Ūdeņradis H ir ķīmiskais elements, viens no visizplatītākajiem mūsu Visumā. Ūdeņraža kā elementa masa vielu sastāvā ir 75% no cita veida atomu kopējā satura. Tas ir iekļauts planētas vissvarīgākajā un svarīgākajā savienojumā - ūdenī. Ūdeņraža īpatnība ir arī tā, ka tas ir pirmais elements D. I. Mendeļejeva ķīmisko elementu periodiskajā sistēmā.
Atklāšana un izpēte
Pirmās atsauces uz ūdeņradi Paracelza rakstos ir datētas ar sešpadsmito gadsimtu. Bet tā izolāciju no gaisa gāzu maisījuma un degošu īpašību izpēti jau septiņpadsmitajā gadsimtā veica zinātnieks Lemery. Ūdeņradi rūpīgi izpētīja angļu ķīmiķis, fiziķis un dabaszinātnieks Henrijs Kavendišs, kurš eksperimentāli pierādīja, ka ūdeņraža masa ir mazākā salīdzinājumā ar citām gāzēm. Turpmākajos zinātnes attīstības posmos ar viņu strādāja daudzi zinātnieki, jo īpaši Lavuazjē, kurš viņu sauca par "ūdens dzemdēšanu".
Raksturīgs atbilstoši pozīcijai PSHE
Elements, kas tiek atvērtsD. I. Mendeļejeva periodiskā tabula, ir ūdeņradis. Atoma fizikālās un ķīmiskās īpašības parāda zināmu dualitāti, jo ūdeņradis vienlaikus tiek iedalīts pirmajā grupā, galvenajā apakšgrupā, ja tas uzvedas kā metāls un ķīmiskās reakcijas procesā atdod vienu elektronu, un septītais - pilnīgas valences apvalka piepildījuma gadījumā, tas ir, uztveršanas negatīvās daļiņas, kas raksturo to kā līdzīgu halogēniem.
Elementa elektroniskās struktūras iezīmes
Ūdeņraža atoma īpašības, sarežģītās vielas, kuru sastāvdaļa tas ir, un vienkāršākās vielas H2 galvenokārt nosaka ūdeņraža elektronu konfigurācija. Daļiņai ir viens elektrons ar Z=(-1), kas griežas savā orbītā ap kodolu, satur vienu protonu ar masas vienību un pozitīvu lādiņu (+1). Tā elektroniskā konfigurācija ir rakstīta kā 1s1, kas nozīmē vienas negatīvas daļiņas klātbūtni ūdeņraža pirmajā un vienīgajā s-orbitālē.
Kad elektrons tiek atdalīts vai atdots un šī elementa atomam ir tāda īpašība, ka tas ir saistīts ar metāliem, tiek iegūts katjons. Faktiski ūdeņraža jons ir pozitīva elementārdaļiņa. Tāpēc ūdeņradi, kurā nav elektronu, vienkārši sauc par protonu.
Fizikālās īpašības
Ja īsi raksturojam ūdeņraža fizikālās īpašības, tad tā ir bezkrāsaina, vāji šķīstoša gāze, kuras relatīvā atommasa ir 2,14,5 reizes vieglāka par gaisu un kuras temperatūra irsašķidrināšana līdz -252,8 grādiem pēc Celsija.
No pieredzes varat viegli redzēt, ka H2 ir vieglākais. Lai to izdarītu, pietiek piepildīt trīs bumbiņas ar dažādām vielām - ūdeņradi, oglekļa dioksīdu, parasto gaisu - un vienlaikus atbrīvot tās no rokas. Tas, kas piepildīts ar CO2, sasniegs zemi ātrāk nekā jebkurš cits, pēc tam uzpūstais gaisa maisījums nolaidīsies, un tas, kas satur H2 pacelsies līdz griestiem.
Mazā ūdeņraža daļiņu masa un izmērs attaisno tā spēju iekļūt caur dažādām vielām. Tās pašas bumbiņas piemērā to ir viegli pārbaudīt, pēc pāris dienām tā pati iztukšosies, jo gāze vienkārši izies cauri gumijai. Arī ūdeņradis var uzkrāties dažu metālu (palādija vai platīna) struktūrā un, paaugstinoties temperatūrai, no tā iztvaikot.
Ūdeņraža zemās šķīdības īpašība tiek izmantota laboratorijas praksē tā izolēšanai ar ūdens pārvietošanas metodi. Ūdeņraža fizikālās īpašības (tālāk esošajā tabulā ir norādīti galvenie parametri) nosaka tā pielietojuma apjomu un ražošanas metodes.
| Vienkāršas vielas atoma vai molekulas parametrs | Nozīme |
| Atommasa (molmasa) | 1,008 g/mol |
| Elektroniskā konfigurācija | 1s1 |
| Kristāla režģis | Sešstūrains |
| Siltumvadītspēja | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Blīvums pie n. g. | 0, 08987 g/l |
| Vārīšanās temperatūra | -252, 76 °C |
| Īpaša siltumspēja | 120, 9 106 J/kg |
| Kušanas temperatūra | -259, 2 °C |
| Šīdība ūdenī | 18, 8ml/L |
Izotopu kompozīcija
Tāpat kā daudziem citiem ķīmisko elementu periodiskās sistēmas pārstāvjiem, ūdeņradim ir vairāki dabiski izotopi, tas ir, atomi ar vienādu protonu skaitu kodolā, bet atšķirīgu neitronu skaitu - daļiņas ar nulles lādiņu un vienību masa. Atomu piemēri, kuriem piemīt šī īpašība, ir skābeklis, ogleklis, hlors, broms un citi, tostarp radioaktīvie.
Ūdeņraža fizikālās īpašības 1H, visizplatītākā no šīs grupas pārstāvjiem, būtiski atšķiras no līdzinieku vienādām īpašībām. Jo īpaši atšķiras to vielu īpašības, kurās tās ir iekļautas. Tātad ir parasts un deuterēts ūdens, kura sastāvā ūdeņraža atoma vietā ar vienu protonu ir deitērijs 2H - tā izotops ar divām elementārdaļiņām: pozitīvu un neuzlādētu. Šis izotops ir divreiz smagāks par parasto ūdeņradi, kas izskaidro būtiskās atšķirības to savienojumu īpašībās. Dabā deitērijs ir 3200 reižu retāks nekā ūdeņradis. Trešais pārstāvis ir tritijs 3Н, kodolā tam ir divi neitroni un viens protons.
Iegūšanas un atlases metodes
Laboratorijas un rūpnieciskās metodes ūdeņraža iegūšanai ir ļoti atšķirīgas. Jā, mazos daudzumosgāzi galvenokārt iegūst reakcijās, kurās iesaistīti minerāli, savukārt liela mēroga ražošanā lielākā mērā izmanto organisko sintēzi.
Laboratorijā tiek izmantotas šādas ķīmiskās mijiedarbības:
- Sārmu un sārmzemju metālu reakcija ar ūdeni, veidojot sārmu un vēlamo gāzi.
- Ūdens elektrolīta šķīduma elektrolīze, H2↑ izdalās pie anoda, un skābeklis izdalās pie katoda.
- Sārmu metālu hidrīdu sadalīšanās ar ūdeni, produkti ir sārmi un attiecīgi H gāze2↑.
- Atšķaidītu skābju reakcija ar metāliem, veidojot sāļus un H2↑.
- Sārmu iedarbība uz silīciju, alumīniju un cinku veicina arī ūdeņraža izdalīšanos paralēli komplekso sāļu veidošanās procesam.
Rūpniecības interesēs gāzi iegūst ar tādām metodēm kā:
- Metāna termiskā sadalīšanās katalizatora klātbūtnē līdz tā sastāvā esošajām vienkāršām vielām (350 grādi sasniedz tāda indikatora vērtību kā temperatūra) - ūdeņradis H2↑ un oglekli C.
- Tvaikojoša ūdens izvadīšana caur koksu 1000 grādu temperatūrā pēc Celsija, veidojot oglekļa dioksīdu CO2 un H2↑ (visizplatītākā metode)
- Gāzveida metāna pārvēršana uz niķeļa katalizatora temperatūrā, kas sasniedz 800 grādus.
- Ūdeņradis ir kālija vai nātrija hlorīda ūdens šķīdumu elektrolīzes blakusprodukts.
Ķīmiskāmijiedarbības: vispārīgi
Ūdeņraža fizikālās īpašības lielā mērā izskaidro tā uzvedību reakcijas procesos ar vienu vai otru savienojumu. Ūdeņraža valence ir 1, jo tas atrodas periodiskās tabulas pirmajā grupā, un oksidācijas pakāpe parāda citu. Visos savienojumos, izņemot hidrīdus, ūdeņradis s.o.=(1+), tādās molekulās kā ХН, ХН2, ХН3 – (1 -).
Ūdeņraža gāzes molekula, kas veidojas, izveidojot vispārinātu elektronu pāri, sastāv no diviem atomiem un ir enerģētiski diezgan stabila, tāpēc normālos apstākļos tā ir nedaudz inerta un, mainoties normāliem apstākļiem, nonāk reakcijās. Atkarībā no ūdeņraža oksidācijas pakāpes citu vielu sastāvā tas var darboties gan kā oksidētājs, gan kā reducētājs.
Vielas, ar kurām tas reaģē un veido ūdeņradi
Elementu mijiedarbība, veidojot sarežģītas vielas (bieži vien paaugstinātā temperatūrā):
- Sārmu un sārmzemju metāls + ūdeņradis=hidrīds.
- Halogēns + H2=ūdeņraža halogenīds.
- Sērs + ūdeņradis=sērūdeņradis.
- Skābeklis + H2=ūdens.
- Ogleklis + ūdeņradis=metāns.
- Slāpeklis + H2=amonjaks.
Mijiedarbība ar sarežģītām vielām:
- Sintēzes gāzes ražošana no oglekļa monoksīda un ūdeņraža.
- Metālu atgūšana no to oksīdiem, izmantojot H2.
- Nepiesātinātās alifātiskās vielas piesātinājums ar ūdeņradiogļūdeņraži.
Ūdeņraža saite
Ūdeņraža fizikālās īpašības ir tādas, ka tās ļauj tam kopā ar elektronnegatīvu elementu izveidot īpašu saiti ar to pašu atomu no blakus esošajām molekulām, kurām ir nedalīti elektronu pāri (piemēram, skābeklis, slāpeklis un fluors). Spilgtākais piemērs, kurā labāk apsvērt šādu parādību, ir ūdens. Var teikt, ka tas ir sašūts ar ūdeņraža saitēm, kas ir vājākas par kovalentajām vai jonu saitēm, taču, ņemot vērā to, ka to ir daudz, tās būtiski ietekmē vielas īpašības. Būtībā ūdeņraža saite ir elektrostatiska mijiedarbība, kas saista ūdens molekulas dimēros un polimēros, paaugstinot tā viršanas temperatūru.
Ūdeņradis minerālsavienojumos
Visu neorganisko skābju sastāvā ir protons - atoma, piemēram, ūdeņraža, katjons. Vielu, kuras skābes atlikuma oksidācijas pakāpe ir lielāka par (-1), sauc par daudzbāzisku savienojumu. Tas satur vairākus ūdeņraža atomus, kas padara disociāciju ūdens šķīdumos daudzpakāpju. Katrs nākamais protons arvien grūtāk atdalās no pārējās skābes. Pēc ūdeņražu kvantitatīvā satura barotnē nosaka tā skābumu.
Ūdeņradis satur arī bāzu hidroksilgrupas. Tajos ūdeņradis ir savienots ar skābekļa atomu, kā rezultātā šī sārma atlikuma oksidācijas pakāpe vienmēr ir vienāda ar (-1). Hidroksilgrupu saturs vidē nosaka tā bāziskumu.
Pielietojums cilvēka darbībā
Cilindriem ar vielu, kā arī konteineriem ar citām sašķidrinātām gāzēm, piemēram, skābekli, ir īpašs izskats. Tie ir nokrāsoti tumši zaļā krāsā ar spilgti sarkanu uzrakstu "Ūdeņradis". Gāze tiek iesūknēta cilindrā aptuveni 150 atmosfēru spiedienā. Ūdeņraža fizikālās īpašības, jo īpaši gāzveida agregācijas stāvokļa vieglums, tiek izmantotas, lai to piepildītu maisījumā ar hēlija baloniem, baloniem utt.
Ūdeņradis, kura fizikālās un ķīmiskās īpašības cilvēki iemācījās lietot pirms daudziem gadiem, šobrīd tiek izmantots daudzās nozarēs. Lielākā daļa no tā tiek izmantota amonjaka ražošanai. Ūdeņradis ir iesaistīts arī metālu (hafnija, germānija, gallija, silīcija, molibdēna, volframa, cirkonija un citu) ražošanā no oksīdiem, kas reakcijā darbojas kā reducētājs, ciānskābe un sālsskābe, metilspirts un mākslīgais šķidrums. degviela. Pārtikas rūpniecībā to izmanto, lai augu eļļas pārvērstu cietos taukos.
Noteica ūdeņraža ķīmiskās īpašības un izmantošanu dažādos tauku, ogļu, ogļūdeņražu, eļļu un mazuta hidrogenēšanas un hidrogenēšanas procesos. Ar tās palīdzību tiek ražoti dārgakmeņi, kvēlspuldzes, k alti un metināti metāla izstrādājumi skābekļa-ūdeņraža liesmas ietekmē.
