Vissvarīgākā un izplatītākā viela uz mūsu planētas, protams, ir ūdens. Ko ar to var salīdzināt pēc nozīmes? Ir zināms, ka dzīvība uz Zemes kļuva iespējama tikai līdz ar šķidruma parādīšanos. Kas ir ūdens (ūdeņraža oksīds) no ķīmiskā viedokļa? No kā tas sastāv un kādas tam piemīt īpašības? Mēģināsim izprast šo rakstu.
Ūdeņradis un tā savienojumi
Vieglākais atoms visā periodiskajā tabulā ir ūdeņradis. Tas arī ieņem divējādu pozīciju, atrodoties gan halogēnu apakšgrupā, gan pirmajā sārmu metālu grupā. Kas izskaidro šādas funkcijas? Tā atoma čaulas elektroniskā struktūra. Tam ir tikai viens elektrons, kas var brīvi gan atstāt, gan pievienot sev vēl vienu, veidojot pāri un pabeidzot ārējo līmeni.
Tāpēc šī elementa galvenie un vienīgie oksidācijas stāvokļi ir +1 un -1. Tas viegli reaģē ar metāliem, veidojot hidrīdus - cietus, negaistošus sāļiem līdzīgus savienojumus b altā krāsā.
Tomēr ūdeņradis viegli veido arī gaistošas vielu molekulas, mijiedarbojoties ar nemetāliem. Piemēram:
- sērūdeņradis H2S;
- metānsCH4;
- silane SiH4 un citi.
Kopumā ūdeņradis veido diezgan daudz savienojumu. Tomēr vissvarīgākā viela, kurā tas ir iekļauts, ir ūdeņraža oksīds, kura formula ir H2O. Šis ir visslavenākais savienojums, ko pēc formulas atpazīst pat sākumskolas skolēns, kurš vēl nepārzina ķīmiju. Galu galā ūdens (un tas ir augstākais ūdeņraža oksīds) ir ne tikai izplatīta viela, bet arī dzīvības avots uz mūsu planētas.
Pats elementa nosaukums atspoguļo tā galveno būtību – ūdeņradi, tas ir, "ūdens dzemdēšanu". Tāpat kā jebkurš cits oksīds, arī šis ir binārs savienojums ar vairākām fizikālām un ķīmiskām īpašībām. Turklāt ir īpašas īpašības, kas atšķir ūdeni no visiem citiem savienojumiem.
Svarīga savienojumu klase, kas veido ūdeņradi, ir gan organiskās, gan minerālskābes.
Ūdeņraža ķīmiskās īpašības
No ķīmiskās aktivitātes viedokļa ūdeņradis ir diezgan spēcīgs reducētājs. Daudzās reakcijās tam piemīt tieši šādas īpašības. Tomēr, mijiedarbojoties ar vēl stiprākiem metāliem, tas kļūst par oksidētāju.
Rūpniecībā ļoti svarīga ir ūdeņraža mijiedarbība ar metālu oksīdiem. Galu galā šis ir viens no veidiem, kā iegūt pēdējo tīrākajā veidā. Hidrogentermija ir metalurģiska metode tīru metālu sintēzei no to oksīdiem, reducējot ar ūdeņradi.
Ūdeņraža reakcijai ar oksīdu ir šāda vispārīgā forma:EsxOy + H2=H2O + Es.
Protams, tas nav vienīgais veids, kā sintezēt tīrus metālus. Ir arī citi. Taču oksīdu reducēšana ar ūdeņradi ir enerģētiski diezgan izdevīgs un nesarežģīts ražošanas process, kas atradis plašu pielietojumu.
Interesants ir arī fakts, ka, sajaucoties ar gaisu, ūdeņraža gāze var veidot ļoti sprādzienbīstamu maisījumu. Tās nosaukums ir sprādzienbīstama gāze. Lai to izdarītu, samaisīšana jāveic ar ātrumu divi ūdeņraža tilpumi uz vienu skābekli.
Ūdens ir ūdeņraža oksīds
Fakts, ka šis oksīds ir ļoti svarīgs, mēs jau esam minējuši vairākas reizes. Tagad raksturosim to ķīmijas ziņā. Vai šis savienojums patiešām pieder šai neorganisko vielu klasei?
Lai to izdarītu, viņš mēģinās formulu uzrakstīt nedaudz savādāk: H2O=HON. Būtība ir tā pati, atomu skaits ir vienāds, tomēr tagad ir acīmredzams, ka mūsu priekšā ir hidroksīds. Kādām īpašībām tam vajadzētu būt? Apsveriet savienojuma disociāciju:
NON=H+ + OH-.
Līdz ar to īpašības ir skābas, jo šķīdumā ir ūdeņraža katjoni. Turklāt tie nevar būt bāziski, jo sārmi veido tikai metālus.
Tāpēc cits nosaukums, kam ir ūdeņraža oksīds, ir visvienkāršākā sastāva skābekli saturoša skābe. Tā kā šādas sarežģītas savijas ir raksturīgas konkrētai molekulai, tāpēc tās īpašības būs īpašas. Un īpašības tiek atvairītas nomolekulas struktūra, tāpēc mēs to analizēsim.
Ūdens molekulas struktūra
Pirmo reizi Nīls Bors domāja par šo modeli, un viņam šajā jautājumā pieder prioritāte un autorība. Viņi instalēja šādas pazīmes.
- Ūdens molekula ir dipols, jo elementi, kas to veido, ļoti atšķiras pēc elektronegativitātes.
- Tā ir trīsstūra forma, ūdeņradis apakšā un skābeklis augšpusē.
- Šīs struktūras dēļ šī viela spēj veidot ūdeņraža saites gan starp tāda paša nosaukuma molekulām, gan ar citiem savienojumiem, kuru sastāvā ir izteikti elektronegatīvs elements.
Skatiet, kā attiecīgais ūdeņraža oksīds shematiski izskatās zemāk esošajā fotoattēlā.
Ūdeņraža oksīda fizikālās īpašības
Var identificēt vairākas galvenās īpašības.
- Agregācijas stāvoklis: gāzveida - tvaiks, šķidrums, ciets - sniegs, ledus.
- Vārīšanās temperatūra - 1000C (99, 974).
- Kušanas temperatūra - 00C.
- Ūdens spēj sarukt, sildot temperatūras diapazonā no 0-40C. Tas izskaidro ledus veidošanos uz virsmas, kam ir mazāks blīvums, un dzīvības saglabāšanos zem ūdeņraža oksīda biezuma.
- Augsta siltumietilpība, bet ļoti zema siltumvadītspēja.
- Šķidrā stāvoklī ūdeņraža oksīdam ir viskozitāte.
- Virsmas spraigums un negatīva veidošanāselektriskais potenciāls uz ūdens virsmas.
Kā jau minēts iepriekš, īpašību īpašības ir atkarīgas no struktūras. Tātad šeit. Spēja veidot ūdeņraža saites ir radījusi līdzīgas iezīmes šim savienojumam.
Ūdeņraža oksīds: ķīmiskās īpašības
No ķīmijas viedokļa ūdens aktivitāte ir diezgan augsta. It īpaši, ja runa ir par reakcijām, ko pavada karsēšana. Ar ko var reaģēt ūdeņraža oksīds?
- Ar metāliem, kas virknē spriegumu ir līdz ūdeņradim. Tajā pašā laikā ar visaktīvāko (līdz alumīnijam) nav nepieciešami īpaši apstākļi, un tie, kuriem ir mazāka reducēšanas spēja, reaģē tikai ar tvaiku. Tie, kas stāv aiz ūdeņraža, nemaz nespēj iesaistīties šādā mijiedarbībā.
- Ar nemetāliem. Ne ar visiem, bet ar vairākumu. Piemēram, fluora atmosfērā ūdens deg ar violetu liesmu. Iespējama arī reakcija ar hloru, oglekli, silīciju un citiem atomiem.
- Ar metālu oksīdiem (bāzes) un skābiem (nemetāliem). Attiecīgi veidojas sārmi un skābes. Starp metāliem šādas reakcijas spēj veikt galveno apakšgrupu pirmo divu grupu pārstāvji, izņemot magniju un beriliju. Nemetāli, kas veido skābos oksīdus, mijiedarbojas ar ūdeni. Izņēmums ir upes smiltis - SiO2.
Ūdeņraža oksīda reakcijas vienādojums ir kā piemērs: SO3 + H2O=H2 SO4.
Izplatieties dabā
Mēs jau esam noskaidrojuši, ka šī viela -visizplatītākais pasaulē. Apzīmēsim procentuālo daļu objektos.
- Apmēram 70% no cilvēku un zīdītāju ķermeņa svara. Dažas faunas daļa ir aptuveni 98% ūdeņraža oksīda (medūzas).
- 71% Zemes ir klāta ar ūdeni.
- Lielākā masa ir okeānu ūdens.
- Apmēram 2% ir sastopami ledājos.
- 0, 63% pazemē.
- 0,001% ir atmosfēras (migla).
- Augu ķermenī 50% ir ūdens, dažas sugas pat vairāk.
- Daudzi savienojumi rodas kā kristāliski hidrāti, kas satur saistītu ūdeni.
Šo sarakstu var turpināt vēl ilgi, jo ir grūti atcerēties kaut ko, kas neietver ūdeni vai kādreiz nebija. Vai arī veidojas bez šī oksīda līdzdalības.
Iegūšanas metodes
Ūdeņraža oksīda iegūšanai nav rūpnieciskas vērtības. Galu galā vieglāk ir izmantot gatavus avotus - upes, ezerus un citas ūdenstilpes, nekā tērēt milzīgu enerģijas un reaģentu daudzumu. Tāpēc laboratorijā ir lietderīgi iegūt tikai destilētu, ļoti tīru ūdeni.
Šiem nolūkiem tiek izmantotas noteiktas ierīces, piemēram, destilācijas kubi. Šāds ūdens ir nepieciešams daudzu ķīmisku mijiedarbību veikšanai, jo neapstrādāts ūdens satur lielu daudzumu piemaisījumu, sāļu, jonu.
Bioloģiskā loma
Teikt, ka ūdens tiek izmantots visur, ir nepietiekams apgalvojums. Nav iedomājams iedomāties savu dzīvi bez šīs saiknes. Norīta un līdz tumsai cilvēks to pastāvīgi izmanto gan sadzīves, gan rūpnieciskiem nolūkiem.
Ūdeņraža oksīda īpašības nozīmē tā izmantošanu kā universālu šķīdinātāju. Un ne tikai laboratorijā. Bet arī dzīvās būtnēs, kur katru sekundi notiek tūkstošiem bioķīmisko reakciju.
Arī ūdens pats ir daudzu sintēžu dalībnieks, kalpo arī kā blakusprodukts, kas rodas no tām. Katrs cilvēks uz Zemes 60 gadu laikā iziet cauri aptuveni 50 tonnām šīs apbrīnojamās vielas!
Izmantots ūdeņraža oksīds:
- visās nozarēs;
- medicīna;
- ķīmiskā sintēze;
- visu veidu nozarēs;
- mājsaimniecības vajadzības;
- lauksaimniecība.
Ir grūti definēt dzīves jomu, kurā var iztikt bez ūdens. Vienīgās dzīvās būtnes, kuru sastāvā nav ūdeņraža oksīda un kas dzīvo bez tā, ir vīrusi. Tāpēc cilvēkam ir grūti cīnīties ar šiem organismiem.
