VODIK: ZGODOVINA, STRUKTURA, LASTNOSTI IN UPORABE - KEMIJA - 2026

Vodika je kemijski element, ki je predstavljen s simbolom H. Atom je najmanjši izmed vseh in je eden , ki začne periodnega, ne glede na to, kjer je nameščen. Sestoji iz brezbarvnega plina, ki ga sestavljajo dvoatomarnih H ₂ molekuli ni izolirana H atomov; tako kot med drugim tudi žlahtni plini He, Ne, Ar.

Od vseh elementov je morda najbolj emblematičen in izstopa ne samo zaradi svojih lastnosti v kopenskih ali drastičnih razmerah, temveč zaradi svoje ogromne številčnosti in raznolikosti svojih spojin. Vodik je plin, čeprav je inerten v odsotnosti ognja, vnetljiv in nevaren; medtem vode, H ₂ O, je univerzalna in življenje topilo.

Rdeči valji, ki se uporabljajo za shranjevanje vodika. Vir: Famartin

Vodik sam po sebi ne kaže nobenih vizualnih posebnosti, ki bi jih bilo vredno občudovati, saj je preprosto plin, ki je shranjen v jeklenkah ali rdečih steklenicah. Vendar je zaradi njegovih lastnosti in sposobnosti povezovanja z vsemi elementi vodik poseben. In vse to, kljub temu, da ima le en valenčni elektron.

Če vodika ne bi shranili v svojih jeklenkah, bi ušel v vesolje, medtem ko bi velik del reagiral na vzpon. In čeprav ima zelo nizko koncentracijo v zraku, ki ga dihamo, zunaj Zemlje in v ostalem vesolju, je to najbolj bogat element, ki ga najdemo v zvezdah in velja za njegovo enoto gradnje.

Na drugi strani na Zemlji predstavlja približno 10% njegove celotne mase. Če želite vizualizirati, kaj to pomeni, je treba upoštevati, da je površina planeta praktično pokrita z oceani in da se vodik nahaja v mineralih, v surovi nafti in v kateri koli organski spojini, poleg tega, da je del vseh živih bitij.

Tako kot ogljik imajo tudi vse biomolekule (ogljikovi hidrati, beljakovine, encimi, DNK itd.) Vodikove atome. Zato obstaja veliko virov, ki jih lahko pridobivajo ali proizvajajo; Vendar pa le malo predstavlja resnično donosne proizvodne metode.

Zgodovina

Identifikacija in ime

Čeprav je bil leta 1671 Robert Boyle prvič priča plinu, ki je nastal, ko so železni filci reagirali s kislinami, ga je britanski znanstvenik Henry Cavendish leta 1766 označil za novo snov; "vnetljiv zrak".

Cavendish je ugotovil, da ko je ta domnevno vnetljiv zrak zgorel, nastaja voda. Francoski kemik Antoine Lavoisier je na podlagi svojega dela in rezultatov dal temu vodiku ime vodika leta 1783. Etimološko njen pomen izhaja iz grških besed "hidro" in "geni": tvorjenje vode.

Elektroliza in gorivo

Kmalu zatem, leta 1800, sta ameriška znanstvenika William Nicholson in sir Anthony Carlisle odkrila, da voda lahko razpade na vodik in kisik; našli so elektrolizo vode. Pozneje, leta 1838, je švicarski kemik Christian Friedrich Schoenbein predstavil zamisel, da bi izkoristili zgorevanje vodika za proizvodnjo električne energije.

Priljubljenost vodika je bila taka, da jo je celo pisatelj Jules Verne v svoji knjigi Skrivnostni otok (1874) navedel kot gorivo prihodnosti.

Izolacija

Leta 1899 je škotski kemik James Dewar prvi izoliral vodik kot utekočinjen plin, saj je bil sam tisti, ki ga je mogel dovolj ohladiti, da ga je dobil v trdni fazi.

Dva kanala

Od tega trenutka naprej zgodovina vodika predstavlja dva kanala. Po eni strani njegov razvoj na področju goriv in baterij; na drugi pa razumevanje strukture njenega atoma in tega, kako je predstavljal element, ki je odprl vrata kvantni fiziki.

Struktura in elektronska konfiguracija

Diatomska molekula vodika. Vir: Benjah-bmm27

Atomi vodika so zelo majhni in imajo samo en elektron, da tvorijo kovalentne vezi. Ko pridruži dva od teh atomov, da privedeta do dvoatomarnega molekulo, H ₂ ; to je molekularni vodikov plin (zgornja slika). Vsaka bela krogla ustreza posameznemu atomu H, globalna sfera pa molekularnim orbitam.

Tako je vodik dejansko sestavljena iz majhnega H ₂ molekuli , ki vstopata v interakcijo preko Londonu sipanje sile, ker nimajo dipolni moment, ker so homonuclear. Zato so zelo "nemirni" in se hitro širijo po prostoru, saj ni dovolj močnih medmolekulskih sil, da bi jih upočasnili.

Elektronska konfiguracija vodika je preprosto 1s ¹ . Ta orbitala 1s je rezultat reševanja znamenite Schrödingerjeve enačbe za atom vodika. V H2 _se dve 1s orbitali prekrivata, da tvorita dve molekulski orbitali: ena vezna in druga protivezujoča, v skladu s teorijo molekularne orbitale (TOM).

Te orbitale dovolijo ali pojasni obstoj ionov H ₂ ⁺ ali H ₂ ^- ; Vendar pa je vodik kemija je definirano v normalnih pogojih s H ₂ ali H ⁺ ali H ^- ionov .

Oksidacijske številke

Iz elektronske konfiguracije za vodik 1s ¹ je zelo enostavno predvideti njegove možne številke oksidacije; seveda ob upoštevanju, da orbitala z večjo energijo 2s ni na voljo za kemične vezi. Tako ima v bazalnem stanju vodik oksidacijsko število 0, H ⁰ .

Če izgubi svoj edini elektron, ostane orbital 1s prazen in vodikov kation ali ion, H ⁺ , tvorita z veliko gibljivostjo skoraj v katerem koli tekočem mediju; predvsem voda. V tem primeru je njegova oksidacijska številka +1.

In ko se zgodi ravno obratno, to pomeni, da bo pridobil elektron, bo orbitala imela zdaj dva elektrona in bo postala 1s ² . Nato oksidacijsko število postane -1 in ustreza hidridnemu anionu, H ^- . Omeniti velja, da je H ^- izelektronik do žlahtnega plina helija, He; to pomeni, da imata obe vrsti enako število elektronov.

Če povzamemo, oksidacije številke za vodik so: 1, 0 in -1 ter molekula H ₂ je, kot da ima dva atoma vodika H ⁰ .

Faze

Prednostna faza vodika, vsaj v kopenskih razmerah, je plinasta, zaradi prej izpostavljenih razlogov. Če pa se temperature znižajo v vrstnem redu do -200 ° C ali če se tlak poveča več sto tisočkrat kot atmosferski, se vodik lahko kondenzira ali kristalizira v tekočo ali trdno fazo.

Pod temi pogoji, H ₂ molekule mogoče uskladiti na različne načine opredeljujejo strukturne vzorce. V London sipanje sile postala zelo smerne in zato geometrije ali simetrije s H sprejete ₂ pojavljajo parov .

Na primer, dva para H ₂ sta enaka zapisu (H ₂ ) _{2, ki} določata simetrični ali asimetrični kvadrat. Medtem, tri H ₂ , ali (H ₂ ) ₃ parova opredeli šesterokotnik, ki je podoben tistim ogljika v grafitnih kristalov. Pravzaprav je ta šestkotna faza glavna ali najbolj stabilna faza za trdni vodik.

Kaj pa, če trdno snov ne sestavljajo molekule, ampak H-atomi? Potem bi se ukvarjali s kovinskim vodikom. Ti atomi H, ki spominjajo na bele krogle, lahko definirajo tako tekočo fazo kot kovinsko trdno snov.

Lastnosti

Fizični videz

Vodik je brezbarven plin, brez vonja in okusa. Zato puščanje pomeni nevarnost eksplozije.

Vrelišče

-253 ° C

Tališče

-259 ° C

Plamenišče in stabilnost

Eksplodira pri skoraj kateri koli temperaturi, če je blizu plina iskra ali vir toplote, tudi sončna svetloba lahko vname vodik. Vendar je, dokler je dobro shranjen, slabo reaktiven plin.

Gostota

0,082 g / L Je 14-krat lažji od zraka.

Topnost

1,62 mg / L pri 21 ° C v vodi. Na splošno je v večini tekočin netopen.

Parni tlak

1,24 · 10 ⁶ mmHg pri 25 ° C. Ta vrednost daje predstavo o tem, kako zaprte morajo biti jeklenke vodika, da se prepreči uhajanje plina.

Temperatura samovžiga

560v ° C.

Elektronegativnost

2,20 po Paulingovi lestvici.

Toplota izgorevanja

-285,8 kJ / mol.

Toplota izparevanja

0,90 kJ / mol.

Vročina fuzije

0,117 kJ / mol.

Izotopi

"Normalno" atom vodika je proton, ¹ H, ki predstavlja okoli 99.985% vodika. Drugi dve izotopi za ta element so devterij, ² H in tritij, ³ H. Ti se razlikujejo po številu nevtronov; devterij ima en nevron, tritij pa dva.

Spin izomeri

Obstajata dve vrsti molekularnega vodika, H ₂ : orto in para. V prvem sta dva vrta (protona) H-atomov usmerjena v isto smer (vzporedna sta); medtem ko sta v drugem dve vrti v nasprotni smeri (sta protiparalni).

Vodik-para je stabilnejši od obeh izomerov; Ko pa se temperatura povečuje, razmerje orto: para postane 3: 1, kar pomeni, da vodikov-orto izomer prevladuje nad drugim. Pri zelo nizkih temperaturah (na daljavo blizu absolutne nič, 20 K) lahko dobimo čiste vzorce vodika-para.

Nomenklatura

Nomenklatura, ki se nanaša na vodik, je ena najpreprostejših; čeprav za svoje anorganske ali organske spojine ni enak način. H ₂ lahko imenujemo z naslednjimi imeni poleg "vodik":

-Molekularni vodik

-Dihidrogen

-Diatomska molekula vodika.

Za ion H ^{+ so} njihova imena protonski ali vodikov ion; in če je v vodnem mediju, H ₃ O ⁺ , oksonijevih kation. Medtem ko je H ^- ion hidridni anion.

Atom vodika

Atom vodika, ki ga predstavlja Bohrov planetni model. Vir: Pixabay.

Atom vodika je najpreprostejši od vseh in je običajno predstavljen kot na zgornji sliki: jedro z enim protonom (za ¹ H), obkroženo z elektronom, ki nariše orbito. Na tem atomu so izdelane in ocenjene vse atomske orbitale za druge elemente periodične tabele.

Vernejša predstavitev trenutnega razumevanja atomov bi bila oblika krogle, katere obrobje je opredeljeno z oblakom in verjetnostnim oblakom elektrona (njegova 1s orbitala).

Kje najti in izdelati

Polje zvezd: neizčrpen vir vodika. Vir: Pixabay.

Vodik je, čeprav morda v manjši meri v primerjavi z ogljikom, kemični element, za katerega brez dvoma lahko rečemo, da je povsod; v zraku, ki je del vode, ki polni morja, oceane in naša telesa, v surovi nafti in mineralih, pa tudi v organskih spojinah, ki so sestavljene, da nastanejo življenje.

Prelistajte katero koli knjižnico spojin, da najdete atome vodika.

Vprašanje ni toliko, koliko, ampak kako je prisotno. Na primer, molekule H ₂ je tako hlapne in reaktivne incidence sončne svetlobe, ki je v atmosferi zelo nizka; zato reagira, da se pridruži drugim elementom in tako pridobi stabilnost.

Medtem ko je v kozmosu višje, vodik pretežno najdemo kot nevtralne atome, H.

Pravzaprav vodik v svoji kovinski in kondenzirani fazi velja za gradbeno enoto zvezd. Ker jih je neizmernih količin in zaradi svoje robustnosti in kolosalnih dimenzij, ta element postanejo najbogatejši v celotnem vesolju. Ocenjujejo, da 75% znane snovi ustreza vodikovim atomom.

naravni

Zbiranje vodikovih atomov, ohlapnih v vesolju, se sliši nepraktično, njihovo pridobivanje s Sončevih obrob ali meglic pa nedosegljivo. Na Zemlji, kjer zaradi pogojev ta element obstaja kot H ₂ , ga lahko proizvajamo z naravnimi ali geološkimi procesi.

Na primer, vodik ima svoj naravni cikel, v katerem ga določene bakterije, mikrobi in alge lahko ustvarijo s pomočjo fotokemičnih reakcij. Omejevanje naravnih procesov in vzporedno z njimi vključuje uporabo bioreaktorjev, kjer se bakterije napajajo z ogljikovodiki, da sprostijo vodik, ki ga vsebujejo.

Živa bitja so tudi proizvajalci vodika, vendar v manjši meri. Če ne bi bilo tako, ne bi bilo mogoče razložiti, kako je ena izmed plinastih komponent nadutosti; ki so se prekomerno izkazale za vnetljive.

Na koncu je treba omeniti, da lahko minerali v anaerobnih pogojih (brez kisika), na primer v podzemnih plasteh, počasi reagirajo z vodo, da ustvarijo vodik. Reakcija Fayelite to dokazuje:

3Fe ₂ SiO ₄ + 2 H ₂ O → 2 Fe ₃ O ₄ + 3 SiO ₂ + 3 H ₂

Industrijska

Čeprav biovodik je alternativa za ustvarjanje tega plina v industrijskem merilu, najbolj uporabljene metode praktično sestavljen iz "Odstranjevanje" vodika iz spojin, ki jih vsebujejo, tako da njegove atomi združujejo in tvorijo H ₂ .

Najmanj okolju prijazni načini pridobivanja so reakcija koksa (ali oglja) s pregreto paro:

C (S) + H ₂ O (g) → CO (g) + H ₂ (g)

V ta namen se uporablja tudi zemeljski plin:

CH ₄ (g) + H ₂ O (g) → CO (g) + 3H ₂ (g)

In ker je količina koksa ali zemeljskega plina velika, je koristno proizvajati vodik s katero koli od teh dveh reakcij.

Drugi način pridobivanja vodika je uporaba vode v električnem razelektru, da se razgradi na njene elemente (elektroliza):

2 H ₂ O (l) → 2 H ₂ (g) + O ₂ (g)

V laboratoriju

Molekularni vodik lahko pripravimo v majhnih količinah v katerem koli laboratoriju. Če želite to narediti, mora aktivna kovina reagirati z močno kislino v čaši ali v epruveti. Opazni mehurčki so jasen znak tvorbe vodika, ki ga predstavlja naslednja splošna enačba:

M (s) + nH ⁺ (aq) → M ^{n +} (aq) + H ₂ (g)

Kjer je n valenca kovine. Na primer, magnezij reagira s H ⁺ , da dobimo H ₂ :

Mg (s) + 2H ⁺ (aq) → Mg ²⁺ (aq) + H ₂ (g)

Reakcije

Redox

Oksidacijske številke same po sebi ponujajo prvi pogled na to, kako vodik sodeluje v kemičnih reakcijah. H ₂ , kadar reakcijo lahko ostane nespremenjena, ali razdeljen v H ⁺ ali H ^- ionov odvisno od vrste se veže s; če so bolj ali manj elektronegativni od njega.

H ₂ ni zelo reaktiven zaradi trdnosti njene kovalentne vezi, HH; vendar to ni absolutna ovira, da bi reagiral in tvoril spojine s skoraj vsemi elementi na periodični tabeli.

Najbolj znana je reakcija s kisikovim plinom, da nastane vodna para:

H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2H ₂ O (g)

In taka je njegova naklonjenost kisiku, da tvori stabilno molekulo vode, da lahko celo reagira z njo kot anion O ^2- v nekaterih kovinskih oksidih:

H ₂ (g) + CuO (s) → Cu (s) + H ₂ O (l)

Srebrni oksid prav tako reagira ali pa se "zmanjša" z isto reakcijo:

H ₂ (g) + AgO (s) → Ag (s) + H ₂ O (l)

Te vodikove reakcije ustrezajo redoks tipu. Se pravi redukcijska oksidacija. Vodik oksidira tako v prisotnosti kisika kot kovinskih oksidov kovin, ki so manj reaktivni od njega; na primer baker, srebro, volfram, živo srebro in zlato.

Absorpcija

Nekatere kovine lahko absorbirajo vodikov plin in tvorijo kovinske hidride, ki veljajo za zlitine. Na primer, prehodne kovine, kot je paladij, absorbirajo velike količine H2 _, ki so podobne kovinskim gobicam.

Enako se zgodi z bolj zapletenimi kovinskimi zlitinami. Na ta način se lahko vodik shrani na drugačen način kot na svoje jeklenke.

Dodatek

Organske molekule lahko tudi "absorbirajo" vodik skozi različne molekularne mehanizme in / ali interakcije.

Za kovin, H ₂ molekule so obdani s kovinskimi atomi v svojih kristalov; medtem ko se v organskih molekulah HH vez razbije, da tvori druge kovalentne vezi. V bolj formaliziranem smislu: vodik se ne absorbira, ampak se doda strukturi.

Klasičen primer je dodajanje H ₂ z dvojno ali trojno vez alkenov in alkinov, v tem zaporedju:

C = C + H ₂ → HCCH

C = C + H ₂ → HC = CH

Te reakcije imenujemo tudi hidrogenacija.

Tvorba hidridov

Vodik neposredno reagira z elementi in tvori družino kemičnih spojin, imenovanih hidridi. V glavnem sta dve vrsti: fiziološka in molekularna.

Prav tako obstajajo kovinski hidridi, ki so sestavljeni iz že omenjenih kovinskih zlitin, ko te kovine absorbirajo vodikov plin; in polimerne, z mrežami ali verigami vezi EH, kjer E označuje kemični element.

Fiziološka raztopina

V fizioloških hidridih vodik sodeluje v ionski vezi kot hidridni anion, H ^- . Da bi to lahko nastalo, mora biti element manj elektronegativen; v nasprotnem primeru se ne bi odpovedal vodiku z elektroni.

Zato se hidridi soli tvorijo le, ko vodik reagira z visoko elektropozitivnimi kovinami, kot so alkalijske in zemeljsko zemeljske kovine.

Na primer, vodik reagira s kovinskim natrijem, da nastane natrijev hidrid:

2Na (s) + H ₂ (g) → 2NaH (s)

Ali z barijem za proizvodnjo barijevega hidrida:

Ba (s) + H ₂ (g) → BaH ₂ (s)

Molekularni

Molekularni hidridi so celo bolj znani kot ionski. Imenujejo jih tudi vodikovi halogenidi, HX, kadar vodik reagira s halogenom:

Cl ₂ (g) + H ₂ (g) → 2HCl (g)

Tu vodik sodeluje v kovalentni vezi kot H ⁺ ; saj razlike med elektronegativnostjo med obema atomoma niso zelo velike.

Voda se lahko šteje za kisikov hidrid (ali vodikov oksid), o reakciji tvorbe pa je že razpravljalo. Reakcija z žveplom je zelo podobna, da dobimo vodikov sulfid, smrdeč plin:

S (s) + H ₂ (g) → H ₂ S (g)

A izmed vseh molekulskih hidridov je najbolj znan (in morda najtežji sintetiziran) amoniak:

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) → 2NH ₃ (g)

Prijave

V prejšnjem razdelku smo že obravnavali eno glavnih uporab vodika: kot surovino za razvoj sinteze, anorganske ali organske. Obvladovanje tega plina ponavadi nima drugega namena, kot da se odzove na ustvarjanje drugih spojin razen tistih, iz katerih je bil pridobljen.

Surovina

- Je eden izmed reagentov za sintezo amoniaka, ki ima neskončno industrijsko uporabo, začenši s proizvodnjo gnojil, celo kot material za nitrogenacijo zdravil.

- Namenjen je reakciji z ogljikovim monoksidom in tako množično proizvaja metanol, reagent, ki je zelo pomemben v biogorivih.

Redukcijsko sredstvo

- je redukcijsko sredstvo za nekatere kovinske okside, zato se uporablja pri metalurški redukciji (že razloženo v primeru bakra in drugih kovin).

- Zmanjšajte maščobe ali olja za proizvodnjo margarine.

Naftna industrija

V naftni industriji se vodik uporablja za "hidrotretiranje" surove nafte v postopkih rafiniranja.

Na primer, želi razdeliti velike in težke molekule v majhne molekule z večjim povpraševanjem na trgu (hidrokreking); sprostijo kovine, ujete v kletkah petroporfirina (hidrodemetalizacija); odstranjevanje žvepla kot H ₂ S (razžvepljevanjem z vodikom); ali zmanjšati dvojne vezi, da nastanejo parafinske bogate mešanice.

Gorivo

Vodik je sam po sebi odlično gorivo za rakete ali vesoljska plovila, saj majhne količine le-tega ob reakciji s kisikom sproščajo ogromne količine toplote ali energije.

V manjši meri se ta reakcija uporablja za oblikovanje vodikovih celic ali baterij. Vendar se te celice soočajo s težavami, da tega plina ne morejo pravilno skladiščiti; in izziv, da postanemo popolnoma neodvisni od kurjenja fosilnih goriv.

S pozitivne strani vodik, ki se uporablja kot gorivo, sprošča samo vodo; namesto plinov, ki predstavljajo sredstva za onesnaževanje ozračja in ekosistemov.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
2. Hanyu Liu, Li Zhu, Wenwen Cui in Yanming Ma. (Nd). Sobno-temperaturne strukture trdnega vodika pri visokih tlakih. Državni ključni laboratorij materialov Superhard, Univerza Jilin, Changchun 130012, Kitajska.
3. Pierre-Marie Robitaille. (2011). Tekoči kovinski vodik: gradnik za tekoče sonce. Oddelek za radiologijo, Državna univerza Ohio, 395 W. 12th Ave, Columbus, Ohio 43210, ZDA.
4. Skupina Bodner. (sf). Kemija vodika. Pridobljeno: chemed.chem.purdue.edu
5. Wikipedija. (2019). Vodik. Pridobljeno: en.wikipedia.org
6. Vodikova Evropa. (2017). Uporaba vodika. Pridobljeno: hydrogeneurope.eu
7. Foist Laura. (2019). Vodik: Lastnosti in pojavljanje. Študij. Pridobljeno: study.com
8. Jonas James. (4. januar 2009). Zgodovina vodika. Pridobljeno: altenergymag.com