźnik geochemii izotopów oraz w wyspecjalizowanych urządzeniach oświetleniowych z własnym zasilaniem. Tryt był również używany w eksperymentach ze znakowaniem chemicznym i biologicznym jako znacznik radioaktywny. Wodór jest jedynym pierwiastkiem, który go posiada różne nazwy dla jego izotopów, które są obecnie szeroko stosowane. Podczas Wczesna nauka radioaktywność, podano różne ciężkie izotopy promieniotwórcze Nazwy własne, ale takie nazwy nie są już używane, z wyjątkiem deuteru i trytu. Symbole D i T (zamiast 2H i 3H) są czasami używane dla deuteru i trytu, ale odpowiadający im symbol protu P jest już używany dla fosforu i dlatego nie jest dostępny dla protu. W swoich wytycznych dotyczących nomenklatury Unia Międzynarodowa Chemia czysta i stosowana pozwala na użycie dowolnego z symboli D, T, 2H i 3H, chociaż preferowane są 2H i 3H. Egzotyczny atom mionu (symbol Mu), składający się z antymonu i elektronu, jest również czasami uważany za lekki radioizotop wodoru ze względu na różnicę mas między antymonem i elektronem, którą odkryto w 1960 roku. W czasie życia mionu, wynoszącym 2,2 μs, mion można włączyć do związków takich jak chlorek mionu (MuCl) lub muonek sodu (NaMu), podobnie jak odpowiednio chlorowodór i wodorek sodu.

Fabuła

Otwieranie i używanie

W 1671 roku Robert Boyle odkrył i opisał reakcję opiłków żelaza z rozcieńczonymi kwasami, w wyniku której powstaje gazowy wodór. W 1766 roku Henry Cavendish jako pierwszy rozpoznał gazowy wodór jako odrębną substancję, nazywając go „palnym powietrzem” ze względu na jego reakcję metal-kwas. Wysunął teorię, że „łatwopalne powietrze” jest praktycznie identyczne z hipotetyczną substancją zwaną „flogistonem”, a w 1781 r. ponownie odkrył, że podczas spalania gazu wytwarza się woda. Uważa się, że to on odkrył wodór jako pierwiastek. W 1783 roku Antoine Lavoisier nadał temu pierwiastkowi nazwę wodór (od greckiego genu ὑδρο-hydro oznaczającego „wodę” i genu -γενής oznaczającego „twórca”), kiedy on i Laplace odtworzyli dane Cavendisha, że ​​spalanie wodoru powoduje wytwarzanie wody. Lavoisier wytwarzał wodór na potrzeby eksperymentów związanych z konserwacją mas, reagując strumień pary z metalicznym żelazem w żarówce ogrzewanej ogniem. Beztlenowe utlenianie żelaza przez protony wody w wysokich temperaturach można schematycznie przedstawić za pomocą zestawu następujących reakcji:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Wiele metali, takich jak cyrkon, ulega podobnej reakcji z wodą, tworząc wodór. Wodór został po raz pierwszy skroplony przez Jamesa Dewara w 1898 roku przy użyciu chłodzenia regeneracyjnego i jego wynalazku, kolby próżniowej. W Następny rok wytwarzał stały wodór. Deuter został odkryty w grudniu 1931 r. przez Harolda Ureya, a tryt został przygotowany w 1934 r. przez Ernesta Rutherforda, Marka Oliphanta i Paula Hartecka. Ciężka woda, która składa się z deuteru zamiast zwykłego wodoru, została odkryta przez grupę Ureya w 1932 roku. W 1806 roku François Isaac de Rivaz zbudował pierwszy silnik Rivaz, silnik spalinowy zasilany wodorem i tlenem. Edward Daniel Clark wynalazł rurkę z wodorem w 1819 roku. Krzemień Döbereinera (pierwsza pełnoprawna zapalniczka) został wynaleziony w 1823 roku. Pierwszy balon wodorowy został wynaleziony przez Jacques’a Charlesa w 1783 roku. Wodór zapewnił rozwój pierwszej niezawodnej formy podróży lotniczych po wynalezieniu w 1852 roku przez Henriego Giffarda pierwszego sterowca napędzanego wodorem. Niemiecki hrabia Ferdinand von Zeppelin propagował ideę sztywnych sterowców napędzanych w powietrze wodorem, które później nazwano Zeppelinami; pierwszy z nich poleciał po raz pierwszy w 1900 roku. Regularne loty rozpoczęły się w 1910 r. i do wybuchu I wojny światowej w sierpniu 1914 r. przewiozły bez większych incydentów 35 000 pasażerów. W czasie wojny sterowce wodorowe służyły jako platformy obserwacyjne i bombowce. Pierwszy nieprzerwany lot transatlantycki odbył się w 1919 roku brytyjskim sterowcem R34. Regularne przewozy pasażerskie wznowiono w latach dwudziestych XX wieku, a odkrycie złóż helu w Stanach Zjednoczonych miało poprawić bezpieczeństwo podróży, jednak rząd USA odmówił sprzedaży gazu w tym celu, dlatego H2 zastosowano w sterowcu Hindenburg, który uległ zniszczeniu w pożarze Mediolanu w Nowym Jorku – Jersey 6 maja 1937. Zdarzenie było transmitowane w telewizji na żywo w radiu i nagrane na wideo. Powszechnie zakładano, że przyczyną zapłonu był wyciek wodoru, jednak późniejsze badania wykazały, że pokrycie z aluminiowanej tkaniny uległo zapaleniu pod wpływem elektryczności statycznej. Jednak do tego czasu reputacja wodoru jako gazu nośnego została już nadszarpnięta. W tym samym roku pierwszy turbogenerator chłodzony wodorem, wykorzystujący wodór jako chłodziwo w wirniku i stojanie, wszedł do służby w 1937 r. w Dayton w stanie Ohio przez firmę Dayton Power & Light Co.; Ze względu na przewodność cieplną wodoru jest on obecnie najpopularniejszym gazem stosowanym w tej dziedzinie. Akumulator niklowo-wodorowy po raz pierwszy zastosowano w 1977 r. na pokładzie amerykańskiego satelity nawigacji technologii satelitarnej-2 (NTS-2). ISS, Mars Odyssey i Mars Global Surveyor są wyposażone w akumulatory niklowo-wodorowe. W ciemnej części swojej orbity Teleskop kosmiczny Hubble jest również zasilany akumulatorami niklowo-wodorowymi, które ostatecznie wymieniono w maju 2009 roku, ponad 19 lat po wystrzeleniu i 13 lat po zaprojektowaniu.

Rola w teorii kwantowej

Ze względu na swoją prostą budowę atomową, składającą się jedynie z protonu i elektronu, atom wodoru wraz z widmem światła przez niego wytworzonego lub przez niego pochłoniętego odegrał kluczową rolę w rozwoju teorii struktury atomowej. Ponadto badanie odpowiedniej prostoty cząsteczki wodoru i odpowiedniego kationu H+2 doprowadziło do zrozumienia natury wiązania chemicznego, co szybko nastąpiło w wyniku fizycznej obróbki atomu wodoru w mechanice kwantowej w połowie Jednym z pierwszych efektów kwantowych, które można było wówczas wyraźnie zaobserwować (ale niezrozumieć) była obserwacja Maxwella dotycząca wodoru pół wieku przed pojawieniem się pełnej teorii mechaniki kwantowej. Maxwell zauważył, że ciepło właściwe H2 nieodwracalnie odbiega od ciepła właściwego gazu dwuatomowego poniżej temperatury pokojowej i zaczyna coraz bardziej przypominać ciepło właściwe gazu jednoatomowego w temperaturach kriogenicznych. Zgodnie z teorią kwantową zachowanie to wynika z rozmieszczenia (skwantowanych) poziomów energii rotacyjnej, które są szczególnie szeroko rozmieszczone w H2 ze względu na jego małą masę. Te szeroko rozmieszczone poziomy uniemożliwiają równy podział energii cieplnej na ruch obrotowy w wodorze w niskich temperaturach. Gazy okrzemkowe, które składają się z cięższych atomów, nie mają tak szeroko rozmieszczonych poziomów i nie wykazują tego samego efektu. Antywodór jest antymaterialnym analogiem wodoru. Składa się z antyprotonu i pozytonu. Antywodór to jedyny rodzaj atomu antymaterii, który został wyprodukowany w 2015 roku.

Będąc w naturze

Wodór jest najobficiej występującym pierwiastkiem chemicznym we wszechświecie, stanowiącym 75% masy normalnej materii i ponad 90% liczby atomów. (Jednak większość masy Wszechświata nie ma postaci tego pierwiastka chemicznego, ale uważa się, że ma jeszcze niewykryte formy masy, takie jak Ciemna materia i ciemna energia.) Pierwiastek ten występuje w dużych ilościach w gwiazdach i gazowych olbrzymach. Obłoki molekularne H2 są powiązane z powstawaniem gwiazd. Wodór odgrywa kluczową rolę w zasilaniu gwiazd poprzez reakcję proton-proton i syntezę jądrową w cyklu CNO. Na całym świecie wodór występuje przede wszystkim w stanach atomowych i plazmowych o właściwościach zupełnie odmiennych od wodoru cząsteczkowego. Jako plazma elektron i proton wodoru nie są ze sobą związane, co powoduje bardzo wysoką przewodność elektryczną i wysoką emisyjność (wytwarzanie światła ze Słońca i innych gwiazd). Na naładowane cząstki duży wpływ mają pola magnetyczne i elektryczne. Na przykład w wietrze słonecznym oddziałują z magnetosferą Ziemi, tworząc prądy Birkelanda i Zorze polarne. Wodór jest w stanie neutralnym stan atomowy w ośrodku międzygwiazdowym. Uważa się, że duże ilości obojętnego wodoru występujące w rozpadających się układach Lyman-alfa dominują w kosmologicznej gęstości barionów Wszechświata aż do przesunięcia ku czerwieni z = 4. W normalnych warunkach na Ziemi wodór elementarny występuje w postaci gazu dwuatomowego, H2. Jednak wodór jest bardzo rzadki w atmosfera ziemska(1 ppm objętościowo) ze względu na niewielką wagę, co pozwala mu łatwiej pokonać grawitację Ziemi ciężkie gazy. Jednakże wodór jest trzecim najpowszechniej występującym pierwiastkiem na powierzchni Ziemi, występującym głównie w formie związki chemiczne takie jak węglowodory i woda. Wodór wytwarzany przez niektóre bakterie i algi jest naturalnym składnikiem fletu, podobnie jak metan, który jest coraz ważniejszym źródłem wodoru. Forma cząsteczkowa zwana protonowanym wodorem cząsteczkowym (H+3) występuje w ośrodku międzygwiazdowym, gdzie powstaje w wyniku jonizacji wodoru cząsteczkowego z promieni kosmicznych. Ten naładowany jon zaobserwowano także w górnych warstwach atmosfery planety Jowisz. Jon jest stosunkowo stabilny w środowisku ze względu na niską temperaturę i gęstość. H+3 jest jednym z najliczniejszych jonów we Wszechświecie i odgrywa znaczącą rolę w chemii ośrodka międzygwiazdowego. Neutralny trójatomowy wodór H3 może istnieć tylko w formie wzbudzonej i jest niestabilny. Wręcz przeciwnie, pozytywnie jon molekularny Wodór (H+2) jest rzadką cząsteczką we Wszechświecie.

Produkcja wodoru

H2 powstaje w laboratoriach chemicznych i biologicznych, często jako produkt uboczny innych reakcji; w przemyśle do uwodornienia substratów nienasyconych; oraz w przyrodzie jako środek wypierania równoważników redukujących w reakcjach biochemicznych.

Reformowanie parowe

Wodór można wytwarzać na kilka sposobów, ale najbardziej ekonomicznym ważne procesy obejmują usuwanie wodoru z węglowodorów, ponieważ około 95% produkcji wodoru w 2000 r. pochodziło z reformingu parowego. Na skalę komercyjną duże ilości wodoru są zwykle produkowane w drodze reformingu parowego gazu ziemnego. W wysokich temperaturach (1000-1400 K, 700-1100°C lub 1300-2000°F) para (para wodna) reaguje z metanem, tworząc tlenek węgla i H2.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Ta reakcja działa najlepiej, gdy niskie ciśnienia, niemniej jednak można to również przeprowadzić pod wysokim ciśnieniem (2,0 MPa, 20 atm lub 600 cali rtęci). Dzieje się tak dlatego, że najpopularniejszym produktem jest H2 pod wysokim ciśnieniem, a ciśnieniowe systemy odgrzewania działają lepiej przy wyższych ciśnieniach. Mieszanka produktów nazywana jest „gazem syntezowym”, ponieważ często jest wykorzystywana bezpośrednio do produkcji metanolu i związków pokrewnych. Do produkcji gazu syntezowego można wykorzystać węglowodory inne niż metan różne proporcje produkty. Jedną z wielu komplikacji tej wysoce zoptymalizowanej technologii jest powstawanie koksu lub węgla:

CH4 → C + 2 H2

Dlatego też w reformingu parowym zwykle wykorzystuje się nadmiar H2O. Dodatkowy wodór można odzyskać z pary za pomocą tlenku węgla w reakcji wypierania gazu wodnego, zwłaszcza stosując katalizator w postaci tlenku żelaza. Ta reakcja jest również powszechnym przemysłowym źródłem dwutlenku węgla:

CO + H2O → CO2 + H2

Inne ważne metody H2 obejmują częściowe utlenianie węglowodorów:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

I reakcja węgla, która może służyć jako wstęp do opisanej powyżej reakcji ścinania:

C + H2O → CO + H2

Czasami wodór jest wytwarzany i zużywany w tym samym procesie przemysłowym, bez oddzielania. W procesie Habera służącym do produkcji amoniaku wodór wytwarzany jest z gazu ziemnego. Elektroliza solanki w celu wytworzenia chloru powoduje również wytwarzanie wodoru jako produktu ubocznego.

Kwas metaliczny

W laboratorium H2 zwykle wytwarza się w reakcji rozcieńczonych, nieutleniających kwasów z pewnymi reaktywnymi metalami, takimi jak cynk, za pomocą aparatu Kippa.

Zn + 2H + → Zn2 + + H2

Aluminium może również wytwarzać H2 pod wpływem zasad:

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

Elektroliza wody to prosty sposób na produkcję wodoru. Przez wodę przepływa prąd o niskim napięciu, na anodzie wytwarzany jest tlen, a na katodzie wodór. Zwykle katoda jest wykonana z platyny lub innego metalu obojętnego podczas wytwarzania wodoru do przechowywania. Jeśli jednak gaz ma być spalany na miejscu, pożądana jest obecność tlenu, aby wspomóc spalanie, dlatego obie elektrody będą wykonane z metali obojętnych. (Na przykład żelazo utlenia się i dlatego zmniejsza ilość wytwarzanego tlenu). Teoretyczny maksymalna wydajność(prąd zużyty w związku z wartość energetyczna wytworzonego wodoru) mieści się w zakresie 80-94%.

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Do produkcji wodoru można wykorzystać stop aluminium i galu w postaci granulek dodawanych do wody. W procesie tym powstaje również tlenek glinu, ale kosztowny gal, który zapobiega tworzeniu się warstwy tlenkowej na peletkach, można ponownie wykorzystać. Ma to istotne potencjalne konsekwencje dla gospodarki wodorowej, ponieważ wodór można wytwarzać lokalnie i nie trzeba go transportować.

Właściwości termochemiczne

Istnieje ponad 200 cykli termochemicznych, które można zastosować do oddzielenia wody, z czego kilkanaście takich cykli, jak cykl tlenku żelaza, cykl tlenku ceru(IV), cykl cynku i tlenku cynku, cykl siarki i jodu, cykl miedzi i chloru oraz cykl hybrydowy Cykl siarkowy jest przedmiotem badań i testów mających na celu produkcję wodoru i tlenu z wody i ciepła bez użycia energii elektrycznej. Szereg laboratoriów (m.in. we Francji, Niemczech, Grecji, Japonii i USA) opracowuje termochemiczne metody wytwarzania wodoru z energii słonecznej i wody.

Korozja beztlenowa

W warunkach beztlenowych stopy żelaza i stali ulegają powolnemu utlenianiu przez protony wody i redukcji do wodoru cząsteczkowego (H2). Korozja beztlenowa żelaza prowadzi w pierwszej kolejności do powstania wodorotlenku żelaza (zielona rdza) i można ją opisać następującą reakcją: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. Z kolei w warunkach beztlenowych wodorotlenek żelaza (Fe (OH) 2) może zostać utleniony przez protony wody, tworząc magnetyt i wodór cząsteczkowy. Proces ten opisuje reakcja Shikorry: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 wodorotlenek żelaza → magnez + woda + wodór. Dobrze skrystalizowany magnetyt (Fe3O4) jest termodynamicznie bardziej stabilny niż wodorotlenek żelaza (Fe (OH) 2). Proces ten zachodzi podczas korozji beztlenowej żelaza i stali w środowiskach beztlenowych. wody gruntowe oraz podczas przywracania gleby poniżej zwierciadła wody.

Pochodzenie geologiczne: reakcja serpentynizacji

W przypadku braku tlenu (O2) w głębokich warunkach geologicznych panujących daleko od atmosfery ziemskiej, wodór (H2) powstaje w procesie serpentynizacji w wyniku beztlenowego utleniania przez protony wody (H+) krzemianu żelaza (Fe2+) obecnego w sieci krystalicznej fayalit (Fe2SiO4, człon końcowy z oliwinu i żelaza). Odpowiednia reakcja prowadząca do powstania magnetytu (Fe3O4), kwarcu (SiO2) i wodoru (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 fayalite + woda → magnetyt + kwarc + wodór. Reakcja ta jest bardzo podobna do reakcji Shikorry obserwowanej podczas beztlenowego utleniania wodorotlenku żelaza w kontakcie z wodą.

Powstawanie w transformatorach

Ze wszystkich niebezpiecznych gazów wytwarzanych w transformatorach mocy najpowszechniejszy jest wodór, powstający w większości usterek; Zatem powstawanie wodoru jest wczesną oznaką poważnych problemów koło życia transformator.

Aplikacje

Zużycie w różnych procesach

Duże ilości H2 są potrzebne w ropie naftowej i przemysł chemiczny. Największe zastosowania H2 dotyczą przetwarzania („uszlachetniania”) paliw kopalnych i produkcji amoniaku. W zakładach petrochemicznych H2 wykorzystuje się do hydrodealkilowania, hydroodsiarczania i hydrokrakingu. H2 ma kilka innych ważnych zastosowań. H2 stosuje się jako środek uwodorniający, szczególnie w celu zwiększenia poziomu nasycenia nienasyconych tłuszczów i olejów (występujących w produktach takich jak margaryna) oraz przy produkcji metanolu. Jest także źródłem wodoru przy produkcji kwasu solnego. H2 stosuje się także jako środek redukujący rudy metali. Wodór jest dobrze rozpuszczalny w wielu metalach ziem rzadkich i metalach przejściowych oraz jest rozpuszczalny zarówno w metalach nanokrystalicznych, jak i amorficznych. Rozpuszczalność wodoru w metalach zależy od lokalnych zniekształceń lub zanieczyszczeń w sieci krystalicznej. Może to być przydatne podczas oczyszczania wodoru poprzez przepuszczanie go przez gorące dyski palladu, ale wysoka rozpuszczalność gazu stanowi problem metalurgiczny, który przyczynia się do kruchości wielu metali, co komplikuje projektowanie rurociągów i zbiorników magazynowych. Oprócz zastosowania jako odczynnika, H2 ma szerokie zastosowanie w fizyce i technologii. Jest stosowany jako gaz osłonowy w technikach spawania, takich jak spawanie wodorem atomowym. H2 stosuje się jako chłodziwo wirnika w generatorach elektrycznych w elektrowniach, ponieważ ma najwyższą przewodność cieplną ze wszystkich gazów. Ciekły H2 wykorzystywany jest w badaniach kriogenicznych, w tym w badaniach nadprzewodnictwa. Ponieważ H2 jest lżejszy od powietrza i stanowi nieco ponad 1/14 gęstości powietrza, był kiedyś szeroko stosowany jako gaz nośny w balonach i sterowcach. W nowszych zastosowaniach wodór stosuje się w postaci czystej lub zmieszanej z azotem (czasami nazywanym gazem formującym) jako gaz znakujący do natychmiastowego wykrywania nieszczelności. Wodór wykorzystywany jest w przemyśle motoryzacyjnym, chemicznym, energetycznym, lotniczym i telekomunikacyjnym. Wodór jest dozwolony suplement diety(E 949), który pozwala na badanie szczelności produkty żywieniowe, wśród innych właściwości przeciwutleniających. Rzadkie izotopy wodoru mają również specyficzne zastosowania. Deuter (wodór-2) jest stosowany w zastosowaniach rozszczepienia jądrowego jako moderator powolne neutrony oraz w reakcjach syntezy jądrowej. Związki deuteru wykorzystuje się w chemii i biologii do badania izotopowych skutków reakcji. W produkcji wykorzystuje się tryt (wodór-3) wytwarzany w reaktorach jądrowych bomby wodorowe, jako znacznik izotopowy w nauki biologiczne oraz jako źródło promieniowania w farbach luminescencyjnych. Temperatura punktu potrójnego równowagowego wodoru jest definiującym stałym punktem w skali temperatur ITS-90 i wynosi 13,8033 kelwina.

Środek chłodzący

Wodór jest powszechnie stosowany w elektrowniach jako chłodziwo w generatorach ze względu na szereg korzystnych właściwości, które wynikają bezpośrednio z jego lekkich cząsteczek dwuatomowych. Należą do nich niska gęstość, niska lepkość oraz najwyższa pojemność cieplna właściwa i przewodność cieplna dowolnego gazu.

Nośnik energii

Wodór nie jest surowcem energetycznym, z wyjątkiem hipotetycznego kontekstu komercyjnych elektrowni termojądrowych wykorzystujących deuter lub tryt, czyli technologię, która jest obecnie daleka od dojrzałości. Energia słoneczna pochodzi z syntezy jądrowej wodoru, jednak proces ten jest trudny do przeprowadzenia na Ziemi. Wodór elementarny pochodzący ze źródeł słonecznych, biologicznych lub elektrycznych wymaga do wytworzenia więcej energii, niż zużywa się podczas jego spalania, dlatego w takich przypadkach wodór pełni rolę nośnika energii, podobnie jak akumulator. Wodór można wytwarzać ze źródeł kopalnych (takich jak metan), ale źródła te są wyczerpywalne. Gęstość energii na jednostkę objętości zarówno ciekłego wodoru, jak i sprężonego wodoru gazowego pod dowolnym możliwym ciśnieniem jest znacznie mniejsza niż w przypadku tradycyjnych źródeł energii, chociaż gęstość energii na jednostkę masy paliwa jest wyższa. Jednakże wodór elementarny był szeroko dyskutowany w kontekście energetycznym jako możliwy przyszły nośnik energii obejmujący całą gospodarkę. Na przykład sekwestrację CO2, a następnie wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla można przeprowadzić w miejscu produkcji H2 z paliw kopalnych. Wodór stosowany w transporcie będzie spalał się stosunkowo czysto, z pewną emisją NOx, ale bez emisji dwutlenku węgla. Jednak koszty infrastruktury związane z pełnym przejściem na gospodarkę wodorową będą znaczące. Ogniwa paliwowe mogą przetwarzać wodór i tlen bezpośrednio w energię elektryczną wydajniej niż silniki spalinowe.

Przemysł półprzewodników

Wodór służy do nasycania zwisających wiązań amorficznego krzemu i amorficznego węgla, co pomaga ustabilizować właściwości materiału. Jest także potencjalnym donorem elektronów w różnych materiałach tlenkowych, w tym ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 i SrZrO3.

Reakcje biologiczne

H2 jest produktem metabolizmu beztlenowego i jest wytwarzany przez kilka mikroorganizmów, zwykle w wyniku reakcji katalizowanych przez enzymy zawierające żelazo lub nikiel zwane hydrorazami. Enzymy te katalizują odwracalną reakcję redoks pomiędzy H2 i jego składnikami – dwoma protonami i dwoma elektronami. Wytwarzanie gazowego wodoru następuje poprzez przeniesienie równoważników redukujących wytworzonych w wyniku fermentacji pirogronianu do wody. Naturalny cykl produkcji i zużycia wodoru przez organizmy nazywany jest cyklem wodorowym. Rozszczepianie wody, proces, w którym woda rozkłada się na tworzące ją protony, elektrony i tlen, zachodzi w reakcjach świetlnych we wszystkich organizmach fotosyntetycznych. Niektóre takie organizmy, w tym glony Chlamydomonas Reinhardtii i sinice, rozwinęły drugi etap ciemnych reakcji, podczas których protony i elektrony są redukowane do postaci gazowego H2 przez wyspecjalizowane wodorazy w chloroplastach. Podejmowano próby genetycznej modyfikacji hydraz cyjanobakteryjnych w celu wydajnej syntezy gazowego H2 nawet w obecności tlenu. Podjęto również wysiłki, stosując genetycznie zmodyfikowane algi w bioreaktorze.

Wodór

WODÓR-A; M. Pierwiastek chemiczny (H), lekki, bezbarwny i bezwonny gaz, który łączy się z tlenem, tworząc wodę.

◁ Wodór, och, och. Drugie połączenia. Bakteria B. Druga bomba(wielka bomba niszczycielska siła, którego działanie wybuchowe opiera się na reakcji termojądrowej). Wodór, och, och.

wodór

(łac. Wodór), pierwiastek chemiczny z grupy VII układ okresowy. W przyrodzie występują dwa stabilne izotopy (prot i deuter) oraz jeden radioaktywny (tryt). Cząsteczka jest dwuatomowa (H2). Gaz bezbarwny i bezwonny; gęstość 0,0899 g/l, T kip - 252,76°C. Łączy się z wieloma pierwiastkami i tworzy wodę z tlenem. Najczęstszy element kosmosu; stanowi (w postaci plazmy) ponad 70% masy Słońca i gwiazd, główną część gazów ośrodka międzygwiazdowego i mgławic. Atom wodoru jest częścią wielu kwasów i zasad oraz większości związków organicznych. Wykorzystuje się je do produkcji amoniaku, kwasu solnego, do uwodornienia tłuszczów itp., przy spawaniu i cięciu metali. Obiecujący jako paliwo (patrz Energia wodorowa).

WODÓR

WODÓR (łac. Wodór), H, pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 1, masie atomowej 1,00794. Symbol chemiczny wodoru, H, czyta się w naszym kraju jako „ból”, jak wymawia się tę literę w języku francuskim.
Naturalny wodór składa się z mieszaniny dwóch stabilnych nuklidów (cm. NUKLIDE) o liczbach masowych 1,007825 (99,985% w mieszaninie) i 2,0140 (0,015%). Ponadto naturalny wodór zawsze zawiera minimalne ilości radioaktywnego nuklidu – trytu (cm. TRYT) 3 N (okres półtrwania T 1/2 12,43 lat). Ponieważ jądro atomu wodoru zawiera tylko 1 proton (w jądrze atomu pierwiastka nie może być mniej protonów), czasami mówi się, że wodór stanowi naturalną dolną granicę układu okresowego pierwiastków D. I. Mendelejewa (chociaż pierwiastek sam wodór znajduje się w górnej części tabel). Pierwiastek wodór znajduje się w pierwszym okresie układu okresowego. Zaliczany jest także do grupy 1 (metale alkaliczne grupy IA (cm. METALE ALKALICZNE)) i do grupy 7 (halogeny z grupy VIIA (cm. FLUOROWIEC)).
Masy atomowe izotopów wodoru różnią się znacznie (kilkukrotnie). Prowadzi to do zauważalnych różnic w ich zachowaniu procesy fizyczne(destylacja, elektroliza itp.) oraz pewnymi różnicami chemicznymi (różnice w zachowaniu izotopów jednego pierwiastka nazywane są efektami izotopowymi; w przypadku wodoru efekty izotopowe są najbardziej znaczące). Dlatego w przeciwieństwie do izotopów wszystkich innych pierwiastków, izotopy wodoru mają specjalne symbole i nazwy. Wodór o liczbie masowej 1 nazywany jest lekkim wodorem, czyli protium (łac. Protium, od greckiego protos - pierwszy), oznaczony symbolem H, a jego jądro nazywa się protonem (cm. PROTON (cząstka elementarna)), symbol str. Wodór o liczbie masowej 2 nazywany jest wodorem ciężkim, deuterem (cm. DEUTER)(łac. Deuter, od greckiego deuteros - drugi), do jego oznaczenia używa się symboli 2 H lub D (czytaj „de”), jądrem d jest deuteron. Izotop promieniotwórczy o liczbie masowej 3 nazywany jest superciężkim wodorem, czyli trytem (łac. Tritum, od greckiego tritos - trzeci), symbol 2 H lub T (czytaj „te”), jądro t - tryton.
Konfiguracja pojedynczej warstwy elektronowej obojętnego, niewzbudnego atomu wodoru 1 S 1 . W związkach wykazuje stopnie utlenienia +1 i rzadziej –1 (wartościowość I). Promień obojętnego atomu wodoru wynosi 0,024 nm. Energia jonizacji atomu wynosi 13,595 eV, powinowactwo elektronowe wynosi 0,75 eV. Według skali Paulinga elektroujemność wodoru wynosi 2,20. Wodór jest niemetalem.
W wolnej postaci jest to lekko palny gaz, bez koloru, zapachu i smaku.
Historia odkrycia
Uwalnianie łatwopalnego gazu podczas interakcji kwasów i metali zaobserwowano w XVI i XVII wieku, u zarania kształtowania się chemii jako nauki. Słynny angielski fizyk i chemik G. Cavendish (cm. CAVENDISH Henry) w 1766 roku zbadał ten gaz i nazwał go „palnym powietrzem”. Podczas spalania „łatwopalne powietrze” wytwarzało wodę, co jednak Cavendish trzymał się teorii flogistonu (cm. FLOGISTON) uniemożliwiło mu wyciągnięcie właściwych wniosków. Francuski chemik A. Lavoisier (cm. LAVOISIER Antoine Laurent) wspólnie z inżynierem J. Meunierem (cm. MENIER Jean Baptiste Marie Charles) za pomocą specjalnych gazometrów przeprowadził w 1783 roku syntezę wody, a następnie jej analizę, rozkładając parę wodną gorącym żelazem. Ustalił tym samym, że „powietrze palne” jest częścią wody i można z niej uzyskać. W 1787 roku Lavoisier doszedł do wniosku, że „powietrze palne” jest substancją prostą i dlatego należy do pierwiastków chemicznych. Nadał mu nazwę Hydrone (od greckiego hydor – woda i gennao – rodzę) – „rodzić wodę”. Ustalenie składu wody położyło kres „teorii flogistonu”. Rosyjską nazwę „wodór” zaproponował chemik M. F. Sołowjow (cm. SOŁOWIEW Michaił Fiodorowicz) w 1824 r. Na przełomie XVIII i XIX w. ustalono, że atom wodoru jest bardzo lekki (w porównaniu z atomami innych pierwiastków), a za jednostkę porównawczą przyjęto masę (masę) atomu wodoru dla mas atomowych pierwiastków. Masie atomu wodoru przypisano wartość 1.
Będąc w naturze
Wodór stanowi około 1% masy skorupy ziemskiej (10. miejsce wśród wszystkich pierwiastków). Na naszej planecie wodór praktycznie nigdy nie występuje w postaci wolnej (jego ślady znajdują się w górnych warstwach atmosfery), natomiast jako część wody występuje niemal wszędzie na Ziemi. Pierwiastek wodór występuje w substancjach organicznych i związki nieorganiczne organizmy żywe, gaz ziemny, ropa naftowa, węgiel. Jest on oczywiście zawarty w wodzie (około 11% wag.), w różnych naturalnych krystalicznych hydratach i minerałach, które zawierają jedną lub więcej grup hydroksylowych OH.
Wodór jako pierwiastek dominuje we Wszechświecie. Stanowi około połowy masy Słońca i innych gwiazd i występuje w atmosferze wielu planet.
Paragon
Wodór można wytwarzać na wiele sposobów. W przemyśle wykorzystuje się do tego gazy ziemne, a także gazy uzyskiwane z rafinacji ropy naftowej, koksowania i zgazowania węgla i innych paliw. Podczas produkcji wodoru z gazu ziemnego (głównym składnikiem jest metan) ulega on katalitycznej interakcji z parą wodną i niecałkowitemu utlenieniu tlenem:
CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 i CH 4 + 1/2 O 2 = CO 2 + 2H 2
Oddzielenie wodoru od gazu koksowniczego i gazów rafinacyjnych polega na ich upłynnieniu podczas głębokiego chłodzenia i usunięciu z mieszaniny gazów, które upłynniają się łatwiej niż wodór. Gdy dostępna jest tania energia elektryczna, wodór wytwarza się w procesie elektrolizy wody, przepuszczając prąd przez roztwory alkaliczne. W warunkach laboratoryjnych wodór można łatwo otrzymać w reakcji metali z kwasami, na przykład cynku z kwasem solnym.
Fizyczne i chemiczne właściwości
W normalnych warunkach wodór jest lekki (gęstość w normalnych warunkach 0,0899 kg/m3) bezbarwny gaz. Temperatura topnienia –259,15°C, temperatura wrzenia –252,7°C. Ciekły wodór (w temperaturze wrzenia) ma gęstość 70,8 kg/m 3 i jest najlżejszą cieczą. Standardowy potencjał elektrody H 2 /H - w roztworze wodnym przyjmuje się jako równy 0. Wodór jest słabo rozpuszczalny w wodzie: w temperaturze 0 °C rozpuszczalność jest mniejsza niż 0,02 cm 3 / ml, ale jest dobrze rozpuszczalny w niektórych metalach ( żelazo gąbczaste i inne), szczególnie dobre - w metalicznym palladzie (około 850 objętości wodoru w 1 objętości metalu). Ciepło spalania wodoru wynosi 143,06 MJ/kg.
Występuje w postaci dwuatomowych cząsteczek H2. Stała dysocjacji H2 na atomy w temperaturze 300 K wynosi 2,56·10 -34. Energia dysocjacji cząsteczki H2 na atomy wynosi 436 kJ/mol. Odległość międzyjądrowa w cząsteczce H2 wynosi 0,07414 nm.
Ponieważ jądro każdego atomu H będącego częścią cząsteczki ma swój własny spin (cm. KRĘCIĆ SIĘ), wówczas wodór cząsteczkowy może występować w dwóch postaciach: w postaci ortowodoru (o-H2) (oba spiny mają tę samą orientację) oraz w postaci parawodoru (n-H2) (spiny mają inną orientację). W normalnych warunkach normalny wodór jest mieszaniną 75% o-H2 i 25% p-H2. Właściwości fizyczne p- i o-H2 nieznacznie się od siebie różnią. Tak więc, jeśli temperatura wrzenia czysty o-N 2 20,45 K, zatem czysty p-N 2 - 20,26 K. Przemianie o-H 2 w p-H 2 towarzyszy wydzielenie ciepła 1418 J/mol.
W literatura naukowa Wielokrotnie sugerowano, że przy wysokich ciśnieniach (powyżej 10 GPa) i niskich temperaturach (około 10 K i poniżej) wodór w stanie stałym, zwykle krystalizujący w postaci sześciokątnej siatki typ molekularny, może przekształcić się w substancję o właściwościach metalicznych, być może nawet w nadprzewodnik. Jednak na razie nie ma jednoznacznych danych na temat możliwości takiego przejścia.
Dużą siłę wiązania chemicznego pomiędzy atomami w cząsteczce H2 (co np. stosując metodę orbitali molekularnych można wytłumaczyć faktem, że w tej cząsteczce para elektronów znajduje się na orbicie wiążącym, a orbital antywiążący jest nie zajmowany przez elektrony) prowadzi do tego, że w temperaturze pokojowej gazowy wodór jest chemicznie nieaktywny. Zatem bez ogrzewania, po prostym zmieszaniu, wodór reaguje (wybuchowo) tylko z gazowym fluorem:
H2 + F2 = 2HF + Q.
Jeśli mieszaninę wodoru i chloru w temperaturze pokojowej napromieniuje się światłem ultrafioletowym, obserwuje się natychmiastowe utworzenie się chlorowodoru HCl. Reakcja wodoru z tlenem zachodzi wybuchowo, jeśli do mieszaniny tych gazów dodaje się katalizator, pallad (lub platynę). Po zapaleniu powstaje mieszanina wodoru i tlenu (tzw. gaz detonujący (cm. GAZ WYBUCHOWY)) eksploduje, a eksplozja może nastąpić w mieszaninach, w których zawartość wodoru waha się od 5 do 95 procent objętościowych. Czysty wodór w powietrzu lub w czystym tlenie spala się cicho, wydzielając dużą ilość ciepła:
H2 + 1/2O2 = H2O + 285,75 kJ/mol
Jeśli wodór oddziałuje z innymi niemetalami i metalami, dzieje się to tylko pod pewnymi warunkami (ogrzewanie, wysokie ciśnienie, obecność katalizatora). Zatem wodór reaguje odwracalnie z azotem pod podwyższonym ciśnieniem (20-30 MPa lub więcej) i w temperaturze 300-400°C w obecności katalizatora - żelaza:
3H 2 + N 2 = 2NH 3 + Q.
Ponadto tylko po podgrzaniu wodór reaguje z siarką, tworząc siarkowodór H2S, z bromem, tworząc bromowodór HBr, z jodem, tworząc jodowodór HI. Wodór reaguje z węglem (grafitem), tworząc mieszaninę węglowodorów inny skład. Wodór nie oddziałuje bezpośrednio z borem, krzemem i fosforem, związki tych pierwiastków z wodorem powstają pośrednio.
Po podgrzaniu wodór może reagować z metalami alkalicznymi, ziem alkalicznych i magnezem, tworząc związki z wiązaniem jonowym, które zawierają wodór na –1 stopniu utlenienia. Tak więc, gdy wapń jest podgrzewany w atmosferze wodoru, powstaje wodorek podobny do soli o składzie CaH2. Polimer wodorek glinu (AlH 3) x - jeden z najsilniejszych reduktorów - otrzymywany jest pośrednio (np. przy użyciu związków glinoorganicznych). W przypadku wielu metali przejściowych (na przykład cyrkonu, hafnu itp.) wodór tworzy związki o zmiennym składzie (roztwory stałe).
Wodór może reagować nie tylko z wieloma prostymi, ale także złożonymi substancjami. Przede wszystkim należy zwrócić uwagę na zdolność wodoru do redukcji wielu metali z ich tlenków (takich jak żelazo, nikiel, ołów, wolfram, miedź itp.). Zatem po podgrzaniu do temperatury 400-450 °C i wyższej żelazo jest redukowane przez wodór z któregokolwiek z jego tlenków, na przykład:
Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.
Należy zaznaczyć, że z tlenków wodorem można redukować jedynie metale znajdujące się w szeregu standardowe potencjały dla manganu. Więcej metale aktywne(w tym mangan) nie są redukowane do metalu z tlenków.
Wodór może przyłączać podwójne lub potrójne wiązanie do wielu związków organicznych (są to tzw. reakcje uwodornienia). Na przykład w obecności katalizatora niklowego można przeprowadzić uwodornienie etylenu C2H4 i powstaje etan C2H6:
do 2 H. 4 + H. 2 = do 2 H. 6.
Metanol jest wytwarzany na skalę przemysłową w reakcji tlenku węgla (II) i wodoru:
2H2 + CO = CH3OH.
W związkach, w których atom wodoru jest połączony z atomem bardziej elektroujemnego pierwiastka E (E = F, Cl, O, N), pomiędzy cząsteczkami powstają wiązania wodorowe (cm. WIĄZANIE WODOROWE)(dwa atomy E tego samego lub dwa różne pierwiastki są połączone ze sobą poprzez atom H: E"...N...E"", a wszystkie trzy atomy leżą na tej samej linii prostej). Takie wiązania istnieją pomiędzy cząsteczkami wody, amoniaku, metanolu itp. i prowadzą do zauważalnego wzrostu temperatur wrzenia tych substancji, wzrostu ciepła parowania itp.
Aplikacja
Wodór wykorzystuje się w syntezie amoniaku NH 3, chlorowodoru HCl, metanolu CH 3 OH, podczas hydrokrakingu (krakingu w atmosferze wodoru) naturalnych węglowodorów, jako środek redukujący w produkcji niektórych metali. Uwodornienie (cm. Uwodornienie) Naturalne oleje roślinne służą do otrzymywania tłuszczu stałego – margaryny. Ciekły wodór stosowany jest jako paliwo rakietowe, a także jako chłodziwo. Do spawania wykorzystuje się mieszaninę tlenu i wodoru.
Swego czasu sugerowano, że w niedalekiej przyszłości głównym źródłem energii będzie reakcja spalania wodoru, a energia wodorowa zastąpi źródła tradycyjne pozyskiwanie energii (węgiel, ropa naftowa itp.). Założono, że aby otrzymać wodór w na dużą skalę Możliwe będzie zastosowanie elektrolizy wody. Elektroliza wody jest procesem dość energochłonnym i obecnie nieopłacalne jest wytwarzanie wodoru metodą elektrolizy na skalę przemysłową. Oczekiwano jednak, że elektroliza będzie opierać się na wykorzystaniu ciepła średniotemperaturowego (500-600°C), które powstaje w dużych ilościach podczas pracy elektrownie jądrowe. Ciepło to ma ograniczone zastosowanie, a możliwość wytworzenia za jego pomocą wodoru rozwiązałaby zarówno problem środowiskowy (przy spalaniu wodoru w powietrzu ilość wytwarzanych substancji szkodliwych dla środowiska jest minimalna), jak i problem wykorzystania ciepła średniotemperaturowego. Jednak po katastrofie w Czarnobylu rozwój energetyki jądrowej został wszędzie zahamowany, przez co to źródło energii stało się niedostępne. Dlatego perspektywy powszechnego wykorzystania wodoru jako źródła energii wciąż się przesuwają, co najmniej do połowy XXI wieku.
Cechy leczenia
Wodór nie jest toksyczny, jednak przy obchodzeniu się z nim należy stale liczyć się z jego wysokim zagrożeniem pożarowym i wybuchowym, a ryzyko wybuchu wodoru wzrasta ze względu na dużą zdolność gazu do dyfuzji nawet przez niektóre materiały stałe. Przed rozpoczęciem jakichkolwiek operacji grzewczych w atmosferze wodoru należy upewnić się, że jest ona czysta (przy zapalaniu wodoru w probówce odwróconej do góry nogami dźwięk powinien być głuchy, a nie szczekający).
Rola biologiczna
Biologiczne znaczenie wodoru wynika z faktu, że wchodzi on w skład cząsteczek wody oraz wszystkich najważniejszych grup związków naturalnych, do których należą białka, kwasy nukleinowe, lipidy i węglowodany. Około 10% masy organizmów żywych stanowi wodór. Zdolność wodoru do tworzenia wiązania wodorowego odgrywa decydującą rolę w utrzymaniu przestrzennej struktury czwartorzędowej białek, a także w realizacji zasady komplementarności (cm. UZUPEŁNIAJĄCY) w budowie i funkcjach kwasów nukleinowych (czyli w przechowywaniu i wdrażaniu informacji genetycznej), ogólnie w realizacji „rozpoznawania” na poziomie molekularnym. Wodór (jon H+) bierze udział w najważniejszych procesach i reakcjach dynamicznych zachodzących w organizmie - w utlenianiu biologicznym, które dostarcza energii żywym komórkom, w fotosyntezie u roślin, w reakcjach biosyntezy, w wiązaniu azotu i fotosyntezie bakteryjnej, w utrzymaniu równowagi kwasowej równowaga podstawowa i homeostaza (cm. HOMEOSTAZA) w procesach transportu membranowego. Zatem wraz z tlenem i węglem wodór stanowi strukturalną i funkcjonalną podstawę zjawisk życiowych.

słownik encyklopedyczny. 2009 .

Synonimy:

Zobacz, co oznacza „wodór” w innych słownikach:

Tabela nuklidów Informacje ogólne Nazwa, symbol Wodór 4, 4H Neutrony 3 Protony 1 Właściwości nuklidu Masa atomowa 4.027810(110) ... Wikipedia

Tabela nuklidów Informacje ogólne Nazwa, symbol Wodór 5, 5H Neutrony 4 Protony 1 Właściwości nuklidów Masa atomowa 5.035310(110) ... Wikipedia

Tabela nuklidów Informacje ogólne Nazwa, symbol Wodór 6, 6H Neutrony 5 Protony 1 Właściwości nuklidów Masa atomowa 6.044940(280) ... Wikipedia

Tabela nuklidów Informacje ogólne Nazwa, symbol Wodór 7, 7H Neutrony 6 Protony 1 Właściwości nuklidu Masa atomowa 7,052750 (1080) ... Wikipedia